百万千瓦级SIEMENS汽轮机的技术特点.doc

7百万千瓦级SIEMENS汽轮机的技术特点及讨论 华东电力2003增刊GW级SIEMENS汽轮机的技术特点及讨论冯伟忠（上海外高桥第二发电有限责任公司 上海市 200137）【摘要】本文围绕外高桥二期工程的900MW汽轮机设备，对SIEMENS百万千瓦级汽轮机的汽缸配置、推缸技术、背压问题、末级长叶片、轴系及取消了调节级、机械危急保安器和同轴主油泵等技术和结构特点，相应的变压运行方式等进行了介绍，对其相关的一些问题进行了讨论。【关键词】超临界 汽轮机 技术特点0、引言目前，我国正掀起一轮电力建设的高潮，百万千瓦级的超（超）临界机组正受到日益关注。目前，国际上百万千瓦级的汽轮发电机组主要分布在美国、日本和德国。美国和日本都为双轴机组，而德国则为单轴机组。其中以SIEMENS为代表的单轴机组最具特色。目前正在建设的外高桥二期2900MW超临界汽轮发电机组即为SIEMENS产品，其第一台机组已于2004年4月20日顺利通过168h试运行并投产。该机组在调试期间已能达到980MW最大连续出力的稳定运行，最高曾达到1000.3MW。通过该项目的设计、施工和调试，体会到了SIEMENS大型汽轮机的许多技术特点。1、汽缸配置及效率等外高桥二期900MW汽轮机，为SIEMENS超临界单轴、一次再热、四缸四排汽。四缸分别为高、中、低、低。这两台汽轮机，是SIEMENS公司为其度身定制的。按照招标书的要求，投标容量应为：双轴，1000MW；单轴，900MW。而根据世界银行的招标导则，只要符合技术规范，原则上为低价中标。这样，SIEMENS以末级叶片长度达1146mm作为技术支撑的单轴四缸方案就比其他投标商的双轴机方案及单轴五缸等方案在价格上更具有竞争力。据悉，SIEMENS的技术部门起初拿出的是五缸六排汽方案，后商务部门出于低价竞争的考虑，请技术部门重做了四缸方案，虽然这样明显降低了机组热效率，但由于招标书的热耗标准定得太低（7658KJ/ kWh），故四缸方案已绰绰有余。1.1 轴系问题采用单轴四缸方案，在技术上有其有利的方面。作为900MW容量的机组，与单轴五缸方案相比，轴系明显缩短，这有利于轴系的稳定。之所以在外高桥二期的招标书中对单轴机组的容量作了限制，也是出于对单轴大机组轴系稳定性的考虑。因此SIEMENS的四缸方案较容易消除人们当时对轴系稳定问题的忧虑。国际上在发展大机组的过程中，随着蒸汽参数的不断提高和多缸多排汽结构的发展，采用传统汽缸和双支点轴承的汽轮机遭遇了转子与汽缸间相对膨胀过大和长轴系稳定性的瓶颈，因此，美国在近百万千瓦及以上的汽轮机都采用了双轴结构，而日本在战后引进的是美国技术，在发展百万级机组时亦只能选择双轴方案。但是，SIEMENS公司针对大机组的特点开发了独门的推（拉）缸技术，结合单支点轴承，巧妙地解决了单轴大机组的相对膨胀和轴系稳定性问题。采用单轴五缸六排汽的德国Boxberg电厂910MW机组及Niederaussem电厂1025机组已于1999年及2002年分别投产。1.2 热效率与背压近些年来，德国在提高蒸汽初参数的同时，大力降低排汽背压。采用五缸六排汽方案，可大大增加排汽面积，显著降低背压，提高热效率。Boxberg电厂910MW机组采用的是977mm末级叶片，排汽面积为68.9m2，背压低达2.91/3.68KPa。Niederaussem电厂1025机组，采用1146mm末级叶片，排汽面积达610.96 m2，背压亦为2.91/3.68KPa（冷却水温14/24），与常规背压相比，可提高机组效率1.4%。作为比较，若改用600/600的超超临界蒸汽参数，也不过提高机组效率1.3%。由此可见，我们几十年不变的4.9KPa设计背压亟需突破。与四缸方案相比，即使采用末级短叶片的五缸机组的额定热耗相同，其实际运行热耗仍将明显低于前者，这是因为在低负荷工况时，热耗的恶化同末级叶片长度成正比，故采用较短叶片的五缸机组的运行热耗必然低于四缸方案。随着电网容量的不断扩大，大机组作为电网的调峰主力已成趋势，显然长叶片方案与此背道而驰。问题在于招标技术规范书通常只规定额定工况的热耗。因此，在评标时，相对造价较高的短叶片五缸方案并占不到便宜。另外，SIEMENS对外高桥二期的投标方案为单背压。按其技术，可在低压缸和凝汽器均不变的前提下采用双背压方案。事实上，其大型机组的典型设计就是双背压方案。问题在于SIEMENS的投标方案（单背压）的热耗已优于招标书，在世界银行低价竞争的机制下，他没有积极性去推荐虽热耗更低但需增加凝结水泵投资的双背压方案。下表为外高桥900MW汽轮机与Niederaussem电厂1025机组的部分技术参数：外高桥Niederaussem 额定出力：900MW1012MW最大连续出力：980MW1027MW主汽门前额定压力/温度23.96 Mpa/53826.5 Mpa/576主蒸汽流量（最大）2788 T/H2660 T/H再热汽门前额定温度566599背压4.9KPa2.91/3.68KPa热耗7602KJ/KWh6960 KJ/KWh形式单轴四缸四排汽单轴五缸六排汽2、末级1146mm长叶片作为四缸900MW汽轮机的技术支撑，低压缸1146mm末级长叶片乃是一大亮点。该叶片由SIEMENS-KWU公司设计开发，是目前世界上已定型并批量生产的最长的全速汽轮机叶片。该型叶片最早安装于丹麦Enstedvaerket发电厂，至今已有七年多的安全运行记录。采用该型长叶片后，末级叶轮的最大直径达4200mm。其叶顶圆周速度高达660m/s，超过了传统概念中650m/s的上限。因而叶片将承受极大的应力。这对材料的持久强度和冲击韧性等机械指标提出了更高的要求。另外，由于末级叶片处于湿蒸汽区（设计排汽湿度为12.2%），叶片将受到很大的水冲蚀。这就要求所用材料又具有很高的硬度。而高硬度的材料脆性大，这同叶片需要高的抗拉强度产生了矛盾。按传统的技术，通常采用对叶片的进汽侧进行表面淬硬、渗氮处理或镶焊高硬度的司太立合金等方法以抗冲蚀。但是，SIEMENS将被动的接受水珠的冲蚀改为设法消除动叶进汽中的大水滴。从而在根本上缓解叶片的冲蚀问题。SIEMENS的消水方案原理很特别，他是在空心的末级静叶内通以较高温度的蒸汽(三级抽汽)。这样，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。只要此蒸发量大于其表面积聚的水珠量，到出口处时静叶表面已呈干燥状态。这就能确保静叶无水滴脱落，从而使动叶免受大水滴的冲蚀。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。由此可见，这种釜底抽薪的方法确实可圈可点。3、高、中压缸31 高压缸结构特点 图1： 高中压缸外高桥900MW汽轮机为反动型机组，高压缸为单流型，共17级，与双流相比虽存在轴向推力的平衡问题，但叶片高度的增加能明显提高前级效率。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，螺栓孔直接穿于圆桶型内缸壁。拆、装高压外缸需将其直立后方可进行。通过进一步的力学分析可以看出，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。总重达170T的高压缸，在制造厂内组装后整体运至现场。采用整体组装出厂，能确保高压缸的组装质量和热耗水平。必须指出，SIEMENS为降低本机的造价，未在高压缸设抽汽口，一级回热抽汽采用高压缸排汽。因此，本机的末级高加出水温度在额定工况时仅为267.7，SIEMENS除简化了高压缸结构外，还节省了一级高压加热器（本机仅有二级，通常应为三级），大大降低了投标价。但与Niederaussem1025MW机组296的给水温度相比，系统循环热效率下降了0.7%。32 取消调节级及变压运行方式SIEMENS的高压缸还有一个特点，就是没有调节级（见图1）。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%门前压力的节流）。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。同时，在低负荷下的压力级的相对内效率远比调节级高，取消调节级后，又在一定程度上弥补了末级长叶片在低负荷工况时的效率恶化。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高参数大机组所普遍采用。在此前提下，采用调节级已无必要。当然，这种机组在调门全开方式下，其效率最高。同理，如果全程采用纯滑压方式运行，调门全开，由锅炉负责负荷调节，其热耗水平将优于设计值，但负荷响应速度会因此大大降低。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。不过，虽取消了调节级，但SIEMENS对高、中压缸的第一级均采用了低反动度（20%）的设计，有效的降低了进入中、低压缸的第一级动叶的温度。另外，从结构上来说，第一级静叶不存在径向间隙及漏汽，低反动度的设计能大大减少动叶的叶顶间隙漏汽损失，从而显著提高了级效率。33 中压缸图2：中压缸该机组的中压缸为双流型，共213级，也是整体组装出厂，总重197T。但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。另外，在内、外缸之间，还设计有遮热板，从而进一步改善了内缸的热环境。34 机头轴承箱SIEMENS的大型汽轮机的机头轴承箱的设计，对传统的设计理念进行了彻底的改革（见图1）。取消了同轴主油泵、机械危急保安器以及与液压调节和控制相关的所有装置。以往庞大而复杂的机头箱缩减成一个简单的轴承座，内置一个磁阻式测速齿轮盘和盘车装置。原主油泵的任务由电动油泵承担。而汽轮机的转速调节和超速保护则完全依赖于数字电液控制系统（DEH）和电子（微机）超速保护装置。当然，这就要求电动主油泵和电子超速保护系统有着极高的可靠性。4、低压缸的结构及低压缸与凝汽器的连接方式41 低压缸图4 汽缸膨胀传递方式示意 图3 低压缸低压缸为双流型，共26级。其结构以及其与凝汽器的连接方式比较特殊（见图3）。低压内、外缸之间采用柔性连接。低压内缸由低压内内缸和低压内外缸组成。整个低压内缸坐落在两侧的膨胀推力螺栓上。此推力螺栓除承担低压缸的荷重外，还负责传递中压外缸和低压内缸的轴向膨胀或收缩（见图4）。转子和中、低压缸的死点位于中压缸前的#2轴承处。SIEMENS的这种独特设计使得中压缸和两台低压内缸在启动和运行时可同转子一起向发电机方向膨胀（或收缩）。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。上述各因素的综合作用，使得低压缸动静叶间的差胀比其他型式的机组小得多，故其动静叶间的间隙就可做得较小，从而可提高运行和变负荷时的内效率，同时也极大的改善了机组的启动和变负荷的适应能力。42 低压外缸与凝汽器的连接由于低压内缸膨胀方式的特殊处理，使得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，直接焊接与凝汽器上。由于在运行时，低压外缸相对于轴承、中心导杆、推力螺栓等存在着三维的膨胀，且此膨胀量和膨胀方式与转子和内缸又完全不同，故SIEMENS配置了一系列的柔性波纹管解决相对膨胀（包括内、外缸之间，轴封处，导汽管、中心导杆和推力螺栓等）的吸收和密封问题（见图3）。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。5、轴系支承方式由图1和图2可以清楚的看出，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，为确保轴系的稳定性，应最大限度的缩短轴系长度。从这点出发，单支点轴系是最优选择。但目前世界上，只有SIEMENS和ABB采用此技术。作为比较，引进型（Westinghouse）600MW汽轮发电机组，汽轮机总长32.28m，机组总长49.2m；而外高桥900MW的汽轮机总长28.5m，机组总长为48.2m。百万千瓦级机组应用单支点轴系，若采用五缸方案，与双支点相比，轴系总长约可缩短10m。 采用单支点轴系，还带来其他的一系列好处。如，轴承负荷稳定，不受膨胀变化影响；能避免油膜振荡；补偿基础变形能力强；临界转速易于设计计算；轴系中心易于校正；轴承磨擦损失和润滑油量小等。其缺点是轴系找中心须另加辅助轴承。6、启动特性图5 冷态启动曲线由于SIEMENS机组及系统的独特设计和结构特点，使机组取得了超凡的启动性能。图4是900MW汽轮发电机组的设计及首次冷态启动曲线，按设计，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。而在实际首次启动时，则安排了在360（转/min）时停留20min，然后继续以600转/min的速率直达额定转速。（在整个冲转过程及运行中，各道轴振均小于50m）作为参照，且不说配有法兰螺栓加热系统的传统机组，即使是较为先进的引进型300600MW的机组的冷态启动，仅从0冲转至全速，仍需耗时约5个小时。与之相比，图4的启动曲线确实难以想象。须特别指出的是，在机组以高升速率达到全速时的转折点，只有很小的超调现象。比照引进型300600MW机组高达数十转的超调量，这样的调节过程确能令许多控制专家匪夷所思。这说明该型机组的DEH系统具有极好的性能及控制策略且机组的可控性极佳。在机组的调试过程中，SIEMENS曾尝试从零直接冲额定转速，但没有成功。原因是DEH内的应力限制。此外，由于机组整个启动过程必须在DEH控制下自动进行，考虑到机组在跳闸后惰走时间太长，故将中间停留平台改为86