1000MW火电机组锅炉给水泵汽轮机两种通流设计分析.pdf

第 5 4 卷 第6期 2 0 1 2年 1 2月 汽轮机技术 TURBI NE TECHNOLOGY Vo 1 5 4 No 6 De c 2 01 2 1 0 0 0 M W 火 电机组锅炉给水泵汽轮机 两种通流设计分析 孔建强， 李健生， 马晓飞 ( 杭州汽轮机股份有限公司， 杭州 I 3 1 0 0 1 2 ) 摘要： 汽轮机按工作原理区分有冲动式和反动式两种型式， 介绍应用于1 0 0 0 M W 等级火 电机组配套的半容量锅炉 给水泵汽轮机基于冲动式和反动式两种设计理念衍生出的不同产品， 并 以实际工程项 目为例， 分析对比其通流设 计、 主要性能、 配置特点及 目前的应用情况， 对两种方案热效率、 控制策略、 叶片强度和安全等方面的技术特点进行 讨论和分析。 关键词： 锅炉给水泵汽轮机 ； 通流设计； 冲动式； 反动式 分类号： T K 2 6 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 5 8 8 4 ( 2 0 1 2 ) 0 6 - 0 4 0 8 - 0 4 A n a l y z e d o f t h e T w o K i n d s o f F l o w P a t h D e s i g n f o r 1 0 0 0 M W T u r b o G e n e r a t o r U n i t F e e d w a t e r P u mp T u r b i n e K O N G J i a n - q i a n g ， L I J i a n ， s h e n g ， M A X i a o f e i ( H a n g z h o u S t e a m T u r b i n e C o m p a n y L i m i t e d ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： S t e a m t u r b i n e s a r e b r o a d l y c l a s s i fi e d i n t o t wo t y p e s o f i mp u l s e a n d r e a c t i o n a c c o r d i n g t o t h e w o r k i n g p r i n c i p l e T h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s d i ff e r e n t p r o d u c t s o f h a l f c a p a c i t y b o i l e r w a t e rf e e d p u mp t u r b i n e s b a s e d o n b o t h d e s i g n c o n c e p t s o f i mp u l s e t y p e a n d r e a c t i o n t y p e w h i c h a p p l i e d t o 1 0 0 0 MW g r a d e t h e r ma l p o we r u n i t s I t a n a l y s e s a n d c o mp a r e s t h e i r fl o w d e s i g n， ma i n p e r f o r man c e ， c o n f i g u r e f e a t u r e a s we l l as t h e s i t u a t i o n o f t h e i r a p p l i c a t i o n s a t p r e s e n t I t d i s c u s s e s a n d a n a l y s e s t h e t e c h n i c a l f e a t u r e o f t wo d i ff e r e n t w a y s o n t h e i r e f fi c i e n c y， c o n t r o l s t r a t e g y ， b l a d e s t r e n g t h a n d s a f e t y a n d o t h e r asp e c t s K e y w o r d s ： b o i l e r f e e d w a t e r p u m p t u r b i n e ； o w p a t h d e s i g n ； i mp u l s e t y p e ； r e a c t i o n t y p e 0 前言 本世纪初期， 杭汽成功开发了3 0 0 MW、 6 0 0 MW大型火电 机组配套用半容量锅炉给水泵汽轮机， 并持续在这一辅机领 域内维持较大的市场份额。随着火 电装备制造水平的提升 及对节能环保要求的不断提高， 火力发电机组也 日 益向更高 参数、 更大容量发展， 近几年投运 的单机容量为1 0 0 0 MW 机 组明显增多， 该容量等级机组对配套的锅炉给水泵驱动用汽 轮机的设计和制造提出了更高要求。近年来， 杭汽为1 0 0 0 MW等级火电机组配套用半容量锅炉给水泵汽轮机陆续生 产制造了两种类型的机组。一种是冲动式机组( 同类机组华 能玉环电厂一期曾从 日本进口) ， 其通流结构是基于三菱重 工技术设计制造的； 另一种是反动式机组( 与上海外高桥二 期9 0 0 MW超临界燃煤机组配套锅炉给水泵汽轮机类似) ， 其 通流结构和配置是基于杭汽反动式汽轮机系列设计技术制 造的。本文围绕着两种机型的不同通流结构设计 ， 分析比较 其主要技术特点及目前的应用情况。 1 基本设计参数和通流数据 以国电泰州项 目1 0 0 0 MW火电机组半容量锅炉给水泵 汽轮机( 基于三菱重工技术 ， 以下称冲动式机组) 和新密电厂 二期采用的按杭汽反动式系列技术设计的1 0 0 0 MW 火电机 组半容量锅炉给水泵汽轮机( 以下称反动式机组) 为例 ， 其基 本设计参数和通流数据如表 1 所示。 2 热力设计分析 2 1 进汽与调节方式 冲动式机组进汽采用的是喷嘴调节 ， 通过 8个阀碟控制 8组喷嘴， 蒸汽切换时通过另外的高压喷嘴组实现汽源内部 切换 ； 而反动式机组进汽采用的是节流调节 ， 不设调节级， 通 过节流调节阀实现内缸的压力控制 ， 汽源通过管道调节阀进 行外部切换。 喷嘴调节方式的效率损失主要是部分进汽弧段损失， 未 全部开启时的调节阀节流损失( 单个阀碟 ) 以及调节级叶片 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 4 - 0 6 作者简介： 孔建强( 1 9 7 0 一 ) ， 男， 浙江桐乡人， 硕士学历， 高级工程师， 曾主持 3 0 0 M W、 6 0 0 M W、 1 0 0 0 M W等级火电半容量给水泵汽轮机开发项 目， 以及国家重点项目1 0 0 万吨 年等级乙烯装置、 1 0 0万吨 年等级 P T A装置用工业汽轮机的国产化开发设计工作。现任杭州汽 轮机股份有限公司副总工程 师、 工业透平研究院院长。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6期 孔建强等： 1 O 0 0 M W火电机组锅炉给水泵汽轮机两种通流设计分析4 0 9 项目 调 叶片级数 叶根形 式 末级 m m 十 高 排汽方式转子 t 鳢 轴振动保 m nr m l n m 证值 回 调速范 围设定与水泵选型相关 的鼓风和斥汽损失。节流调节方式的效率损失来 自于节流 损失。 一 般意义上 ， 节流调节方式在最大工况点的内效率会优 于喷嘴调节， 但在变工况特别是小工况情况下， 节流损失将 会比较严重， 效率下降幅度将大于喷嘴调节。冲动式机组采 用的8组低压喷嘴加一组高压喷嘴， 在低压阀全开时部分进 汽度约为8 0 ， 各类进汽损失此刻降到了最低 ； 对于反动式 机组的节流进汽调节来说 ， 由于给水泵汽轮机汽源参数的固 有特点， 在机组带部分负荷时给水泵汽轮机的进汽压力也会 相应降低， 使得部分工况下采用节流调节引发的节流损失得 到了缓解。因此， 这两种技术的汽轮机在进汽与调节方式上 对效率产生的影响大致相当。 2 2 排汽能力分析 冲动式机组末级叶片环形面积约为2 1 m ， 其 西2 8 m的 圆形排汽口面积为6 2 m ； 反动式机组末级叶片环形面积约 为2 3 m ， 其两个 23 2 m的方形排汽口面积为6 4 m ， 均略 大于冲动式机组， 总体来说两者的排汽能力相当。但冲动式 机组为单流排汽， 对 比反动式机组的双分流排汽， 其在排汽 管线的设计、 安装方面更具有优势。 2 3 低压叶片漏汽损失方面 冲动式机组的叶片设计均带有不同形式的叶顶围带( 图 1所示为末级叶片阻尼围带 ) 。而反动式机组的所有低压叶 片均为拉筋结构， 无叶顶围带( 图 2所示为反动式机组低压 叶片结构) 。从定性的角度分析 ， 围带可以与叶片构成封闭 的槽道， 可减少叶顶漏气损失。由于锅炉给水泵汽轮机的工 作汽源大多为0 8 MP a ( a )1 2 MP a ( a ) ， 压力较低， 因此低压 级组占到的可用焓降比重较大， 自带围带结构可减少的漏气 损失会相当可观， 这在热力设计上更具优势。 2 4热力性能对 比 2 4 1 设 计点 比较 冲动式机组设计功率为1 3 9 1 5 k W， 最大连续功率2 2 0 0 0 k W， 功率裕度5 8 ； 反动式机组设计功率为1 5 1 4 0 k W， 最大 连续功率2 0 6 0 0 k W， 功率裕度3 6 。采用节流调节的反动式 机组在保证相似出力能力的同时在设计点取得了和冲动式 机组同等的内效率。鉴于节流调节的特点， 反动式机组在叶 片效率方面略优于冲动式机组。 图1 末级叶片阻尼围带 图2 反动式机组低压叶片结构 2 4 2 各工况效率数据对比 从表 2对 比可以看出， 采用节流调节的反动式机组在负 荷较高时的效率优于冲动式机组， 但在主机负荷下降较多 时， 冲动式机组的喷嘴调节方式更具效率优势。 2 5 汽源配备方式 给水泵汽轮机通常采用四段抽汽作为工作汽源， 部分工 况由于参数变化过大会出现蒸汽不足的问题， 因此， 通常会 设置备用汽源以保证汽轮机出力。 冲动式机组配备有单独的热备高压喷嘴组， 在低压蒸汽 不足时， 备用汽源直接通过高压喷嘴进入汽轮机并在轮室混 合( 内切换) ， 备用蒸汽作为“ 补充蒸汽” 形式， 与正常工作蒸 汽同时作为工作汽源； 正常运行期间， 只采用四段抽汽， 热备 的高压喷嘴组仅在特殊情况下投运， 且不能单独进行工作 ( 如图 3 所示) 。 反动式机组配备有外部切换阀， 在低压调阀接近全开尚 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 1 0 汽轮 机技术 第 5 4卷 由主机抽汽参数确定 ； 一 由水泵特性参数确定 高压调 阀 高压主汽 门 备用汽源( 再热冷端蒸汽) 低压汽源( 主机四段抽汽) 辅助蒸汽 其它汽源 图3 冲动式“ 内切换” 调节方式示意图_ 1 不能满足水泵拖动功率要求时， 位于备用蒸汽管道上的切换 阀开启 ， 将正常工作蒸汽切出工作流程 ， 汽轮机完全采用备 用蒸汽工作并用切换阀控制汽轮机转速， 备用蒸汽可以单独 工作( 如图4所示) 。切换设备在功率不足时自动切换， 切换 后完全采用备用蒸汽可以达到 V WO工况功率 、 转速需求 ； 但 外切换无法采用四段抽汽和备用蒸汽同时工作。 图4 反动式“ 外切换 ” 调节方式示意图 冲动式机组的内切换主要难点在于高压喷嘴及调节级 的强度设计， 不同汽源同时进入汽轮机引起的热冲击将严重 损害转子等部件寿命， 以及不能单独采用备用蒸汽工作的问 题， 优势在于切换蒸汽作为“ 补汽” 形式 ， 在汽源蒸汽不足时 能够迅速补充， 快速完成切换 ； 外切换对多类工况运行 的适 应能力更强， 但因为完全切除了正常工作汽源， 对备用蒸汽 的需求量较大， 特别是在高负荷切换时， 有时因备用蒸汽管 网来不及补充蒸汽而不能完成切换。 3 叶片材料及强度 3 1 叶片应 力水 平 末级 叶片最 大拉应力方 面 ： 冲动式机组末级叶片高度为 5 0 0 a n n， 最大叶顶直径为 1 8 6 6 m m， 最大叶顶线速度为6 1 5 5 m s 已超过当地音速； 反 动式机组末叶片高度为 3 0 3 m m， 最大叶顶直径为1 3 3 5 m m 。 两种机型汽轮机的允许调速范围大致相同， 运行时叶片底部 截面拉应力与转速的平方、 叶高和平均半径成正比。按此分 析， 冲动式机组叶片拉应力最高值约为反动式机组叶片应力 最高值的两倍左右。 汽流弯应力方面： 底部截面弯矩 M一 生 0 2 式中， 为叶高； P 为汽流力圆周方 向分力； P 为汽流力轴 向分力。 圆周方向分力 1 O 0 0 N， Pu 式中， 为级的轮周功率； u 为平均圆周速度； Z 2 为动叶只 数； s为部分进汽度。 轴向分力 P 。= ( c 1 。一 2 a )+( p 1一P 2 ) “ 式中， G为质量流量 ； c 。 2 a 分别为叶片进出口汽流轴向分速 度 、 P 分别为叶片进出I： 1 汽体静压力。 两种机型的总轴功率基本一致， 冲动式机组为 6级叶 片， 反动式机组为 2 4级叶片， 故平均的级轮轴功率比4 ： 1 ； 平 均圆周速度比为 1 3 8 ： 1 ； 冲动式机组末级叶片共 7 6只， 反动 式机组为 3 9只； 冲动式机组的质量流量 2倍于反动式机组 单边质量流量； 如果忽略汽流力沿叶型变化等次要因素带来 的影响， 从应力水平分析上可以得出： 两者的汽流弯应力大 小基本相当。受叶片高度影响， 冲动式机组的叶片底部弯矩 1 6倍 1 7倍于反动式机组的叶片。 3 2 动叶片材料及其力学性能 冲动式 机组 的动叶片材 料主要 ：有 2 C r l 2 N i Mo l W1 V、 1 C r 1 2 Mo 和 1 7 4 P H( 国内牌号 0 C r l 7 N i 4 C u 4 N b ) ， 反动式机 组的动叶片材料主要有 2 C r I 2 M o V和2 C r 1 3 ， 动叶片材料化 学成分如表3所示。 2 C r l 2 N i Mo l W1 V与 2 C r I 2 M o V同属高温叶片材料 ， 工作 区最高温度4 0 0 C。在该温度下： 2 C r l 2 Ni Mo l W 1 ： o r 0 2 = 6 8 3 MP a ；2 C r l 2 Mo V： 0 2 = 4 23MPa。 0 c r 1 7 N i 4 c u 4 N b与 2 C r 1 3同属低温长叶片材料， 工作区 最高温度 1 0 0 o C。在该温度下： 0 C r l 7 Ni 4 C u 4 Nb： o r 0 2=6 7 0 MP a ； 2 C r 1 3： o r 0 2=51 0 MP a 。 从数据对比可以看出， 冲动式机组动叶片材料力学性能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 孔建强等 ： 1 0 0 0 MW 火电机组锅炉给水泵汽轮机两种通流设计分析4 1 1 普遍在叶片材料的1 6 倍 1 7 倍 ， 材料应用水平较优 ， 这也 是 其 设 计 高 转 速长 叶 片 汽 轮 机 的 重 要 基 础。 4 两种机型的具体应用 3 3叶根形式 冲动式机组采用的是枞树型叶根， 而反动式机组采用了 倒 T型和叉型叶根。 枞树型叶根是一种高承载能力的叶根， 其特点是装配和 更换方便 ， 在长期运行过程中展现出良好的可靠性和安全 性 ； 缺点是外形复杂， 装配面多， 要求有很高的加工精度和材 料性能。 倒 T型叶根结构简单 ， 加工装配方便 ， 结构可靠， 但叶根 承载面积小 ， 并且倒 T型装配空间要求相对较小， 适用于整 锻转子多级叶片结构。叉型叶根适用性好 ， 加工方便， 便于 拆换， 同等尺寸下承载能力低于枞树形叶根。 从技术层面上讲， 枞树型叶根更为先进， 但在满足应用 的条件下， 采用简单的叶根形式反而是恰当和可靠的。 3 4 末级叶片防水蚀处理 叶片水蚀与排汽干度、 末叶级前压力、 工作转速和末叶 顶高等参数有关， 一般可采用水蚀系数的方式来评估湿蒸汽 对叶片可能造成的损害。当水蚀系数小于0 3 时， 可认为水 蚀情况不严重， 叶片无需特别处理； 而水蚀系数大于0 7 时， 叶片进汽边需要作硬化处理； 水蚀系数越大， 水蚀情况将越 严重。 由于两种技术 的锅炉给水泵汽轮机在设计点效率基本 相同， 在同等进汽条件下 ， 排汽含湿量也基本相等。假设末 叶级前压力相等， 则冲动式机组的水蚀系数是反动式机组的 1 4 倍左右。根据计算， 反动式汽轮机的最大水蚀系数约为 0 5 ， 则冲动式机组最大水蚀系数在 0 7左右， 在末级叶片进 汽边进行硬化处理后， 该数值仍在可接受范围内。 冲动式机组对末级叶片的硬化采用 的是焊接司太立合 金的方法， 而反动式汽轮则是采用叶片表面激光淬硬法。 继国内首台基于三菱重工技术设计制造的1 0 0 0 M W 火 电半容量锅炉给水泵汽轮机在泰州电厂顺利投运以来， 杭汽 陆续为北仑 、 北疆等电厂提供了近 5 0台该型汽轮机的配套， 并在近期出口印度市场。国内首台基于杭汽反动式汽轮机 系列设计技术制造的1 0 0 0 M W 火电半容量锅炉给水泵汽轮 机用于常熟电厂， 同类机型机组已陆续为美国 B E C H T E L公 司、 韩国斗山重工所提供配套， 用于驱动同等级火电机组锅 炉给水泵。 5 结论 基于三菱重工技术设计制造和基于杭汽反动式汽轮机 系列设计技术制造的两种不同类型的1 0 0 0 M W 等级火电半 容量锅炉给水泵汽轮机在热力性能上基本相当， 相比较而 言， 三菱通流设计较多地运用了先进的设计手段 ， 整机显得 轻巧， 但使用材料要求较高， 加工、 制造和装配要求也都较 高。而基于杭汽轮技术设计制造的通流级数较多， 体积较 大 ， 但在加工、 制造和装配方面较为简单 ， 且在强度方面留有 更大的安全裕度。 杭汽目前的汽轮机产品仍以反动式工业汽轮机为主， 在 保有反动式汽轮机技术特点的同时， 可以取长补短， 借鉴冲 动式技术的优点来优化完善产品设计 ， 如更高性能的叶片材 料、 更先进的叶根形式、 长扭叶片阻尼围带、 切换形式等。 参 考 文 献 1 黄之浚， 曹李农1 0 0 0 M W超超临界火电机组锅炉给水泵汽轮 机的控制 J 热力透平， 2 0 0 7 ， 3 6 ( 2 ) ： 1 9 1 1 9 4 ； 2 0 1 f 上接第 4 0 7页 ) 2 9 杨卫娟电站锅炉变负荷引起的水冷壁渣层热应力和吹灰在 线模糊优化运行 的基础理论研究 D 杭州： 浙江大学， 2 0 0 3 3 0 P r a s a d G， S w i d e n b a n k E A N e u r a l n e t m o d e l b a s e d m u l t i v a r i a b l e l o n gr a n g e p r e d i c t i v e c o n t r o l s t r a t e g y a p p l i e d i n t h e r mal p o w e r p l a n t c o n t r o l C E n e r gy C o n v e r s i o n ， I E E E T r a n s a c t i o n o n ， 1 9 9 8， 1 3 ( 2 ) ： 4 8 5-4 9 2 3 1 C a r l o s E R o m e r o ， Y i n g L i ， N e n a d S a r u n a c M o d i fi c a t i o n o f b o i l e r o p e r a t i n g c o n d i t i o n s f o r me r c u r y e mi s s i o n s r e d u c t i o n s i n c o a l fi r e d u t i l i t y b o i l e rs J F u e l ， 2 0 0 6 ， 8 5： 2 0 42 1 2 3 2 Hw a Wo o n B y e o n ， J a me s L U l r e y D e s i g n i n g a s t a n d a r d t h e rmal p o we r p l a n t f o r d a i l y s t a r t u p s h u t d o wn： t h e HP By p a s s c o n t r o l an d s a f e t y f u n c t i o n J I S A T r ans a c t i o n s ， 1 9 9 7， 3 6 ( 1 ) ： 7 1 7 7 3 3 D r a g a n R ， T u c a k o v i c a ， V l a d i m i r D T h e rma lh y d r a u l i c a I l a l y s i s o f a s t e am b o i l e r w it h r i f l e d e v a p o r a t i n g t u b e s J A p p l i e d Th e r mal E n g i n e e r i n g， 2 0 11 ， 3 1： 5 0 95 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m