[原创]邹县发电厂百万千瓦超超临界汽轮机关键技术探讨

<p align="center"><font size="4">邹县发电厂百万千瓦超超临界汽轮机关键技术探讨</font></p><p align="center">李登生&nbsp;&nbsp; 冯广伟&nbsp;&nbsp; 胡庆军<br/>山东电建一公司汽机施工处&nbsp; </p><p>【摘&nbsp; 要】本文对超超临界汽轮机的参数选择、超超临界汽轮机的关键技术的应用进行了探讨，并结合邹县发电厂百万千瓦超超临界汽轮机在关键技术上的应用上采取的措施进行了介绍。<br/>【关键词】超超临界&nbsp;&nbsp;&nbsp; 汽轮机&nbsp;&nbsp;&nbsp; 关键技术</p><p>引言 <br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 目前，超临界机组在国内得到较快的发展，超超临界机组在国内也已开始建设，超超临界机组的蒸汽初参数较超临界机组有大幅度提高，随着蒸汽初参数的提高，超超临界汽轮机在许多关键技术的可靠性上存在诸多难题，邹县电厂已竣工投产的超超临界百万千瓦机组在超超临界汽轮机关键技术的设计上采用了许多先进的措施，有效解决了这些可靠性问题。<br/>1. 超超临界汽轮机的参数特征<br/>超超临界汽轮机（supercritical steam turbine）有明确的物理意义，由工程热力学中水蒸汽性质图表知道：水的临界点参数为：临界压力Pc＝22.129Mpa，临界温度Tc＝374.15℃，临界焓Hc=2095.2 kJ/kg，临界熵Sc=4.4237 kJ/(kg.K)，临界比容νc＝0.003147m&sup3;/kg。当水的压力P＜Pc时，水在定压下加热变为蒸汽的汽化阶段，呈现湿饱和蒸汽状态，汽化过程处于水与蒸汽两项共存的状态。当水的压力P＝Pc，水的汽化阶段缩为一点（临界点），即汽化在一瞬间完成；水在Pc下定压加热到Tc时就立即全部汽化，无水与蒸汽两相共存的汽化过程，但有相变点（Pc, Tc）。当水的压力P＞Pc时，水在定压下加热逐渐变为过热蒸汽，无汽化过程，无相变点。工程上，把主蒸汽压力Po＜Pc的汽轮机称为亚临界汽轮机，把Po＞Pc的汽轮机称为超临界汽轮机。<br/>在过去几年，超超临界汽轮机（Ultra supercritical steam turbine）与超临界汽轮机的蒸汽参数划分尚未有统一看法，有些学者把蒸汽参数为超临界压力与蒸汽温度大于或等于593℃称为超超临界汽轮机，蒸汽温度593℃可以看作是主蒸汽温度，也可以看作是再热蒸汽温度；有些学者把主蒸汽压力大于27.5 Mpa且温度大于580℃称为超超临界汽轮机。目前，超超临界汽轮机的参数已基本确定并得到广泛的接受和认可，即在传统的超临界蒸汽参数24.2Mpa/538℃/538℃的基础上，通过提高主蒸汽温度、再热蒸汽温度或主蒸汽压力来改善热效率的汽轮机即为超超临界汽轮机，通过超超临界汽轮机的定义可以知道提高蒸汽参数的方法有两种：一种是提高主蒸汽温度和再热蒸汽温度以提高蒸汽热效率；一种是提高蒸汽的初压力以提高蒸汽热效率。<br/></p>

2. 超超临界汽轮机的关键技术<br/>截至2006年年底，国内已有玉环电厂和邹县电厂两处超超临界百万千瓦机组的投运业绩。与传统的亚临界汽轮机蒸汽参数16.7/538℃/538℃相比，超超临界汽轮机的主蒸汽压力、主蒸汽温度大幅度升高，再热蒸汽压力和再热蒸汽温度也有明显升高。但是就其蒸汽参数而言，超超临界汽轮机在可靠性等方面也面临着许多技术问题：<br/>2.1 随着蒸汽温度的升高，超超临界汽轮机存在以下可靠性问题：[Post=50]<br/>2.1.1材料力学性能和许用应力下降，超超临界汽轮机的承压部件和传动部件的强度降低，需要开发和采用新材料，采用可靠的蒸汽冷却技术。<br/>2.1.2超超临界机组选用的是直流锅炉，直流锅炉没有汽包，不能进行排污，给水中的盐和锅炉过热器、再热器管子内剥离的氧化垢微型固体粒子进入汽轮机，对汽轮机的高压部分造成固体颗粒侵蚀，对汽轮机的低压部分易造成应力腐蚀和腐蚀疲劳。需对调节级和中压第一级叶片的固体颗粒侵蚀采取一定措施，末级叶片需要采用耐腐蚀抗疲劳材料，低压转子需要采用防应力腐蚀结构。<br/>2.1.3超超临界汽轮机另一个与高温有关的严重问题是工作应力下产生蠕变变形以及启停与负荷快速变化过程中过大的热应力产生热疲劳（低周疲劳）。超超临界汽轮机的绝大部分高温部件工作温度是不均匀的和变化的，厚截面部件如转子、汽缸、喷嘴室等在启停的过程中或在负荷快速变化的过程中要承受很大的温度梯度，由此而产生的热应力会接近甚至会超过材料的屈服极限，严重影响这些部件的使用寿命。这就需要采用新材料和新结构，进行材料革命。<br/>2.2随着蒸汽压力的升高，超超临界汽轮机存在以下可靠性问题：<br/>2.2.1汽缸、喷嘴室、导汽管等承压部件应力增大，面临严峻的强度和寿命问题，也需要采用新材料和新结构，进行材料革命。<br/>2.2.2主蒸汽的密度高、比容小，高压转子的偏心、间隙不对称等产生蒸汽力，汽流激振容易引起轴系失稳，需要开展汽流激振对轴系稳定性的研究。<br/>2.2.3 汽轮机的各级间压差和轴封的压差也有增大，隔板汽封、围带汽封、轴封等部件的蒸汽泄漏量增大，需采用新的汽封结构。<br/>综上所述，随着蒸汽参数的提高，材料开发与工艺、固体颗粒侵蚀、材料强度问题、汽流激振、蒸汽冷却技术、通流部分优化等技术已成为超超临界汽轮机国产化的关键技术。<br/>3. 邹县电厂超超临界汽轮机的关键技术探讨<br/>邹县电厂已竣工投产的1000MW超超临界机组是引进日立技术的机组，汽轮机为冲动式、超超临界、中间再热、单轴、双背压、四缸四排汽。型号TC4F-43，主蒸汽温度600℃，主蒸汽压力25.0MPa，再热蒸汽温度600℃，再热蒸汽压力4.45MPa。在以上可靠性问题上该机组采取了许多措施，值得在国内借鉴和吸收：<br/>3.1 高中压缸进汽冷却措施<br/>为了使外缸材料可沿用亚临界传统的Cr-Mo-V铸钢，汽轮机的高压缸与中压缸采用双层缸结构。下半进汽部分结构特殊设计，使主蒸汽、再热蒸汽不通过外缸缸体，直接进入内缸进汽室。主蒸汽和再热蒸汽依次经过进汽导管、喷嘴组或进汽室即直接进入汽轮机通流部分，而与外缸不直接接触。与内缸接触也被推迟到喷嘴组之后，温度已下降到570℃以下。而在主汽导管和再热汽导管上靠近外缸处有一小口，引入一小股冷却蒸汽，流经外缸与导汽管之间及外缸与内缸之间形成的狭小间隙，对外缸内壁进行隔离与冷却。冷却蒸汽来自高压1段回热抽汽和再热蒸汽的混合汽，温度不高于400℃。<br/>[/Post]

<p> <br/>3.2中压转子冷却结构[Post=50]<br/>汽轮机中压转子为双流对称结构，比高压转子粗、第一级焓降比高压第一级焓降小，因此中压转子承受的应力水平与最高温度都比高压转子高。为了防止中压转子老化弯曲，提高热疲劳强度及减轻热应力，采用了蒸汽冷却结构。冷却蒸汽来自高压1段回热抽汽和再热蒸汽的混合汽，温度不高于400℃，通过专用管道从中压缸上缸正中部经中压外缸与内缸，正对着中压转子中部温度最高区段流入，再经过正反第一、二级轮缘叶根处的导流孔，达到冷却中压转子高温段表面的目的，同时也明显地降低了第一级叶片槽底的热应力。右图为中压转子冷却结构图。<br/>3.3 转子叶片对给水和蒸汽品质的要求<br/>对于蒸汽中的固体颗粒对转子叶片的侵蚀，该机组除了对转子叶片的设计上采用高强度、耐腐蚀的材料外，对于给水及蒸汽的品质上也提出了较超临界机组更高的要求。对于这种品质要求，需要在机组启动时对锅炉省煤器、水冷壁管、汽水分离器、储水罐进行反复的冷热态冲洗，直至给水及蒸汽的品质达到要求。<br/></p> <br/> <br/>3.4 低压缸末级长叶片设计<br/>汽轮机通流部分由46个结构级组成，采用冲动级设计，其中高压部分有2×1＋8级（含2个调节级8个冲动级），中压部分为2×6级，两个双流低压缸共2×2×6级。由于本机组要求带基本负荷并有40％～100％的负荷调峰运行能力，故采用了43″(1,092.2mm)末级长叶片。<br/>3.5保护齿汽封设计<br/>由于汽缸的热变形，转子的上下方向移动量比左右方向的移动量大，造成汽封齿上下方向磨损较大，这不仅增加了轴振动，还增加了热损失，日立设计的椭圆形汽封块有效的降低了轴振动和热损失。见图1<br/>高、中、低压缸除第一级外的所有隔板汽封和部分轴封采用了保护齿汽封，该汽封进、出汽边各有一个保护齿，保护齿为16％～18%Cr合金材料，磨擦系数很低，比其它的汽封齿高出0.13mm，这种汽封结构在运行中有效的保护了转子并大大的降低了隔板汽封、围带汽封、轴封等部件的蒸汽泄漏量，提高了热效率。[/Post]<br/>3.6 12Cr钢材料的应用与处理[Post=50]<br/>高压内缸、喷嘴室、中压内缸、导汽管以及高、中压主汽阀日立公司提供了性能优越的12Cr钢铸件，高、中压转子则采用12Cr钢铸锻件，这种材料性能要远远强于传统的P91材料，并采用了有效的热处理方法及保证铸件质量的检验手段，从而保证了高温材料的可靠性。[/Post]12Cr铸钢的热处理过程见下图： [Post=50]<br/>※1: ≤110℃/Hr<br/>※2: 强制冷却或空冷<br/>※3:在该温度下每25mm壁厚停留一小时<br/>3.7 防止转子弯曲及叶片腐蚀的措施<br/>在高温长时间运转时，转子将发生弯曲，有时会引起强烈的振动。由于转子圆周的材料特性并不完全相同，所以导致转子圆周方向上的不均衡的蠕变伸长。而该机组通过从铸锭到转子最终成形的各个阶段对转子的整个圆周进行的热处理就完善的解决了这个问题。见图5<br/>为了防止水分对转子末级叶片的腐蚀，在汽缸的内部设计了水分分离的脉动流出的结构，有效防止了水分对末级叶片的腐蚀。见图2<br/>3.8 减少汽流损失的措施<br/>先进的层式叶形以及涡流弯曲喷嘴，这是一种根据蒸汽的可压缩特性设计的平衡层式具有压缩效果的叶片，由于叶片的凹面侧（受压侧）和凸面侧（吸气侧）的压力差减小，显著减少了二次汽流的损失、混合损失和分散损失。见图3、图4<br/>3.9 轴系稳定性的保证措施<br/>日立公司及东汽厂对汽轮机汽封的汽流力特性作了详细的计算分析，研究了机组负荷、轴封段倾斜度、轴封平均径向间隙、轴封齿高等对轴封间隙激振的影响，并应用轴系稳定性分析程序对其稳定性作了分析，准确评价了汽流激振对轴系稳定性的影响，已经投产运行邹县电厂＃7机组的轴振最大为64μm已经证明了该类机型的轴系稳定性。<br/>[/Post]

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<p>4. 结束语<br/>&nbsp;超超临界火电技术属于高新技术，超超临界火电机组的研制与生产，反映和代表一个国家的工业化水平。随着蒸汽参数的不断提高，超超临界火电机组的热效率不断提高，电厂污染物的排放进一步减少。并随着科学技术的进步和材料技术的发展，超超临界汽轮机的主蒸汽温度达到700℃即将成为现实，发展高效率、高可靠性的超超临界火电机组现已成为国际上先进火电机组的发展趋势。邹县电厂已竣工投产的超超临界百万千瓦机组在超超临界汽轮机关键技术的设计上采用的这些先进的措施，对国内超超临界机组的推广起到了一定借鉴作用。</p><p><br/>参考文献：<br/>1.《工程热力学》&nbsp; <br/>2.《金属材料与热处理》&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; <br/>3.《日立汽轮机结构设计》<br/></p>

<p>作为电建公司 应以施工方面为主，以其轴承的支撑形式，来说明其轴系找中心的特点；</p><p>而不是大谈其技术的应用，那是厂家和设计者的任务，作为施工者，如何根据机组特点有效的改进施工方法，才是正确的选择。</p><p>另外 东汽对本机组的安装也特别做了规定，本文有严重的抄袭之嫌。</p><p></p>

限制太多，看不全