1000MW火电机组锅炉给水泵汽轮机国产化制造

第40卷第3期2011年9月VO140NO3SEPT2011IO00MW火电机组锅炉给水泵汽轮机国产化制造李健生，陈金铨，周立明，王皋，陈国垮杭州汽轮机股份有限公司，杭州310022摘要介绍国内首套按三菱重工技术设计制造的IO00MW火电机组配套锅炉给水泵汽轮机的主要技术特点，分析在实施该型给水泵汽轮机国产化制造过程中所涉及的有关设计信息体系转换、材料应用体系转换、技术检验标准的适应等重大技术问题，并对该机的主要制造难点以及针对该机组自行开发的盘车装置、监视和控制系统等创新设计内容作出说明。本文可为类似采用引进技术的国产化制造工程做参考。关键词给水泵汽轮机；国产化制造；创新设计中图分类号TK2649文献标识码A文章编号16725549201103016806DOMESTICMANUFACTURINGOFBFPTFOR1O0OMWCOALFIREDUILITSLIJIANSHENG，CHENFINQUART，ZHOULIMING，WANGGAO，CHENGUOCHENGHANGZHOUSTEAMTURBINECO，LTD，HANGZHOU310022，CHINAABSTRACTTHEPAPERMAINLYINTRODUCESTHEFEATURESOFTHEFIRSTSETOFBOILERFEEDWATERPUMPTURBINEBFPTMANUFACTUREDINCHINAFOR1000MWCOALFIREDUNITBASEDONMHITECHNOLOGYANDANALYSESSOMEKEYISSUESRELATEDTOCONVERSIONOFDIFFERENTDESIGNANDMATERIALAPPLICATIONSYSTEMS，SPECIALINSPECTIONREQUIREMENTSDURINGLOCALIZATIONPROCESSFORTHISTYPEOFBFITALSODESCRIBESMAINISSUESONMANUFACTURINGANDTHEINNOVATIONOFBARRINGGEARMONITORINGANDCONTROLSYSTEMTHESPECIALREFERENCEINTHISPAPERCANBEPROVIDEDFORTHESIMILARPROJECTKEYWORDSBFPT；DOMESTICMANUFACTURING；INNOVATION随着经济发展对电力需求的高速增长、节能环保要求的不断提高，以及大型火电设备设计制造技术的不断发展，我国大型燃煤发电机组的单机容量已从300MW、600MW迅速发展到1000MW。但当国内早期的1000MW超超临界火电机组主机已采用引进技术，实现了国产化设计、制造时，其配套用锅炉给水泵汽轮机采用的仍是全进口设备华能玉环电厂。为早日改变我国1000MW火电机组锅炉给水泵驱动用工业汽轮机设备完全依赖进口的局面，使我国大型火电机组锅炉给水泵汽轮机的制造迅速达到国际先进水平，具备参与国际市场竞争的能力，加快实现该容量火电机组给水泵汽轮机的国产化，杭州汽轮机股份有限公司就百万千瓦等级火电机组配套用半容量锅炉给水泵汽轮机的设计制造与ET本三菱重工进行了技术合作。2007年12月，国内首套基于三菱重工技术、杭汽轮制造的锅炉给水泵汽轮机在国电泰州电厂一期工程1000MW超超临界燃煤机组中正式投入运行，其各项性能指标表现良好。本文主要介绍基于三菱重工技术设计制造的1000MW火电机组配套锅炉给水泵汽轮机HMS500D的主要技术特点和国产化过程中需解决的技术问题、制造难点以及部分自主创新设计的内容。1HMS5OOD锅炉给水泵汽轮机的主要技术特点锅炉给水泵是火电机组的重要辅机，它将凝结水加压后通过各级加热器再进入锅炉，水泵出口的给水压力为锅炉出口压力加上锅炉、管道、各种换热设备阻力之和。管阻大小随着流量而变，流量随着主机负荷而变化，所以要求控制给水泵收稿日期20110310修订日期20110324作者简介李健生1963一，男，毕业于浙江工业大学，高级工程师，工学学士，曾负责国产300MW、600MW等级火电机组给水泵汽轮机装置开发，为1000MW等级火电机组锅炉给水泵汽轮机国产化项目技术负责人，主要从事工业汽轮机装置的设计和研发，现任杭汽轮工业透平研究院副院长。圈III1000MW火电机组锅炉给水泵汽轮机国产化制造热力透平的出口压力和流量跟随机组负荷而变化。为满足主机变负荷运行时给水流量、压力和锅炉匹配的要求，给水泵必须变负荷运行，从而要求驱动给水泵的汽轮机满足变功率、变转速运行。加上主机负荷变化时用于给水泵汽轮机工作的四段抽汽参数随之变化，满足功率、转速、参数三“变”要求是锅炉给水泵汽轮机运行的最大特点。在主机单机容量达到百万千瓦等级时，对给水泵汽轮机的功率、转速运行范围、排汽面积等提出了更高的要求，其设计、制造难度急剧加大。11HMS50OD给水泵汽轮机主要技术参数三菱重工的冲动式汽轮机HMS500D是针对电站单机百万千瓦等级火电机组设计的锅炉50容量给水泵汽轮机，主要技术参数如下机型HMS500D形式单缸、单轴、单流、冲动式、纯冷凝主要设计标准JIS运行方式变参数，变功率，变转速汽轮机最大连续功率22000KW转速范围28506300RMIN正常工作汽源主机四段抽汽高压汽源再热器冷端抽汽汽源切换方式内切换内效率THA8312HMS500D给水泵汽轮机主要结构特点整个汽缸分为前后两部分，前部采用铸造结构，后部采用钢板焊接结构，汽缸结构较为紧凑；转子采用整锻结构，叶根槽直接加工在整锻的叶轮上，故转子刚性较好；前轴承采用的是推力一径向一体化可倾瓦轴承，后轴承为同直径的可倾瓦轴承；叶轮级间的隔板与转子之间密封结构为迷宫式；汽轮机转子与给水泵的连接采用膜片式联轴器，用以补偿运行时汽轮机转子的轴向膨胀以及与给水泵转子中心的偏差。通流方面，叶片总级数为6级，包括1级调节级和5级压力级；调节级叶片采用成组的铆接围带，第2到第6级采用叶片自带围带结构；所有叶片采用承载能力较高的枞树型叶根，其中末三级为扭叶片；因排汽要求的通流面积大，末级叶片高度为500MM，最大叶顶直径达1866MM；为适应给水泵较宽的转速运行范围28506300RMIN，叶片采用不调频叶片设计技术，扭叶片设计采用“X”型自带整体围带增加叶片阻尼，以提高不调频叶片的运行安全性。配汽机构方面，采用喷嘴配汽方式，汽缸上半部分设有8个低压调门，控制8个独立的喷嘴组；另在汽缸下半配备一组高压喷嘴组，运行期间高压阀处于热备状态。机组采用独立底盘结构，以符合整体发运和快装要求。2HMS500D国产化制造过程和难点该锅炉给水泵汽轮机用于国电泰州电厂一期工程1000MW超超临界燃煤机组，以后杭汽轮陆续为北仑、北疆等电厂提供了近50台该型汽轮机的配套，近期该型机组已出口印度市场。该型机组本体设计技术、设计标准、检验标准均从三菱重工引进，根据不同项目，杭汽轮与三菱的合作分工有所差异，但三菱重工主要为技术支持方和设备分包方，杭汽轮则负责整机部件的制造、配套件的采购和装配。国内制造的所有重要本体部件都需通过首件检验流程，机组的最终性能由三菱重工提供保证。在技术和管理层面上，国产化制造过程的主要难点包括设计信息体系转换、材料试制和体系转换、技术和检验标准的适应问题；从制造层面来看，主要难点包括枞树型叶根、叶根槽的加工、大型隔板焊接工艺、转子动平衡专用工装设计等方面。21设计信息体系转换一般情况下，引进的技术资料以纸质文件或不可编辑的电子文件形式提交，对设计标准、检验标准等纯资料性文件来说，可方便地进行检索管理，不影响这类技术资料的使用。但对图纸文件则不然，一台汽轮机由几千个零部件构成，对一个以电子信息化系统为管理平台的先进制造企业来说，一堆图纸说明不了任何问题，这种平面信息是难以组织起有计划、高效率的生产的。如何将这些图纸的平面信息转化成符合现有设计、生产、管理系统BOM所能识别的信息，是实现国产化设计制造面对的首要课题。杭汽轮BOM系统覆盖整个设计、加工、采购、装配、质量控制等过程，就设计信息来说，要求汽轮机的所有零部件构成信息以树型结构形式完整地体现在该系统中，任意一个零部件，均可以在该一圜第3期1000MW火电机组锅炉给水泵汽轮机国产化制造系统中找到其在整个汽轮机装置中的位置和所需数量，反映出该零部件所属的上一级部套和构成该零部件本身所需要的下一级零部件构成，图1所示为HMS500D机组高压调阀零部件的部分信息数据链。结合库存管理模块，该系统可正确、高本体H塞汽LLIL葫胬、效地安排生产计划。但将HMS500D机组每一零部件构成信息从引进的图纸资料中分离出来，按装配关系组成数据链并植入BOM系统，除需要对汽轮机设计本身具有较高的专业技能外，其工作量本身就是一项浩瀚的工程。高压蒸汽速关阀调节阀_1堕I厂孬司厂_L支架H塞量堑厂丽支架H支架毛坯笪R图1HMS500D机组高压调阀零部件部分信息数据链22材料试制及体系转换材料体系的转换是国产化制造的另一个关键环节，材料应用涉及功能性要求和材料成本两个方面因素，而如何评估同样关系到国产化制造的成败。HMS500D机组本体涉及到近30种主要金属材料，其材料标准主要是JIS和三菱重工企业标准。材料体系转化过程需对原牌号材料的化学成分、强度、韧性等指标进行分析，并与同类型的国产材料进行数据对比，选择同级材料或综合性能更高一级的材料作为替代材料，表1所示为HMS500D首级动叶所用NICRMOWV钢三菱材料与杭汽轮替代材料间化学成分对照、表2为主要力学性能指标数据对比。对主轴、高压缸、高低压阀杆等关键部件的材料，为保证性能一致，采用的是材料试制方式，试制材料从成分、冶炼方式、检验指标等严格根据原材料制造标准进行，且必须通过首件检验程序FAI。表L动叶所用材料化学成分数据比较表表2动叶所用材料力学性能数据比较表囫BILLS23技术和检验标准的适应问题除通用标准外，HMS500D机组的制造还涉及到200多个专用标准，涵盖设计、工艺、管理、材料、采购、检验等方方面面。由于三菱作为技术支持方对机组最终性能提供保证，所以国内制造的速阀一一速调汽节一一汽盖汽盖蒸调一一蒸阀蒸阀压阀体一一压阀压阀匿匿一18一O一21000MW火电机组锅炉给水泵汽轮机国产化制造热力透平所有重要本体部件先需通过首件检验流程；任何重要的设计、制造偏差除需要通过自身质保体系的确认外，也需经过三菱本部或现场代表的确认。这种流程一方面确保了产品的品质，但另一方面也对生产过程的连续性带来不利影响，造成制造成本的增加。图2所示为该型机组FAI流程。图2HMS500D制造FAI流程24枞树型叶根、叶根槽的加工由于加工精度要求较高，HMS500D机组叶根和叶根槽的加工成为该型汽轮机制造过程中的难点之一。该转子6级叶轮的叶根槽均采用枞树型叶根设计，这种叶根形式具有较好的抗剪切、弯曲、拉伸应力，能较好地适应百万千瓦等级锅炉给水泵汽轮机满负荷运行时叶片的强度要求。但这种结构的叶根对加工精度要求较高，叶根和叶根槽的加工需完全符合公差要求，一旦叶根或者叶根槽加工发生偏差，将影响到转子的叶片装配质量，运行时叶根的应力分布状态会偏离设计要求，带来不安全因素。HMS500D机组的转子上有近500条枞树型叶根槽，槽的轮廓度公差要求为007010MM，但叶根槽的主、次工作面间距误差需控制在000910013MM之间，要求很高。为了保证加工精度，在分析验证了现有加工设备铣削精度、铣削刚性、铣削功率、圆周分度精度的基础上，对枞树型叶根槽加工制订出多套工艺方案，并在专门设计、定制的模拟转子上进行加工试验。在反复试验成功后，将加工设备、专用刀具、专用工装、切削参数、刀具修磨方案及量具、检测方法等加以固化，以确保加工质量的稳定。叶片加工难度主要体现在叶根和扭叶片的自带“X”型叶顶围带，枞树型叶根结构复杂，公差控制要求很多都为微米级，“X”型叶顶围带虽对提高热力性能作用明显，但加工复杂，一些设计要求不能通过普通的铣削和磨削方法得以实现，特殊夹具、刀具和验测工具的设计是该类型叶片加工的关键。25静叶隔板焊接静叶隔板制造的难度主要体现在焊接工艺上，HMS500D机组的扭静叶隔板直径大，焊接区域达到2米，静叶汽道扭曲剧烈，汽道喉部公差要求在046MM以内，对焊接的热变形控制要求非常高。为此，需专门设计焊接夹具、装焊定位工装、焊接变位机以及除应力夹具、装夹工装等一系列专用工装，根据各级结构特点制定专门工艺，通过各种试验积累焊接工艺数据，再将成功后的焊接流程和工艺参数加以固化。3部分自主创新设计31盘车装置给水泵汽轮机在启动前和停机后，由于转子鬻繁一皿第3期1000MW火电机组锅炉给水泵汽轮机国产化制造温度场的不均匀性，容易带来转子的热弯曲变形，如果变形过大会引起转子振动加大，甚至导致动静擦碰带来损坏。因此汽轮机启动前和停机后需进行盘车以确保安全。同时盘车有助于汽缸内部热交换均匀，有利于减小上下汽缸温差，减少温差引起的热变形量。盘车装置位于机头，按引进技术资料，该装置盘车转速为12RMIN，盘车电机功率37KW，提供的盘车扭矩为3010NM，具备自动投入，自动退出功能。分析表明，给水泵汽轮机盘车阻力矩主要来自给水泵而不是汽轮机本身，国内1000MW机组配套的锅炉给水泵厂家主要有KSB、苏尔寿、荏原等，各厂家给水泵的启动阻力矩曲线有所不同，以泰州电厂一期配套的KSB泵为例，其低速盘车下的阻力矩约为3400NM，汽轮机盘车装置如果按三菱技术指标设计，正常运行时可能会处于过载状态，难以满足使用要求。为此，在分析三菱盘车装置结构特点的基础上，杭汽轮以自有技术单独开发了HMS500D盘车装置，其设计的主要技术指标如表3所示，结构如图3所示。表3HMS500D机组盘车装置技术参数图3HMS5O0D机组盘车装置机构图该盘车装置由汽轮机轴头直联驱动，具备自动投人，自动退出功能。根据给水泵要求，提高盘车装置转速至40RMIN；为降低盘车刚投入时对转动部件的冲击力矩，装置设计引入了变频技术，在_囱冒I一黧盘车信号发出后，变频器通过3分钟时间将频率从5HZ自动上升到50HZ，达到要求的正常盘车转速，盘车起动瞬间的冲击得到显著降低。32HMS500D机组控制系统国内用户对给水泵汽轮机控制系统的硬件构成往往要求与主机的选型一致，这样就使得原三菱该型汽轮机相对固化的控制系统设计不能满足用户要求。杭汽轮结合以往在300MW、600MW给水泵汽轮机控制系统设计方面的丰富经验，自行完成了对HMS500D机组控制系统设计。该控制系统包括给水泵汽轮机的启动、停机、调速和稳速，运行时各参数的监测，各种连锁保护等。控制系统主要由三部分构成一是数字式电液调节系统MEH，MEH的核心是设计运行范围内能满足系统要求的转速调节回路，调节器接受来自锅炉给水系统的420MA信号，能够单机或并列运行。MEH还包括转速设定、升速率设定、阀门切换、试验以及汽机的超速试验等。MEH系统硬件配置主要是以柜结构形式的现场控制站，柜内包括通讯、控制、IO通道，电源等模件，是MEH系统实现过程控制的主要现场设备，完成过程控制中的通讯、数据采集、回路和顺序等控制功能。系统配置了操作员站，用于现场过程监视、操作管理和记录，实现提示、报警、数据归纳和数据通讯。该系统还配置有工程师站，作为控制软件图形组态调试、系统监视和维护专用工具；二是机组的连锁保护系统ETS，用以实现给水泵汽轮机的超速保护，轴承瓦温过高、油压过低、排汽真空度过低等联锁保护；三是机组监控仪表系统TSI，用于监测给水泵汽轮机的轴振动、轴位移、转子偏心等指标，同时也进入到联锁保护系统中。按要求，首套用于泰州电厂一期工程的给水泵汽轮机控制系统MEHETS硬件采用的是西屋OVATION系统，而TSI采用的是EPRO公司MMS6000系列产品。33独立油站系统油站系统为整个汽动给水泵组提供润滑、调节和保安用油，该系统主要由一容积66M油箱、两台容量42M。H主油泵、一台容量30MH事故泵、两台冷却面积27M冷油器、两台滤油精度25M滤油器加油温控制阀、压力调节阀、油烟风机等组成。该系统具备油温油压自动调节、在线油压试验等功能，全部设备由杭汽轮选型，所有油1000MW火电机组锅炉给水泵汽轮机国产化制造热力透平站设备集中布置于独立底盘内，以方便现场的安装和调试。4结论总结HMS500D锅炉给水泵汽轮机的国产化制造实施过程，首先需要解决的是在技术和管理层面上实现不同设计体系、不同材料应用体系之间的转换以及引进技术检验标准的适应问题；而在制造层面上，主要是要解决如转子、隔板等关重部件的加工工艺和焊接工艺问题。此外，针对不同的用户，机组需进行如盘车装置、供油系统、监视与控制系统等的个性化设计问题以满足不同用上接第167页的叶片要重新进行完整的强度考核。具体