MW汽轮机的性能特点及分析

1、900MW 超临界汽轮机的性能特点及分析冯伟忠（上海外高桥第三发电有限责任公司， 上海 邮编200137）【摘要】：分析了外高桥二期2×900MW汽轮机的技术特点，该机取消了调节级，优化了整机叶型及进汽方式，采用推杆系统及对分桶型高压外缸，窄法兰中压外缸，单支点轴系及特殊的汽缸与凝汽器及与基础的联接结构等，提高了效率，使汽轮机能在冷、温、热态下均能快速启动，在各种工况下振动小且稳定。另外，还对机组负荷调节能力强，超速小、安全性好及自动化程度高等方面进行了阐述和分析。综合这些技术特点的结果，使该型汽轮机整体性能达到了国际先进水平。【关键词】：超临界；汽轮机；调节级；推杆；单支点；甩负荷

2、【中图分类号】：0、项目简述外高桥二期工程，建设两台900MW超临界汽轮发电机组。项目利用世界银行贷款，采用国际公开竞争性招标方式进行设备岛采购，其中汽轮发电机岛最终由德国SIEMENS公司中标，其汽轮机的基本技术参数如下：汽轮机形式：超临界单轴、单背压、一次再热、四缸四排汽； 额定出力： 900MWTMCR及VWO出力： 936MW/980MW主汽门前额定压力/温度 23.96 MPa/538主蒸汽额定流量/最大流量 2537T/h /2788T/h高压缸排汽压力 5.495 MPa再热蒸汽门前额定温度 566再热汽流量 2264T/H背压 4.9KPa低压缸末级叶片长度 1146mm(45

3、”)设计热耗 7602 kJ/kWh(1816kcal/kWh)经过参建各方4年多的奋战，两台机组已已分别于2004年4月20日及9月22日提前投入商业运行。从调试阶段直到投产后的商业运行及性能试验，两台机组在可调性、经济性、稳定性、可靠性、以及自动化等各方面都显示出了优异的性能，其综合水平在国内领先，达到了国际先进水平。以下就汽轮机在运行性能特点方面做一些介绍及分析。1、效率高两台汽轮机的性能试验均已完成，热耗分别为7531.4 kJ/kWh及7500.8 kJ/kWh，远低于合同保证值，并且机组的系统配置尚为二级高加（给水温度276）及单背压。若为三级高加及双背压，其热耗水平可直逼日本的1

4、000MW超超临界机组。之所以能达到这样的高指标，与其采用的一系列特殊的技术措施有关：1.1 取消调节级随着机组容量的增大和参数的提高，理论和实践都已证明，对于高参数机组，特别是超临界机组，在低负荷下，滑压运行方式的经济性优于定压方式。因此，变压运行方式已被现代超临界大机组所普遍采用。在此前提下，采用调节级已无必要。SIEMENS的900MW汽轮机高压缸无调节级，主蒸汽通过汽缸左右两侧的联体主汽门和调节门进入均压环室，而后直接到压力级做功。调节门采用节流调节方式（在稳定工况时维持5%门前压力的压降）。由于取消了高压缸内运行工况最恶劣的调节级，其安全性大为提高。而源于调节级的其他负面影响，如：由

5、于沿圆周方向不均匀进汽造成的推力瓦不均匀受力，个别瓦温度高；非全周进汽导致的部分进汽损失和周期性蒸汽激振；余汽的速度损失大；级效率相对最低等。随着调节级的取消，这些相关问题也迎刃而解。就运行效率而言，无调节级的超临界汽轮机，在全负荷变化范围内均优于有调节级汽轮机。另外，在滑压运行状态时，因主蒸汽温度不随负荷变化，采用纯压力级的高压缸内的温度场在变负荷时仍能保持相对稳定，这极大的改善了变负荷时高压转子的应力状况，使得该类型汽轮机能适应很高的负荷变化速率。而变负荷下高压缸排汽温度的稳定，也相应确保了再热温度的稳定，确保了系统效率。1.2 优化整机叶型及特殊措施图1 纯冲动级及与纯反动级效率比较目前

6、，SIEMENS的汽轮机叶片制造已完全柔性化，通过使用计算机控制的CAECADCAM五轴铣床，几乎可以制造任何新型的三维叶片。因此，叶片的标准化已无意义。与传统机组完全不同，目前SIEMENS的大机组，高、中压缸采用了全三维，变反动度，带一定倾斜度的叶片设计，大大降低了叶型损失及二次流损失。在低压级，通过数字优化叶形设计，能大幅减少超音速流动在叶片背弧引发的冲击波所造成的损失。借助于全数字汽缸的整体优化，能使各级叶片在满足100多个约束条件下达到效率的最大化，据称，其综合内效率可提高2%。SIEMENS曾对纯冲动级和纯反动级做了效率对比研究（见图1），由图可见，根据不同的容积流量，两种叶片的内

7、效率各有千秋，随着汽缸内各级压力的逐步递减和容积流量的递增，各级的合理反动度亦不同，除第一级外，经优化后实际的各级反动度在30%60%之间。为提高容积流量相对较低的前级效率，高压缸采用单流设计，虽然这会造成较大的轴向推力，并因此增大了平衡盘直径及漏气损失，但与双流设计相比，叶片高度增加近一倍，级效率显著提高，故综合的缸效率是增加的。鉴于在结构上，高、中压缸的第一级静叶无叶顶间隙及漏气损失，故该级均采用低反动度（冲动式）设计，大大减少了动叶的压降及叶顶漏气损失，最大限度的提高了级效率，同时也有效的降低了转子第一级的温度。特别是该级采用的90°转向进汽设计，巧妙地缓解了固体颗粒侵蚀（SP

8、E）问题，避免了因SPE问题而引起的级效率不断下降甚至失效的风险。机组的末级为1146mm的长叶片，为解决湿汽冲蚀问题，SIEMENS采用了独特的去湿措施，这是在空心的末级静叶内通以较高温度的蒸汽(三级抽汽)，使其表层水膜被静叶沿流向逐渐加热，吸收汽化潜热而逐步蒸发，使动叶免受水膜脱落产生的大水滴的冲蚀。另外，由于水滴大都会撞向动叶的背侧，这会抵消一部分蒸汽的动能。因此，消除水滴冲蚀问题的同时，也相应提高了级效率。在二期900MW机组的调试期间，发现锅炉的再热蒸汽温度比设计值偏低约3040。这会造成汽轮机低压缸排汽湿度的显著增加，末级叶片可能因此不断受到冲蚀，效率逐步下降，甚至危及叶片安全。当

9、时，我们请SIEMENS评估这一问题的风险，但SIEMENS表示问题不大，也不必限制负荷。05年3月第一台机组大修的低压缸揭缸检查发现，虽经过一年多的低再热温度运行，末级叶片似乎毫发无损，这说明SIEMENS的末级静叶的消湿措施非常有效，并能适应较宽范围的湿度变化。1.3 采用推杆系统，减小动静间隙900MW汽轮机的低压级的动静间隙很小，只及其他同级机组的一半，相应提高了级效率。这主要得益于采用了SIEMENS的独门绝活推杆系统。如图2：图2 推杆系统及动、静膨胀比较二个低压内缸及中压外缸通过左右两侧的推杆（螺栓）相连接，这使得三个缸在机械上成为一体(组)。在热态时，缸的热膨胀量将通过推杆向后

10、续汽缸传递。因此，虽然在启动及运行过程中转子会因热膨胀而伸长，但由于汽缸组同样受热而相应伸长，两者间的相对膨胀值远小于其他具有同样汽缸数的汽轮机。另外，将不同级温度的蒸汽分别引入低压内缸的外侧腔室，以使其能处于一个与低压转子相似的热环境，从而使低压内缸在运行中，尤其是在变工况时能取得和转子相近的热膨胀（收缩）响应。2、 启动速度快图3 设计与实际启动曲线比较按设计，在冷态，从机组冲转到全速，仅用短短的5分钟，再用50分钟的全速暖机便可并网；在热态或极热态，升速时间甚至仅需2分钟。而在首次启动时，则安排了在360（转/min）时停留1520min，然后继续以600转/min2的升速率直达额定转速

11、。按SIEMENS设计，在汽轮发电机组跳闸后，必须待转速降至停留平台后才能重新程控启动，而由于轴承的摩擦力小，该机组的惰走时间太长，为缩短汽轮发电机跳闸后重新启动的时间间隔，后来将中间的转速停留点改为860（转/min）。之所以机组能达到如此好的启动特性，究其原因，主要在于以下几个方面：2.1 对分桶装结构高压外缸高压外缸采用独特的轴向对分桶装结构，对分面采用螺栓联接，无水平中分面及法兰。内缸形式如水泵的芯包，为圆桶结构并采用轴向对剖垂直中分面及螺栓连接，螺栓孔直接置于缸壁内。与水平中分面相比，轴向对分面的受力远小于前者，这就能充分缩小对分法兰面，同时也使高压、高温段汽缸壁的周向均匀性得到最大

12、的改善。采用此种结构，使机组在启动过程中，汽缸周向受热均匀，可极大的缩短启动时间。2.2 窄法兰中压外缸及对称热环境该机组的中压缸采用水平中分窄法兰外缸。因工作压力较低，缸体相对较薄，故同样也有着很好的热均匀性。中压缸的排汽从上部中间引出，送至低压缸。为防止上、下缸温度的不均匀分布，其排汽亦作为四级抽汽，从下缸中间引出。从而为内缸创造了极好的对称热环境。这种设计对最大限度的降低汽缸的不对称变形，减少径向间隙，提高内效率和改善启动特性具有显著作用。2.3 高、中压缸内汽温稳定且分布均匀取消调节级后，机组采用滑压运行，但汽温不变。高压缸内的温度分布均匀，且因高压缸排汽温度稳定，又相应稳定了再热蒸汽

13、温度，使得中低压缸内的温度分布也能得到稳定，极大地改善了汽轮机在启动及变工况下的转子应力状况，使机组能适应快速启动及快速变负荷。2.4 采用汽缸推杆装置汽缸推杆系统的采用，解决了多缸汽轮机的汽缸和转子的同步膨胀问题。使汽轮机无论在启动过程或变负荷工况，均不必再考虑转子和汽缸间的相对膨胀及动静间隙问题。3、振动小且分布稳定在整个冲转过程及运行中，包括在经过临界转速时，各道轴振均小于50m。更有甚者，与以往所有机组不同的是，不管机组的真空及负荷如何变化，各道轴承的轴振分布状况及数值几乎不变，似乎显示器的画面已被 “冻结”。尤其不可思议的是，在停机状态，单人单手就可以轻松的对巨大的转子进行手动盘车。

14、机组的振动小及振动状态的稳定，说明设备的制造、安装以及相关的系统调试质量很好，但除此之外，机组在技术上的特殊性也非常重要：3.1 采用单支点轴系该机组采用的轴承系统为单支点方案。其中汽轮机四缸共5个轴承，发电机采用端盖式轴承，再加上励磁机后轴承共8道轴承。对于单轴特大型机组来说，最大限度的缩短轴系长度极有利于轴系的稳定性。该汽轮发电机组的总长48.2m，与同级别美、日双支点轴系的机组缩短约10m。采用单支点轴系，消除了双支点轴系相邻轴承间的负荷分配不均问题，使轴承的负荷稳定，不受膨胀变化影响，并能避免油膜振荡，其补偿基础变形能力强，有利于轴系的稳定。另外，其轴承磨擦损失和润滑油量小。3.2 消

15、除周期性蒸汽激振取消调节级后，因调节级而造成的周向蒸汽汽流的不均匀分布问题已不复存在，故对转子而言的周期性蒸汽激振问题得到了解决，这相当于明显减少了转子振动的激振能量，极有利于降低转子的振动水平。3.3 刚性的汽缸与凝汽器联接及刚性凝汽器基础众所周知，绝大多数的汽轮发电机各轴承处的振动分布及振动值，都会随着机组真空及负荷的变化而变化。但SIEMENS的900MW汽轮机却能独善其身，其最重要的因素是汽轮机与基座及凝汽器的连接方式。该机低压外缸与凝汽器的连接，不同于传统的刚性（凝汽器）基础加柔性连接或弹簧基础加刚性连接方式。它采用了刚性基础，刚性连接的特殊方式。低压外缸穿越汽轮机上部混凝土台板，直

16、接焊接与台板下方的凝汽器上，而凝汽器则刚性的坐落于底部混凝土基础上。一般的汽轮机，低压外缸均坐落在混凝土台板上，在运行真空的作用下产生巨大的向下力，导致基础台板微量弯曲变形，这会改变轴承间的负荷分布，并使轴系的振动恶化。但SIEMENS的这种汽轮机，由于低压外缸与基础台板无关，故机组的真空变化与振动无关。另外，一般的带调节级及双支点的汽轮机，当负荷变化时，各汽缸的负荷分配及各轴承的荷载分布相应改变，毫无疑问，其个轴承处的振动分布必然改变。而SIEMENS的这种汽轮机，因无调节级且为单支点轴系，各汽缸的负荷分配及各轴承的荷载分布不随负荷变化而改变，当然，振动情况亦与负荷不相关。4、负荷调节能力强

17、取消调节级的汽轮机，其基本的负荷调节方式只能是滑压运行方式，但若采用纯滑压的运行方式，虽无调门的节流损失，效率最优，但负荷的调节完全受制于锅炉，其调节速率太慢。为兼顾运行效率和调频响应速度，SIEMENS的900MW汽轮机采用了所谓改进型的滑压运行方式。在机组稳态工况下，一对并行工作的调节门保持5%主汽压力的节流压降，当需变动负荷时，先由调门通过改变节流压降进行调节，以满足快速响应的要求。然后再由机组的协调控制系统调节锅炉的热负荷及汽压，直至调节门压降恢复正常值。对于来自锅炉侧产生的热负荷扰动，亦可采用上述同样的调节过程予以消除。至于遇到快速减负荷的情况，在调门快速关小而出现主汽压力骤然升高时

18、，100%容量的高压旁路系统实行全程跟踪，会立即开启进行溢流泄压，以使调门不承担过大的压降。虽然在多数工况下都存在一定的节流损失，但由于取消了调节级，不但提高了高压缸总体内效率，完全能补偿调门的节流损失，而且彻底消除了调节级所带来的其他相关的问题。带调节级的汽轮机，调节级后的压力和温度随负荷变化，过快的调节速率会影响转子的寿命，因此，其负荷的变化速率要受到限制。而无调节级的汽轮机的高压转子的温度分布基本不变，故其减负荷的速率不受限制。SIEMENS的900MW汽轮发电机允许快速甩负荷，在遇电网（或出线）故障的情况下，即使机组处于满负荷状态，在大容量旁路的配合下，亦可迅速转入只带厂用电的孤岛运行

19、（FCB）或汽轮机空转方式。在机组的调试阶段，已成功地实现了满负荷工况下的停机不停炉及FCB。在德国，汽轮机的设计必须符合德国联合学会（DVG）有关应付阶跃负荷变化的规定，该规定要求机组在电网需要时应能在30s内释放机组所蓄5%容量的负荷。按SIEMENS汽轮机的设计，这一要求可通过短时阻断凝结水以减少低压加热器抽汽或切除高加的方法予以实现。在国内，以往源于受制于汽轮机末级叶片的强度和通流能力的限制，在高加退出运行时，机组的出力要受到限制。但SIEMENS汽轮机各级叶片的强度和通流能力的设计，则能满足汽轮机在抽汽全部停止的情况下超出一定容量的过负荷运行。这不但增加了机组正常工况下的运行安全性，

20、也为机组灵活多样的调峰方式提供了选择。外高桥的两台900MW机组，在调试期间的最大出力分别达到1003MW和1008MW。5、超速小，安全性好在外高桥二期工程900MW机组的调试阶段，分别对两台机组做了甩负荷试验，从试验的结果来开，其相对最大超速量很小。分别只有134.2 r/min和146.6r/min，不到额定转速的5%。其飞升曲线如图4：与Westinghous300MW/600MW及其它的机组相比，这两台机组的超速量明显较小。而且需要说明的是SIEMENS的汽轮机不设置OPC功能，而带有OPC功能的（如Westinghous机组）机组，一旦电气主开关断开，其辅接点的信号即送至DEH，调

21、门关闭信号随即发出，由于断路器灭弧须数个周波，在此过程中，发电机仍向外送出功率，只有在开关熄弧之后，超速才会发生。相比之下，不带OPC功能的机组，其DEH的调门关闭指令要待转子实际超速信号出现之后，相对时间要滞后数十毫图4 两台机组甩负荷试验转子飞升曲线秒。因此，对其DEH及汽轮机的性能要求更高。分析SIEMENS的900MW汽轮机超速量小的原因，首先说明其DEH控制系统及主蒸汽，再热蒸汽的调门具有非常快的响应速度和很好的调节性能。其次是汽轮机的有害容积相对较小，该高压缸的一对调门与主汽门的组合阀直接焊接与汽缸的两侧，使得蒸汽参数最高的导汽管的容积量可以忽略不计，另外，与通常冲动式机组采用的叶

22、轮及隔板结构不同，反动式机组的转鼓结构，使得各级间的蒸汽容积量降到了最低，几乎只剩下叶间容积。这样一来，在调门有效关闭后，缸内剩余蒸汽的做功能力大为降低，有效地降低了机组甩负荷时的超速量，提高了机组的安全性。6、自动化程度高汽轮发电机的启动全过程自动化，包括预热、冲转、并网、加负荷及厂用电切换等，包括各种异常情况及事故处理，均无需人工干预，真正做到了“一键启动”，与Westinghouse机组不同，SIEMENSE机组无手操（遥控）启动方式，只可设置若干人工确认断点（非必需），如冲转启动及并网确认等。以往引进型的机组，鲜有真正实现汽轮机自动启动（ATC），其中一个很重要的原因是启动及冲转过程中

23、很难做到所有条件均得到满足，特别是许多重要参数，如上下缸壁温差及各轴承的轴振的分布及振动水平的不确定性等，再加上机组的可控性差，通常只能做到部分自动方式。而SIEMENS的机组，敢于并能够实现不允许人工干预的启动方式，其关键的因素是主机特殊的设计，优异的性能及良好的可控性和状态的可重复性。而机组全自动启动的实现，客观上将启动过程中，包括并网及厂用电切换等阶段的误操作概率降到了最低。7、结论7.1 超临界汽轮机取消调节级，能提高运行效率且能消除采用调节级所带来的一系列问题，使高、中压缸温度分布均匀，能适应快速负荷变化。而推杆系统及的采用，消除了单轴多缸高参数大机组发展的瓶颈。加上桶型高压缸及窄法

24、兰中压外缸结构，使机组能在各种工况下快速启动。7.2 基于CAECADCAM技术的叶片制造柔性化，使高、中压缸的叶片采用全三维，变反动度，带一定倾斜度及叶片设计整体（个案）最优化成为可能。高、中压缸第一级采用低反动度及90°转向进汽设计，在提高级效率的同时能降低转子温度，且缓解了固体颗粒侵蚀问题。7.3 采用单支点轴承系统，能大大缩短整机长度，消除了相邻轴承间的负荷分配不均问题，使轴承的负荷稳定，避免油膜振荡，补偿基础变形能力强，轴承磨擦损失和润滑油量小。加上低压缸与基础台板的分离结构，使轴系在冲转过程及各种运行工况下均能保持稳定和降低振动水平。7.4 高压调门与主汽门的组合阀直接与

25、汽缸焊接及反动式转鼓结构转子，最大限度地减少了有害容积，降低了转子超速水平。7.5 机组实现全自动启动，包括自动并网及厂用电切换，以及实现停机不停炉和FCB，能极大地提高运行可靠性。 SIEMENS的超临界大型汽轮机的技术，在国际上独树一帜，其综合性能处于领先地位。他的许多设计理念和结构特点与我们以往所熟悉的前苏联及美（日）的技术有着很大的差别。全面地吸收和消化这些技术和设计理念，对促进我国超超临界机组技术的发展有着重要的意义。外高桥二期2×900MW超临界汽轮发电机，从1998年9月开始合同谈判到2004年9月全部建成投产，历时6年。目前，商业运行已一年余。在此期间，通过设计，安装

26、，调试、运行及性能试验等各阶段的学习、研究和实践，对SIEMENS 900MW超临界汽轮机的独特设计及各项技术和性能特点有了不断深入的了解和体会，也为下一步建设百万级超超临界机组积累了宝贵的经验。目前外高桥三期2×1000MW超超临界机组工程也已开始建设，根据二期工程的成功经验，经过技术经济比较，决定三期工程仍沿用二期的技术路线，选择了上海电气集团引进SIEMENS技术生产的汽轮发电机组。参考文献1 王乃宁，张志刚。汽轮机热力设计。水利电力出版社，1987.92 沈士一等。汽轮机原理。水利电力出版社。1992.63 冯伟忠。外高桥电厂二期 900MW汽轮机的技术特点。热力发电，200

27、3，32（6）：25，10。4 冯伟忠。GW级SIEMENS汽轮机的技术特点。华东电力，2003，31（增刊），12165 冯伟忠。900MW超临界机组FCB试验。中国电力，2005.38（2），74776 冯伟忠。外高桥二期2×900MW工程调试工作特点及回顾。上海电力，2005.2，1111167 冯伟忠。1000MW级火电机组旁路系统作用及配置。中国电力，2005.38（8），53562005年10月The performance traits and the Analysis of 900MW super-critical turbineFeng Weizhong（Shanghai Waigaoqiao No. 3 Power Generation Co., Ltd., Shanghai 200137）【Abstract】：This study analyses the technical traits of 2X900MW steam turbines in Waigaoqiao Project Phase II. The design of this turbine is of without control stage, it o