超超临界二次再热空冷汽轮机的总体设计

起超临界二次再热空冷汽轮机的总体设计唐丽丽;王娟【摘要】文章介绍了1000MW超超临界二次再热空冷汽轮机的总体设计特点及设计中需要注意的问题.1000MW等级空冷二次再热机组总体设计方案是可行的,但由于受到末级湿度的限制,二次再热空冷机组的再热温度略低于湿冷机组，经济性收益略低于湿冷二次再热机组.【期刊名称】《东方汽轮机》【年(卷)，期】2018(000)002【总页数】5页(P13-17)【关键词】二次再热;空冷;汽轮机【作者】唐丽丽;王娟【作者单位】东方汽轮机有限公司，四川德阳,618000;东方汽轮机有限公司，四川德阳,618000【正文语种】中文【中图分类】TK261前言二次再热燃煤火电机组近年来在国内发展迅速。2015年，由东方汽轮机有限公司(以下称东汽)自主研发的二次再热机组已成功投运，国内还有多台二次再热机组招标在建。这些二次再热机组均为湿冷汽轮机，投运地区均在中东部。由于空冷机组节水、环保的优点，在我国西部（尤其是西北），空冷机组被广泛应用。但是由于二次再热的特殊性和空冷机组的高背压特性，导致二次再热技术和空冷技术的结合，不是简单的融合，需要深层的分析和研究，以保证机组的安全性和高效性。2超超临界1000MW空冷二次再热机组的设计特点我国的空冷机组起步虽晚，但发展迅速。东汽从200MW空冷机组发展至今，产品范围涵盖了300MW、600MW和1000MW机组，产品种类包括了所有等级的汽轮机机组。从东汽近期的空冷机组业绩表（见表1）中可以看出，空冷机组在向大容量、高参数方向不断发展，在立足节水的同时不断要求高效。表1东汽近期空冷机组业绩表项目新疆潞安准东#1、#2华电西黑山#1、#2华能延安#1、#2大唐蔚县#1、#2山西古交三期扩建#1、#2同煤轩岗二期#1、#2大唐托电五期扩建#9、#10山西长子高河#1、#2新疆中煤北二#1、#2大唐锡林浩特#1、#2京能酸刺沟#1、#2华电十二连城#1、#2新疆农六师一期#1、#2、#3、#4神华鸳鸯湖二期扩建#3、#4德源府谷二期#3、#4横山一期#1、#2主汽参数/MPa/°C/°C25/600/60025/600/60028/600/62028/600/62026.25/600/60028/600/62028/600/62028/600/62027/600/61028/600/62028/600/62028/600/61026.25/600/60028/600/62026.25/600/60028/600/620功率/MW6606606606606606606606606606606606601100110010001000结构三缸两排汽三缸两排汽三缸两排汽三缸两排汽三缸两排汽三缸两排汽三缸两排汽三缸两排汽三缸两排汽三缸两排汽三缸两排汽三缸两排汽四缸四排汽四缸四排汽四缸四排汽四缸四排汽末叶/mm103010301030103086386386310301030103010301030770863770863进度设计设计设计在制在制在制投运在制在制在制在制在制#1、#2已投运在制在制在制空冷机组对环境温度的影响反应比较敏感，背压变化范围比较大而且频繁，对低压末级叶片、低压缸和轴系影响较大。东汽在这些方面积累了大量宝贵的经验，对空冷机组进行针对性设计。3超超临界1000MW空冷二次再热机组的总体方案超超临界1000MW空冷二次再热机组在外形上基本同超超临界1000MW二次再热湿冷机组（见图1）。与湿冷机组的相同点：•机组型式：超超临界、两次中间再热、单轴、五缸四排汽、凝汽式汽轮机•额定功率：1000MW•最大出力：1100MW•汽轮机额定转速：3000r/min•旋转方向（从汽机向发电机看）：逆时针•汽封系统及运行方式：采用自密封系统（SSR）•运行方式：定-滑或定-滑-定•配汽方式：节流配汽•汽轮机外型尺寸基本不变，约：43mx10mx8m（长x宽x高）主要不同点有：•末级叶片长度：863mm/770mm•额定排汽压力：9~18kPa•回热级数：4级高压加热器+1除氧器+5级（或4级）低压加热器除氧器采用滑压运行•低压模块图1东汽1000MW二次再热机组的示意图4热力系统设计特点空冷机组高背压的特点使机组的总焓降段减少，影响低压模块的设计。通常，空冷低压级数比同等级湿冷机组的低压级数少一级，回热级数通常较湿冷机组少一级。因为次末级后不宜设置抽口，否则会引起加热器疏水不畅。另外，如果进汽参数采用同湿冷机组一样（如31MPa/600°C/620°C/620°C），由于二次再热压力、温度和排汽背压的综合影响，机组排汽湿度降低，约3%（背压11kPa）。为避免末级叶片长期处于威尔逊区，可以采用降低再热温度的方式来提高排汽湿度。如图2所示的热力过程线，某一次再热空冷机组（再热温度620C）的排汽湿度在8%;而二次再热机组的再热温度降低到600C后，排汽湿度接近5%。图2空冷机组热力过程线所以，降低再热温度可以有效提高排汽湿度。但是这将牺牲一部分经济性。对于理论计算的结果而言，提高主蒸汽温度亦可提高排汽湿度。经评估，对于再热温度为620C的二次再热机组，主蒸汽压力要提高到50MPa以上，其排汽湿度才与一次再热机组相当，而这将提升锅炉、汽机的设计难度和增加成本。5本体结构设计特点东汽1000MW二次再热空冷机组的总体方案是在东汽1000MW—次再热超超临界机组的基础上增加一个超高压模块。机组为单轴、五缸四排汽。百万二次再热空冷机组含一个单流超高压缸、一个单流高压缸、一个双流中压缸和两个双流低压缸。纵剖面图如图3所示。图3东汽1000MW二次再热空冷机组纵剖面图5.1超高压模块超高压模块设计同东汽1000MW二次再热湿冷机组超高压模块设计方案，主要特点如下：•进汽口为两个，采用切向进汽；•单流程设计，提高相对叶高；•双层缸结构，内外缸均采用筒形缸设计。5.2高压模块高压模块设计同东汽1000MW二次再热湿冷机组高压模块设计方案，主要特点如下：•进汽口为两个，采用切向进汽；•单流程设计，提高相对叶高；•采用双层缸结构，高压内缸采用筒形缸结构，高压外缸的设计为常规设计；•高温材料的铸件和锻件采用相应等级高温材料，这些材料已经在国内投运的超超临界机组上进行了成功应用。5.3中压模块中压模块设计同东汽1000MW二次再热湿冷机组中压模块设计方案，主要特点如下：•进汽口为两个，采用水平切向进汽；•双流程设计；•中压模块采用双层缸结构；•高温材料的铸件和锻件采用相应等级材料，这些材料已经在国内投运的超超临界机组上进行了成功应用。5.4低压模块5.4.1空冷机组末端设计的特殊性如前文所述，空冷机组的设计难点在低压模块。空冷汽轮机机组的末端设计主要考虑：•设计工况时，排汽的威尔逊区由湿冷机组的次末级推迟到末级；变工况或背压变动时，威尔逊区重新转移或消失。•低负荷高背压工况时，排汽出现过热，排汽缸温度高、末级动叶片动应力增大，应力腐蚀的可能性增加。•高负荷低背压工况时，会出现阻塞工况(对于额定背压在10kPa的机组，tmcr流量下阻塞背压在5.5kPa左右)，此时，末级动静叶片弯应力最大。5.4.2低压缸设计的对应措施以上几点的特性影响到低压模块的安全性，对空冷低压缸，为保证安全性，其设计不同于一般的湿冷机组，主要包括有末级叶片、低压轴承支撑、低压缸结构型式和排汽管的连接方式等。•采用特制末级叶片空冷末级叶片较湿冷末级叶片粗壮，具有更高的强度。不仅包括叶片型线，还从叶根型式、围带与拉筋、叶片材料等方面采用针对性设计，来保证末级叶片的刚度、强度、弯应力等来适应大范围的高背压特性。针对1000MW空冷机组，东汽有770mm和863mm两种末叶，用户可根据地理环境、冷却方式等进行优选，选择最佳末叶。•低压轴承支撑方式低压采用落地轴承，不仅可以保证低压转子的刚性，而且保证转子的轴承标高不随汽缸膨胀而变化。降低低压缸振动的风险。•低压缸为防止低压缸变形，东汽空冷机组低压缸采用三层缸或两层缸。为了避免排汽管的力传递到汽缸上，空冷机组的低压缸与排汽管连接一般采用柔性连接。由于背压变化频繁而且幅度较大，低压排汽缸和转子的工作环境不断变化，为防止低压轴封与转子发生碰摩，低压端汽封体与汽缸采用弹性连接。•排汽末端保护系统空冷机组排汽缸的喷水装置，对机组的安全性特别重要。在机组低负荷、高背压工况运行时，低压排汽温度升高，会导致机组振动，影响机组的安全性。此工况比常规湿冷机组更容易出现。当排汽温度超过限定值时，控制系统会打开喷水控制阀，并自动调节喷水量。（2）由于空冷机组的特点，考虑到末级叶片的安全性，必须设置保护系统。图4是某空冷叶片的背压保护曲线。报警背压可保护末级叶片动应力安全；不同进汽流量下，机组的阻塞背压是不同的，正常运行时要保证在此曲线以上的区域和报警背压以下的区域。另外，为保证空冷系统安全还应设置防冻最低背压，汽机运行应在该线之上。图4某空冷末级叶片背压保护曲线东汽在大量的空冷机组设计中，积累了宝贵的经验。适用于1000MW二次再热空冷机组的两种低压模块，东汽均有运行业绩。能保证低压模块的安全高效性。6其他东汽1000MW二次再热空冷机组的通流设计理念和方法、滑销系统、轴系、旁路设置、汽水系统和油系统等均与湿冷机组相同，在此不再螯述。7结论1000MW空冷二次再热机组总体设计方案是可行的，但由于受到末级湿度的限制，二次再热空冷机组的再热温度略低于湿冷机组，经济性收益略低于湿冷二次再热机组。东汽1000MW超超临界二次再热空冷机组在东汽1000MW超超临界二次再热湿冷机组和东汽1000MW超超临界一次再热空冷机组的基础上进行组合设计；本体结构成熟可靠。100