根据华能玉环电厂1000MW机组建设的实践,介绍了3大主机的结构型式,重点探讨了超超临界高参数大容量下的材料、设备选择,以及对相关的系统布置及设计理念也作了思考,所述内容对今后超超临界技术机组的推广有借鉴作用。
0概述
超超临界发电技术在国外已有十多年的发展历史,原国家电力公司2001年将超超临界燃煤机组计划列为“十五”国家重点科技攻关项目即863项目。华能公司和原国家电力公司一起承担了子课题技术选型的攻关。通过在浙江玉环建设我国首台1000MW超超临界机组作为项目的依托开展探讨与实践,目前已取得阶段性成果。
在玉环超超临界工程可行性方面通过大量的实际调研、参数比选以及技术论证,我们在3大主机的选型上最后确定玉环机型为1000MW,26.25MPa,600℃/600℃。所选参数与863课题组推荐值相似。华能在玉环确定使用的机组,其参数在压力上高于日本,温度上超过欧洲,尤其又是单轴,世界上并无一台完全相同的机型可供借鉴。
为了提高我国火电机组的总体技术水平,3大主机全部国内订货,通过4台机组的逐台制造,使得制造厂家逐步掌握关键技术并提高国产化率。锅炉由哈尔滨锅炉有限责任公司中标,技术支持方为日本三菱公司,汽轮机、发电机则分别由上海汽轮机有限公司、上海汽轮发电机有限公司供货,其技术支持方为德国西门子公司。
1锅炉结构特点
华能玉环电厂锅炉为超超临界参数变压垂直管圈直流炉、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。炉膛断面尺寸为（宽×深×高）32.08m×15.67m×66.40m,炉膛容积28000m3。锅炉的最大连续蒸发量（B-MCR）2950t/h。锅炉出口蒸汽参数27.56MPa/605℃/603℃。炉膛上、下部水冷壁均采用内螺纹垂直管。上下部水冷壁之间设有混合集箱,在由各水冷壁下集箱引出的水冷壁入口管段上,按不同的回路装有不同孔径的节流孔圈。为防止锅炉结渣,慎重地选择炉膛容积热负荷为82.7kW/m3,炉膛断面热负荷为4.59MW/m2。锅炉采用带启动循环泵的内置式启动系统。
燃烧方式采用无分隔墙的八角双火焰切圆燃烧方式。采用PM-MACT型八角反向双切圆布置的摆动燃烧器。采用该燃烧器NOX的排放量低于360mg/Nm3。过热器系统采用四级布置,以降低每级过热器焓增,沿蒸汽流程依次为水平与立式低温过热器、分隔屏过热器、屏式过热器和末级过热器。过热器系统共有三级喷水减温。再热器分为低温再热器和高温再热器,两级再热器之间设有事故用紧急喷水减温器。主要使用烟气挡板调节再热汽温。省煤器管束采用无缝光管顺列布置。省煤器为连续管圈可疏水型。
受热面主要材料的选择是成败的关键,高温过热器、末级再热器受热面的主要材料为Su2per304H和HR3C,Super304H高温下许用应力较高,但在抗蒸汽氧化及抗烟气高温腐蚀上比HR3C稍差,玉环电厂锅炉采用了抗氧化性更好的成熟材料HR3C同Super304H相结合方式,将Su2per304H作喷丸处理后用于金属温度较低区域,易氧化的高温区则采用HR3C。Super304H、HR3C在受热面成形后作整屏固溶化热处理。
2汽轮机结构特点
华能玉环电厂的汽轮机引进德国西门子技术,其主要技术规范为:超超临界,一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、凝汽式、八级回热抽汽、功率1000MW、主汽门前压力26.25MPa、温度600℃、再热阀前温度600℃、给水温度292.5℃。平均背压5.39/4.4kPa,夏季背压9.61/7.61kPa。该型汽轮机是目前世界上采用高压缸、中压缸和两只低压缸单轴串联布置的最大容量汽轮机。除高压转子由两只径向轴承支承外,中压转子和两根低压转子均采用单轴承支承方式。这种支承方式不仅结构比较紧凑,缩短了轴系长度,提高了轴系刚性,减少了基础变形对于轴承荷载和轴系对中的影响,利于汽轮机转子平稳运行,节省厂房投资。
高压缸、中压缸采用传统方式支承,由其猫爪支承在汽缸前后的2个轴承座上。而低压外缸直接座落在凝汽器颈部,低压内缸通过猫爪及支架直接座落在外缸前后的专用台板上。内外缸之间由膨胀节密封连接,彻底消除了低压外缸热变形或位移对低压动静间隙的影响。内缸支架用推拉装置与中压外缸相连,以保持低压部分的轴向动静间隙。
高压缸采用单流程双层缸设计。外缸为桶形,前后两段用螺栓连接,内缸为垂直纵向平分面结构。缸体为旋转对称,无连接大法兰,汽缸横断面积无变化,使得缸体受热均匀,在主蒸汽参数变化时,缸体的的温度梯度很小,且几乎能够和转子同时达到同样的温度水平,因此机组适应快速启停、变负荷过程中无需监视汽缸的绝对膨胀和与转子的胀差。高压缸没有调节级,100全周进汽,第一级采用了低反动度叶片级（约20的反动度）,以降低进入转子动叶的蒸汽温度。第一级静叶斜置设计,切向进汽,效率高、漏汽损失小。
中压缸采用双流程双层缸设计。中压缸第一级除了与高压缸一样采用了低反动度叶片级,以及切向进汽的第一级斜置静叶结构外,还采取了一种切向涡流冷却技术,以降低中压转子的温度。
另外,高中压转子通流部分采用小直径、多级数;高中低压动、静叶片（末三级除外）设计成全三维马刀型,不同反动度叶片级的组合提高了通流效率;两只主调门及两只再热调门水平布置在汽缸两侧,切向进汽;阀体与汽缸采用螺栓连接,便于检修;所有轴承均通过轴承座直接支撑在基础上,汽缸不承受转子的重量,变形小,易保持动静间隙的稳定。
膨胀系统设计具有独特的技术风格:机组的绝对死点及相对死点均设在高中压之间的推力轴承处,整个轴系以此为死点向两端膨胀,低压内缸也通过汽缸之间有推拉装置而向后膨胀,为此动静叶片的相对间隙变化最小。所有轴承座与台板之间及低压内缸猫爪支架与台板之间的滑动支承面均采用低摩擦合金,无需润滑,即可保证机组自由膨胀。
由于压力的原因,超超临界机组低压缸的排汽湿度比同样进汽温度的亚临界机组要大,低压末级及次末级叶片具有必要的抗应力腐蚀及抗水蚀性能尤为重要。在抗水蚀和抗腐蚀技术的应用方面,除了在结构上设计成有足够通量的疏水槽、相当大的轴向间隙和采用中空末级静叶外,末级叶片采用抗腐蚀性能好的17-4PH材料。该材料在钠盐及水中的疲劳强度均明显高于12Cr钢。并在末级、次末级动叶片采用新型的激光表面硬化技术。虽然世界上叶片的技术贮备已很充分,但真正有运行业绩的叶片并不多,玉环项目应用的是低压缸N30积木块,末级叶片长度为1146mm。华能玉环电厂在汽轮机上引进了补汽技术,该技术是指从某一工况（TMCR）开始从主汽阀后、主调阀前引出一些新蒸汽（进汽量的5～10）,经节流降低参数（蒸汽温度约降低30℃）后进入高压第五级动叶后空间,主流与这股蒸汽混合后在以后各级继续膨胀做功的一种措施。补汽技术提高了汽轮机的过载和调频能力;此外由于在各个主要工况下阀门可以全开而避免了蒸汽节流,在开始补汽点以下各工况热耗率得到改善。该技术虽缺乏大容量、高参数汽轮机的使用业绩,玉环汽轮机采用补汽阀有一定风险,但在原理和结构方面并无重大难点,可以判断风险不大;补汽阀只在TMCR以上的运行区域以及需要调频时才开启,大部分时间备而不用。玉环项目汽轮机TRL工况（背压11.8kPa）下出力为950MW,考虑到玉环项目冷却水的实际条件（15m深海水）和凝汽器冷却面积等因素,夏季背压约为8～9kPa。汽轮机如按滑压方式运行,机组全年出力可达1000MW,但无调频能力;如按5节流方式运行,夏季出力略低于1000MW;采用补汽阀技术后,该机组全年出力均可达到1000MW,且有调频能力。
3发电机结构特点
发电机与超超临界技术与参数无直接关系,玉环发电机冷却方式为水氢氢,定子绕组额定电压27kV,短路比0.5,接线方式为42槽,YY接线,6端子引出。定子线棒使用不锈钢通水管和实心无氧铜线;主绝缘厚度为6.5mm,F级绝缘,B级考核;VPI绝缘工艺制造;不锈钢空心导线与实心铜线编织。机座与铁芯之间采用立式弹簧板隔振结构,自振频率避开179Hz,振幅为38μm。
定子铁芯结构采用叠压方式、轴向固定,定子铁芯硅钢片使用M270-50A型0.5mm厚冲片,气隙磁密Bs为1.2T,铁芯端部屏蔽。转子大齿上开有阻尼槽,设有阻尼铜条,阻尼槽楔外伸至护环搭接面进行良好接触,起阻尼绕组作用（嵌线槽内无阻尼条）;转子槽楔采用镍硅铜槽楔;护环结构及材料为Mn18Cr18非磁性奥氏体钢护环,梳齿形结构,悬挂式护环;转子轴材质为26NiCrMoV,不带中心孔的整体锻件。氢气供气系统特点是采用CO2置换式氢气系统自动补氢和分子筛氢气干燥器,氢气干燥器设有增压风机。
励磁方式为无刷励磁,励磁电压418V,电流5653A,灭磁时间常数8.73。华能玉环电厂主要辅机的选择考虑了安全可靠,以支撑主机的安全运行,充分顾及着力提高国内辅机制造水平,同时也为了降低工程造价使得机组投入商业运营后具备足够的竞争力。
4热力管道的选材
主蒸汽管道决定采用P92钢。常规P91钢虽然国内有足够的使用经验,但由于其使用范围按有关标准规定为540～600℃,而且在610℃时的许用应力较低,计算壁厚达到108mm,单道焊口焊接施工时间长,焊接成本高,更重要的是难以保证焊接质量;由于壁厚大,对管系的柔性不利,管系热膨胀大不易吸收,会对机组产生较大推力,专家们认为主蒸汽管道壁厚不宜超过80mm。同时P91在600℃下材料老化加速,厚壁P91主汽管道的热应力大,长期运行安全难以保证,所以不采用P91作为玉环的主汽管道材料。另外,P92、P122和P911虽然都能满足温度要求,但P911含C量较高,P122含Cr量高,材料的焊接性能不好,长时间高温运行的组织稳定性稍差;而且P911的计算壁厚也达到92mm;而P92高温持久强度高,焊接和其它热加工工艺与P91接近,计算壁厚只有72mm。从技术的角度看采用P92作为主蒸汽管材较为适宜。再热热段由于蒸汽压力较低,采用P91壁厚适中,如果选择P92壁厚偏薄,管件加工难度增大,管道的椭圆度难以保证。再热汽冷段采用A691Cr1-1/4CL22、给水管道采用15NiCuMoNb5。这两种材料属于成熟的材料,在国内已经有应用业绩。
5结束语
总的来说,针对玉环工程1000MW超超临界机组大容量高参数的特点,关注了高温高压材料的选择;充分注意了技术支持方的一些习惯配置,如西门子的发电机与旋转励磁机的成熟搭配;汽轮机和发电机同为西门子技术,机电一体则轴系的稳定得到了保证;主要辅助设备在充分调研的基础上,在确保安全的前提下优先选用国产或合资产品,支持本国制造业的同时也降低了玉环工程初投资;设计上引进国外电厂厂房布置及管理格局的新的理念,提高机组自动化水平,提高环保整体水平。
由于华能玉环电厂的工程正在建设之中,还有许多问题还需进一步探讨与摸索。本文观点仅供商榷探讨,欢迎各方共同关注,目的是使我国第一台引进技术自行生产的超超临界1000MW机组真正能够实现安全、可靠、高效、成熟的目标。
