超超临界发电技术是目前国际上公认的具有代表性的洁净煤发电新技术，超超临界机组的发展目前正处于蓬勃时期，国家节能减排的提出进一步促进了超超临界机组技术的应用和推广。并且随着电力技术的发展及电网容量的不断扩大,1000MW机组在我国相继投入商业运行, 我国的电力工业已迈上了百万级的台阶。

我国燃煤火电机组技术发展已进入超超临界参数时代的背景下，从长远发展趋势分析，常规火电机组将继续提高蒸汽参数,压力超过30MPa,温度超过700℃，机组的效率有望超过50%；现将我国1000MW超超临界机组的锅炉、汽轮机、发电机技术概况分述如下。

1 锅炉

1.1 锅炉主要设计参数

根据我国对超超临界机组的技术认证,推荐超超临界汽轮机进口参数为25 MPa、600/600℃,相应锅炉的设计参数为26.25 MPa、605/603℃。但是,由于上海汽轮机厂汽轮机进口参数选用26.25 MPa、600/600℃的方案,因此,与上汽厂配套的锅炉其主汽压力将有所提高,约27.5MPa。

锅炉蒸发量的选取一般与汽轮机的VWO工况相匹配。

1.2 锅炉的总体型式

国内制造的1000MW超超临界锅炉的总体型式有4种,见表1。

煤粉锅炉主要有2种燃烧方式: 墙式燃烧和切圆燃烧,对大容量锅炉来说, 墙式燃烧和切圆燃烧都被证明是可行的。随着机组容量不断增大,对于切圆燃烧П型锅炉,由于炉内旋转气流造成炉膛出口两侧烟温偏差加大,因此机组容量达到百万千瓦级时,采用了八角切圆(双切圆)燃烧的长方型炉膛,这样有利于减小炉膛出口两侧烟温偏差。而墙式燃烧系统的燃烧器布置方式能够使热量输入沿炉膛宽度方向均匀分布,在过热器、再热器区域的烟温分布也比较均匀。

表1 国内制造的1000MW超超临界锅炉的炉型

燃烧方式同样与水冷壁的结构有着密切的关系,如果切圆燃烧配螺旋管圈水冷壁,在结构处理上就比较困难,这也是采用切圆燃烧的锅炉制造厂家在不断开发适应超临界参数垂直管圈水冷壁锅炉的原因之一。

1.3 超超临界锅炉的水冷壁

随着机组参数逐步提高,特别针对超超临界锅炉,水冷壁的水动力安全性和水冷壁管材合理的选取将对锅炉长期安全运行产生重大影响。

1.3.1 水冷壁管圈型式

现代设计的超临界锅炉的水冷壁管圈型式目前只保留了2 种:即下水冷壁螺旋管圈+上水冷壁垂直管圈和上下水冷壁全部为垂直管圈。

螺旋管圈水冷壁的主要特点是，可采用较粗的水冷壁管(φ38mm)，因而对管子制造公差所引起的水动力偏差的敏感性较小，运行中不易堵塞；不需要安装节流圈,管间温度偏差小；由于采用较高的质量流速[2500~2800 kg/(m2·s)],能在所有负荷范围内均高于由偏离核态沸腾(DNB)所决定的界限质量流速。不足之处是由于质量流速较高，致使水冷壁阻力较大；安装焊口多，大大增加了安装工作量, 延长了安装周期；对于结渣性较强的煤种，螺旋管圈结渣的倾向比较大,灰渣自行脱落能力较差；水冷壁系统结构复杂、炉墙密封性较差；水冷壁支撑和刚性梁结构复杂；水冷壁的维护和检修复杂。

一次上升垂直管圈水冷壁主要特点是,采用内螺纹管来防止变压运行至亚临界区域时,水冷壁系统中发生膜态沸腾；采用较低的质量流速阻力损失减少,节省运行费用；结构简单,炉膛易于支吊,可以避免使用螺旋管圈支吊中采用的复杂张力板结构,减少支吊用结构件；工地现场焊接量减少,可靠性高,安装和维修方便;炉膛灰渣容易脱落,使炉膛水冷壁积灰渣量减少；由于摩擦阻力在系统总阻力中所占的比例较小,因此具有保持正向流动的特性,即个别管子吸热量增加时,管内流量也会随之增加,具有部分自补偿的能力。其缺点是对煤种变化较为敏感,水冷壁各回路之间热力和水动力特性有可能出现偏差较大,使汽水分离器的工作条件恶化和因热力偏差还可能造成水冷壁超温爆管,并且需要装设节流孔圈。相应也要求对管壁厚度公差控制更加严格,对加工精度也要求更高。

1.3.2 水冷壁的材料

超超临界锅炉随着压力的提高,水冷壁的材料也随之升级。除了保证强度性能外,还要考虑具有良好的抗腐蚀性和可焊性, 尽量避免焊预热和焊后热处理。

目前国内已订货的超超临界锅炉,水冷壁的材料选用15CrMoG、SA-213T2、T12,最高的用到SA-213T22。压力再提高,上水冷壁的材料有可能选用T23、T24、HCM12。

T11为1.25Cr钢, T22为2Cr钢。

T23为2Cr钢,推荐其使用温度不超过580℃,在过热器、再热器部件上使用, 也是用于超超临界锅炉水冷壁很好的材料,可不进行焊后热处理,给工地安装和电厂维修带来了方便,许用应力在600℃是T22的1.8倍。

T24(7CrMoVTiB10.10)钢表明了在550℃下,具有良好的抗氧化性能,属于完全抗氧化钢。在550℃和600℃具有较好的高温持久性能。在不预热-不焊后热处理状态下其焊接性能也能满足要求,成型性能良好。因此,建议作为超临界和超超临界锅炉水冷壁用钢,以减小钢管壁厚,降低水冷壁的重量。在高于566℃时的许用应力下降得比T23快,在580℃以下使用时经济效益明显。

HCM12为12Cr钢,用于汽压大于30MPa的机组,推荐其使用温度不超过63℃。目前丹麦的一台超超临界锅炉的水冷壁就用这种材料。

1.4 过热器和再热器材质

1.4.1 国外所用材料

超超临界机组(25MPa及以上、600/600℃)过热器、再热器所用的耐热钢材料比超临界机组要提高一个等级,目前国外应用比较多的新钢种有TP347HFG、Spuer304H、HR3C、T/P92、T/P122、E911。

TP347HFG属于18Cr-8Ni系列钢,只是在TP347H基础上细晶粒化,推荐其使用温度不超过650℃,流体温度600~615℃。

Super304H钢的开发就是专用于超超临界锅炉的高温过热器和再热器。许用应力较目前常用的TP347H钢要高约20%以上,在700℃完全抗氧化。推荐其使用温度不超过670℃,流体温度620~635℃。

HR3C属于25Cr-20Ni钢,具有较好的抗氧化和抗腐蚀性能,是日本研制的新钢种。允许使用温度达700℃,推荐其使用温度不超过665℃,流体温度615~630℃。

T/P92是日本研制的马氏体钢,只在欧洲电厂有使用。P92用于主蒸汽管道, 推荐其使用温度不超过620℃,流体温度605℃。目前发现长期运行有蠕变脆性倾向。

最近在ASME规程中对P92许用应力值可能会由于欧洲ECCC关于P92的长时蠕变及持久强度试验结果而降低,预计P92 钢600℃的100000h持久强度下降幅度可能达14.4%,从而使所需的机组的主蒸汽管道直管壁厚有明显的增加。对P122钢管,也有类似的问题存在。

P122(HCM12A)为高铬马氏体热强钢,由日本住友开发。钢管在650℃完全抗氧化。最高使用温度650℃,推荐使用温度不超过620℃,流体温度605℃。用于超超临界锅炉的过热器和再热器的高温集箱和主蒸汽管道。

E911钢的抗氧化性非常好,可以在650℃下使用。推荐使用温度不超过615℃,流体温度605℃。用于超超临界锅炉的末过出口集箱、主蒸汽和再热蒸汽管道,代替P91可使壁厚减薄20%以上。是一种易焊接并不昂贵的材料,具有广阔的市场前景。

1.4.2 国内所用材料

目前国产1000MW超超临界锅炉过热器、再热器采用的材料:

低温过热器: 15CrMoG、12Cr1MoVG、SA-213T91、SA-213TP347H;

分隔屏过热器: SA-213T23、SA-213 T91、Super304H、Super304H SB(喷丸)、HR3C;

后屏过热器: Super304H、Super 304H SB(喷丸)、HR3C;

末级过热器: Super304H、Super 304H SB(喷丸)、HR3C;

低温再热器: 20G、SA210C、15CrMoG、12Cr1MoVG、SA-213T22、SA-213T23、SA-213T91、SA-213TP347H;

末级再热器: SA-213 TP347H、Super304H、Super304HSB(喷丸)。

1.4.3 国内、外用材差别

国产1000MW超超临界锅炉过热器、再热器的用材与国外的差别是:

(1)国产锅炉在末级过热器、再热器上大量使用HR3C钢,达150~220t,而国外只用于局部。

(2)国外的末级过热器、再热器基本使用Super304H和细晶粒化的TP347HFG,并建议对管材进行喷丸处理。而我国用的是非细晶粒化的SA-213TP347H钢,只有部分厂家对Super304H管材进行喷丸处理。每台锅炉SA-213TP347H、Super304H的总重量大部分厂家为550~580t,有个别厂家高达980t。

1.5 低NOx燃烧技术

在世界范围内所有低NOx燃烧器,大多数已经成功运行。根据煤质的不同,低NOx燃烧器可以减少多达40%～70%的NOx排放量,挥发份含量越高的煤,NOx减少就越多。

哈锅厂燃烧器采用三菱公司(MHI)的低NOxPM燃烧器,该燃烧器利用燃烧器入口弯头的离心分离作用将煤粉气流分成上下浓淡2股,分别进入炉膛。将较大比例的分离燃尽风布置在炉膛上部,构成MACT燃烧系统,进一步实现分级配风,降低NOx的生成。

上锅厂采用ALSTOM低NOx切向燃烧系统(LNTFSTM)设计和炉膛布置匹配,来满足降低NOx的要求。

东锅厂燃烧器采用BHK研制的低NOx排放HT-NR3燃烧器,该燃烧器带有煤粉浓缩器和稳燃环,并采用火焰内还原技术,降低NOx的生成。OFA采用优化的双气流结构,是直流,外圈是旋流。

北京巴威公司燃烧器采用美国B&W公司DRB-4ZTM双调风旋流燃烧器,该燃烧器采用分级送风,按照着火、稳燃和燃尽的要求分段燃烧,抑制NOx的生成,降低NOx排放。分离燃尽风(SOFA)距上排燃烧器中心线为3.361m。OFA的结构为双气流结构,部位是直流,外圈是旋流。

对于1000MW锅炉,不论是切圆燃烧,还是前后墙对冲燃烧,采取以上措施可使NOx排放量大幅度降低:烟煤350mg/m3,贫煤550mg/m3,无烟煤700 mg/m3。特别是对于烟煤锅炉,排放有可能达到300mg/m3左右。

1.6 超超临界锅炉几种典型的启动系统

1.6.1 带循环泵,品质合格的清洗水和多余工质全部排往汽机冷凝器的启动系统。其优点是能将启动期间工质和热量的损失减少到最低程度。但汽机冷凝器的设计在容量上要做特殊考虑。

1.6.2 带循环泵,启动期所有的水冷壁系统清洗水、汽水膨胀的水量以及启动期间各阶段多余的蒸汽全部排入大气式扩容器,属于工质只能局部回收的启动统。

1.6.3 不带再循环泵、启动期间分离器疏水排往除氧器和扩容器的启动系统。特点是启动系统初期投资较少,既无再循环泵也无启动热交换器,但不适用频繁调峰、经常以极低负荷运行或频繁启停的机组。

目前国内厂家都选用带循环泵的启动系统,启动期间分离器疏水是排往汽机冷凝器、还是排入疏水扩容器,与系统设计有关。

启动系统容量需根据锅炉最低直流负荷、机组运行方式、质量流速的选取、以及工质的合理利用等因素确定。一般为35%BMCR,以与锅炉水冷壁最低质量流量相匹配。考虑到如果启动给水泵为30%,为简化操作,又能保证锅炉水动力安全, 启动系统容量可以定为30%BMCR。对1000MW超超临界机组最小直流负荷为25%~30%BMCR,启动系统容量可与最小直流负荷相匹配。

启动分离器的结构、材料的选取及制造工艺,应能适应变压运行锅炉快速负荷变化和频繁启停的要求。

1.7 空气预热器

1.7.1 一般对600~1000MW机组的锅炉都配备2台采用引进技术国内制造的三分仓式回转式空气预热器。

1.7.2 每台空气预热器在机组额定出力时的漏风率第1年内应小于6%,并在1年后应小于8%。

1.7.3 为防止空气预热器低温腐蚀,冷端传热元件及元件盒选用耐腐蚀的Corten钢制造,冷段蓄热元件的使用寿命不低于50000h。

目前国产的空气预热器都能满足以上要求。

2 汽轮机

2.1 国内公司生产的1000MW级汽轮机主要技术特点

2.1.1 东方汽轮机有限公司

东方的单轴N1000-25/600/600型超超临界汽轮机的技术支持方是日本日立公司,其技术源自GE公司,是冲动式机型,具有低的故障率、高的可靠性及高的经济性。一次中间再热、双背压、四缸四排汽凝汽式。总体结构布置从机头到机尾依次串联1个单流高压缸、1个双流中压缸及2个双流低压缸。高压缸呈反向布置(头对中压缸),由1个双流调节级与8个单流压力级组成喷嘴调节。中压缸共有2×6个压力级。2个低压缸压力级总数为2×2×6级。中压缸、低压缸均为双流反向布置,机组总长为38.1m。末级叶片高度为1092.2mm,根径为1854.2mm,轴向排汽面积为10.11m2,总轴向排汽面积为40.44m2。

机组运行方式为定-滑-定,采用高压缸启动方式,不设高排逆止门,主蒸汽通过布置在机头的4个主汽门和4个调门进入高压缸。再热蒸汽经2个中压联合汽门由2个进汽口进入中压缸,做功后再进入2个双流反向布置的低压缸。采用喷嘴调节方式,在滑压变负荷过程中部分阀门全开。在部分进汽情况下调节级叶片遭遇一定程度的强度和振动问题,因此高压模块采用双流调节级+单流压力级的结构,但对提高高压缸效率不利。

汽轮机4根转子由8只径向轴承支撑,其中,高、中压转子支持轴承采用可倾瓦、落地式轴承；2个低压转子支持轴承采用椭圆形轴承,轴承直接座落在低压外缸上。轴承采用球面座水平中分自调心型。推力轴承位于高压缸和中压缸之间的2号轴承座内,也采用可倾瓦式轴承。

冲动式机组的转子由于采用轮盘式结构,启动过程中转子的热应力相对较小, 同时高中压合缸使得汽缸及转子温度基本上同步升高,保证了机组的顺利膨胀。同时启动过程中采用先进的复合配汽方式,降低了启动过程中热应力的产生,保证了机组具有快速、安全、灵活、经济的启动性能。

广泛采用当代通流设计领域中最先进的全三元可控涡设计技术,高中压静叶型线采用高效的后加载层流叶型(SCH),动叶采用型损、攻角损失更小的高负荷叶型(HV)；低压静叶采用高负荷静叶型线(CUC),低压动叶采用成熟的1092.2mm低压积木块。在采用以上通流核心技术的同时,对焓降、动静叶匹配进行优化,在高压缸部分级采用分流叶栅, 叶顶采用多齿汽封。高压调节级采用新的斜面喷嘴型线技术和Cr-C保护涂层技术；中压第1级加大动静叶间距, 高压喷嘴和中压第1级静叶表面有Cr-C保护涂层。高、中、低压缸除第1 级外的所有隔板汽封和部分轴封采用保护齿汽封,该型汽封是美国MDA公司的专利产品。动叶自带围带,叶顶汽封采用2个高齿和2个低齿,形成迷宫效果以减小叶顶漏汽。

由于高压及中压部分进汽温度的升高,在材料、结构及冷却方面采取相应措施。根据不同高温区域、不同应力水平的零部件采用不同的耐高温材料。高压外缸、中压缸进汽部分、中压转子温度最高的中间部位采取冷却措施。高温动叶材料采用新型12Cr锻钢,高压部分汽缸采用Cr-Mo-V-B钢,该材料具有优良的高温性能。在结构上保证内缸的最大工作压力为喷嘴后的压力与高排压差,外缸最大工作压力为高排压力与大气压之差,有效地降低了汽缸的工作压力,同时进汽口及遮热环的布置保证汽缸有一个合理的温度梯度,以控制它的温度应力,保证寿命损耗在要求的范围内。

2.1.2 上海汽轮机有限公司

上汽的TC4F型1000MW超超临界汽轮机采用了从德国西门子公司引进的单轴、“HMN”积木块系列的四缸四排汽超超临界机型,是反动式机型。总体结构布置从机头到机尾依次串联1个单流程“H”型圆筒高压缸、1个双流中压缸及2个双流低压缸。高压缸共14级。中压缸共2×14级。2个低压缸压力级总数为2×2×6级。机组总长为29m。末级叶片高度为1146mm,轴向排汽面积为10.96m2,总轴向排汽面积为43.84m2。

“HMN”型1 000 MW汽轮机的总体结构非常简捷、紧凑。“H”高压缸积木块由圆筒型前后外缸及具有水平中分面的内缸组成。适应更高压力、温度参数的内外缸承载结构,能承受比目前传统结构更高的温度和压力,因此设计压力很容易定位在更高的30MPa水平。机组只有2个主调门及2个再热主调门,并直接和汽缸相连,流动损失小、附加推力小、起吊高度低。“M30”双流中压缸仅有2个进汽口和1个排汽口,再热蒸汽由侧面2个进汽口进入汽轮机。1个与中低压连通管相接的排汽口则布置在汽缸中间顶部,不仅使汽缸的轴向尺寸紧凑,而且使整个中压外缸只承受中压排汽的温度和压力。中压进口段上有切向涡流冷却装置,开有切向进汽孔,利用涡流原理,中压再热蒸汽进入该孔产生高速切向流动,热能转换为动能后,温度可下降15℃左右。在高中压缸2个径向进汽通道向轴向叶片级折转过程中配置了一种独特的斜置静叶,该静叶同时起到导流作用,且无径向漏汽, 结构合理紧凑,损失小。

汽机转子采用单轴承支撑,使四缸1000MW机组汽轮机的跨度由35m缩短到27m。高、中压缸和低压内缸通过猫爪支撑在轴承座上,猫爪与轴承座之间的滑动面有耐磨的低摩擦合金。所有轴承座均直接支撑在基础上,不随机组膨胀。推拉装置以及在轴承座上的支撑使低压内缸可沿轴向滑动。低压外缸与凝汽器刚性连接,与机组的膨胀无关,凝汽器真空变化不会对汽轮机的动静径向间隙产生任何影响,有利于轴系的稳定运行。机组的绝对死点及相对死点均在高中压缸之间的推力轴承处。中压外缸与低压内缸以及低压内缸之间有推拉装置,使动静叶片的相对间隙变化最小,整个机组有良好的膨胀特性。

TC4F汽轮机无调节级,采用单流+全周进汽,另外配置第3个小流量补汽阀的技术,形成全周进汽定-滑-定运行模式,使额定工况滑压的进汽压力提高到额定压力。高压第1级采用斜置静叶,第1级动叶的设计与一般压力级接近,不存在特殊的强度和振动问题,全周进汽滑压运行根本上消除了汽流激振对轴系稳定性的影响,对提高汽轮机效率也较有利。反动级叶片设计技术,采取了一系列先进的气动及结构技术,例如小直径、多级数,发挥反动式叶片级轮周效率高的优势。但是采用补汽阀型式的汽轮机的业绩较少,当主蒸汽流量超过THA工况时,补汽阀投入,机组热经济性会降低。

TC4F汽轮机未采取专门的防固体颗粒侵蚀(SPE)措施,但从结构上采取以下措施:

(1)无冲动式调节级,高中压第1级喷嘴设计为切向斜置式,反动度为20%,冲蚀性低于冲动级。

(2)全周进汽的滑压运行,使第1级静叶出口流速基本保持在较低的水平。

(3)主调门及再热门具有网眼为1.6mm的永久滤网。

2.1.3 哈尔滨汽轮机有限公司

哈汽的CLN1000-25.0/600/600超超临界汽轮机是与日本东芝公司联合设计制造的单轴、四缸四排汽、凝汽式、冲动型机组。高压缸为单流式、双层缸结构,包括1个双流调节级和9个压力级。压力级采用全三维设计。中压缸为双流式、双层缸结构。每个流向包括全三维设计的7个压力级。2个双流低压缸每个流向包括6个压力级,低压末级为1219.2mm钢叶片,采用圆弧枞树型叶根,并以拉筋凸耳及套筒连接,提高了叶列的频率。总轴向排汽面积为4×11.87 m2。机组总长为40m。

高、中、低压缸均为双层缸结构,水平中分面设计。汽缸由猫爪支撑。隔板直接安装在内缸上,没有隔板套。高压喷嘴室相对汽缸能自由膨胀,负荷改变时, 喷嘴室吸收调节级喷嘴区的热冲击。特殊的喷嘴室结构和全周进汽启动相结合, 减少了汽缸出现裂纹的可能性。

所有的转子均为整锻无中心孔的转子,转子与转子之间采用刚性联轴器相互连接。每个转子配有的双轴承支撑。根据轴承的载荷,选择采用可倾瓦轴承或椭圆轴承。推力轴承采用结构装配简单的斜面式推力轴承,占据空间小,并具有较高的承载能力,刚度很好,使用寿命较长。中压转子由高压缸调节级后漏汽进行冷却。

采用定-滑-定运行模式,滑压运行范围为额定负荷的30%～90%。采用高中压缸联合启动,中压调节阀在启动过程中参与调节,需要配置高低2级串联旁路系统。

喷嘴组与喷嘴室组焊为一体,相对汽缸能自由膨胀。负荷改变时,大大地减少了汽缸高压区的挠曲和热应力。高压喷嘴采用渗硼的方法防固体颗粒侵蚀,中压第1级的静叶片采用涂陶瓷材料的方法防固体颗粒侵蚀。喷涂厚度0.25±0.05 mm,硬度1000(Hv)。

主汽阀与调节阀为一体式结构,主汽阀碟与调节阀碟共享一个阀座,主汽阀与调节阀可以各自地、互不干扰地全行程移动,不受对方位置影响。

2.2 汽轮机背压和末级叶片

原电力部汽轮机组参数系列标准规定,汽轮机背压在4.4~5.4kPa的范围内选择,在此范围背压每变化1kPa热耗率就变化0.7%,当循环水温20℃时常取4.9 kPa。在选定背压时,应与主机一起优化确定冷水塔和凝汽器面积、循环水流量。理论和实际表明,汽轮机背压变化对机组经济性的影响要比初压大得多。在能源短缺的国家,十分重视发展超低背压,以提高机组的热效率。当凝汽器采用深海水冷却,冷却水流量和热负荷保持不变时,其冷却水温度和背压的关系为:冷却水温度为15℃,凝汽器背压为3.8kPa；冷却水温度为10℃,凝汽器背压为2.9kPa。

1000MW级超超临界机组的凝汽器面积常配50000~56000m2。煤价高选上限, 低选下限。长江沿岸和北方海边的水温较低,可以选取较低的背压。采用水塔二次循环的水温较高,选取较高背压。应当与选定主机组末级叶片的适应配合,即按当地年平均水温度、水量,据HEI 标准求取年均背压,核对汽轮机组的轴向排汽速度是否落到最佳排汽流速的范围之中,它们之间应该相互匹配。

汽轮机背压与机组容量、末级叶片长度及排汽口数量有密切关系。对于单轴汽轮机,如采用四缸四排汽方式,背压过低时排汽比容过大,致使机组容量受限。

凝汽器采用双背压可获得较好的经济性。如采用双背压、单流程,凝汽器为串联运行方式时,循环水流量较小,当循环水温升大于10℃时,2个凝汽器的平均温度低于单背压运行时的温度,故可提高平均真空度,降低汽轮机的冷源损失, 汽轮机热耗可降低0.2%~0.3%。但是双背压的设备投资较大。选择双背压还是单背压, 需要根据燃料价格、气候环境、冷却水源、再热蒸汽参数、设备投资等因素进行综合评估,没有绝对的优劣之分。玉环电厂1000MW超超临界机组仍选用单背压型式。

西门子又开发了适用于转子直径和跨度相同的“N30”的整圈阻尼钛合金1 430mm叶片。对3.3kPa低背压的1000MW机组,可为用户提供2种配置选择现有1146mm叶片的五缸六排汽机组或配1430mm叶片的四缸四排汽机型。当“N30”低压缸配置3档不同排汽面积的长叶片:977mm、8.9m2,1146mm、10.96m2,1430mm、13.5m2时,机组能满足四排汽或六排汽、冷端不同背压2.9～6.5kPa的优化设计要求。

3 发电机

3.1 对发电机的一些基本技术要求

1000MW级功率、单轴、3000r/min、50Hz 是当今国内、外汽轮发电机的顶级功率,其特点是定子额定电压较高,为25~28 kV,定子电流较大,达23kA以上。转子励磁电流超过5000A,励磁电压超过550V,由于电流大、电压高,发电机在运行中所产生的热量较大,电动力较强,要求绝缘材料要能承受高温、高电压和高机械强度。

3.1.1发电机组运行要安全可靠

要保证电力系统安全运行,首先要保证设备的可靠性和提高运行水平,避免错误操作。由于发电机容量较大,造价较高,从经济方面需要提高发电机组的效率和使用寿命,对1000MW级发电机要求: 使用寿命在正常条件下应不少于35年；发电机组的可用率不低于99%,强迫停用率小于0.5%。

3.1.2 发电机的运行性能

3.1.2.1 发电机容量(视在功率MVA):发电机与汽轮机不同,应当以容量(视在功率MVA)为准。在额定定子电压、额定频率、额定功率因数、额定氢压下,要明确氢冷却器冷却水的水质(如除盐水、中水等)与水温,并要求提供水温与容量的关系曲线。发电机的输出功率(MW)应与汽轮机的功率相匹配。

3.1.2.2 1000MW级汽轮发电机组在电网中带基本负荷比较经济和安全,但由于我国各电网容量较大以及其他客观原因,有时需要发电机变负荷和调峰运行,要求这些发电机具有变负荷和调峰运行能力。

3.1.2.3 发电机应具有非正常运行的能力:

(1)承担负序电流能力:当发电机内部发生短路、接地、开关断相等故障时,会在发电机中产生负序电流,从而使转子表层产生较高的温度。严重时会损坏转子本体和护环。因此,对1000MW级发电机应承受稳态负序电流I2(不小于额定电流的6%)、暂态负序电流I22·t(不小于6s) 。

(2)发电机具有一定的短时过负荷能力:应承受1.5倍额定定子电流历时30s不发生有害变形及接头开焊等故障。

(3)发电机具有进相运行能力,要求发电机功率因数为0.95(超前)情况下能带额定有功负荷长期连续运行,而各部分温度(或温升)不超过规定值。

(4)发电机要能承受下列工况下所产生的扭应力:两相短路冲击产生的扭应力； 电厂出线三相或两相重合闸不成功产生的应力；发电机误并列产生的应力； 甩负荷时由于调速器失灵引起超速而产生的应力；次同步振荡所产生的应力；周期性产生的应力等。

(5)关于失磁异步运行问题: 运行中的汽轮发电机突然失去励磁后是否不切机允许带一定有功负定有功负荷长期连续运行,而各部分温度(或温升)不超过规定值。荷继续在电网中运行。对发电机来说发生异步运行产生滑差(S),会在转子表面感应产生较高温度；定子端部漏磁增大对端部件会产生局部过热。失磁异步运行时发电机要从电网吸收较大无功功率,从而降低系统和电厂厂用母线电压。因此,对发电机失磁异步运行有不同看法或观点。阿尔斯通规定:失磁2s后停机。日立公司规定失磁后立即停机。因此1000MW级发电机是否允许失磁异步运行, 第一,宜按各公司的规定,第二,视电网是否有足够无功功率来决定。

3.1.3 发电机的冷却方式

发电机的冷却方式与发电机的容量密切相关。冷却系统的发展直接影响汽轮发电机容量的发展。根据所了解到国内外各制造公司已生产的或将要生产的1000 MW级汽轮发电机均采用水、氢、氢冷却方式,即:

3.1.3.1 定子线圈冷却:定子线圈采用水内冷,定子线棒由若干空心导体和实心铜线组成。关于空心导体,有的公司采用不锈钢只是用来导热,如阿尔斯通、西门子。其他公司采用空心铜线既导电又导热。

3.1.3.2 定子铁心冷却:定子铁心采用氢气冷却,其冷却方式与转子的冷却方式和定子内部采用气隙隔板的型式有关,铁心的冷却风道与转子冷却风道相对应。

3.1.3.3 转子冷却:转子采用氢气内冷,国内外的公司大致有这几种冷却方式:

(1)气隙取气冷却:日立、东芝、哈尔滨和东方等公司采用这种冷却方式,将转子分成冷、热各若干风区,相互间隔,对转子冷却效果良好,温度分布均匀。

(2)轴向通风冷却: 西门子、三菱等公司采用这种冷却方式。在汽轮机端装有多级高压风扇,风扇将热风从间隙中抽出,然后通过冷却器冷却,冷却后的冷风分成若干路分别进入转子内、定子铁心通风道和端部。

(3)轴-径向通风冷却:定子铁心有径向通风道,转子槽底有副槽,转子线圈开有径向通风孔,氢气直接冷却,转子两端有风扇向里压风。英国GEC公司就是采用这种冷却方式。

3.1.4 定子额定电压的选择

设计发电机,定子额定电压是一个很重要的参数。总的来说,单机容量增大以后,定子额定电压相应要提高,当然电流也要提高,电压的提高取决于绝缘材料技术的提高,要求电机的绝缘要承受较高的电压、高温、机械强度。提高电压的目的一是减小定子电流,1000MW汽轮发电机定子额定电流均在2.3kA以上(额定电压24~27kV),这么大的电流会给发电机带来发热增大,即温度或温升升高,温度升高对绝缘不利；二是增大电磁力,定子线棒在槽内和端部,正常运行时受电动力的作用,如固定不牢会磨损线棒,当突然短路故障时,在线棒上产生的力相当于100倍或更大的稳态电流所产生的力,与瞬态电流的峰值成正比,且与电流的直流分量和漏磁饱和程度有关。各制造公司都采取相应的技术措施,在槽部和端部进行加固。

由于电机绝缘制造技术的提高,当前各制造公司对1000MW级发电机定子电压都确定在27kV,少数公司为28kV。其电压值的选择是合适的。

3.1.5 发电机励磁方式的选择

励磁系统是发电机组主要组成部分,其性能优良与否直接影响到发电机组的运行水平。因此,励磁方式的选择对1000MW级发电机来说至关重要。

根据目前各公司投运的或正在设计的励磁方式大致有2种。

(1)无刷励磁系统,其特点是主、副励磁机和整流装置与发电机同轴旋转,无滑环和碳刷。主励磁机出交流电经旋转整流器整流后直接供发电机转子线圈励磁, 励磁回路中无灭磁装置和开关,靠自然灭磁,因此,灭磁时间比其他励磁方式的灭磁时间长。其最大优点是无刷无滑环,运行中不会产生火花、碳粉、运行安全,不会冒火,维护工作量小。西门子、三菱、俄罗斯等公司采用这种励磁方式。

(2)自并励励磁系统是由整流变压器、灭磁回路、可控硅整流器及励磁调节器(AVR)等组成。这种励磁系统的特点是无旋转部件,即无主、副励磁机,但有滑环和碳刷。励磁电源取自发电机机端,经整流变压器及可控硅整流器整流后供发电机转子线圈励磁。

整流变压器为静止部件,一次接到发电机机端,二次接到整流装置(也是静止部件)。但发电机需要滑环、碳刷和灭磁开关。要特别注意励磁变压器因谐波而增加的损耗其“热容量”与常规“电容量”不同。

上述2种励磁方式,技术上是成熟的, 运行上是安全的,都可以选用。但要注意其容量要与发电机容量包括强励所需相匹配。

3.2 主要部件材质和结构的技术要求

3.2.1 主要部件材质的要求

(1)发电机的转轴(大轴):目前各公司采用的有2种材料,即NiCrMoV 26NiCrMoV145,但关于材料脆性转变温度FATT, 转轴ASTM屈服极限σ0.2与σ0.02 和转轴的安全系数X各不相同, 要求制造部门提供其数值。(2)转子护环: 要求采用18Mn18Cr,σ0.2>1200 N/mm2,X>1.8。(3)发电机绝缘:定子线圈绝缘、槽绝缘、转子线圈绝缘、硅钢片绝缘要求采用F级,能承受高温,作为B 级绝缘使用。目前国内外各公司都标明采用的是F级绝缘,但型号各不相同,各公司都有自己的绝缘体系。因此,对绝缘要做耐电压试验。发电机出厂试验时,定子线圈先进行3.5UN/min直流耐压试验,通过后再进行2UN+1000V交流工频耐电压试验,历时1 min,不发生异常情况或击穿。对励磁线圈,当励磁电压为500V以下,则做10倍额定励磁电压值的交流工频耐压试验；如励磁电压超过500V,则做2倍励磁电压+4000V的交流工频耐压试验。(4)其他:定子硅钢片有方向性,采用厚度可为0.35mm或0.5mm;定子铜线采用无氧铜,空心导线必须经过100%探伤;转子铜线采用含银铜。

3.2.2 主要部件的结构要求

(1)定子线圈槽内固定:发电机容量大,相应的定子电流较大,在槽内会产生较大的电动力,如固定不牢会使线棒绝缘摩擦损坏。因此需要采用固定措施如用斜楔打紧,侧面用波纹板固定等措施。

(2)定子线圈端部固定:定子线圈端部固定大致有2种结构:一是端部有大锥环,加内箍和压板,如西门子、阿尔斯通；二是绑线式,端部有多道绑环。2种结构都采取措施使端部线圈能轴向自由伸缩,以适应调峰和变负荷运行。

(3)转子阻尼系统:为预防或减轻负序电流对转子和护环的破坏作用,在转子和护环上采用阻尼系统,大容量发电机基本上都有阻尼系统。但各公司的结构稍有不同:其一是转子槽楔采用高导电率、高强度的铜(铝合金材料)制作,全长两端伸入护环下,两极面上开4~5个阻尼槽,放入阻尼条;其二是转子槽楔下放全长阻尼条,两端护环下有梳齿阻尼环。当然还有其他结构。

(4)适应调峰运行的技术措施:调峰运行的发电机启停频繁,负荷变化较大, 因而导体发热有高有低,金属导体热胀冷缩,转子线圈在槽部和端部会轴向伸缩, 护环在转子本体端头也会伸缩,会造成线圈绝缘磨损,护环与转子本体搭接面相互啃环。为防止上述故障,各公司都采取了一些技术措施,在转子槽楔下、垫条下、槽衬内壁、护环绝缘套内表面放置滑移层,使线圈轴向自由伸缩,护环也能伸缩。定子线圈端部也采取了轴向伸缩的技术措施。下载本文