华电宁夏灵武发电有限公司2×1000MW超超临界空冷机组技术特点介绍

1、华电宁夏灵武发电有限华电宁夏灵武发电有限公司公司21000mw超超临界空冷机组技术超超临界空冷机组技术特点介绍特点介绍 机组设计参数、低压缸、末级叶机组设计参数、低压缸、末级叶片、背压保护等特点介绍片、背压保护等特点介绍 1 主机参数介绍主机参数介绍1.1 锅炉参数过热蒸汽：最大连续蒸发量(bmcr)： 3100 t/h 额定蒸发量(brl)： 2856.8 t/h额定蒸汽压力： 26.25 mpa(a)额定蒸汽温度： 605 再热蒸汽：蒸汽流量(bmcr/brl) 2525.04/2323.15 t/h最大工况进口/出口蒸汽压力(bmcr)4.89 / 4.69 mpa(g)额定工况进口/出

2、口蒸汽压力(brl)： 4.58 / 4.39 mpa(g) 最大工况进口/出口蒸汽温度(b-mcr) ：351 / 603 额定工况进口/出口蒸汽温度(brl)： 344 / 603 给水温度(bmcr/brl)： 302 / 300 1.2 汽轮机参数额定功率（在发电机端） 1000mw汽轮机型式：1000mw级机组：超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、直接空冷凝汽式主汽门前额定压力： 25.0 mpa（a）主汽门前额定温度： 600再热主汽阀前额定温度： 600回热加热级数： 7级设计背压：额定背压/夏季背压13kpa（a）/33kpa（a）工作转速 3000 r/min旋转方向（

3、从汽机向发电机看） 逆时针长期连续运行时最大允许系统周波摆动 48.550.5 hz1.3 发电机参数额定容量： 1120mv 额定功率： 1000mw 额定电压： 27kv 额定功率因数： 0.9（滞后） 频率： 50hz 额定转速： 3000r/min 绝缘等级： f级 短路比： 0.5 效率： 99 相数： 3 额定氢压： 0.52 mpa2 汽轮机说明汽轮机说明2.1 总体结构总体结构 灵武二期超超临界1000mw汽轮机系东方汽轮机有限公司引进日本日立公司技术设计制造，为一次中间再热、单轴、四缸四排汽空冷汽轮机，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

4、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26个压力级；两个低压缸的压力级总数为226级，末级叶片高度为770mm。机组的布置图如下：2.2 汽轮机汽轮机770mm末级叶片设计末级叶片设计 770mm 末级长叶片是东方汽轮机有限公司与863mm末级长叶片同步开发、用于不同功率等级空冷汽轮机的末级叶片。863mm叶片适用于两排汽600mw空冷汽轮机，于2007年5月通过了国内知名专家鉴定会的鉴定，在宁夏大坝电厂已成功投运；770mm叶片适用于四排汽1000mw空冷汽轮机。 与863mm叶片一样，770mm叶片具有高的级效率、高的根部反动度、低的顶部反动度，并具有可

5、控涡优化流型、优良变工况特性。在完成流型优化设计之后，不但进一步采用全三维粘性流场 cfd 软件计算分析了叶片级的全三维流场特性，而且对典型截面完成了叶栅吹风试验。根据计算分析，精调静、动叶的叶型及成形规律，使全三维流场特性达到最优，最终完全确定静、动叶片的叶型及成形规律。计算分析结果表明：通过全三维流场优化设计，流场特性明显改善，级效率提高显著。770mm 叶片也采用了大宽度、自带阻尼凸台拉筋、小应力集中的 ccb（continue cover bucket）结构设计（见下图 ），大幅度削减动应力峰值。强度振动分析表明：770mm 叶片具有足够的强度裕度，而且振动特性优良。2.2.1 770

6、mm叶片的排汽面积优化设计叶片的排汽面积优化设计 按照一般设计原则，空冷1000mw汽轮机与湿冷1000mw 汽轮机的高中压通流基本可通用；低压部分，除末二级外也可用湿冷机的部分级次为母型改进设计。与两排汽湿冷1000mw汽轮机匹配的最佳低压模块应为1200mm低压模块，其根径75（1905）。因此，确定适用于4f-1000mw空冷机组的末级叶片的根径为75。 根据国内“三北”地区空冷电站的气象特点，东汽确定空冷末级叶片优化叶高的准则是以单位环形面积的容积流量（排汽速度）和装机地点年统计气温下的最大微增功率来确定，最大微增功率一般对应的排汽速度为180220m/s。按此原则，四排汽空冷1000

7、mw汽轮机的末级叶片在根径75（1905）时对应优化叶高约为770 mm，对超超临界1000mw机，此叶片高度对应的排汽面积在背压12kpa16kpa 均使其排汽速度落入180220m/s 的范围内。 对于空冷机末级叶片，若设计的太长，虽然低背压时经济性较高，但必将导致高背压工作区间性能恶化，脱流背压降低，报警背压、跳闸背压降低；反之则反。经过对770叶片的变工况分析，其设计点位于排汽损失曲线的右侧，最低排汽损失对应的背压约18kpa。说明在设计背压为13kpa15kpa 的条件下，对于1000mw空冷汽轮机的末级叶高取770mm是合理的。 770 mm空冷末级叶片的基本特征为：根径1905m

8、m（75）、叶高为770mm、排汽面积6.47m2、型根宽度310mm、设计背压13kpa、排汽速度193m/s、根部反动度25.0%、级负荷18.0kg/h/m2。2.2.2 770mm2.2.2 770mm叶片的气动设计叶片的气动设计2.2.2.1 热力设计 根据13.0kpa的设计背压，以全年运行经济性最高为优化目标，对末级排汽面积进行了优化，获得最佳高度约为770mm，相应级负荷为18.0kg/h/m2，轴向出口马赫数为0.46。 2.2.2.2 动、静叶型线设计 静叶型线是在层流叶型基础上优化设计的新一代高效静叶，采用可控涡弯扭成形技术，根顶部采用光滑子午流道，以改善端部流动，出汽边

9、厚度采用0.38mm以减小尾迹损失和动叶激振力；动叶型线根部叶型是改进的收缩型通道叶型，中上部叶型改进的为收缩、缩放通道叶型，与相应的马赫数相适应。且上部叶型在设计相对栅距时有较大的盖度，这对改善叶栅的变工况性能十分有利。动叶型线迭合图见下图: 对动叶的根、中、顶三个典型截面完成了2d粘性数值分析和采用蒸汽为工质的叶栅试验，试验结果表明：典型截面的气动特性优良，根、中、顶典型截面的型损随马赫数变化平缓，变工况性能优良。下图为日立公司以蒸汽为工质进行的动叶叶栅试验结果。根截面型损与出口马赫数的关系0.600.801.001.201.401.600 0. .6 60 00 0. .8 80 01

10、1. .0 00 01 1. .2 20 01 1. .4 40 01 1. .6 60 01 1. .8 80 0马赫数相对型损中 截 面 型 损 与 马 赫 数 关 系0.600.801.001.201.401.601.802.000 0. .6 60 00 0. .8 80 01 1. .0 00 01 1. .2 20 01 1. .4 40 01 1. .6 60 01 1. .8 80 0马 赫 数相对型损顶 截 面 型 损 与 出 口 马 赫 数 关 系0.601.101.602.102.603.103.601 1. .0 00 01 1. .2 20 01 1. .4 40 0

11、1 1. .6 60 01 1. .8 80 02 2. .0 00 0马 赫 数相对损失2.2.2.3 静、动叶型优化及流型优化设计 以上述静、动叶型线为基础，采用优化可控涡流型设计，使动叶的攻角、反动度沿叶高合理匹配，初步确定静、动叶流型。通过优化得到高的级效率、高的根部反动度、低的顶部反动度、优良的变工况特性的级优化流型。为了实现低压模块整缸通流匹配和流型优化，对低压通流完成了多个方案的通流设计，静叶采用可控涡流型设计，从根部到顶部采用反扭控制涡，匹配后续扭曲动叶的设计，从最终方案的计算结果分析中可以得到以下几点结论： (1) 级排气角沿叶片高度的分布在 85.3110.6范围，平均排气

12、角为90.6左右，所以相应有较小的余速损失16.7kj/kg。 (2) 根部反动度29.2%，顶部反动度74.53%。这样一种分布，适合较大变工况范围。背压升高时，根部反动度一般将变小，高的根部反动度，可以大大推迟脱流的发生；背压降低时，顶部反动度不至于升得太高，使级效率变差。这都利于增加机组运行范围，是比较典型的可控涡设计。 (3) 轴向出口马赫数沿叶高在 0.3690.485 范围内，中径处为 0.48，符合设计要求。 (4) 速比u/co在0.5050.912范围内，平均速比0.72，级效率为78.7%。 2.2.2.4 末级叶片全三维粘性气动计算 采用 cfd 软件对 770 末级及次

13、末级两级连算，分析其设计工况下的三维流场特性。数值计算采用商用软件numeca，通过求解定常rans方程得到流场分布。在计算模型中，工质选 condensable fluid 水蒸汽工质模型,该模型中对水和水蒸汽性质的计算采用 iapws_if97 计算公式进行；采用 spalart-allamaras 一方程紊流模型；空间离散采用有限体积法，格式采用二阶中心差分格式，时间离散采用四步runge-kutta方法；动静叶干涉面采用混合平面法(full non matching mixing plan)进行处理。为加速收敛，采用了多重网格法和隐式残量平均法。 进口给定总压为119744.3pa，总

14、温给定为418.96k，轴向进汽；出口给定平均静压为13230pa。三维立体造型及计算网格结构三维立体造型及计算网格结构 计算结果汇总见表2-1表2-1 三维气动计算结果汇总流量（kg/s）120.73出口绝对气流角()86.77总压等熵效率(eta)94.135中部截面马赫数分布（静叶为绝对马赫数，动叶为相对马赫数）中部截面马赫数分布（静叶为绝对马赫数，动叶为相对马赫数） 顶部截面马赫数分布（静叶为绝对马赫数，动叶为相对马赫数） 从以上的全三维计算结果和相应的流场分布来看，可以得到以下几点结论： 叶片级的静叶具有明显的后加载特性，流道内气流均匀加速、扩压流动区域小、无分离、激波损失小、尾迹较

15、薄。 叶片级的动叶流道内气流均匀加速、无分离、内背弧上附面层较薄；动叶焓降设计合理，绝对排气角接近90，余速损失小。 级静动叶匹配合理，沿叶高具有良好的攻角特性，级的气动性能优良。叶片级的静叶流道内气流均匀加速、无分离、无扩压流动、无激波、尾迹较薄。叶片级的动叶流道内气流均匀加速、无分离、内背弧上附面层较薄，沿叶高具有良好的攻角特性。叶片级的三维计算等熵级效率高达 94.13%，表明该级静动叶匹配合理，具有优良的气动特性。 2.2.3 770mm 2.2.3 770mm叶片的结构设计叶片的结构设计 空冷汽轮机组末级叶片结构特点： 大刚度、低动应力。 大的阻尼结构。 小应力集中设计。 高强度、高

16、内阻的材料应用。 在高背压小容积流量工况下，末级动叶动应力达到很大的峰值，为减小此峰值，空冷末级叶片相对于湿冷机组应有更大的宽度。为了进一步减小动应力，大阻尼结构也是必要的。（1） 770mm叶片的叶根设计 770叶片的叶根采用具有大承载能力的枞树叶根，此种叶根的工作面基本按等强度原则设计，应力集中系数小，承载能力强，广泛用于末级长叶片的叶根，众多应用实例证明此叶根强度具有很大的安全裕度。 （2） 770mm叶片连接件结构 770 叶片连接件结构采用具有较大阻尼的整体拉筋和整体围带结构型式。通过在额定转速下叶片的扭转恢复实现了叶片与叶片之间的制约机制，形成整圈联接结构(ccb)，增加了770叶

17、片的阻尼，大大降低了动应力水平；其气动特性和阻尼特性优于国外同类叶片。 （3） 770mm叶片材料选取 770mm叶片采用40叶片的材料2cr12ni4mo3vnbn，该材料是一种优良的末级叶片材料。 （4） 770mm叶片防水蚀措施 770叶片级的设计工况计算湿度为仅6%，在高背压高于30kpa时,湿度小于4%，在高背压高于35kpa时,动叶根部才有轻微脱流（倒流），而湿度小于3%，且根部线速度非常低（300m/s），说明动叶根部不会因高背压倒流引起严重水蚀。因此，770叶片的防水蚀措施设计为叶顶进汽边采用高频淬火，动叶根部不须采用防水蚀措施。高频淬火后防水蚀区硬度为hrc4252，且叶片材

18、料具有优良的抗疲劳及抗应力腐蚀性能，运行安全可靠。 2.2.4 2.2.4 空冷空冷770mm770mm叶片的强度、振动特性计算分叶片的强度、振动特性计算分析析 770mm末级长叶片以1000mw空冷汽轮机末级叶片作为设计目标，采用msc-nastran 软件对该叶片进行了强度、振动分析，分析内容如下：单只叶片强度、振动分析；成圈叶片振动分析。2.2.4.1 常规强度计算结果 空冷770mm叶片进行了详细的强度、振动特性计算分析，各类计算结果如下表所示。表2-2 模型质量、重心及离心力 (围带厚度为18mm)重量单位:kg重心x单位:mm重心y单位:mm重心z单位:mm离心力单位:n42.09

19、1-0.12-1.21160.434820676注：所有上面模型数据取自叶片三维模型。 2.2.4.2 结论 通过对该叶片的详细的强度振动特性分析后，可以得出如下结论： 该叶片型线及叶根各截面的平均拉应力均小于材料的许用应力500mpa；各齿剪切应力均小于材料许用应力289mpa。静强度合格。 轮缘各截面的平均应力均小于材料的许用应力375mpa；各齿剪切应力均小于材料许用应力217mpa。静强度合格。 2.2.4.3 770mm 叶片有限元强度、振动特性计算分析 （1） 叶片工作部分强度计算 有限元模型 本次计算共包括两部分内容，分别计算单只自由叶片强度以及成圈叶片工作状态下强度。 计算模型

20、为一只叶片（叶片考虑围带、拉筋及型线与叶根平台的过渡圆角）、一个叶根平台，网格数量为8320，单元类型为六面体。叶片有限元模型见下图。叶片有限元模型 成圈叶片强度计算结果 载荷及边界约束为叶片平台底部完全约束；整个模型施加3000r/min的转速与气动载荷；从整圈接触分析的计算结果中提取相应叶片围带、拉筋的最终工作位置并建立接触边界，将接触边界导入本模型后与拉筋、围带建立接触对，在载荷施加的过程中采用自动接触的方式。 成圈叶片最大等效应力 527.4mpa，位于叶身内弧下侧靠近出汽侧位置；叶片最大位移3.0mm。详细应力分布及变形情况见下图。成圈叶片等效应力分布图（内弧侧）成圈叶片等效应力分布

21、图（背弧侧）最大应力截面等效应力图 叶片最大应力位于内弧型线根部靠近出汽端位置（截面 z 向高度为1000.5mm ，距离叶根平台高度为48mm。此位置沿x-y向的截面应力集中系数见表2-4。表2-4 最大应力截面的应力集中系数 单位：mpa最大应力 单位：mpa527.4最大主应力（拉应力） 单位：mpa575.5平均拉应力 单位：mpa372.3最大应力/平均拉应力1.42最大主应力/平均拉应力1.55（2） 结论 叶片在实际工作状态下，其应力、变形、叶身扭转角等与单只叶片有明显差别，最大应力为527.4mpa，位于叶身内弧下侧靠近出汽侧位置，与自由状态下最大应力位置相同；最大扭转角为 0

22、.72，位于拉筋与围带间的叶身部分；叶片最大变形为3mm，位于围带出汽侧；围带下部最大应力为277mpa，位于内弧侧与围带相接的叶身位置，围带进汽侧径向位移较小，为 1.05mm，出汽侧径向位移较大，为1.725mm。拉筋附近最大应力437.8mpa，位于内弧侧拉筋下部的叶身位置，拉筋内弧侧径向位移较大，为1.19mm，背弧侧径向位移较小，为0.77m。 所有叶身位置的应力值均在叶片许用应力值（860mpa）范围内 2.2.4.4 叶根、轮缘接触强度分析 （1） 有限元模型及边界条件 叶根、轮缘接触强度计算模型为一只叶片（叶片考虑围带、拉筋及型线与叶根平台的过渡圆角）、一个叶根和一个节距叶轮（

23、叶轮沿轮槽走向截取，径向取到转子光轴表面）。划分单元数量为 12.7万，单元类型为六面体。其中叶根5.5万、叶轮6.4万、叶身（包括围带、拉筋及过渡圆角）0.8万。计算模型如下图。叶根、轮缘接触计算模型（2） 叶根、轮缘接触应力表2-5 叶根与轮槽圆角部位最大应力及接触表面最大接触压应力位置接触表面最大接触压应力（mpa）内弧背弧第一齿461.2619.7第二齿464.3458.3第三齿434.8426.1第四齿505.2523.8叶根、轮缘接触等效应力及变形见下图叶根内弧接触等效应力叶根背弧接触等效应力叶轮内弧接触等效应力叶轮背弧接触等效应力 （3） 工作齿的负荷分配 根据单只叶片（包括围带

24、、叶身、拉筋、叶根平台、叶根及过渡圆角）模型质量、质心及工作转速得出叶片离心力为4852052n。 根据各工作齿承受 z 向载荷（abaqus 计算结果输出）的叠加得出叶片离心力为4850487n，与上述离心力计算结果差值为0.03%。表2-6 叶根（轮槽）每个接触面上承受的z向载荷分配位置载荷值（n）占所在侧面比例内弧、背弧占载荷总值的比例内弧第一齿64300726.38%内弧50.25%内弧第二齿58406223.96%内弧第三齿56332623.11%内弧第四齿64711126.55%背弧第一齿70135129.07%背弧49.75%背弧第二齿55070222.82%背弧第三齿52609

25、621.80%背弧第四齿63483226.31% （4）叶根、轮缘接触计算结论 叶根各工作齿圆角位置单元的应力，大部分处于400mpa700mpa之间，最大应力值为 849.5mpa，该值小于叶片材料的许用应力1137mpa，满足强度设计要求。轮槽各工作齿圆角位置单元的应力，大部分处于400mpa700mpa之间，最大应力值为765.3mpa，该值小于叶轮材料的许用应力987mpa，满足强度设计要求。 叶根（包括叶根平台）位置最大位移为0.90mm，轮槽位置最大位移为0.69mm。内弧侧各齿承受载荷占内弧侧承受总载荷的 23.1%26.5%，背弧侧各齿承受载荷占背弧侧承受总载荷的 21.8%2

26、9.1%，内弧侧承受载荷占总离心载荷的50.25%，背弧侧为49.75%。叶根内背弧载荷分配均匀。 2.2.4.5 整圈叶片接触分析 （1） 计算模型及边界条件 整圈70只叶片（叶片考虑围带、拉筋及根部过渡圆角）,模型取到转子中心。单元数量为36.6万，单元类型为六面体。计算模型见下图。整圈接触计算模型接触计算拉筋模型接触计算围带模型 边界约束及载荷为转子进气端截面施加轴向及切向约束，出气端截面施加切向约束；围带与围带、拉筋与拉筋之间采用自动接触方式，叶根平台与转子表面的连接采用tie连接形式；整体模型施加绕转子轴心3000r/min的转速，每只叶片沿高度方向选取10个截面，施加圆柱坐标系下轴

27、向与切向气动载荷。（2） 计算结果设计状态下（拉筋间隙 0.8mm，围带间隙 0.6mm）围带与拉筋接触力、接触应力见表5-5。 表2-7 围带与拉筋接触力及接触应力围带与围带之间拉筋与拉筋之间接触法向力接触面积平均应力接触法向力接触面积平均应力nmm2mpanmm2mpa8164.328229.037065.346879.2 从计算结果的历史输出数据可以看出，围带大约在 320r/min 的转速时开始接触，接触力随转速上升并呈缓慢增加趋势，拉筋大约在 770r/min 转速时开始接触，接触力随转速增加较快。 针对拉筋处于典型间隙时围带的接触转速以及围带处于典型间隙时拉筋的接触转速进行的计算表

28、明，设计间隙范围内，拉筋、围带均满足接触转速设计要求。（3） 结论 通过对整圈叶片围带、凸台拉筋接触应力分析后可知，在工作状态下，围带的平均接触应力为29mpa，凸台拉筋的平均接触应力为79.2mpa, 应力水平满足东方汽轮机有限公司设计规范要求。理论设计间隙下围带在约320rpm 时接触，凸台拉筋在约770rpm时接触，接触转速满足我公司长叶片设计要求。极限间隙接触分析表明，在设计间隙范围内，拉筋、围带均满足接触转速设计要求。2.2.4.6 振动分析（1） 成圈叶片动频分析 计算模型：整圈70只叶片（叶片考虑围带、拉筋及根部过渡圆角）,模型取到转子中心。单元数量为36.6万，单元类型为六面体

29、。计算模型见下图。成圈动频计算模型图 边界约束及载荷:转子进气端截面施加轴向及切向约束，出气端截面施加切向约束；围带与围带、拉筋与拉筋之间采用自动接触方式，叶根平台与转子表面的连接采用tie连接形式；整体模型施加绕转子轴心3000r/min的转速，每只叶片沿高度方向选取 10 个截面，施加圆柱坐标系下轴向与切向气动载荷，载荷数值与叶根接触计算部分相同。计算此种边界条件下模型的频率值。770mm动叶片振动坎贝尔图 一阶频率危险振动节径即 6 节径的频率为 279.22hz，符合频率避开要求（283.5310.5hz），共振转速为 2780 转/分，满足共振转速避开要求（28203090r/min）。 由上面的计算结果可知，该叶片频率在工作转速下，都满足频率避开要求，按整圈叶片的“三重点”理论，叶片在 2820rpm3090rpm 转速范围内，都不能有三重点，由图 5-14 的坎贝尔图可知，该叶片在此转速范围内，都没有三重点共振。3 770mm末级叶片的背压末级叶片的背压保护保护 3.770mm末级叶片的背压保护末级叶片的背压保护 1000mw汽轮机用汽轮机