东方1000MW 超超临界汽轮机设计特点

东方1000MW超超临界汽轮机设计特点王建录喻刚（东方汽轮机厂）1总体介绍1.1总体结构东方超超临界1000MW汽轮机为一次中间再热、单轴、四缸四排汽、凝汽式汽轮机。从机头到机尾依次串联一个单流高压缸、一个双流中压缸及两个双流低压缸。高压缸呈反向布置（头对中压缸），由一个双流调节级与8个单流压力级组成。中压缸共有2X6个压力级。两个低压缸压力级总数为2X2X6级。末级叶片高度为43〃。其总体结构如图1.1.1所示。图1.1.1汽轮机总体结构图1.2主要技术规范⑴型号N1000-25.0/600/600（2） 额定参数功率1000MW高压主汽阀前蒸汽压力25.0MPa.a,温度600°C中压主汽阀前蒸汽压力4.25MPa.a,温度600°C正常排汽压力（平均值）0.0051MPa（a）最终给水温度298.5°C主蒸汽流量2733t/h额定转速3000r/min机组总长37.9m（不含电机）旋转方向逆时针冷却水温（设计水温）21.5°C维持额定功率时的最高计算冷却水温36°C配汽方式全电调（阀门管理）（3） 通流级数:热力级为20级，结构级为45级，其中高压缸1（双流调节级）+8压力级中压缸2X6级（单缸双流程）低压缸（A、B）2X2X6级（双流程）2主机设计特点2.1经济性好2.1.1先进的非定场全三维通流设计技术叶片各截面沿叶高三维空间成型，在叶道内沿径向形成“C型压力分布，即：压力两端高，中间低（C型），二次流由两侧向中间流动汇入主流，减小了端部二次流损失（见图2.1.1）。2.1.2动叶叶顶整圈自带冠采用减振效果优良的单层自带冠结构，静态时连接件间留有最佳安装间隙，在一定转速下开始接触，在额定转速时连接件接触面产生一定的最佳正应力，在此正应力作用下，阻尼件将大大地消耗叶片振动能量，衰减振动，降低叶片的动应力（见图2.1.2）。图2.1.1图2.1.22.1.3平衡扭曲动叶（BV叶型）考虑了气体压缩性的层流叶型，具有更低的型线损失。采用扭曲成型使流型沿叶高优化，进口攻角减小，级效率明显提高（见图2.1.3）。2.1.4高负荷（CUC、HV）静、动叶技术叶面的后加载气动布局特性使端损减小（见图2.1.4）。对原平衡动叶叶型根部型线改进设计，叶片负荷提高，叶片数减少，型面损失及尾迹损失均减少15%。通过叶型修型改善型面的气动布局特点，减小攻角损失最低压力点向后移，减小了扩压区，型损下降。2.1.5多维弯曲静叶技术喷嘴被切向弯曲，形成三维扩散流道减少二次流损失。级效率提高1-2%（见图2.1.5）。2.1.6薄出汽边技术静叶薄出汽边与厚出汽边相比：•尾迹损失小••级效率提高0.6〜0.9%（见图2.1.6）。图2.1.5图2.1.62.1.7汽封技术CFD流场优化研究对传统汽封和新型结构的汽封进行大量CFD分析和结构优化，得到适用于各系列机组和各级次的密封特性优良的汽封几何结构，提高汽封的密封特性，减小汽轮机的泄漏损失（见图2.1.7）。图2.1.71） 动叶叶顶多齿汽封技术高压轴汽封和部分隔板汽封采用新型“Guardinseal”汽封，进一步减小轴封间隙，提高内效率（见图2.1.7.1）。2） 动叶叶顶多齿汽封技术动叶采用自带冠技术，动叶顶部叶冠采用城墙结构，使叶顶的汽封齿数由两个增加到四个高低齿，减少漏汽量，提高缸效率。图2.1.3图2.1.4（见图2.1.7.2）。3） 椭圆形弹簧支承敏感式汽封动叶采用自带冠技术，动叶顶部叶冠采用城墙结构，使叶顶的汽封齿数由两个增加到四个高低齿，减少漏汽量，提高缸效率。（见图2.1.7.2）。图2.1.7.1图2.1.7.24）先进的铁素体汽封进口铁素体不锈钢汽封齿不会淬硬，即使动静摩擦，仍保持较低硬度，不损伤转子，汽封间隙小，结合尖齿结构，可提高封汽效果。用户可放心按动静间隙下限安装，不必人为放大汽封间隙，提高机组经济性（见图2.1.7.4）。图2.1.7.3图2.1.7.42.1.8阀门汽动性能优化研究通过气动特性试验，研究和优化阀门进汽方式、主汽阀及调节阀的阀碟和阀座型线、阀壳内部型线及结构。获取流量特性曲线和提升力特性曲线，提高阀门的稳定特性并优化气动特性（见图2.1.8） 。图2.1.82.1.9高、中压排汽缸优化利用整缸流场计算的流体力学软件对高压排汽蜗壳进行整个涡壳的数值计算和流场分析，进行高压排汽涡壳的模型吹风试验及内部结构优化的试验研究。大量的数值计算及吹风试验研究相结合，优化后高、中压排汽涡壳全压损失系数大幅下降（见图2.1.9） 。图2.1.9.1速度流线图2.1.9.2各截面压力分布云图2.1.10轴向扩压型排汽蜗壳研究对扩压管应用流体力学计算软件进行数值计算和流场分析，采用正交试验法进行吹风试验，对低压排汽缸进行整缸的模型吹风试验及内部结构优化的试验研究。优化导流环型线，改善扩压管扩压效果。增加低压外缸导流环背后的导汽板，使扩压管出口汽流流向下半缸，改善汽流流动状况，增加低压外缸上半刚性。适当增加排汽缸的径向和轴向尺寸，增强汽缸的扩压能力，使低压排汽缸具有良好的静压恢复能力，减少能量损失。优化排汽缸两侧锥体，增加曲线型导流板，顺应汽流的流线，降低流动损失。优化排汽缸中支撑筋板布置，减小流动损失。能量损失系数小于0.85，远小于径向扩压（见图2.1.10）。图2.1.10.1图2.1.10.2图2.1.10.3低压排汽缸扩压管的压力分布云2.1.11机组持久效率高冲动式汽轮机的隔板处转子根径小，级间的漏汽区域相对较小大部分压降发生在静叶和喷嘴中，动叶前后压差较小，动叶顶的漏汽量小（见图2.1.11）。2.2可靠性高东汽、日立在试验研究、设计制造、安装调试等各个环节投入了大量人力物力，使机组轴系稳定性、末叶可靠性、汽缸、汽封系统、控制系统可靠性得以保证。超超临界1000MW机图2.1.11组全部高、中、低压四个汽缸零部件都经过运行考验，均有优良的运行业绩；结构成熟可靠。母型机情况表：电厂原町2#Haramachi常陆那珂1#Hitachi-Naka苫东厚真4#Tomato-Atsuma型式CC4F-41CC4F-41TC4F-43参数24.5MPa/600°C/600°C24.5MPa/600°C/600°C25MPa/600°C/600°C背压4.27KPa5.09KPa3.33kPa机组功率1000MW1000MW700MW投运时间1998.72003.12002.6取用部套高压缸、中压缸高压缸、中压缸低压缸日立公司700MW机组创造了日本电厂最高热效率记录。其设计热耗为7226kJ/kW.h(1726kcal/kW.h)，实测值为7194kJ/kW.h(1718.2kcal/kW.h)，实测热效率达到50%。2.2.1轴系稳定可靠•转子双支点支撑•无中心孔整锻转子•转子厂内高速动平衡•1#、2#轴承采用高抗扰可顷瓦轴承•主油泵与转子采用刚性联接•对轮设止口，对中精度高并防止滑移•有效的防止汽流激振的设计2.2.2先进可靠成熟的系列末叶43“末级叶片已在苫东厚真700MW机组上投运，到目前已运行四年多，优秀运行业绩验证的先进可靠成熟的末级叶片(见图2.2.2)。图2.2.1图2.2.22.2.3巧妙的高、中压汽缸设计•高压汽缸采用双层缸结构，内缸和外缸之间的夹层只接触高压排汽，使缸壁设计较薄，高压排汽占据内外缸空间，简化汽缸结构。•上半缸猫爪中分面支承、下半缸猫爪横键轴向推拉轴承座并作横向热膨胀导向，汽缸稳定性高、对中性好、启停灵活。•锥筒形外缸与排汽蜗壳相切，轴向刚性好。•中分面法兰等高设计，避免中分面法兰高度剧烈变化对汽缸刚性产生影响。•降低高压外缸的工作压力，适当加宽外侧密封面宽度，使螺栓工作时所需的密封应力小。•螺栓直径从汽缸中部至两排汽端依次递减，避免螺栓直径突然变化。•防止螺栓咬死特殊设计制造（见图2.2.3）。图2.2.3.1图2.2.3.22.2.4专利三层低压缸结构低压缸的设计采用专利技术三层缸结构。三层低压缸结构彻底解决了低压内缸进汽高温区对内缸中分面影响，减少热变形，保证汽缸中分面的密封性。（见图2.2.4）。2.2.5有效低压防水蚀措施•适当增大动、静叶间的轴向距离，以利小水滴进入疏水槽减小水滴对动叶的冲击能量，延缓水蚀的影响；•优化末级流场，提高根部反动度，避免在低负荷时，动叶根部出现倒流引起根部冲刷；•末级顶部采用高频淬火•机组运行时通过监视低压排汽参数变化监控末叶根部出汽边水蚀状况。•低压湿蒸汽区有足够疏水槽除水。（见图2.2.5）图2.2.4图2.2.52.2.6先进的高压主汽调节阀和中联门•高压主汽调节阀浮动悬吊在运行平台下、中压联合汽阀单支点弹簧支撑在汽缸下半两侧，厂房整洁美观、检修方便，机组轴向热膨胀对汽缸接口作用力小，汽缸和轴系稳定。•阀杆套筒和阀杆上司太立合金自密封凸台主汽阀入口设蒸汽滤网，防止异物进入汽机通流•各阀均独立油动机控制•液压开启，弹簧关闭使圆盘式卸载主汽阀关闭快速•电气凸轮实现高压调节阀“复合调节配汽”•阀座采用螺栓固定在阀壳内，拆卸方便•各阀可独立做全行程在线活动试验（见图2.2.6）。图2.2.6.1图2.2.6.22.2.7自润滑滑销系统•前轴承箱滑块采用石墨自润滑滑块，机组膨胀顺畅；上滑块均可覆盖下滑块，避免灰尘杂质落入滑动面；使滑块适应恶劣工作环境、终生免维护。•圆头形纵向键，导向能力好、避免卡涩。轴承箱与缸间采用下猫爪推拉，避免汽缸跑偏。•高刚性锥筒形高、中压外缸（见图2.2.7）。2.2.8成熟可靠的盘车装置盘车装置带动转子低速旋转，使转子均匀加热或冷却，减少变形；维护时检查转子。安装在汽轮机和发电机之间，由电动机和齿轮系组成。通过可移动小齿轮与汽轮机转子联轴器法兰上的齿圈啮合。冲转时小齿轮借助于碰击齿轮在没有冲击的情况下立即脱开，并闭锁，不再投入。该装置为日立传统设计、结构简单、性能可靠（见图2.2.8）。图2.2.7图2.2.82.2.9稳定可靠的钢台板支撑•台板与基础的接触面积大，机组的支承刚性增加。•垫块与基架及基础的接触密实稳定，有利于机组长期稳定运行。•不锈钢垫片调整标高稳定方便。（见图2.2.9）。2.2.10为用户着想人性化设计•高压主汽调节阀布置在运转层下•不开缸可进行轴系动平衡•低压缸设人孔可方便地检查末叶•高中压缸中分面通孔大螺栓及内缸、隔板套固定槽防卡注油装置、液压开缸装置大大方便检修•各系统高自动化、高可靠性，减轻运行及检修人员的劳动强度（见图2.2.10）。图2.2.9图2.2.102.2.11独特的转子冷却系统从高压三级后引入低温蒸汽与中压阀后蒸汽混合后形成冷却蒸汽进入中压第一级前，通过正反第一、二级轮缘叶根处的间隙，冷却中压转子高温段轮毂及轮面，极大降低第一级叶片槽底热应力，提高中压转子热疲劳强度（见图2.2.11）。2.2.12高中压缸进汽口特殊冷却设计高、中压进汽部分采用插入式进汽管，使主汽、再热蒸汽不接触外缸缸体，直接进入内缸进汽室；同时引入冷却蒸汽对外缸内壁进汽部分进行隔离冷却。使外缸只承受较低压力和较低温度，高温区仅局限于内缸的进汽部分（见图2.2.12）。图2.2.11图2.2.122.2.13汽缸中分面螺栓自流冷却加热系统高中压内缸、低压内缸中分面螺栓自流冷却加热系统，减少启动过程中螺栓与法兰温差，降低正常运行时螺栓的使用温度，提高螺栓抗松弛性能（见图2.2.13）。2.3启停灵活采用数字电液控制系统，具有阀门管理、实现喷嘴调节与节流调节的无扰切换、寿命管理、高中压缸联合启动和中压缸启动等功能，大大地提高了自动化水平，使机组的启停灵活性、可靠性及负荷适应性得到了保证（见图2.3）。2.4调峰性能良好长期运行最低负荷不大于15%，尖峰能力达到110%。较快的负荷变动率及抗负荷冲击能力。•独立喷咀室、插入式进汽管减小热应力•增加调节级及中压第一级焓降，使级后温度低，减小转子蠕变损伤及变负荷热应力水平，改善变工况性能•末级动叶片按高刚度、高强度、高根部反动度进行设计，特别适合调峰运行中低负荷及高背压下小容积流量工况•增大动静间隙：使胀差不成为启动制约因素•多齿径向汽封：提高变工况经济性•合缸结构、中心支撑：启停时汽缸膨胀顺畅•冲动式转子：调峰性能优于反动式转子。计算表明，在冷态启动时，采用相同的升温率1.5^/min，冲动式转子与反动式转子相比，热应力小6%,一次启动的寿命损耗小19%左右（见图2.4）。图2.2.13图2.3高压调节阀油动机装配图图2.43先进的凝汽器技术3.1设计经验丰富东汽是国内大型电站汽轮机及其配套辅机的主要生产厂家之一，迄今已向国内外提供各种凝汽器近400套，其功率范围1.5MW〜1000MW。3.2设计技术先进通过与国际公司的技术合作及与国内高等院校的合作，东汽全面掌握应用以下国际先进技术：•应用大型结构分析软件ANSYS软件对结构强度、刚度进行分析计算，拥有先进的凝汽器设计程序、SGI工作站三维CAD软件和计算机网络系统等先进软件设计手段。3.3凝汽器主要结构特点3.3.1采用德国BALCKE-DURR公司排管方式优点•蒸汽路径短、阻力小、热负荷均匀•蒸汽主通道通畅；流场平稳，有利于凝结水回热和除氧•管束最外围一排管子数量多，与刚进入凝汽器的蒸汽直接接触的管子数量多，其传热系数高•取消上下转向方式时必须在汽侧设置的水平挡板，消了依附在挡板下面的蒸汽涡流和空气集聚，提高总体传热系数•水平转向方式各冷却管束的进口冷却水温相同，确保各管•以美国热交换学会（HEI）标准为基准进行凝汽器热力设计•以德国BALCKE-DURR公司及日本日立公司凝汽器技术进行凝汽器管束排布及主要结构设计•与西安交通大学合作研制的凝汽器汽相流场传热特性及数值计算准三维程序进行凝汽器汽相全流场计算，并优化排管设计；•以美国“高能流体进凝汽器准则建议”为依据，进行除汽轮机主排汽外的其它高能流体进入凝汽器结构及设备设计•采用日本日立公司双背压凝汽器技术进行双背压凝汽器设计图3.3.1束内的热负荷均匀分配，汽相流场平稳均匀•循环水进出口管布置高度不受流程隔板限制，极大地方便现场布置（见图3.3.1）。3.3.2采用BALCKE-DURR公司凝汽器空冷区结构防止蒸汽一空气混合物至抽气出口形成短路，也有助于混合物在抽出前进一步冷却，使其中的蒸汽充分凝结，有利于提高凝汽器性能，改善抽气装置的工作条件。3.3.3采用德国BALCKE-DURR公司凝汽器先进的弧形水室结构优点循环水均匀分配到各冷却管中水力流场平衡，减少了冷却管端冲蚀强度和刚性好，受力情况好无死角区，利于胶球清洗设备的运行（见图3.3.3）3.3.4采用德国BALCKE-DURR公司凝汽器端管板和水室防腐技术3.3.5采用先进的凝汽器汽相流场设计技术3.3.6采用日立公司凝汽器喉部结构技术3.3.7应用大型结构分析ANSYS软件对凝汽器主要结构的强度、刚度进行分析计算，结合HEI标准，保证壳体具有足够的强度和刚度3.3.8为便于检测万一胀管处发生泄漏，能很快找出泄漏的管束部份，在每个管束下方设置了独立的凝结水收集槽。3.3.9先进的旁路系统三级减温减压装置结构紧凑、通流能力