1、25MPa/600/600兩缸兩排汽 600MW超超臨界汽輪機介紹李雅武，鞠鳳鳴(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江省哈爾濱市 150046)摘 要：參數為25MPa-600/600的600MW等級超超臨界機組將有可能成為我國電力工業的主力機組。較為詳細的介紹了25MPa-600/600兩缸兩排汽 600MW超超臨界汽輪機的運行業績、熱力特性、蒸汽流程、結構形式、總體布置及各主要部套的設計特點，對本機組采用的先進設計技術進行了重點介紹。關鍵詞：兩缸兩排汽；超超臨界；汽輪機0 前言近幾年來我國電力事業飛速開展，大容量機組的裝機數量逐年上升，同時隨著國家對環保事業的日益重視及電廠高效率的要求，機組

2、的初參數已從亞臨界向超臨界甚至超超臨界快速開展。根據我國電力市場的開展趨勢，25MPa/600/600兩缸兩排汽 600MW超超臨界汽輪發電機組將依據其環保、高效、布局緊湊及利于維護等特點占據相當一局部市場份額，本文將對哈汽、三菱公司聯合制造生產的25MPa/600/600兩缸兩排汽600MW超超臨界汽輪機做一個詳細的介紹。1 概述哈汽、三菱公司聯合制造生產的600MW超超臨界汽輪機為單軸、兩缸、兩排汽、一次中間再熱、凝汽式機組。高中壓汽輪機采用合缸結構，低壓汽輪機采用一個48英寸末級葉片的低壓缸，這種設計降低了汽輪機總長度，緊縮電廠布局。機組的通流及排汽局部采用三維設計優化，具有高的運行效率

3、。機組的組成模塊經歷了大量的實驗研究，并有成熟的運行經驗，機組運行高度可靠。機組設計有兩個主汽調節聯合閥，分別布置在機組的兩側。閥門通過撓性導汽管與高中壓缸連接，這種結構使高溫部件與高中壓缸隔離，大大的降低了汽缸內的溫度梯度，可有效防止啟動過程缸體產生裂紋。主汽閥、調節閥為聯合閥結構，每個閥門由一個水平布置的主汽閥和兩個垂直布置的調節閥組成。這種布置減小了所需的整體空間，將所有的運行部件布置在汽輪機運行層以上，便于維修。調節閥為柱塞閥，出口為擴散式。來自調節閥的蒸汽通過四個導汽管兩個在上半，兩個在下半進入高中壓缸中部，然后進入四個噴嘴室。導汽管通過撓性進汽套筒與噴嘴室連接。進入噴嘴室的蒸汽流過

4、沖動式調節級，做功后溫度明顯下降，然后流過反動式高壓壓力級，做功后通過外缸下半上的排汽口排入再熱器。再熱后的蒸汽通過布置在汽缸前端兩側的兩個再熱主汽閥和四個中壓調節閥返回中壓局部，中壓調節閥通過撓性導汽管與中壓缸連接，因此降低了各局部的熱應力。蒸汽流過反動式中壓壓力級，做功后通過高中壓外缸上半的出口離開中壓缸。出口通過連通管與低壓缸連接。高壓缸與中壓缸的推力是單獨平衡的，因此中壓調節閥或再熱主汽閥的動作對推力軸承負荷的影響很小。低壓缸采用雙分流結構，蒸汽進入低壓缸中部，通過反動式低壓壓力級做功后流向排汽端，向下進入凝汽器。低壓缸的高效葉片設計、擴散式通流設計及可最大限度回收熱量的排汽渦殼設計可

5、明顯提高缸效率，降低熱耗。汽輪機留有停機后強迫冷卻系統的接口。位于高中壓導汽管的疏水管道上的接頭可永久使用，高中壓缸上的現場平衡孔可臨時使用。圖1 汽輪機外形圖圖2 汽輪機縱剖面圖汽輪機的外形圖見圖1，縱剖面圖見圖2。2 三菱公司超超臨界汽輪機業績三菱公司生產的超超臨界汽輪機處于世界領先水平，到目前為止三菱公司已經制造投運了超超臨界汽輪機7臺，最長的機組已運行11年。表1 超超臨界業績表機組名稱功率MW壓力Mpa轉速rpm溫度投運年型號末葉英寸碧南#37003600538/5931993TC4F40七偉大田5931995TC4F31松浦#210003600/18005

6、93/5931997CC4F46三隅#11000W3600/1800600/6001998CC4F46橘灣#210503600/1800600/6102000CC4F46廣野#56003000600/6002004TC2F48舞鶴#19003600/1800595/5952004CC4F46三菱公司制造的TC2F超超臨界600MW機組50Hz已經在廣野電廠投運，運行效果良好。國內方面，目前我公司已有四臺機組在制，將于06年、07年陸續出產。3 汽輪機主要結構 圖3 全三維設計靜、動葉片3.1 葉片汽輪機通流包括1個反向布置的帶有局部進汽的沖動式調節級，10級反向布置的反動式高壓壓力級，7級正向

7、布置的反動式中壓壓力級，2×5雙分流的低壓壓力級。沖動式調節級在寬闊的負荷變化范圍內有較高的運行效率，機組有較好的負荷適應性。調節級動葉采用三支為一組的三胞胎葉片，強度好，在高溫、高壓下運行可靠。中間級采用高效率的全三維設計的反動式葉片，通過控制設計參數反動度，流量和流動角度來使損失最小化。反動式葉片通道，蒸汽流動速度相對較慢，摩擦損失較低，具有較好的空氣動力效率。見圖3、圖4。反動式機組構造簡單，采用輪鼓式轉子和徑向密封。由于采用徑向密封，軸向間隙大，故允許轉子和汽缸之間有較大的脹差，保證機組啟動靈活。低壓末幾級的疏水，采用了特殊的疏水收集器結構。在隔板外環的疏水收集器設計中充分考

8、慮到水滴的軌跡，到達最好的疏水效果。末級隔板采用了疏水槽結構。見圖5。圖4 全三維設計葉片流場示意圖 圖5 低壓疏水結構低壓末葉片為48英寸，為減小末級葉片水蝕，末級動葉的進汽邊嵌入司太立合金；保證靜葉和動葉之間適宜的間隔，以使水滴形成較好的水霧；此外從濕汽區抽出蒸汽排到給水加熱器，適當設計給水加熱器的抽汽口，以使抽取的蒸汽水分最大。在末級動葉的頂部導流板上設置疏水槽。所有的葉片都仔細設計，具有足夠的振動強度裕度。特別是長葉片，設計時考慮自振頻率、工作轉速、1-6節徑數無三重點共振。在開發這些葉片時，相同的葉片和葉輪均進行了全比例的轉動頻率試驗，并且確認葉片組運行時無三重點共振。末級葉片采用耐

9、腐蝕和侵蝕合金制造，嚴格控制質量保證較好的振動阻尼特性。3.2 轉子圖6 冷卻蒸汽示意圖高中壓轉子采用具有高蠕變斷裂強度的實心合金鋼鍛件加工而成。在高壓端連接一個獨立的短軸，裝有推力盤、主油泵葉輪和超速跳閘裝置。低壓轉子同樣采用高抗拉強度的實心合金鋼鍛件加工而成，具有很好的延展性。轉子直徑和軸承跨距合理選擇，使轉子的臨界轉速遠離工作轉速。轉子外表的幾何結構進行詳細的設計，使轉子的瞬時熱應力和彎曲應力的應力集中最小。高中壓轉子中壓進汽區由來自調節級后的節流蒸汽進行冷卻，冷卻蒸汽覆蓋在轉子的外表，高溫再熱蒸汽不會接觸轉子。見圖6。高中壓轉子和低壓轉子之間通過整體的聯軸器法蘭剛性連接。轉子通過前軸承

10、箱中的推力軸承定位。3.3 汽缸合理的汽缸的結構類型和支撐方式，保證在熱態膨脹自如，且熱變形對稱，從而使扭曲變形降到最小。最優的排汽渦殼設計，壓力損失最小。高中壓外缸是由合金鋼鑄件制成，在水平中分面分為兩半形成上，下半。內缸同樣是合金鋼鑄件，在水平中分面分為兩半形成上，下半。內缸支撐在外缸水平中分面上，通過定位銷在頂部和底部導向，以保持中心線的準確位置，并在同時允許零件根據溫度變化自由膨脹和收縮。 平衡環支撐在內缸水平中分面上，通過定位銷在頂部和底部導向，以保持中心線的準確位置。與內缸支撐在外缸中的方式相同，中壓隔板套以相同的方式支撐在外缸中。低壓缸是由與外缸下半一體的并向外伸出的撐腳支托。撐

11、腳坐在臺板上，臺板澆注在根底中，低壓缸的位置靠鍵來定位。兩端有兩個預埋在根底里的軸向定位鍵位于軸向中心線上，牢牢地固定住汽缸的橫向位置，但允許做軸向自由膨脹。兩側兩個預埋在根底里的橫向鍵分別置于橫向中心線上，牢牢地固定住汽缸的軸向位置，但允許橫向自由膨脹。因此兩橫向定位鍵中心線與兩軸向定位鍵中心線交點為低壓缸獨立絕對死點，低壓缸可以以死點為中心在根底臺板上自由膨脹。高中壓外缸是由四只“貓爪支托的，這四只“貓爪與下半汽缸一起整體鑄出，位于下半水平法蘭的上部，因而使支承面與水平中分面齊平。在電端“貓爪搭在位于軸承箱兩側的鍵上，并可以在其上自由滑動。軸承箱是落地的。在調端“貓爪以同樣方式搭在前軸承箱

12、下半兩側的支承鍵上，并可以同樣方式自由滑動。在前后端，高中壓外缸與相鄰軸承箱之間都用“H型定中心梁連接，它們與汽缸及相鄰軸承箱間由螺栓及定位銷固定。這些定中心梁保證了汽缸相對于軸承箱正確的垂直向與橫向位置。前軸承箱與臺板之間軸向鍵位于軸向中心線上，可在其臺板上沿軸向自由滑動，但是它的橫向移動卻受到軸向鍵的限制，軸承側面的壓板限制了軸承座產生任何傾斜或抬高的傾向，這些壓板與軸承座凸肩間留有適當的間隙，允許軸向滑動，每個“貓爪與軸承座之間都用雙頭螺栓連接，以防止汽缸與軸承座之間產生脫空。螺母與“貓爪之間留有適當的間隙，當溫度變化時，汽缸“貓爪能自由脹縮。中軸承箱同樣采用預埋在根底中軸向鍵與橫向鍵形

13、成絕對死點。中軸承箱可以以死點為中心在根底臺板上自由膨脹。高中壓缸、前軸承箱通過定中心梁推動從中軸承箱死點向調端膨脹。后軸承箱同樣采用預埋在根底中軸向鍵與橫向鍵形成絕對死點。后軸承箱可以以死點為中心在根底臺板上自由膨脹。汽輪機的每個軸承箱均直接安裝在根底上，因此轉子系統直接由根底支撐，增加了轉子系統的穩定性。低壓缸上下半是裝焊結構的，在水平中分面分開。低壓缸采用雙層缸結構，由內缸和外缸組成。內缸支撐在根底上，可保證運行時的高度可靠性。安裝在汽輪機排汽缸上半部的大氣釋放膜可保護低壓缸。3.4 軸承汽輪機每根轉子均有兩個徑向軸承支撐，整個軸系有一個推力軸承。它們均是強迫潤滑型的。圖7 高中壓四瓦塊

14、可傾瓦軸承高中壓轉子的徑向軸承，采用無扭轉4瓦可傾瓦支撐軸承，增強抵抗由于調節級負荷變化引起的蒸汽力的能力，提高軸系穩定性。見圖7。低壓缸采用2瓦可傾瓦軸承，具有良好的對中性能。見圖8。推力軸承是自位式京士伯里型軸承。利用平衡橋的搖擺運動，使所有巴氏合金外表載荷中心處在相同的平面內，使每一個瓦塊受力均勻。見圖9。通過高中壓轉子上的推力盤，把轉子推力傳到瓦塊上。機組的高中壓缸反向流動、低壓缸雙分流結構，故蒸汽產生的推力在每個缸上保持平衡，因此閥門的開度對推力軸承載荷影響很小。通過調整軸承鍵與殼體之間的調整墊片可保證軸承的位置。軸承與軸承箱下半之間裝有制動銷，防止軸承相對軸承箱轉動。潤滑油的強制供

15、應通過軸承箱、鍵、軸承殼體中的通道保證。所有的軸承均帶有檢測金屬溫度的熱電偶。汽輪機裝有防止軸電壓事故的接地裝置。圖8 低壓兩瓦塊可傾瓦軸承圖9 京士伯里式推力軸承3.5 大氣閥安裝在汽輪機排汽缸上半部的大氣釋放膜，保護低壓缸。大氣釋放膜為一個圓形薄隔板，每個隔板帶有一個薄膜，通過鋼網型支撐安裝在低壓汽缸上。此薄膜緊固在隔板壓力輪盤和隔板持環之間。如果排汽壓力超過設定值，迫使隔板壓力輪盤向外移動，導致持環內邊和隔板壓力輪盤邊緣之間的釋放膜折斷，卸載汽輪機排汽壓力。3.6 閥門3.6.1 主汽閥汽輪機有兩個相同的主汽閥，由液壓執行機構驅動，可以在啟動時控制轉速，并可以通過控制快速關閉閥門。上述操

16、作可以通過控制室完成。主汽閥為油動機控制水平放置的“柱塞型閥門，主汽閥與閥體構成整體的閥門結構。主汽閥內包括內外兩個單座不平衡閥門。預啟閥位于主閥內并可遠程驅動，參與控制全周進汽的啟動、同步轉速和帶初始負荷。每個主汽閥包括啟動時可拆卸的臨時濾網和永久性濾網。機組在運行時可進行閥門活動試驗。見圖10。3.6.2 調節閥調節閥蒸汽室與主汽閥蒸汽室采用整體的合金鋼鍛件制成。蒸汽通過主汽閥經由蒸汽室進入液壓執行機構獨立控制的柱塞型調節閥。位于機組兩側的兩個蒸汽室結構相同，每個的蒸汽室包括一個主汽閥及兩個調節閥，機組共四個調節閥，控制高壓缸的蒸汽流量。蒸汽室錨固在根底上，這樣允許蒸汽室承受較高的用戶管道

17、力和力矩。閥桿密封包括一個嵌在閥體上的緊密裝配的襯套，利用閥蓋在適當位置緊固并具有適合的出口連接。高壓漏汽連接到較低壓力區， 低壓漏汽連接到汽封冷卻器。見圖11。圖10 主汽閥圖11 高壓調節閥3.6.3 再熱主汽閥在再熱器和中壓調節閥之間的每根再熱蒸汽進汽管路上裝有一個再熱主汽閥。其目的是在超速跳閘機械裝置動作時，中壓調節閥未動作的情況下，提供一個防止汽輪機超速的額外平安裝置。機組共有兩個再熱主汽閥，布置在機組兩側。每個閥體一端采用固定支撐，另一端采用撓性支撐。兩端均用螺栓固定，并固定在根底的底板上。此支撐方式允許閥門的軸向膨脹。閥門通過螺母連接在閥碟搖臂上，搖臂通過鍵固定在主軸上。主軸通過

18、連桿與活塞桿相連。連桿可以轉動，油動機活塞向上運動閥翻開直至全開位置，活塞向下運動閥門關閉。由壓縮彈簧產生的正向關閉力作用在活塞上，通過活塞始終保持關閉力作用在閥門上。在閥碟兩側裝有旁通裝置，使閥碟兩側蒸汽壓力平均分布，以降低翻開閥碟的力。提供再熱主汽閥油控跳閘閥，卸載在再熱主汽閥關閉時作用于閥桿端部的不平衡蒸汽壓力。再熱主汽閥包括閥門本體和執行機構。執行機構與液壓控制油系統連接，在超速跳閘閥和事故跳閘閥門關閉時，再熱主汽閥翻開，油控跳閘閥關閉。在超速跳閘裝置機構脫扣時，油控跳閘閥翻開，降低作用于軸端的蒸汽壓力，使關閉再熱主汽閥的力最小。見圖12。圖12 再熱主汽閥3.6.4 再熱調節閥圖13

19、 中壓調節閥汽輪機有四個中壓調節閥。閥門是環型密封柱塞閥，裝在閥桿突肩上。通過獨立的執行機構控制每個中壓調節閥。執行機構通過控制油壓，控制閥門開度的大小。閥門的上座和下座的直徑設計成平衡作用于閥門的蒸汽壓力。因此很容易翻開閥門，并且在任一再熱壓力下很容易關閉。閥桿密封由緊密裝配連接到確定的低壓區的襯套保證。當閥門處在全開位置時，閥門處在閥碟與閥桿襯套下端相接觸的區域。這些布置可防止再熱調節閥全開運行時，沿閥桿的蒸汽泄漏。閥門裝配有蒸汽濾網。它環繞閥體底部裝配，并在閥體和閥蓋頂部緊固。見圖13。機組在運行時可進行閥門的活動試驗。3.7 盤車裝置在低壓缸和發電機聯軸器處，提供一套自動嚙合和脫開型的

20、盤車裝置。在機組啟動前和停機后，低速旋轉轉子，保持轉子均勻的加熱或冷卻，限制偏心值防止轉子的熱變形。盤車裝置運行由零轉速信號控制。設有頂軸壓力低連鎖保護，當頂軸油壓低時，盤車控制回路上的壓力開關將自動停止盤車裝置運行。4 防固粒腐蝕措施對于高壓汽輪機，采用了沖動式調節級，在沖動式噴嘴中蒸汽流速比動葉高的多，所以僅在噴嘴上采用涂層。對于IP透平，采用了反動式葉片，蒸汽流速相對高壓第一級噴嘴速度較慢，因此中壓第一級不進行涂層。在高壓汽輪機第一級噴嘴采用擴散滲透法利用霧化硼來涂層以防止雜質造成的腐蝕，擴散涂層厚度最小50m，涂層硬度最小950Hv。實踐證明采用滲硼的方法強化噴嘴外表腐蝕程度下降到原來

21、的20%。5 預防蒸汽激振力措施在大功率汽輪機中，高壓缸經常發生低頻振動。低頻振動是高壓轉子的非同步振動。根據我們的研究，振動是由幾類原因造成的，即：1) 蒸汽渦動2) 由調節級汽流擾動造成的強迫振動3) 由轉子和汽缸間摩擦造成的強迫振動蒸汽渦動是高負荷運行時HP/IP轉子系統中一階振動模式的自激振動。蒸汽渦動的機理相對較復雜，但研究說明以下情況結合會發生這種渦動。Ø 根據閥門開啟順序，如果調節級噴嘴向轉子施加向上的力，轉子系統將處于不穩定狀態。Ø HP/IP轉子系統的剛性與可靠機組相比相對較低。Ø 轉子系統抵抗迷宮汽封激振力的阻尼相對較低。為了防止蒸汽激振，我們

22、采用以下設計特點：1) 閥開啟順序保證任何運行條件下在HP/IP轉子上都會產生適當的向下的力。2) 單跨的剛性臨界速度一階模式頻率應在2000rpm以上。3) 高中壓缸采用可傾瓦軸承以便給轉子系統提供足夠的阻尼。4) 為防止調節級的汽流擾動造成的強迫振動，將高壓缸中調節級出力限制在20%左右。這不僅降低調節級激振力水平而且減少了蒸汽渦動。5) 為防止由于轉子和汽缸間的摩擦造成的強迫振動，根據大量的600MW超超臨界機組運行經驗確定轉子與汽缸間的適當的間隙。因此基于此富有經驗的設計，三菱公司所提供的汽輪機還未出現過低頻振動，相信通過采用成熟的技術可防止此問題。6 兩缸兩排汽超超臨界汽輪機主要設計

23、特點超超臨界600MW汽輪機技術水平世界先進，大幅度提高汽輪機的經濟性和可用性。這些先進技術有成功的運行業績，高度的可靠性。本文介紹的兩缸兩排汽超超臨界汽輪機主要設計特點如下：ü 48自帶圍帶末級動葉片ü 高效全三維自帶圍帶反動式高、中、低壓葉片ü 三胞胎調節級動葉片ü 中壓轉子的冷卻蒸汽系統ü 高壓和中壓排汽渦殼最優設計，最小的壓力損失ü 低壓全三維設計的排汽缸ü 轉子直接支撐在根底上ü 防固粒腐蝕的有效措施ü 防低頻振動的有效措施ü 高溫材料具有高的抗蠕變強度特性見材料說明局部本機組提供的高溫材料、高效葉片、低壓末級葉片均已在運行機組上得到