国产新型350 MW超临界汽轮机特点及问题初探

(韶关市粤华电力有限公司，广东 韶关512023)

近年来，为提高能源利用效率，保护生态环境，国内350 MW超临界循环流化床机组在国家产业政策的支持下，迎来了快速发展。针对350 MW超临界发电市场，上海汽轮机厂(以下简称“上汽”)开发了新一代高效的350 MW超临界汽轮机，具体型号为N350-24.2/566/566，该型汽轮机在上海汽轮机厂内部的编号为H159。

H159新型汽轮机为超临界、单轴、一次中间再热、两缸两排汽、凝汽式(可抽汽)汽轮机。其首个应用项目配套上海锅炉厂生产的1 164 t/h超临界循环流化床锅炉，安装于笔者所在电厂。

该汽轮机采用高、中压合缸和低压缸双流的布置方式。高、中压部分采用整体内、外缸，高、中压通流反流布置。低压部分为分流结构，向下排汽。汽轮机转子为无中心孔整锻转子。汽轮发电机组是单轴串联设计，转子均是刚性连接。高压通流部分由1级单列调节级和14级压力级所组成。中压通流部分共有14级压力级，中压缸向上排汽，经1根中、低压连通管导入低压缸中部。同时，中压缸排汽端的下部设有1个5段抽汽口，其抽汽至5#低加，并具备提供蒸汽至热网的能力。低压缸采用双流压力级，共2×6级，末级叶片采用1 050 mm长叶片。

该汽轮机属于反动式汽轮机，轴向推力较大。为了减小轴向推力，除了在通流部分设计中采用高、中压反向流动及低压双流布置之外，还在转子结构上采用了平衡活塞及汽封，从而大大减小了轴向推力。

1 新一代国产350 MW超临界汽轮机的特点

1.1 先进的汽缸结构设计、高效节能

新型H159汽轮机采用领先的AIBT整体设计平台进行设计，通流效率显著提高。高、中压部分采用整体内缸设计，结构简单、整洁，并且从根本上杜绝了由于持环及内缸密封面不严所致的漏汽现象。低压部分采用斜撑内缸结构，增强汽缸的密封效果，减少缸体内漏。笔者所在电厂汽轮机的THA工况保证热耗为7 665 kJ/(kW·h)，背压5.8 kPa，其相比上一代159机型降低热耗60 kJ/(kW·h)。

此外，该机组高、中压缸采取厂内总装后整体发运，减少现场安装精度误差，并大幅缩减安装周期。

1.2 落地式轴承座，单轴承支撑

该汽轮机共设3个轴承座(见图1)，轴承座均为落地布置，前轴承座位于汽轮机前端，内有一个高、中压径向推力联合轴承，端面连接有液压盘车马达。高、中压缸和低压缸之间为中轴承座，中轴承座内有一个径向轴承，并配有手动盘车装置。后轴承座内有一个低压径向轴承。整个轴系为高、中压转子双支点支撑，低压转子单支点支撑，两根转子通过联轴器直接相连。

图1 H159机型轴承支撑示意图

H159机型采用单轴承支撑的形式，机组三维尺寸约为16 m×10.5 m×7.5 m，比原350 MW机组总长度缩短约2 m，有效缩短了汽轮机厂房长度。此外，轴承座全部采用落地式布置，并且低压外缸与凝汽器采用刚性连接，降低了机组背压的变化对机组轴系的影响。

1.3 新型的滑销系统，运行控制简单方便

H159机型采用了全新的滑销系统(见图2)，高、中压汽缸死点设于前轴承座，转子死点设于前轴承座内的高、中压径向推力联合轴承处。低压内缸通过轴承座直接支撑在基础上，高、中压外缸热膨胀通过推拉杆(位于中轴承座)直接传递到低压内缸上。低压外缸座落在凝汽器上，低压外缸与凝汽器焊接成刚性连接。而凝汽器支撑在基础上，也可沿轴向往发电机方向膨胀。综上所述，汽轮机静子的绝对死点和转子的相对死点均位于前轴承座，转子和静子部件均由径向推力联合轴承向发电机端膨胀。得益于新型的滑销系统，该汽轮机在实际的启停过程中几乎不用考虑胀差引起的动静摩擦问题。

图2H159机型滑销系统示意图

1.4 优越的DEH控制，实现了汽轮机自启动

H159汽轮机结构上吸收并应用了许多上汽超超临界汽轮机技术，其运行控制上也采用了上汽超超临界机组的数字式电液调节系统(DEH)控制。该DEH控制系统的优越性主要体现在将汽轮机的热应力计算应用于汽轮机启停的整个控制过程当中，实现了汽轮机自启动功能[2]。

报道中采用了间接缓和语the U.S.Tsunami Warning System said,引用美国海啸预警系统的预警，警示潜在的海啸风险。

H159汽轮机通过汽机热应力评估器(TSE)对汽轮机的转子、进汽阀门的阀体和汽缸缸体等厚重部件的温差进行监视，来控制汽轮机的启停和变负荷。蒸汽温度与金属温度的不匹配会导致金属部件产生过大的热应力，进而影响部件的使用寿命，采用汽轮机TSE可以避免这种情况的发生。

该汽轮机DEH自动化程度较高，通过执行汽轮机主顺控SGC来自动完成汽轮机的整个启动过程。汽轮机冲转、升速到600 r/m、低速暖机、升速到3 000 r/m、高速暖机、并网带负荷，在以上各个阶段，主顺控会通过X准则的判断来确定热应力是否符合要求，以决定是否可以进行下一步，或继续在本步等待。这些判断由程序自动实现，不需运行人员干预。否则，反而会导致应力超限。

2 新型汽轮机应用的两个典型问题及应对措施

2.1 新增暖机准则，冷态暖机时间过长

高、中压转子选取的材料为30Cr1Mo1V钢。因高、中压转子材料的限制，H159的启动X准则相比上汽超超临界蒸汽轮机增加了X7C，X7D准则。X7C，X7D准则用于汽轮机600 r/m低速暖机判断。X7C，X7D准则分别要求高、中压内缸内壁温度分别大于202.5 ℃和261 ℃。只有满足X7C和X7D准则后，DEH主顺控SGC才允许进行下一步升速操作。

而国产新型的350 MW汽轮机增加了X7C和X7D准则后，冷态启动所需的时间特别长，其中压缸的X7D准则极难满足。笔者所在电厂采取了各种措施，但需在600 r/m转速下，暖机时长最短也需近4 h，X7D准则方才满足。

汽轮机需要长时间暖机，会大幅增加机组启动成本，而且在暖机期间汽轮机进汽量少，进汽不均匀，会使汽轮机出现加热不均的情形，进而造成设备事故[3]。为确保汽轮机启动安全，缩短启动时间，该厂有针对性地采取了如下措施。

提前送轴封：每次冷态启动都提前一天投运轴封系统。这样，在冲转的时候，汽轮机高、中压缸内缸温度能达到100 ℃左右。

限制高压缸进汽：待X7C准则满足后，通过将高压调阀阀限置零、关闭高压主汽阀等措施减少高压缸进汽，增加中压缸进汽。

降低汽轮机初、终参数：为增加暖机时进入汽轮机的蒸汽流量，在保证安全的前提下适当降低汽轮机的初、终参数。该厂把主汽压力从厂家推荐的8.4 MPa降低至6.4 MPa，再热蒸汽压力则尽可能地调低，一般不高于0.6 MPa。另外，汽轮机背压尽量接近厂家要求的10.3 kPa。需要注意的是，在600 r/m转速下，低压缸末级叶片鼓风摩擦严重，汽轮机背压高，需要严密监视低压缸末级隔板温度和排汽温度。

通过以上措施，能够减少H159汽轮机的冷态暖机时间，但要根本性解决这个问题，还需厂家优化升速暖机过程并考虑X7D准则的合理性。

2.2 与循环流化床锅炉配合，取消MFT联跳汽轮机

循环流化床锅炉(CFB)运行时，炉内存有大量的高温床料夹带煤粒燃烧，且炉内有上千吨的浇注料覆盖在各受热面上，锅炉蓄热量非常大。即使循环流化床锅炉跳闸，锅炉仍然能够在相当长的一段时间内保证主蒸汽品质。因此，对于CFB机组，汽轮机利用锅炉余汽和蓄热继续运行一段时间是可行的。但个别电厂直接取消锅炉联跳汽机保护，笔者认为此举不可取，汽轮机厂家也难以接受。对于大型超临界机组，一旦碰到复杂多变的事故，运行处理不当，汽轮机将承担难以估量的设备损坏风险。因此，取消锅炉MFT联跳汽轮机的同时，笔者建议做好如下几项工作。

增加主再热蒸汽温度保护：“锅炉MFT动作设置在60 min内完成，当满足一定主再热汽温判断条件后，联锁汽轮机跳闸。”主再热蒸汽温度的判断依据是：主汽温度低于450 ℃，主蒸汽温度下降速率大于100 ℃/15 min，主汽温度过热度小于120 ℃等。因为汽轮机从设计上就没有考虑主再热蒸汽温度保护，所以具体汽温保护如何配置，还需根据自己厂的运行经验进行配置。目前国内大型循环流化床机组大量投产，针对这种类似H159的主要应用在循环流化床机组的汽轮机，建议厂家应当设计覆盖更宽、更可靠的主再热蒸汽温度保护，以更好地保障汽轮机安全运行。

强化运行人员技术素养：CFB机组运行人员必须熟练掌握循环流化床锅炉MFT的事故处理操作。锅炉MFT后，操作必须严格落实“锅炉先减水保过热度，汽机后关门保压力，且应维持主汽温度及压力保持缓慢下降的趋势”这一操作原则。锅炉MFT后，只要能够做到保汽温和保压力这两点，汽轮机就能够安全运行足够的时间等待锅炉恢复。否则，汽轮机往往等不到锅炉恢复，就需要被迫打闸停机。

完善MFT动作后汽轮机的自动控制逻辑：锅炉MFT动作后，汽轮机DEH自动由限压(负荷控制回路)切至初压(压力控制回路)，根据主汽压力带负荷。DEH压力回路的压力设定值取自CCS，此时，CCS中压力设定值通过滑压曲线跟踪实际负荷。需要注意的是，CCS中逻辑允许的压力变化速率要足够大，保证在快速降负荷过程中，负荷与实际压力相匹配。笔者所在电厂曾发生过这样的情况：由于CCS中允许的压力变化速率限制太小，所以锅炉BT后实际主汽压力下降很快，然而逻辑中压力设定值下降滞后，汽轮机便快速关调门，这导致负荷下降速度过快，主汽压力下降却过于缓慢。建议锅炉MFT动作后，逻辑自动将压力变化速率置为2 MPa/min。这样，既能够保证无论何种MFT，压力设定值都能够及时跟上压力实际值，也方便运行人员通过滑压偏置干预调整汽轮机。

危险工况需全面监视：不同原因导致的锅炉MFT，或不同工况下发生的锅炉MFT，其主再热蒸汽参数变化是不一样的。比如，因给水泵故障导致的锅炉跳闸，主汽压力下降会特别快，此时如果没有备用给水泵联启，为安全起见，建议及时打闸停机。另外，在等待锅炉恢复的过程中，汽轮机必然偏离设计工况长时间低负荷运行。汽轮机低负荷运行存在末级叶片容易水蚀、末级叶片自激振动、鼓风摩擦等安全问题。所以，建议严格根据汽轮机厂家说明书的要求，限制最低运行负荷。

总之，CFB机组MFT动作不联跳汽轮机，事故处理得当，可以避免许多的非计划停运。但是，事故工况复杂多变，汽轮机有必要增加主再热蒸汽温度保护并完善自动控制逻辑。运行人员也需做好事故工况的操作调整，并全面监视汽轮机各项参数，一旦参数异常，宁停毋损。

3 结束语

上海汽轮机厂新一代350 MW超临界汽轮机有着诸多优点，比如高(中)压整体内缸、落地式轴承座、单轴承支撑、低压缸与凝汽器刚性连接，以及新型的滑销系统。该汽轮机高、中压转子选取的材料为30Cr1Mo1V钢，增加了X7C，X7D准则，由此带来冷态暖机特别长的问题。此外，该型汽轮机主要应用在超临界CFB机组，而CFB机组普遍取消锅炉MFT联跳汽机的保护，由此给汽轮机的安全带来重大威胁。本文针对这两个问题进行了探讨，并提出了针对性的措施，希望给同类型的汽轮机的运行项目参考。

[1] 郑党生．西门子汽轮机控制系统ATC功能探讨[J]．机电设备，2014(3):217-218．

[2] 白秀春，李树平．上汽600 MW空冷汽轮机机组冷态启动暖机优化探讨[C]//全国火电600 MW机组技术协作会第13届年会论文集.宁波：全国发电机组技术协作会，2009．

[3] 常海涛，李虎，董加福. 330 MW循环流化床锅炉BT、MFT系统分析与优化[J].工业控制计算机，2011，24(8)：93-94.

[4] 张旋继新，贾杰，马素红，等.大型循环流化床锅炉热工跳闸保护设计[J].电力勘测设计，2010(5)：47-50.

[5] 靖长财.超(超)临界机组汽轮机蒸汽温度低风险分析及建议[J].神华科技，2012(3):45-47.