文/谷秀剛 高清輝 上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海汽輪機(jī)廠 (200240）

谷秀剛（1982年～），男，工程師，學(xué)士學(xué)位，2006年畢業(yè)于清華大學(xué)熱能系熱能與動(dòng)力工程專業(yè)?，F(xiàn)在上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠設(shè)計(jì)研究所工作，從事汽輪機(jī)本體方面的設(shè)計(jì)研究

1 前言

經(jīng)過(guò)“十一五”期間的發(fā)展，電力行業(yè)步入了以“低碳”為主題的“十二五”發(fā)展藍(lán)圖之中。聚焦哥本哈根會(huì)議，電力行業(yè)也步入了轉(zhuǎn)型發(fā)展期，高效、低碳、環(huán)保成為發(fā)展的前提條件。而熱電聯(lián)產(chǎn)，集中供熱，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展中實(shí)現(xiàn)“低碳”經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)有效的途徑之一。這也正是高參數(shù)、大容量抽汽機(jī)組蓬勃發(fā)展的催化劑。

上海汽輪機(jī)廠具有50多年設(shè)計(jì)制造抽汽熱電聯(lián)供汽輪機(jī)的歷史，特別是大容量抽汽機(jī)組的設(shè)計(jì)與制造。自1997年首臺(tái)兩缸兩排汽(高中壓合缸)亞臨界300MW等級(jí)采暖抽汽機(jī)組在天津楊柳青電廠投運(yùn)以來(lái)，抽汽熱電聯(lián)供產(chǎn)品參數(shù)和容量不斷提升，目前已經(jīng)達(dá)到亞臨界甚至超臨界多級(jí)額定參數(shù)抽汽350MW容量等級(jí)?；诔墒炜煽康哪K化設(shè)計(jì)體系，我公司研發(fā)及生產(chǎn)的抽汽機(jī)組種類很多：

(1) 進(jìn)汽參數(shù)從中壓直到超超臨界；

(2) 產(chǎn)品容量等級(jí)覆蓋6MW至1000MW；

(3) 抽汽壓力從0.118MPa至4.1MPa；

(4) 可實(shí)現(xiàn)單級(jí)或多級(jí)調(diào)整抽汽；

(5) 抽汽結(jié)構(gòu)有蝶閥型、座缸閥門型以及旋轉(zhuǎn)隔板等。

首臺(tái)抽汽以及雙調(diào)整抽汽機(jī)組已分別于國(guó)華北疆電廠以及華能濟(jì)寧電廠投入商業(yè)運(yùn)行。目前，我公司正在研發(fā)超臨界雙調(diào)整抽汽機(jī)組。這里選取幾種大容量抽汽機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)以及抽汽原理作一簡(jiǎn)要介紹，并探討抽汽機(jī)組的發(fā)展前景。

2 抽汽機(jī)組的發(fā)展現(xiàn)狀

抽汽熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在我國(guó)已有近60年的發(fā)展歷史，從第一個(gè)五年計(jì)劃就已經(jīng)確定了發(fā)電量與供熱量的增長(zhǎng)數(shù)字。

建國(guó)初期，只有一些小容量抽汽熱電聯(lián)供機(jī)組集中建設(shè)在已有的工業(yè)區(qū)，提供穩(wěn)定的熱負(fù)荷。但是隨著城市的發(fā)展，這些電廠已處于城市的中心地帶，而且機(jī)組老化、煤耗高、效率低、污染也越發(fā)嚴(yán)重，制約了城市發(fā)展的腳步。因此近年來(lái)，大多數(shù)城市規(guī)劃中，均以“以大代小”的 發(fā)展模式，拆除老機(jī)組，建設(shè)大容量抽汽機(jī)組，這就為其發(fā)展帶來(lái)無(wú)限生機(jī)。

此外，隨著城市人口的不斷增加，供熱規(guī)模也逐步擴(kuò)大。近年來(lái)，山東、河北、河南、山西、陜西以及新疆等北方各省紛紛建造高效的抽汽機(jī)組，參數(shù)從亞臨界、超臨界，一直到超超臨界。這些高參數(shù)大容量機(jī)組，在非采暖期與凝汽機(jī)組效率基本相同，在采暖期可明顯節(jié)能，因而在抽汽熱電聯(lián)供集中供熱中發(fā)揮巨大作用，大幅度降低了對(duì)環(huán)境的破壞程度。

3 大容量抽汽機(jī)組介紹

3.1 亞臨界300MW抽汽機(jī)組

國(guó)內(nèi)300MW以上等級(jí)抽汽的興起是從20世紀(jì)90年代末。此期間，我公司積極配合市場(chǎng)的發(fā)展，加大力度研發(fā)抽汽機(jī)組，截止目前已有100多臺(tái)(含空冷抽汽機(jī)組)訂單。下面介紹該機(jī)型的特點(diǎn)：

3.1.1 結(jié)構(gòu)型式

亞臨界300MW抽汽機(jī)組的亞臨界、單軸、一次中間再熱、雙缸雙排汽、抽汽、凝汽式汽輪機(jī)，其高中壓部分采用合缸結(jié)構(gòu)。高壓模塊采用反流布置，并與中壓模塊部分的流向相反，抵消彼此產(chǎn)生的推力；低壓模塊采用雙流反向布置?？刂葡到y(tǒng)采用數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行可靠。

高壓模塊由一級(jí)單列調(diào)節(jié)級(jí)與11級(jí)反動(dòng)式壓力級(jí)組成。高壓噴嘴組安裝于蒸汽室，全部隔板均裝于高壓靜葉持環(huán)上，持環(huán)由外缸汽缸支承。高壓部分布置1#與2#抽汽，用于機(jī)組回?zé)?，以提高機(jī)組效率。此外，從中壓缸第五級(jí)抽出一部分蒸汽流經(jīng)內(nèi)外缸之間的夾層空間，對(duì)中壓內(nèi)缸外壁進(jìn)行冷卻。由于該機(jī)型是抽汽機(jī)組(最大抽汽量可達(dá)550t，調(diào)整的壓力范圍為0.25～0.6 MPa，因此中壓缸排汽的下部有兩個(gè)對(duì)稱的5段抽汽口，其抽汽的一部分至5#低壓加熱器，絕大部分可抽汽至熱網(wǎng)。為了保證機(jī)組在抽汽工況安全運(yùn)行，在熱網(wǎng)管路上，分別設(shè)置了抽汽逆止閥、液動(dòng)壓力快關(guān)調(diào)節(jié)閥。

低壓缸采用雙流反動(dòng)式壓力級(jí)，共2×6 級(jí)。蒸汽從低壓缸中部進(jìn)入，然后分別流向二端排汽口進(jìn)入下部凝汽器。因?qū)ΨQ雙流，故低壓轉(zhuǎn)子幾乎沒(méi)有軸向力。低壓末級(jí)葉片的選取根據(jù)抽汽機(jī)組背壓來(lái)確定。

圖1 高中壓模塊結(jié)構(gòu)

圖2 低壓模塊結(jié)構(gòu) (濕冷)

圖3 低壓模塊結(jié)構(gòu) (空冷)

3.1.2 抽汽原理

本機(jī)型抽汽原理采用雙閥調(diào)節(jié)方式，可以提供參數(shù)穩(wěn)定的供熱蒸汽。

雙閥調(diào)節(jié)抽汽方式閥門配置：

（1）在連通管上配置連通管調(diào)節(jié)閥；

（2）在熱網(wǎng)抽汽管道上配置安全閥、壓力調(diào)節(jié)閥、逆止閥。

雙閥調(diào)節(jié)抽汽方式的基本原理如下：

（1）機(jī)組在投入抽汽工況運(yùn)行之前，按純凝汽工況運(yùn)行時(shí)，即連通管壓力調(diào)節(jié)閥全開，抽汽壓力調(diào)節(jié)閥全關(guān)。

（2）由數(shù)字式電液控制系統(tǒng)通過(guò)控制連通管閥門開度來(lái)調(diào)節(jié)中壓缸排汽壓力P1，使其等于P1的設(shè)定值。中壓排汽壓力測(cè)點(diǎn)反饋信號(hào)至數(shù)字式電液控制系統(tǒng)。

（3）由數(shù)字式電液控制系統(tǒng)通過(guò)控制抽汽壓力調(diào)節(jié)閥開度來(lái)調(diào)節(jié)抽汽系統(tǒng)進(jìn)口的壓力P3，使其等于P3的設(shè)定值(根據(jù)用戶要求)。抽汽壓力測(cè)點(diǎn)反饋信號(hào)至數(shù)字式電液控制系統(tǒng)。

圖4 雙閥調(diào)節(jié)抽汽原理

3.2 亞臨界350MW雙抽汽機(jī)組

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)環(huán)保的要求也越來(lái)越高，國(guó)家要求關(guān)停一大批用于城市供熱以及工業(yè)用汽的小火電、小鍋爐，因此必須有一批高效的抽汽熱電聯(lián)供機(jī)組來(lái)代替。特別是新興工業(yè)區(qū)對(duì)工業(yè)用汽更提出苛刻的要求，兼顧采暖與工業(yè)用汽雙方面的要求，我公司從2006年著手研發(fā)亞臨界350MW雙調(diào)整抽汽機(jī)組，并于2009年投運(yùn)在華能濟(jì)寧電廠投運(yùn)。

此外，我公司正在研發(fā)超臨界350MW雙調(diào)整抽汽機(jī)型，該機(jī)型同樣可以滿足采暖與工業(yè)抽汽要求，而且工業(yè)抽汽參數(shù)最高可以達(dá)到1.8MPa，因此該機(jī)型也可以為一些高參數(shù)蒸汽需求工業(yè)用戶的提供高品質(zhì)蒸汽。

由于雙調(diào)整抽汽機(jī)組的結(jié)構(gòu)、抽汽原理以及控制方式大同小異，因此以亞臨界雙抽機(jī)組來(lái)介紹。

3.2.1 結(jié)構(gòu)

亞臨界350MW雙抽汽機(jī)組為單軸、一次中間再熱、三缸兩排汽，雙可調(diào)整抽汽、凝汽式汽輪機(jī)。既可供熱網(wǎng)抽汽，又可供工業(yè)抽汽用汽(調(diào)整的壓力范圍為1.0～1.5MPa),同時(shí)滿足的了采暖供熱與工業(yè)用汽要求，從而大大提升了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

該機(jī)組采用高、中壓分缸結(jié)構(gòu)，分缸達(dá)到推力自平衡；低壓部分采用雙流反向結(jié)構(gòu)，自身平衡推力。

圖5 高壓模塊結(jié)構(gòu)

高壓模塊由1級(jí)單列調(diào)節(jié)級(jí)和8級(jí)沖動(dòng)式壓力級(jí)組成；中壓模塊共為7級(jí)，全部采用沖動(dòng)式壓力級(jí)。其結(jié)構(gòu)與安裝方式與亞臨界300MW抽汽機(jī)組基本相同，不同的是本機(jī)型為雙調(diào)整抽汽，不僅具備亞臨界300MW抽汽機(jī)組的采暖抽汽功能，同時(shí)中壓設(shè)計(jì)有旋轉(zhuǎn)隔板，可以調(diào)節(jié)工業(yè)用汽參數(shù)，以保證工業(yè)抽汽壓力參數(shù)在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，滿足工業(yè)用汽要求。低壓模塊的布置方式同亞臨界300MW抽汽機(jī)組。

圖6 中壓模塊結(jié)構(gòu)

3.2.2 抽汽原理

亞臨界350MW雙抽機(jī)組的抽汽調(diào)節(jié)方式采用旋轉(zhuǎn)隔板與雙閥調(diào)節(jié)。下面介紹旋轉(zhuǎn)隔板調(diào)節(jié)方式。

旋轉(zhuǎn)隔板廣泛運(yùn)用于50MW等級(jí)和80MW等級(jí)抽汽式汽輪機(jī)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，抽汽機(jī)組容量逐年增加，但市場(chǎng)對(duì)抽汽機(jī)組經(jīng)濟(jì)性要求更為苛刻，因此，旋轉(zhuǎn)隔板以損失小而成為大容量抽汽機(jī)組的首選。目前，我公司已研發(fā)了高參數(shù)旋轉(zhuǎn)隔板，其工作溫度高達(dá)500?C，壓力1.8MPa。

旋轉(zhuǎn)隔板是一種具有流量調(diào)節(jié)功能的隔板，因此它同時(shí)具有類似調(diào)節(jié)閥門和沖動(dòng)式隔板兩種功能。旋轉(zhuǎn)隔板主要由隔板體、轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)、平衡環(huán)組成。轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)位于平衡環(huán)和隔板體之間，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)可以在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)和隔板體上分別有相對(duì)應(yīng)的窗口，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)和隔板體上窗口完全重合時(shí)，旋轉(zhuǎn)隔板處于全開位置，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)和隔板體上窗口完全錯(cuò)開時(shí)，旋轉(zhuǎn)隔板處于全關(guān)位置。正常工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)隔板在全開和全關(guān)位置之間，以確保合格品質(zhì)的工業(yè)抽汽。

圖7 新型旋轉(zhuǎn)隔板

旋轉(zhuǎn)隔板調(diào)節(jié)原理的基本配置：

（1）中壓部分安裝旋轉(zhuǎn)隔板；

（2）在工業(yè)抽汽管道上配置安全閥、抽汽壓力快關(guān)調(diào)節(jié)閥、抽汽逆止閥。

旋轉(zhuǎn)隔板具有類似于調(diào)節(jié)閥門的全開全關(guān)、限位調(diào)節(jié)功能。當(dāng)旋轉(zhuǎn)隔板處于全開狀態(tài)時(shí)，機(jī)組相當(dāng)于常規(guī)同容量的純凝機(jī)組；當(dāng)旋轉(zhuǎn)隔板處于全關(guān)狀態(tài)時(shí)，亦保證有最小的容積流量，確保機(jī)組低壓缸滿足最小的冷卻流量，以保證機(jī)組運(yùn)行的安全性。所以通過(guò)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)隔板的開度以控制隔板前壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)穩(wěn)定的工業(yè)抽汽。

圖8 旋轉(zhuǎn)隔板裝配示意

圖9 旋轉(zhuǎn)隔板

3.3 超超臨界1000MW抽汽機(jī)組

自從2002年起，我公司全面引進(jìn)超超臨界1000MW機(jī)組技術(shù)。為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的發(fā)展，自從2005年起，我公司在百萬(wàn)超超臨界純凝機(jī)組上自主研發(fā)出了超超臨界1000MW抽汽機(jī)組，并在2009年已于國(guó)華北疆電廠投入商業(yè)運(yùn)行，最大抽汽能力可達(dá)1000t。

超超臨界100MW抽汽機(jī)組為單軸承軸系、四缸四排汽。所采用的積木塊是一個(gè)單流圓筒型高壓缸、一個(gè)雙流中壓缸、兩個(gè)雙流低壓缸。

機(jī)組采用全周進(jìn)汽，不僅解決了調(diào)節(jié)級(jí)葉片的強(qiáng)度問(wèn)題還避開了一大汽流激振源。本機(jī)型高效、高可用率、容易維護(hù)、檢修所花時(shí)間少、運(yùn)行靈活、快速啟動(dòng)及調(diào)頻調(diào)峰能力。

機(jī)組采用一只高壓缸、一只中壓缸和二只低壓缸串聯(lián)布置。高壓缸采用整體整體發(fā)運(yùn)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)不再解體，直接吊裝就位，大大縮短電廠建設(shè)周期與難度。兩個(gè)主汽門調(diào)門組件位于高壓缸兩側(cè)，在水平位置與高壓缸剛性連接。

中壓缸為雙流設(shè)計(jì)，進(jìn)汽口在水平中心兩側(cè)切向進(jìn)汽。中壓聯(lián)合汽門是位于中壓缸兩側(cè)，在水平中心位置與中壓缸用法蘭連接。中壓缸和兩個(gè)中壓聯(lián)合汽門也是在制造廠分別完成裝配后，到現(xiàn)場(chǎng)直接吊裝就位。這樣，不僅減少了現(xiàn)場(chǎng)安裝的工作量，也減少了二次裝配所帶來(lái)的誤差。

低壓缸采用雙層缸設(shè)計(jì)，低壓外缸和低壓內(nèi)缸均采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。低壓外缸分成六個(gè)部分現(xiàn)場(chǎng)焊接，而且低壓外缸完全和基礎(chǔ)脫離，直接和凝汽器剛性相連。低壓內(nèi)缸貓爪穿過(guò)外缸搭在兩端軸承座上，與傳統(tǒng)的布置方式完全不同，外缸部參與差脹系統(tǒng)，使差脹更順暢。

汽輪機(jī)四根轉(zhuǎn)子分別由五只徑向軸承來(lái)支承，除高壓轉(zhuǎn)子由兩個(gè)徑向軸承支承外，其余三根轉(zhuǎn)子均只有一只徑向軸承支承。這種支承方式不僅是結(jié)構(gòu)比較緊湊，主要還在于減少基礎(chǔ)變形對(duì)于軸承荷載和軸系對(duì)中的影響，使得汽機(jī)轉(zhuǎn)子能平穩(wěn)運(yùn)行。這五個(gè)軸承分別位于五個(gè)軸承座內(nèi)。

整個(gè)高壓缸靜子件和整個(gè)中壓缸靜子件由其貓爪支承在汽缸前后的二個(gè)軸承座上。而低壓部份靜子件中，外缸重量與其他靜子件的支承方式是分離的，即外缸的重量完全由與它焊在一起的凝汽器頸部承擔(dān)，其他低壓部件的重量通過(guò)低壓內(nèi)缸的貓爪由其前后的軸承座來(lái)支承。所有軸承座與低壓缸貓爪之間的滑動(dòng)支承面均采用低摩擦合金。其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的摩擦性能，不需要潤(rùn)滑，有利于機(jī)組膨脹暢順。

超超臨界1000MW抽汽機(jī)組的抽汽調(diào)節(jié)方式同亞臨界350MW抽汽機(jī)組一樣，采用雙閥調(diào)節(jié)。

4 抽汽機(jī)組發(fā)展前景

抽汽熱電聯(lián)供事業(yè)經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，已具有相當(dāng)規(guī)模，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，其發(fā)展前景仍然非常廣闊。從以下幾個(gè)方面可以看出抽汽機(jī)組在國(guó)內(nèi)尚有非常大的發(fā)展空間。

4.1 節(jié)能的需要

圖10 超超臨界1000MW抽汽機(jī)組仿真模型

圖11 超超臨界1000MW抽汽機(jī)組結(jié)構(gòu)

根據(jù)全國(guó)能源平衡，火電機(jī)組裝機(jī)容量近10年已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但是抽汽熱電聯(lián)供機(jī)組比例并不是很高。首先，抽汽熱電聯(lián)供機(jī)組已被公認(rèn)為是在火電發(fā)展中節(jié)能機(jī)組，對(duì)降低碳排放有明顯意義；其次，城鄉(xiāng)工業(yè)的發(fā)展,環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重,分散供熱既浪費(fèi)能源又污染環(huán)境，集中供熱的呼聲高。因此，國(guó)家應(yīng)予優(yōu)先發(fā)展抽汽熱電聯(lián)供機(jī)組。

4.2 工業(yè)用熱需求大

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)總量的不斷攀升，勢(shì)必會(huì)有更多潛在的工業(yè)用戶，例如化工廠、鋁廠、堿廠以及鋼廠等?？砍Ｒ?guī)小鍋爐供工業(yè)用汽，不僅抽汽參數(shù)不穩(wěn)定，而且能源利用率低，汽價(jià)偏高，因此發(fā)展熱點(diǎn)聯(lián)產(chǎn)可以很好地解決上述問(wèn)題，特別是在“電荒”時(shí)期，還可以解決工業(yè)用電難問(wèn)題。

4.3 生活用熱迅速增加

目前，全國(guó)城鎮(zhèn)人口明顯增加，勢(shì)必使得公共建筑與民用建筑均將有很大的供熱需求。特別是近年來(lái)實(shí)施“村改樓”政策，將面對(duì)更加嚴(yán)峻的采暖汽供熱問(wèn)題，建設(shè)抽汽熱電聯(lián)供機(jī)組可以很好的解決這些問(wèn)題。

隨著人民生活水平的提高，原來(lái)不裝采暖設(shè)施的城市(例如安徽、江蘇等省)，在新城區(qū)建設(shè)中也裝了采暖設(shè)施，因而供熱范圍由我國(guó)的北方向南方擴(kuò)展，其范圍將不斷擴(kuò)大。

4.4 政府的支持

從近年火電機(jī)組的發(fā)展情況可以看出，為了有效地節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、緩解電力緊張，各級(jí)政府均采取一系列政策，鼓勵(lì)和支持發(fā)展抽汽熱電聯(lián)供機(jī)組集中供熱。此外，在國(guó)家方面，《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》、《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》、《節(jié)約能源管理暫行條例》、《節(jié)能技術(shù)政策大綱》與《當(dāng)前重點(diǎn)鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品和技術(shù)目錄》中均提出鼓勵(lì)、支持、發(fā)展抽汽熱電聯(lián)供機(jī)組。