秦山二期650 MW核電汽輪機是由哈爾濱汽輪機廠有限責任公司自主研制為主、并與美國西屋公司聯合設計、合作制造的我國首臺600 MW級核電汽輪機,型號為HN642-6.41,是單軸、四缸六排汽、帶中間汽水分離再熱器的反動凝汽式汽輪機.該機有1只高壓缸和3只低壓缸, 均采用雙層缸結構,雙分流,對稱布置,正反向各7級,采用積木塊式設計,高壓部分是以原火電600 MW中壓缸積木塊(BB051)核電化后的高壓缸積木塊(BB051N)型式,3個低壓缸基本相同,為核電化的BB0474R積木塊型式.該機通流級數少,效率高;通流部分流線平滑,高、低壓缸為對稱布置,軸向推力自平衡;采用樅樹型葉根,尺寸小、強度高、安全性好、拆卸方便;采用多層缸結構,通流部分軸向間隙大,徑向間隙小,具有較好的熱負荷和變負荷適應性;采用數字式電液調節(DEH)系統,自動化程度高.通流部分運用可控渦設計,動葉自帶圍帶(低壓末3級除外)成圈連接,使機組有較高的可靠性及經濟性,保證熱耗9970 kJ/kWh.

1 主要設計與結構特點
與常規火電汽輪機相比,核電汽輪機的主蒸汽參數和相對內效率都比較低,因此主蒸汽的汽耗量、比容和體積等都大得多,并且通流部分的絕大多數級處于濕蒸汽區.因此,為提高核電汽輪機運行的安全可靠性和經濟性,其設計、結構有不同于火電汽輪機的特點,現將HN642-6.41型汽輪機的主要設計與結構特點分析總結如下.

1.1 熱力系統
利用美國西屋公司PH程序計算熱平衡,并根據核電汽輪機主蒸汽參數低、高壓及低壓后幾級濕度大等特點,考慮了濕度損失的影響.低壓部分采用非對稱抽汽.分缸壓力適應低壓積木塊BB0474R.背壓經冷端優化確定為5.39 kPa(a),并作為額定和最大保證工況的背壓.

1.2 軸系
     秦山二期650 MW汽輪發電機組的軸系首次采用1個高壓缸積木塊和3個低壓缸積木塊結構,與600 MW火電機組軸系的區別在于:①在低壓第一次采用四瓦塊可傾瓦軸承,這種軸承穩定性好,自位及潤滑性能好;②首次在大型汽輪機上采用無中心孔轉子.
      秦山二期汽輪發電機組軸系與600 MW濕冷汽輪發電機組軸系最大的不同是,汽輪機轉子全部是無中心孔轉子,汽輪機低壓轉子軸承全部采用四瓦塊可傾瓦軸承,低壓轉子(LPIII)和發電機間取消中間軸.秦山二期汽輪發電機組軸系由高壓轉子(HP)、中間軸(JSI)、低壓轉子I(LPI)、中間軸(JSII)、低壓轉子II(LPII)、中間軸(JSIII)、低壓轉子III(LPIII)、發電機轉子(GEN)和勵磁機轉子(EXC)組成.系統中共有11個支持軸承和1只LEG型推力軸承,1號~8號為汽輪機軸承(全部采用四瓦塊可傾瓦軸承),9號和10號為發電機軸承,11號為勵磁機軸承,LEG型推力軸承安裝在1號低壓缸前軸承座內.除勵磁機轉子采用單支承外,其余轉子均采用雙支承結構.軸系組成簡圖如圖1所示.軸系分析上采用成熟的Q因子方法,通過設計計算、論證確認了該軸系的合理性和可靠性,機組運行后得到了證明.

HP JSI LPI JSII LPII JSIII LPIII GEN EXC


1.3 積木塊結構
       高壓積木塊是在成熟的火電600 MW中壓積木塊基礎上改進設計而成的,并保留了原有特點:如雙層缸結構以減小壓差和溫差;窄法蘭以減小熱容量;雙分流布置,軸向推力自平衡等.在保留BB051積木塊特點的基礎上,由于核電機組工作參數與火電有較大不同,必須對原積木塊進行強度核算和結構改進,核電化的內容主要有:中分面螺栓重新布置,并加粗了部分螺栓以保證足夠的密封壓力;采取防侵蝕措施;抽汽口位置重新布置以增加一級抽汽(增加一組隔板套)等.
      低壓積木塊為BB0474R,是在成熟的火電600 MW低壓積木塊BB0474R基礎上核電化改進設計而成的.由于600 MW級核電汽輪機的低壓參數均在BB0474R的參數限制值范圍之內,其設計與結構保留了原有特點:如雙層缸(內缸一體化);加強型無中心孔整鍛轉子;末 3級全自由葉片(5、6級動葉片頂部蜂窩汽封);第6、7級隔板低直徑彈簧汽封等.核電化改進設計的內容主要有:末3級設去濕結構,動葉片鑲司太立合金片等. #p#分頁標題#e#

1.4 通流
      高壓通流采用的是原火電600 MW中壓積木塊BB051核電化后的BB051N積木塊,雙分流,對稱布置,正反向各7級,動靜葉選用美國西屋公司可控反動度2500系列葉型,動葉采用 P型樅樹型葉根,自帶圍帶結構,并被設計成不調頻葉片.低壓通流基本采用以火電設計的BB0474R模塊為基礎的核電化改進設計而成的積木塊,雙分流,對稱布置,正反向各7級,前4級動靜葉片采用可控反動度1100系列葉型,動葉片為P型樅樹型葉根,自帶圍帶結構,并被設計成不調頻葉片,后3級動葉片為全自由葉片,圓弧型樅樹型葉根,調頻葉片.通流部分設計充分考慮了核電濕度大的特點,高壓部分與濕蒸汽接觸的零部件,除了考慮到有足夠的強度性能以外,還采用防侵蝕材料,低壓部分除了采用去濕結構以外,還有采用其他方法以防止末幾級由于濕度大或處于過渡區而引起的葉片等零部件的侵蝕.

1.5 動、靜葉片
     高壓動、靜葉片均采用美國西屋公司可控反動度2500系列葉型,其強度、振動及氣動特性均按美國西屋公司判別準則進行設計計算.隔板由自帶獨立內、外環的靜葉組裝焊接而成.動葉均為不調頻的自帶圍帶結構,葉根為P型樅樹型.低壓動靜葉片均采用可控反動度1100系列葉型,其強度、振動及氣動特性均按美國西屋公司判別準則進行設計計算.前5級隔板為自帶獨立內、外環的靜葉組裝焊接而成的組焊式;前4級動葉為不調頻的自帶圍帶結構,葉根為P型樅樹型,后 3級動葉為全自由、調頻葉片,葉根為圓弧型樅樹型.次末級、次次末級動葉頂部汽封為蜂窩式汽封,此種汽封可以收集葉片流道內的水分,增強去濕效果,同時起到汽封作用,提高效率.

1.6 潤滑油系統
     采用先進的油渦輪增壓泵供油系統取代傳統的射油器供油系統,效率高,減小了主油泵流量、增壓壓力和功率,提高了機組出力,并提高了機組停機過程的安全可靠性.采用LEG型推力軸承,較大地減小了流量和耗功,有助于提高機組出力和減少設備投資.汽輪機8個支持軸承采用四瓦塊可傾瓦軸承,在溫度變化時可保持對中,并且可傾瓦塊外用球面調整銷支承在軸承套內,自位性能好.油箱回油濾網改為2個,在機組正常運行時,2個可互為備用,便于隨時清洗或調換.盤車裝置采用渦輪渦桿副傳動,低速盤車,可自動投入,當汽輪機沖轉時,可自行脫開.裝在3號低壓缸(電端)下半軸承箱內,小修時不影響操作.為降低盤車負荷,低壓缸每個軸承均配備有高壓油頂起裝置.頂軸系統采用母管制,6個低壓軸承和2個電機軸承頂起,降低了盤車電機功率.

1.7 去濕和防侵蝕
1.7.1 高壓部分
     高壓內外缸、進汽導流環采用抗腐蝕性能強的ZG15Cr2Mo1材料.隔板套、內外汽封采用12%Cr不銹鋼材料 ZG0Cr13Ni4Mo(10715AR).高壓外缸易受侵蝕的局部地區在汽缸基材上堆焊一層8 mm厚的防侵蝕不銹鋼材料1Cr12Ni4Mo(10765EX).

1.7.2 低壓部分
    在濕度大于4%的區域,如末級、次末級設去濕結構,在次末級動靜葉之間設有去濕孔.第5、6級動葉頂部設蜂窩汽封可有效去除動葉頂部的水分.末級動靜葉之間靠排汽導流環與低壓內缸之間的3 mm間隙去除水分.末級靜葉通道內有去濕孔,有助于提高末級動葉的抗腐蝕能力.末3級動靜葉之間的間隙適當增大以減小對動葉片的水蝕.末3級動葉進汽邊焊有司太立合金片,以有效防止動葉水蝕.

1.8 本體輔助系統
      汽封系統的供汽取自主汽閥前的新汽,經過一個主供汽閥門站控制通往高壓缸和低壓缸汽封的汽量.高、低壓缸各端部汽封都有各自的供汽閥門站,每個供汽閥門站前面的管道均裝有蒸汽濾網.該系統中各汽封供汽站采用獨立調節方式,每個低壓缸的端部汽封分別配置一套閥門站,以便進入低壓汽封的蒸汽壓力保持一致.
疏水系統按核電疏水量大加大了疏水閥及增加了疏水點,并設有2個氣動通風閥,以防主汽閥和再熱閥關閉后鼓風引起葉片溫度升高. #p#分頁標題#e#
噴水系統按核電低壓缸個數增加而相應增加了噴水系統的個數,每個低壓缸配有一套后汽缸噴水系統.

1.9 調節系統與控制裝置
     本機配置3種自動控制裝置,即數字式電液控制系統DEH,汽輪機監視儀表TSI,危急遮斷裝置ETS.DEH系統主要的功能是按操縱員或自動啟動裝置給出的指令來控制主汽閥、主汽調節閥、再熱主汽閥和再熱調節閥,使機組按一定要求升、降轉速,增減負荷、停機等,實現機組運行中的各種要求.DEH裝置接受轉速、功率及第1級汽壓的實際信號,對機組的轉速、功率、蒸汽流量實行閉環調節.此外,DEH有閥門管理、轉子應力計算、參數監測顯示、超速保護、自啟停控制等多種功能.當汽輪機運行參數超過安全運行極限時(真空低、潤滑油壓低、調節油壓低、軸向位移極限、超速及用戶認為需要跳閘的其他信號),ETS裝置使各蒸汽閥門關閉以保證機組安全.該系統采用了雙路并串聯邏輯回路,可避免誤動作及拒動作,提高了系統的可靠性.TSI對汽輪機轉子的軸向位移、相對膨脹、絕對膨脹、軸振動、軸撓度、轉速、軸偏心度、零轉速等進行監測,并對測量值進行比較判斷,超限時發出報警信號和停機信號.

2 典型的安裝特點
      秦山二期650 MW核電汽輪機與600 MW等級火電汽輪機在結構上有所差異,本體部分通流部件尺寸比火電汽輪機要大得多,體現在安裝中,有以下幾個主要特點:
(1)缸體臺板安裝采用可調墊鐵方式,臺板為撓性臺板,臺板與缸體撐腳面之間接觸的檢查,不采用75%以上接觸面積檢查,而只采用間隙檢查,0.04 mm塞尺不入為合格.
(2) 低壓外缸上、下半分為調端、電端和中部,各部分通過垂直中分面螺栓連接,散件供貨,現場拼裝.由于低壓內下缸與低壓外下缸之間的定位銷是在制造廠內組裝后加工配制的偏心銷,該偏心銷已點焊在外下缸上,所以,現場拼裝時不能按照制造廠家安裝指導書上介紹的,簡單地用拉鋼絲找中外下缸三部分并進行拼裝,而應先將外下缸預拼裝找中后,裝入低壓內下缸,以低壓內下缸電、調端內圓洼窩及外缸調、電端的內外油擋洼窩為準來找中外下缸三部分,并最終拼裝連接.
(3)該機組汽輪機在廠家進行了四缸聯合整體組裝盤車,考慮部件加工偏差,安裝時,根據設計圖紙,對照總裝記錄,對一些加工引起的裝配不符合項,以廠家總裝記錄為準,如低壓缸電、調端隔板套上組裝了1~5級隔板,嵌入式,已點焊,現場不再對此隔板進行調整.
3 安裝過程中采取的主要特殊措施
汽輪機缸體軸系長,且本體設備皆為散件,給安裝工作帶來了很大的難度.如低壓外缸分為調、中、電三段,現場拼裝,由于缸體內外底部定位銷已在工廠配置完成, 加上缸體運輸變形及撓性缸體本身變形的不確定性,拼裝時調整工作難度極大,汽輪機的施工質量要求極高,因此,現場安裝時必須采取一些特殊措施,以保證安裝工作得以高效、高質量地完成.歸納起來,有以下幾個主要方面的特殊措施:

3.1 臺板安裝
     根據設計,臺板就位調整是利用制造廠家提供的位于基礎上的可調墊鐵來完成的.由于土建基礎施工標高誤差為10 mm,而可調墊鐵行程僅3~4 mm,用此方法無法實現,故必須采取特殊方法,即在可調墊鐵與基礎之間增設平墊鐵.
平墊鐵的加工要求應滿足如下條件:1號低壓缸及3號低壓缸處墊鐵的上表面揚度為1:2000,尺寸偏差≤0.05 mm;2號低壓缸無表面揚度,尺寸偏差≤0.05 mm.共需增設600塊平墊鐵.

3.2 低壓缸拼缸
     因制造廠家在廠內已將低壓缸內、外缸底銷配置完成,使得現場拼缸時須逆汽輪機出廠前廠內的總裝過程而為之,無法按廠家提供的安裝程序和指導書來進行.拼缸時須先將外下缸預拼裝找中后,裝入低壓內下缸,同時考慮各方面因素,如內外缸橫向水平、中分面高低差、洼窩中心等,以低壓內下缸電、調端內圓洼窩及外缸調、電端的內外油擋洼窩為準來找中外下缸三部分,并最終拼裝連接. #p#分頁標題#e#
因低壓外缸運輸過程中存在變形及缸體本身撓性變形的不確定性等,各技術指標值允差又極小,且“牽一發而動全身”,因此在調整時,必須反復對低壓外缸各部分和低壓內缸進行起吊、測量、頂動等,同時采取增設壓塊、定位塊及缸體支撐梁等措施.

3.3 對中固定元件的裝配
      根據制造廠提供的對中墊片數量和尺寸,汽輪機對中后,通過測量錨固板與缸體撐腳配合面間的間隙(要求0.05 mm塞尺不入)來確定并加工墊鐵的尺寸.由于墊鐵在數量上沒有富裕,加之錨固板與缸體撐腳配合面間的間隙并非定值或線性值,而對中固定塊裝配要求又為 0~0.08 mm,如按設計方法施工,難度極大.為了達到安裝要求,在實際安裝過程中采取了增配工藝鍵的方法,即在汽輪機對中調整結束后,測量出錨固板與缸體撐腳配合面間的間隙,用現場制作的工藝墊鐵加工至合適尺寸,裝入后檢查其配合情況,并根據工藝墊鐵的實際配合尺寸來確定對中墊鐵的加工尺寸,按此進行加工裝配,實際安裝中增設了25塊工藝鍵.

4 安裝中存在的主要問題及處理措施
      在2臺汽輪機的實際安裝中曾遇到很多問題,有些是設備存在的缺陷,有些是因考慮不周造成返工、誤工甚至設備零部件損壞.回顧這2臺汽輪機的安裝,筆者認為如下問題值得總結和反思.
(1)第1臺汽輪機扣缸時低壓內缸水平中分面螺栓的擰緊由設計圖紙要求的用螺栓加熱器熱緊改為用力矩扳手冷緊.
      原因分析:核電低壓內缸水平中分面結構特殊,哈爾濱汽輪機廠外購配套的螺栓加熱器不能滿足施工要求,加熱后旋轉角度仍達不到設計值的一半.
處理方案及措施:對第1臺汽輪機,由于施工工期很緊,來不及整改螺栓電加熱器,只能根據現場實際情況,將原定的熱緊螺栓工藝改用力矩扳手冷緊,螺栓的力矩值不超過哈爾濱汽輪機廠圖紙提供的力矩值上限,并用相應螺母旋轉角度進行驗證.對于空間位置限制而無法使用力矩扳手的4只螺栓,則用千斤頂加扳手緊至設計的螺母旋轉角度值.在冷緊時,要注意做到幾點:
? 所有摩擦面(如螺紋之間或螺母與墊片之間)必須涂潤滑脂,以減少摩擦力;
? 螺栓、螺母毛刺必須清除干凈,自由狀態下,螺母應旋轉自由;
? 按設計預緊力矩值旋緊螺母,確認各螺栓連接部位各間隙已消除,否則,應繼續加力,直至各間隙消除;
? 消除間隙后,將螺母與法蘭或墊片劃對應線,然后采用冷緊方法按設計要求的力矩值擰緊螺母,并用相應螺母旋轉角度進行驗證.
        在第2臺汽輪機安裝時,提出了將螺栓加熱棒由交流電加熱改為直流電加熱并提高功率的方案,解決了螺栓熱緊的問題.經過現場實際的試驗及整改,第2臺汽輪機高壓缸和低壓缸的螺栓電加熱裝置達到甚至超過了設計要求,滿足了安裝和大修的實際需要.需要說明的是,在緊固汽缸中分面雙頭螺栓時,緊固到位后應反向旋轉一定的角度,這樣有助于在緊固罩帽時不至于造成螺栓同底孔咬死.
(2)低壓外缸(I)后部調端(H01.020Z)與錨固板 (H01.160Z)之間的間隙值有誤.按照設計,錨固板與低壓外缸(I)調端間隙為25.4 mm,實際供貨狀況為錨固板與缸體間間隙只有13 mm左右,致使基礎預埋錨固板與低壓外缸(I)下半缸軸承座凹窩相碰,安裝不下去.為保證該間隙值25.4 mm,我們采取對低壓外缸(I)軸承凹窩進行必要的補充加工,從而得以解決.
(3)因設計問題,低壓(I)外下缸調端軸承座基架上少開了4個地腳螺栓工具孔(即哈爾濱汽輪機廠有限責任公司在廠內加工時漏鉆孔).為此,需在現場進行補充開孔,而從機頭往電機端看,靠電機端左側一個工具孔與推力軸承油腔底板較近,妨礙擰螺栓,必須對底板進行部分切削.為防止切削處產生漏油故障,需進行煤油滲漏試驗檢查.
(4) 第2臺汽輪機基礎澆灌后地腳螺栓和錨固板標高下降超差問題.2號汽輪機地腳螺栓和錨固板樣板架經澆灌砼基礎后復查,發現因汽輪機基礎澆灌后沉降導致地腳螺栓和錨固板標高下降超出規范要求,地腳螺栓普遍超差,超差值為-7~-15 mm,錨固板超差值為-9~-10 mm.為保證汽輪機設備安裝標高符合設計要求,我們提出將臺板地腳螺栓沉孔在制造廠內加深10 mm,從而圓滿解決了此問題. #p#分頁標題#e#
(5)汽封齒壓間隙問題.汽封齒壓間隙時,從我們的實際操作來分析總結,應先檢查汽封弧段是否靈活,有無高出隔板(套)的中分面,否則壓出的值會不真實.壓間隙的鉛絲最好用細絲繞成.蜂窩汽封是一個新結構,蜂窩汽封齒做間隙時,第一步應先用橡膠泥包上橡膠帶壓,每個弧段上保證有3個點.另外,汽封齒齒尖最好修得稍小一些,間隙盡量按上差要求修刮,以留有一定的裕量.
(6)軸承找正問題.軸承找正時,應先修刮瓦枕同瓦殼的接觸面,C值保證上公差,軸承中心找好后,應及時更換正式墊片,厚度應比臨時墊片厚度大相應的值,并根據臨時墊片的塊數具有的規律變化來決定.
(7)隔板(套)安裝問題.隔板(套)安裝時,先修配各配合面的值,用鉛絲測量,縱橫向水平在有誤差時最好同步相借調整,在扣內部上半部時,應先檢查支撐掛耳及墊塊緊固螺栓尾部有無高出墊塊平面.
(8) 主油泵進出油管密封環的最終加工問題.主油泵的進出油管密封環最終加工厚度確定后,應結合前軸承箱的揚度值及主油泵的揚度值將密封內環加工成帶有一定的斜度,這樣有利于消除扣完缸后焊接潤滑油管造成的變形所帶來的不利影響,也就是說,在主油泵無法再吊起的情況下,可以通過旋轉帶有一定斜度的密封環來調整.
(9)測溫熱電偶安裝問題.測溫熱電偶安裝時,必須在經過油沖洗使潤滑油的品質達標后,等到最后一次清理軸承時再安裝,以避免不必要的折斷.在通過箱體的孔洞處應細致采取密封措施,否則會出現漏油現象.
(10)對軸向通流間隙,應找出最大與最小位置,在同一位置盤動轉子來測量K值.外引點最好選用轉子的兩端,以有利于對比,保證扣完缸后轉子定位的精確.
(11)在拼外缸時,保證內缸的水平及揚度,緊固垂直中分面螺栓時,應從水平中分面向下分段緊固.
(12)EH油管安裝需注意的問題.EH系統油壓高,對液壓油的油品質要求也高,EH油管布置好后,在油沖洗前,應先進行一次氣體試驗檢查,既能起到找漏點的作用,又能起到試壓吹掃效果.
(13)油沖洗需注意的問題.油沖洗在轉換管線時禁止使用軟性連接,管線上的控制閥門應拆除,否則流量易受阻,效率低.油管路上的法蘭連接處,墊片內徑不應明顯大于或小于法蘭內徑,這樣不易積留雜物,從而保障管內暢通.控制流量的閥門應注意間隔調大、調小,以增加沖力.

5 幾點認識和體會
(1)秦山核電二期650 MW汽輪機是以我為主、中外合作研制的,該機研制成功表明我國自主開發大型壓水堆核電站汽輪機的能力有大幅提高.2臺機組已累計發電104億kWh(截至2004年6月9日),經過多次啟停機、甩負荷試驗、熱效率試驗、168 h連續運行考核及半年多來的試運行等實踐證明,該機組運行可靠,結構設計合理,啟停平穩,各項性能指標均達到了設計要求.大型核電站的建設將解決我國部分經濟發達且能源資源缺乏地區的電力供應不足問題,大大減輕了火電建設帶來的煤炭鐵路運輸壓力及對環境保護的不利影響,對我國的經濟建設和社會發展有十分顯著的效益.
(2)核電站工程具有建設規模大、交叉作業多、工期緊等特點,施工前組織工作的好壞,直接影響整個安裝工程的安全、質量和進度.為此,必須根據設計圖紙、規范標準、規定的施工期限、各項經濟技術指標、施工單位的技術水平、施工機械的配備情況以及現場條件等各方面的因素,做好施工組織設計.
汽輪機安裝的施工組織是核電站施工組織設計的一個重要組成部分,應根據汽輪機工地的具體情況,仔細做出施工進度、場地布置、勞動力組織、機具配備、施工技術組織和施工用具等各項安排.
(3)汽輪機組的安裝主要控制進度為:預檢修預組合結束→汽輪機廠房行車安裝試驗完畢,交付使用→凝汽器組合結束→臺板就位→汽輪機扣大蓋→發電機靜子就位→主蒸汽、主給水、抽汽等主要汽水管路安裝完畢→調速系統安裝完畢→油循環→輔機分部試轉及管路沖洗→整套試轉→并網發電.
汽輪機本體的安裝,就是將汽輪機安裝在規定的位置,且各零部件之間的配合符合制造廠標準.現代大型汽輪機參數高、容量大、尺寸長、重量重、部件多,因而對安裝過程中的每一個環節和工序都需認真仔細地把好安裝質量關,優質高速地完成安裝任務,為機組的順利投運創造良好條件,打下堅實的基礎. #p#分頁標題#e#
(4)在新型汽輪機的實際安裝施工操作中,在已有經驗的基礎上,應大力推廣自主創新,不要過分倚重老的過時的經驗方法,從而實現安裝施工的快速、優質、高效,并激發工人的積極性和創造性.