350MW超临界汽轮机技术介绍解读

350MW超临界汽轮机
技术介绍
北京北重汽轮电机有限责任公司
2009年12月
目录
1、前言 (1)
2、机型系列 (2)
3、机组介绍 (3)
3.1、总体方案 (3)
3.2、本体结构 (4)
3.2.1、汽缸 (7)
3.2.2、转子及动叶片 (7)
3.2.3、喷嘴组、静叶及隔板 (9)
3.2.4、高中压阀门 (10)
3.2.5、轴承及轴承箱 (11)
3.2.6、滑销系统 (12)
3.3、主要部件材质 (13)
3.4、汽轮机附属系统 (14)
3.4.1、汽封、本体疏水系统 (14)
3.4.2、润滑、顶轴及盘车系统 (14)
3.4.3、控制及保护系统 (14)
3.5、汽轮机辅助设备 (15)
3.5.1、凝汽器 (15)
3.5.2、低压加热器 (15)
4、关于超临界机组的主要问题 (15)
4.1、高温材料的使用 (15)
4.2、防颗粒侵蚀措施 (15)
4.3、中压第一级冷却措施 (15)
5、机组特点 (16)
5.1、机型定型合理 (16)
5.2、采用成熟可靠的设计 (16)
5.3、功率高 (17)
5.4、良好的结构设计 (17)
5.5、材料等级高 (17)
5.6、灵活快捷的中压缸启动 (17)
6、300MW-360MW汽轮机业绩表 (18)
350MW超临界汽轮机技术介绍
1、前言
超临界350MW汽轮机是我公司在引进ALSTOM公司亚临界330MW凝汽式汽轮机的基础上，通过近几年与ALSTOM在600MW超临界机组方面的合作以及与其他国外公司的技术交流，结合目前国内对超临界汽轮机要求的基础上设计开发的机型。

机组设计采用先进的通流技术，保证具有较高的经济性；在结构设计上充分采用成熟可靠的技术，确保机组的安全可靠性，以及快速启、停及变负荷的能力。

我公司从1986年开始引进ALSTOM亚临界330MW湿冷机组，在引进纯凝湿冷机组的基础上，完成了亚临界330MW汽轮机的系列化工作，机组系列在功率方面涵盖了300MW~360MW（其中空冷300MW~330MW、湿冷330MW~360MW），在冷却方式方面涵盖了湿冷、直接空冷、间接空冷，在功能方面涵盖了纯凝、单级抽汽（0.3~0.6Mpa.a、0.98~1.27Mpa.a、3.92~5.88Mpa.a）、两级抽汽（三种单抽的组合）、三级抽汽（三种单抽的组合），目前各种机型的机组已经生产80多台。

机组系列如下：
——纯凝系列：
——基本抽凝系列：机组在满足纯凝系列要求的同时，还可满足以下抽汽系列的要求。

——其它抽凝系列：通过采用机外引射混流，还可满足基本抽汽系列以外的各种抽汽参数要求。

通过引进ALSTOM 亚临界330MW凝汽式汽轮机技术及系列化完善工作，加之近几年与ALSTOM在600MW超临界机组方面的合作以及与其他国外公司的技术交流，我公司积累了相当的技术经验，为开发超临界350MW汽轮机打下了良好的基础。

2、机型系列
作为300MW等级超临界机组，首先应考虑抽汽的需要，因此在机型系列方面，我们考虑了如下机型，未来可在功率、抽汽等级等方面加以扩展。

本次介绍的是湿冷采暖抽汽机型，其它机型可根据用户的需要进行匹配。

3、机组介绍
3.1、总体方案
我公司超临界350MW汽轮机是在引进ALSTOM公司亚临界330MW凝汽式汽轮机（包括合缸机型部分技术）结合目前国内外超临界汽轮机机型情况开发出来的。

机型充分考虑了国内电力市场对300MW等级机组的供热要求，在最大限度满足采暖抽汽的基础上，还可满足部分非调0.98Mpa.a等级工业抽汽的要求。

机型为：一次中间再热、单轴、双缸双排汽抽汽凝汽式汽轮机。

高中压通流采用反向合缸布置，低压为对称的双流布置。

整机共设有25级，高压为1个调节级+7个压力级、中压为7个压力级、低压沿用我公司原亚临界330~360MW低压模块，为2×5个压力级。

本机采用一次中间再热，由三个高压加热器、一个除氧器和四个低压加热器组成八级回热系统。

第6级后设一段回热抽汽供1#高加(GJ1)，第8级后(高压排汽)设二段抽汽供2#高加(GJ2)，第11级后设三段回热抽汽供3#高加（GJ3），第13级后设四段抽汽供除氧器（CY）/非调工业抽汽/汽泵小汽机用汽，第15级后（中压排汽）设五段抽汽供5#低加（DJ5），在17/22级后设六段抽汽供6#低加（DJ6），在18/23级后设七段抽汽供7#低加（DJ7），在19/24级后设八段抽汽供8#低加（DJ8）。

机组主要参数列表如下：
3.2、本体结构
机组为双缸双排汽型式，进排汽部分沿用我公司亚临界机组结构，高压和中压阀门与汽缸之间都是通过管道联接，高压进汽为上下对称布置的4个进汽口，中压部分为上下对称布置的2个进汽口；阀门仍沿用亚临界浮动式布置方式，对称布置在高中压模块的左右侧；前轴承箱仍沿用亚临界机组型式固定在基础上；机组滑销系统依然采用亚临界机组良好的中分面支撑中分面滑动的型式。

机组纵剖面图及外形图见下：
纵剖面图
外形图
3.2.1、汽缸
高中压汽缸采用双层缸结构，中压后部设置两级隔板套，内外缸全部为合金铸钢件。

高中压汽缸沿用亚临界330MW机组成熟的高窄法兰结构，过渡区采用大圆角过渡，最大限度减少应力集中。

高压设有1个调节级加7个压力级，高压通流第6级后为第一段回热抽汽，抽汽管设在高中压内缸下部，内缸抽汽管与外缸采用活塞式配合，外部管道与外缸采用法兰连接方式。

高中压外缸后部设有螺塞孔，可使用专用工具在不揭缸情况下进行平衡螺钉的装拆。

一段抽汽口结构图
中压设置7个压力级，前3级设置在高中压一体的高中压内缸上，后4级分别装在两级隔板套里。

中压第3级、第5级和第7级后分别设置了抽汽口，满足回热系统抽汽，其中第5级后抽汽除满足回热抽汽外，还考虑了非调工业抽汽的需要，第7级后考虑可调采暖抽汽的需要。

低压缸借用亚临界低压部分，仍然为内外双层缸结构，全部为焊接汽缸。

3.2.2、转子及动叶片
转子
高中压转子共15级叶轮，采用整锻无中心孔结构；低压转子为亚临界低压整锻无中心孔结构。

高中压转子与低压转子、低压转子与发电机转子之间采用刚性联轴器联接。

动叶片
调节级采用与亚临界机组调节级相同结构，四叉叶根、自带围带、预扭装配；高压第2级动叶片采用叉型（两叉）叶根，自带围带穿燕尾围带整圈成组；高压第3~8级采用双倒T型叶根，自带围带穿燕尾围带整圈成组。

中压第1、2级采用三叉叶根自带围带，穿燕尾围带整圈成组；中压3~5级动叶片采用双倒T型叶根，自带围带穿燕尾围带整圈成组（与高压3~8级相同）；中压6、7叶片采用双倒T型叶根，自带围带，围带销钉整圈成组。

低压叶片沿用亚临界结构，第1、2级为3叉叶根，第3级为5叉叶根；次末级为枞树形叶根自由叶片；末级为枞树形叶根自带围带并自带鳍形拉筋。

各种动叶片结构见附图：
高压叶片：
中压叶片：
低压叶片：
3.2.3、喷嘴组、静叶及隔板
喷嘴组叶型采用成熟的亚临界机组喷嘴叶片型线和相同的结构，整体电脉冲铣制四段喷嘴组。

喷嘴叶片内弧面出汽侧进行渗硼处理防止出汽边内弧固粒冲蚀。

高压2~8级和中压第1~7级采用高效的后加载叶型，均采用静叶穿上下围带成半圆叶栅与隔板内外环焊接结构，其中高压第2~4级采用大分流叶栅，第2、3级一圈8组一大一小，第4级一圈10组一大一小。

中压第1级静叶出汽边背弧进行超音速喷涂碳化铬处理防止固粒冲蚀。

低压静叶全部沿用法国低压高效静叶叶型，叶栅无内外围带，直接与隔板内外环焊接。

隔板全部采用焊接钢隔板，高中压全部为带有内外围带的焊接结构；低压为直接焊接结构。

隔板强度和刚度经过有限元计算校核，符合常规设计要求。

3.2.4、高中压阀门
高压主汽调节阀、中压联合汽阀的结构及布置均采用亚临界机组的阀门形式，采用卧式浮动式布置方式，阀门安装高度与汽轮机轴线高度一致。

每个高压进汽阀由两个高压主汽阀和四个高压调节阀组成高压联合汽阀。

中压进汽阀由两个中压主汽阀和两个中压调节阀组成中压联合汽阀。

阀门内部各部件均根据超临界机组的参数要求更换适合的材料，包括阀体、阀体接管、阀杆等。

高、中压阀门喉部流速核算结果满足阀门常规设计流速要求。

高、中压阀门结构示意图如下：
高压主汽调节阀结构示意图
中压联合汽阀结构示意图
3.2.5、轴承及轴承箱
前轴承箱内部基本采用了亚临界330MW机组的结构形式，内部装有主油泵、盘车及1#轴承等，1#轴承采用Φ300mm的可倾瓦支持结构。

中轴承箱内装有2#轴承和球面自位推力轴承，2#轴承采用Φ360mm的可倾瓦支持结构。

低压转子用的3#、4#轴承坐落在低压外缸上，为直径Φ400mm、Φ450mm的椭圆支持轴
承。

所有轴承失稳转速均大于4000r/min。

轴系支撑示意图见下图。

轴系支撑示意图
经有限元计算校核，轴系临界转速及扭振频率均符合常规设计要求。

3.2.6、滑销系统
滑销系统仍然沿用ALSTOM公司亚临界机组特点，高中压部分轴承箱固定在台板上，汽缸为中分面支撑中分面滑动，仅锚爪型式由原来的上锚爪支撑改为下锚爪支撑；低压部分与亚临界机组完全相同。

整个机组有两个绝对死点，高中压部分绝对死点在中低压轴承箱上，低压部分的绝对死点在低压外缸前部，推力轴承设置在高中压后部轴承箱内。

高中压外缸后部设有轴向定位横向键槽，高中压部分以此为死点向机头方向膨胀。

高中压外缸采用下锚爪支撑在轴承箱中分面上，锚爪支撑采用硬质合金滑块，滑动在轴承箱中分面上。

这种结构与采用轴承箱底面滑动方式相比，减少了转子、轴承箱部分的膨胀重量，降低了膨胀阻力；同时保证了转子中心稳定、汽缸静子部分中心稳定。

使机组轴系、通流间隙更加易于保证，从而使机组的安全性和经济性得到保证。

下图为滑销系统示意图和高中压缸前后下锚爪支撑结构示意图。

滑销系统示意图
高中压前后下锚爪示意图
3.3、主要部件材质
超临界机组的热力参数与亚临界相比，温度和压力都有显著提高，因此对汽轮机各主要部件的材质要求也相应提高。

国内外对超临界机组的材料选择有两个方向，一个是提高亚临界机组材料等级加以应用，另一个是材料应用上靠超超临界机组材料。

我公司在超临界机组设计时，针对汽轮机对高温部件材质的要求，对主要高温部件采用上靠超超临界等级材料的做法，使高温部件的安全性更加可靠。

下表为本机组的主要部件材质及对应的亚临界材质：
序号部件超临界材料亚临界材料
1 阀体ZG10Cr9Mo1VNbN ZG17Cr1Mo1V-5+7（B64J-V）
2 阀体接管10Cr9Mo1VNbN 20CrMoV121
3 阀杆1Cr10NiMoW2VNbN 2Cr11NiMoVNbNB（C03L-J）
4 进汽管10Cr9Mo1VNbN 12Cr1MoVA-1（或B57N-S）
5 高中压内缸ZG10Cr9Mo1VNbN ZG17Cr1Mo1V-5+7（B64J-V）
6 高中压内缸高温螺栓1Cr10NiMoW2VNbN 2Cr11NiMoVNbNB（C03L-J）
7 喷嘴室ZG10Cr9Mo1VNbN ZG17Cr1Mo1V-5+7（B64J-V）
8 喷嘴组1Cr10NiMoW2VNbN 2Cr11NiMoVNbNB（C03L-J）
9 高温静叶片1Cr10NiMoW2VNbN 1Cr11MoV
10 高温隔板内外环ZG10Cr9Mo1VNbN 15CrMoV-5（B61N-S）
11 高温动叶片1Cr10NiMoW2VNbN 2Cr11NiMoVNbNB（C03L-J）
12 高中压转子30Cr1Mo1VA 27Cr1Mo1V-5(B12A-S)
3.4.1、汽封、本体疏水系统
本机汽封系统与亚临界机组相同，采用自密封系统，包括一个汽封蒸汽回收回路、一个自密封回路和一个漏汽回收回路。

机组针对不同启动方式设有主汽、冷段、辅汽三种辅助汽源。

疏水系统主要包括本体疏水和回热管道疏水两部分。

本体疏水共有五处：高压调节阀上游疏水管、高压调节阀下游疏水管、调节级后疏水管、中压调节阀上游疏水和中压调节阀下游疏水。

回热管道疏水主要是抽汽逆止阀前疏水。

3.4.2、润滑、顶轴及盘车系统
润滑油系统与亚临界330MW机组相同，主要包括润滑油箱、低压容积主油泵、交流润滑油泵、直流润滑油泵、冷油器、双筒过滤器、压力控制阀、排油烟风机等，各部件设计选型与原亚临界330MW机组选型相同。

顶轴系统按原ALSTOM公司设计，采用4×50%顶轴油泵，2台运行，2台备用。

机组盘车装置与亚临界机组相同，采用SSS离合器棘动式盘车装置，盘车转速54r/min。

3.4.3、控制及保护系统
我公司的机组现可以满足用户的选型要求，可以采用OVTION/ABB/FOXBORO/西门子等进口硬件，也可以采用GE 新华/和利时/国电智深等国产硬件。

EH部分采用高压抗燃油系统，自带油源和蓄能器装置。

相对亚临界分缸机组，TSI系统的主要配置中轴振动由于减少两个轴承以后，测点减少4点，由于国际标准日益提高，新设计的机组应具备瓦振X、Y两个方向监测的功能，即增加12点瓦振测点。

ETS系统采用我公司自主设计的系统，即核心模件采用PLC，也可以用与DEH 相同的硬件，采用硬件一体化设计。

可以采用同时在线并行工作方式，或冗余模式，也可以采用容错方式。

鉴于新设计的盘车系统取消液力偶合器，盘车控制柜必须具备软启动器，可以从就地及远方一起启动。

3.5.1、凝汽器
凝汽器按照VWO工况进行设计，换热面积在18500～22000m2之间，其外形尺寸和基本结构沿用亚临界机组，采用单壳体、双流程、全焊接型式，管束排列和布置根据换热面积的不同做相应调整。

凝汽器采用上部与汽轮机排汽口刚性连接、底部弹性支承的总体结构。

3.5.2、低压加热器
机组设有四台卧式低压加热器，采用全焊接结构，凝结水逐级自流方式，5#低加设过热段、凝结段、疏冷段，6#、7#、8#低加设凝结段、疏冷段，其中7#、8#低加为组合式，布置在冷凝器喉部。

每一个低压加热器的水侧和汽侧均设置安全阀，保证设备的安全运行。

4、关于超临界机组的主要问题
4.1、高温材料的使用
从3.3材料表可以看出，所有高于亚临界参数工作条件的部件，全部采用性能较高的超临界材料，保证了机组运行的安全可靠性。

4.2、防颗粒侵蚀措施
对高参数机组来说，固体颗粒对通流部件的冲蚀非常严重。

本机组高压喷嘴组叶片内弧面出汽侧进行渗硼处理防止出汽边内弧固粒冲蚀；中压第一级静叶出汽边背弧超音速喷涂碳化铬处理。

4.3、中压第一级冷却措施
由于中压第一级叶轮工作在高温区，本机采用高压第四级后蒸汽引入高中压间汽封，确保中压第一级轮面和轮缘的冷却。

冷却蒸汽采用引出高中压外缸进行机外调节的方式。

具体实现方式为：中压第一级动叶片根部中间体加工骑缝半圆孔，从高中压间汽封漏过来的温度较低的蒸汽流过圆孔来冷却第一级叶轮轮缘，起到降低高温区转子温度的作用，提高转子安全可靠性和使用寿命，冷却孔如下图所示：
冷却孔示意图
5、机组特点
5.1、机型定型合理
我公司引进的亚临界330MW机组，中低压分缸压力为0.5Mpa.a等级，是满足采暖抽汽最合理的抽凝机型设计。

超临界机组定型即采用该设计，最大限度满足用户要求。

5.2、采用成熟可靠的设计
超临界350MW机组是我公司在引进ALSTOM公司亚临界330MW汽轮机基础上设计开发的，在引进ALSTOM分缸亚临界机组技术的同时，我公司也接触到了合缸机组的技术；近几年，我公司与ALSTOM公司在600MW超临界机组方面进行了合作，同时与东芝公司进行了技术交流，加之国内超临界机组已经大量装机，我公司在这一期间积累了相当的超临界机组技术，为超临界机组的开发打下了良好的基础。

我公司开发的机组根据超临界汽轮机的要求，最大限度地采用已有的成熟可靠结构。

本体结构大量应用原有的亚临界结构，包括汽缸结构设计、阀门的布置和内部结构、转子和动叶片的设计、静叶及隔板设计、滑销系统设计等，在附属系统和电站辅机方面更是大量沿用原有亚临界成熟的设计，确保机组的安全可靠。

5.3、功率高
我公司定型的300MW等级超临界机组，按照我公司亚临界机组的系列，以及发电机的配套能力，机组额定功率为360MW，为考虑机组配套的方便定为350MW，如用户要求，我公司可完全满足功率提高的要求。

5.4、良好的结构设计
我公司引进的亚临界330MW机组，在国内300MW等级机组中可以说是比较好的设计，是得到所有用户认可的。

超临界机组最大限度地采用已有的亚临界机组成熟可靠结构。

特别是滑销系统的设计，将为用户运行本机组带来极大的便利。

5.5、材料等级高
我公司在超临界机组设计时，针对汽轮机对高温部件材质的要求，在阀体、内缸、喷嘴室、高温隔板、动静叶片、阀门及内缸高温螺栓等主要高温部件选材上全部采用上靠超超临界等级材料的做法，使高温部件的安全性更高、更可靠。

5.6、灵活快捷的中压缸启动
我公司亚临界330MW机组采用中压缸启动，机组启动灵活快捷，同时，可带厂用电长时间运行，给运行带来了极大的方便。

超临界机型同样采用中压缸启动，只是由于旁路系统容量的压力，暂时取消了厂用电的功能，如用户需要该功能，我公司同样可满足要求。

6、300MW-360MW汽轮机业绩表
300MW-360MW汽轮机业绩表。