史進(jìn)淵，陽(yáng) 虹，張宏濤，方 宇，李 軍，王寶來(lái)

(1． 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240； 2． 上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠(chǎng)， 上海 200240； 3． 哈爾濱汽輪機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司， 哈爾濱 150046； 4． 東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽(yáng) 618000； 5． 西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 西安 710049； 6．杭州汽輪機(jī)股份有限公司， 杭州 310015)

汽輪機(jī)是一種將高溫高壓蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動(dòng)力機(jī)械，應(yīng)用廣泛。從1883年瑞典工程師拉瓦爾(Laval)創(chuàng)造出第1臺(tái)功率為3.7 kW(即5 馬力)的軸流單級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)起，國(guó)外汽輪機(jī)發(fā)展歷史已有138 a[1]。而國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)發(fā)展歷史已有66 a，1955年我國(guó)制造出第1臺(tái)6 MW汽輪機(jī)[2]。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)汽輪機(jī)產(chǎn)品快速發(fā)展[3]?；谖覈?guó)能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，汽輪機(jī)是21世紀(jì)乃至更長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)我國(guó)能源高效轉(zhuǎn)換和潔凈利用系統(tǒng)的核心動(dòng)力裝備。過(guò)去10年，在國(guó)家政策引導(dǎo)和市場(chǎng)需求推動(dòng)下，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研用合作，我國(guó)汽輪機(jī)在高參數(shù)、大容量、高效率等方面取得了一系列新進(jìn)展[4]。我國(guó)火電、核電和工業(yè)汽輪機(jī)均有新的發(fā)展，提升了高參數(shù)火電汽輪機(jī)、大功率核電汽輪機(jī)以及高效率工業(yè)汽輪機(jī)的自主化設(shè)計(jì)、國(guó)產(chǎn)化制造和批量化生產(chǎn)的能力。筆者回顧總結(jié)了過(guò)去10年我國(guó)汽輪機(jī)產(chǎn)品的重要進(jìn)展，對(duì)于確定下一步我國(guó)汽輪機(jī)發(fā)展方向具有重要意義。

1 國(guó)外汽輪機(jī)技術(shù)的研究進(jìn)展

1.1 國(guó)外700 ℃汽輪機(jī)

1998年，歐盟啟動(dòng)了為期17 a的“Thermie AD700計(jì)劃(1998-2014)”[4]?！癟hermie AD700計(jì)劃”的目標(biāo)是研制下一代超超臨界機(jī)組，使其進(jìn)汽參數(shù)達(dá)到37.5 MPa/700 ℃/700 ℃，發(fā)電效率達(dá)到52%～55%。其中汽輪機(jī)采用二次再熱，由超高壓缸、高壓缸、中壓缸和低壓缸組成。由于面臨鎳基合金大型鑄鍛件制造和焊接等技術(shù)難題，歐盟700 ℃汽輪機(jī)研制工作尚未完成。美國(guó)能源部于2000年啟動(dòng)了Vision21計(jì)劃[4]，該計(jì)劃的目標(biāo)是15 a后(即2025年)汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)達(dá)到35 MPa/760 ℃/760 ℃。日本推出“涼爽地球-能源創(chuàng)新技術(shù)計(jì)劃”[4]，開(kāi)展700 ℃等級(jí)先進(jìn)超超臨界壓力發(fā)電(A-USC)技術(shù)研究。

1.2 國(guó)外1 720 MW和1 650 MW級(jí)核電汽輪機(jī)

芬蘭奧基陸托(Olkiluoto)3號(hào)機(jī)組是2005年開(kāi)工建設(shè)的世界上第1臺(tái)EPR(Evolutionary Power Reactors)第三代核電機(jī)組，核電汽輪機(jī)由西門(mén)子公司制造[4]，其額定功率為1 720 MW，采用單軸四缸六排汽，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，為反動(dòng)式汽輪機(jī)。作為最早開(kāi)工的EPR第三代核電首堆，該機(jī)組原計(jì)劃在2009年初投運(yùn)，至2019年底拖期已經(jīng)超過(guò)11 a。

法國(guó)弗拉芒維爾(Flamanville)3號(hào)機(jī)組是法國(guó)唯一在建的EPR第三代核電機(jī)組，是世界上第2臺(tái)EPR第三代核電機(jī)組，于2007年12月開(kāi)工建設(shè)。核電汽輪機(jī)由ALSTOM供貨[4]，其額定功率為1 650 MW，采用Arabelle技術(shù)的單軸四缸六排汽，轉(zhuǎn)速1 500 r/min，為沖動(dòng)式汽輪機(jī)。該機(jī)組原計(jì)劃在2012年5月投運(yùn)，到2019年底尚未投入運(yùn)行，拖期已經(jīng)超過(guò)7 a。

2 高參數(shù)火電汽輪機(jī)

2.1 在役臺(tái)數(shù)

采用600 ℃一次再熱超超臨界汽輪機(jī)、610～620 ℃一次再熱超超臨界汽輪機(jī)和610～620 ℃二次再熱超超臨界汽輪機(jī)已經(jīng)成為火電機(jī)組降低供電煤耗率的重要技術(shù)途徑。截至2019年底，我國(guó)生產(chǎn)的600 ℃超超臨界一次再熱90臺(tái)1 000 MW級(jí)汽輪機(jī)和108臺(tái)660 MW汽輪機(jī)、610～620 ℃超超臨界一次再熱31臺(tái)1 000 MW級(jí)汽輪機(jī)和61臺(tái)660 MW汽輪機(jī)、610～620 ℃超超臨界二次再熱9臺(tái)1 000 MW級(jí)汽輪機(jī)和6臺(tái)660 MW汽輪機(jī)先后投入運(yùn)行。通過(guò)投運(yùn)高參數(shù)火電汽輪機(jī)、改造在役汽輪機(jī)通流部分及關(guān)停小型火電機(jī)組，我國(guó)火電機(jī)組供電煤耗率有所下降，2019年全國(guó)火電機(jī)組供電煤耗率為307 g/(kW·h)，較2010年(333 g/(kW·h))降低了26 g/(kW·h)。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

2010—2019年，我國(guó)火電汽輪機(jī)的典型技術(shù)特點(diǎn)如下：

(1) 從2012年我國(guó)起步1 000 MW級(jí)二次再熱超超臨界汽輪機(jī)的研發(fā)工作[5-6]，主蒸汽溫度由600 ℃提高到615 ℃，再熱蒸汽溫度由600 ℃提高到620 ℃和630 ℃，主蒸汽壓力由25 MPa提高到一次再熱機(jī)組的28 MPa和二次再熱機(jī)組的35 MPa。

(2) 列為國(guó)家“十二五”節(jié)能減排國(guó)家重大科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目的國(guó)電泰州發(fā)電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)泰州)二期工程3號(hào)機(jī)組是全球首臺(tái)超超臨界二次再熱1 000 MW汽輪機(jī)，已在2015年9月25日投產(chǎn)，其進(jìn)汽參數(shù)為31 MPa/600 ℃/610 ℃/610 ℃，采用單軸五缸四排汽。2018年我國(guó)超超臨界1 000 MW機(jī)組年運(yùn)行加權(quán)的供電煤耗率為282.81 g/(kW·h)，其中華能萊蕪發(fā)電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)萊蕪)進(jìn)汽參數(shù)為31 MPa/600 ℃/620 ℃/620 ℃的1 000 MW機(jī)組煤耗的全年供電煤耗率最低，達(dá)到270.1 g/(kW·h)。

(3) 全球單軸功率最大的28 MPa/600 ℃/620 ℃超超臨界一次再熱1 240 MW汽輪機(jī)采用五缸六排汽，已于2020年7月7日在廣東華廈陽(yáng)西電廠(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)陽(yáng)西)投運(yùn)。

(4) 全球最大的熱電聯(lián)供機(jī)組是進(jìn)汽參數(shù)為28 MPa/600 ℃/620 ℃的1 000 MW濕冷一次再熱超超臨界汽輪機(jī)，于2018年6月22日在天津國(guó)投津能發(fā)電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)北疆)投入運(yùn)行。這2臺(tái)國(guó)產(chǎn)機(jī)組日產(chǎn)30萬(wàn)噸淡化的海水，純凝工況下煤耗率降至263.3 g/(kW·h)，兼顧供應(yīng)1 000 t/h采暖用汽和1 400 t/h工業(yè)用汽，全年平均熱效率提高到65.6%。

(5) 自主設(shè)計(jì)制造出參數(shù)最高、容量系列完整的超超臨界一次再熱660～1 100 MW直接空冷和間接空冷汽輪機(jī)。

我班的小思遠(yuǎn)，淘氣自我約束力差，時(shí)常惹麻煩。當(dāng)他又出現(xiàn)小毛病時(shí)，我會(huì)毫不客氣的對(duì)他批評(píng)，指出不足之處，并鼓勵(lì)他做一個(gè)有上進(jìn)心的孩子。有一次他在勞動(dòng)中默默地把勞動(dòng)工具收拾好，擺放好?？吹剿龅倪@些，我心里很感動(dòng)。摸著他的小腦袋在班級(jí)大力表?yè)P(yáng)他的主人翁意識(shí)，號(hào)召其他孩子向他學(xué)習(xí)。這孩子一下子找到了自信，上課腰板挺得直直的，聽(tīng)得特別認(rèn)真。批評(píng)與表?yè)P(yáng)中他明白什么事可為，什么事不可為，培養(yǎng)了孩子辨別是非的能力。為孩子的成長(zhǎng)奠定良好的基礎(chǔ)。

(6) 全球首臺(tái)雙機(jī)回?zé)岢R界一次再熱、單軸四缸四排汽1 000 MW汽輪機(jī)以及抽汽背壓小汽輪機(jī)于2018年11月9日在廣東陸豐甲湖灣電廠(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)甲湖灣)成功投運(yùn)。

(7) 全球首臺(tái)高低位布置的超超臨界二次再熱1 350 MW雙軸汽輪機(jī)于2020年12月16日在安徽淮北平山電廠(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電。安裝該汽輪機(jī)的安徽淮北平山電廠(chǎng)二期(以下簡(jiǎn)稱(chēng)平山)在2015年被國(guó)家能源局列為國(guó)家煤電示范工程，于2018年3月30日開(kāi)工建設(shè)。該汽輪機(jī)采用七缸六排汽，進(jìn)汽參數(shù)為32.5 MPa/610 ℃/630 ℃/623 ℃，為高低位雙軸布置。其中1個(gè)單流超高壓缸和1個(gè)單流高壓缸為高位布置，2個(gè)雙流中壓缸和3個(gè)雙流低壓缸低位布置在傳統(tǒng)的汽輪機(jī)平臺(tái)上，可以減少主蒸汽管道、一次再熱蒸汽管道和一次冷再熱蒸汽管道的長(zhǎng)度。與常規(guī)超超臨界一次再熱1 000 MW機(jī)組相比，該汽輪機(jī)設(shè)計(jì)熱耗率下降約453 kJ/(kW·h)。

(8) 全球首臺(tái)全高位布置超超臨界一次再熱660 MW汽輪機(jī)于2020年12月23日在陜西國(guó)華錦界能源有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)錦界)投產(chǎn)。該汽輪機(jī)為直接空冷汽輪機(jī)，進(jìn)汽參數(shù)為28 MPa/600 ℃/620 ℃，采用三缸兩排汽和整機(jī)高位布置，高壓缸、中壓缸和低壓缸均布置在65 m汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平臺(tái)上，減少了四大管道長(zhǎng)度。汽輪機(jī)基礎(chǔ)采用彈簧隔振基礎(chǔ)，取消了排汽裝置，排汽缸與空冷島直接連接。該汽輪機(jī)全高位布置，為700 ℃汽輪機(jī)鎳基合金高溫蒸汽管道的設(shè)計(jì)提供了工程經(jīng)驗(yàn)。

(9) 全球最長(zhǎng)軸系、超低背壓的超超臨界二次再熱1 000 MW汽輪機(jī)于2020年11月11日在大唐東營(yíng)發(fā)電公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)東營(yíng))投運(yùn)。該汽輪機(jī)為全球首臺(tái)單軸六缸六排汽的汽輪機(jī)，設(shè)計(jì)背壓為2.9 kPa，排汽體積流量大幅增加。若采用常規(guī)的五缸四排汽方案，則背壓為4.5 kPa時(shí)末級(jí)葉片已處于阻塞狀態(tài)，需增大排汽面積。為了匹配2.9 kPa的超低背壓，采用具有3個(gè)低壓缸的六排汽方案，旨在更好地利用超低背壓。與五缸四排汽方案相比，該方案的熱耗率可降低44 kJ/(kW·h)左右。該汽輪機(jī)采用1個(gè)超高壓缸、1個(gè)高壓缸、1個(gè)中壓缸和3個(gè)低壓缸的串聯(lián)布置方式，汽輪機(jī)組軸系全長(zhǎng)59.50 m，總質(zhì)量約為456.99 t。國(guó)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，單軸汽輪機(jī)的汽缸數(shù)目不應(yīng)超過(guò)5[7]，因此單軸六缸汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)和使用面臨很大困難。我國(guó)單軸六缸六排汽汽輪機(jī)的研制和應(yīng)用已突破了國(guó)際上單軸汽輪機(jī)汽缸數(shù)目的上限。

(10) 全球首臺(tái)常規(guī)布置630 ℃超超臨界二次再熱1 000 MW汽輪機(jī)預(yù)計(jì)于2021年在大唐鄆城發(fā)電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)大唐鄆城)并網(wǎng)發(fā)電。該汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)為35 MPa/615 ℃/630 ℃/630 ℃，采用單軸五缸四排汽和低背壓(4.0～4.1 kPa)技術(shù)，末級(jí)葉片葉高為1 450 mm。

3 1 000～1 755 MW核電汽輪機(jī)

到2019年6月底，我國(guó)有47臺(tái)核電汽輪機(jī)投入運(yùn)行，居世界第三；有11臺(tái)核電汽輪機(jī)在安裝，居世界第一[8]。

3.1 東汽1 000 MW級(jí)核電汽輪機(jī)

由東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)東汽)生產(chǎn)的1 000 MW級(jí)核電汽輪機(jī)為半轉(zhuǎn)速、單軸、沖動(dòng)式汽輪機(jī)，采用高中壓合缸、2個(gè)雙流低壓缸的三缸四排汽結(jié)構(gòu)[9]。其中，高中壓模塊為合缸結(jié)構(gòu)，高壓通流部分有9級(jí)，中壓通流部分有4級(jí)，高中壓13級(jí)動(dòng)葉片都是自帶冠的叉形葉根。高中壓轉(zhuǎn)子為焊接轉(zhuǎn)子，采用4段3焊縫。低壓模塊有2個(gè)低壓缸，低壓通流部分有2×2×5=20級(jí)，采用雙流對(duì)稱(chēng)布置，低壓排汽面積為74.2 m2。低壓轉(zhuǎn)子為焊接轉(zhuǎn)子，采用10段9焊縫，2根低壓轉(zhuǎn)子可以互換。東汽生產(chǎn)的大功率核電汽輪機(jī)還有“華龍一號(hào)”第三代核電技術(shù)壓水堆核電站1 160 MW(福建福清核電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)福清)5號(hào)和6號(hào))與1 200 MW(寧德5號(hào)和6號(hào))半速核電汽輪機(jī)，以及CAP1400第三代核電技術(shù)壓水堆核電站1 500 MW半速核電汽輪機(jī)。其中,“華龍一號(hào)”配套汽輪機(jī)采用三缸四排汽；CAP1400第三代核電技術(shù)壓水堆核電站配套汽輪機(jī)采用四缸六排汽，高中壓模塊同樣采用高中壓合缸結(jié)構(gòu)，低壓模塊采用東汽全新研發(fā)的1 828 mm末級(jí)長(zhǎng)葉片，配套6段5焊縫結(jié)構(gòu)的空心焊接轉(zhuǎn)子，單根低壓轉(zhuǎn)子長(zhǎng)達(dá)13 m，質(zhì)量為283 t。

由東汽生產(chǎn)的廣東嶺東核電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)嶺澳)3號(hào)和4號(hào)、福建寧德核電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)寧德)1號(hào)～4號(hào)、遼寧紅沿河核電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)紅沿河)1號(hào)～4號(hào)、方家山核電站1號(hào)和2號(hào)以及福清1號(hào)～4號(hào)等CPR1000壓水堆核電站1 000 MW半速核電汽輪機(jī)已經(jīng)投入運(yùn)行?！叭A龍一號(hào)”全球首堆示范項(xiàng)目的福清5號(hào)機(jī)組已于2021年1月30日投運(yùn)。

3.2 上汽1 000 MW級(jí)核電汽輪機(jī)

由上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)上汽)生產(chǎn)的1 000 MW級(jí)核電汽輪機(jī)為半轉(zhuǎn)速、單軸、反動(dòng)式汽輪機(jī)，采用1個(gè)雙流高壓缸、2個(gè)雙流低壓缸的三缸四排汽結(jié)構(gòu)[10]。其中，高壓通流部分有2×14=28級(jí)。高壓轉(zhuǎn)子為整鍛轉(zhuǎn)子，低壓轉(zhuǎn)子為套裝轉(zhuǎn)子。低壓模塊有2個(gè)低壓缸，低壓通流部分有2×2×10=40級(jí)，采用雙流非對(duì)稱(chēng)布置。低壓排汽面積為80 m2。高壓汽缸與低壓汽缸均采用雙層缸結(jié)構(gòu)。

由上汽生產(chǎn)的陽(yáng)江核電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)陽(yáng)江)1號(hào)～4號(hào)以及廣西防城港核電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)防城港)1號(hào)和2號(hào)等CPR1000壓水堆核電站1 000 MW級(jí)半速核電汽輪機(jī)已經(jīng)投入運(yùn)行。上汽生產(chǎn)的1 000 MW級(jí)核電汽輪機(jī)還有“華龍一號(hào)”第三代核電技術(shù)壓水堆核電站1 187 MW半速核電汽輪機(jī)(防城港3號(hào)和4號(hào))與巴基斯坦K2和K3“華龍一號(hào)”1 000 MW級(jí)半速核電汽輪機(jī)。

3.3 哈汽1 000 MW級(jí)核電汽輪機(jī)

由哈爾濱汽輪機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)哈汽)生產(chǎn)的1 000 MW級(jí)核電汽輪機(jī)為半轉(zhuǎn)速、單軸、反動(dòng)式汽輪機(jī)，采用1個(gè)雙流高壓缸、3個(gè)雙流低壓缸的四缸六排汽結(jié)構(gòu)[11]。其中，高壓通流部分有2×10=20級(jí)。高壓轉(zhuǎn)子為整鍛轉(zhuǎn)子，低壓轉(zhuǎn)子采用無(wú)中心孔整鍛轉(zhuǎn)子。低壓通流部分有3×2×10=60級(jí)，低壓葉片采用全三維設(shè)計(jì)、反動(dòng)式葉片、整體圍帶和樅樹(shù)型葉根，低壓排汽面積為106.2 m2。高壓汽缸采用外缸與隔板套(內(nèi)缸)雙層缸結(jié)構(gòu)，低壓汽缸采用三層缸結(jié)構(gòu)(低壓外缸、低壓內(nèi)缸和低壓蒸汽室)。

由哈汽生產(chǎn)的中核集團(tuán)三門(mén)核電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)三門(mén))1號(hào)和2號(hào)、山東核電有限公司1號(hào)和2號(hào)AP1000第三代核電技術(shù)壓水堆核電站的1 250 MW半速核電汽輪機(jī)以及江蘇田灣核電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)田灣)VVER-1000(Vodo-Vodynaoi Energetichesky Reactor-1000)壓水堆核電站1 125 MW(3號(hào)和4號(hào))半速核電汽輪機(jī)已經(jīng)投入運(yùn)行。哈汽生產(chǎn)的1 000 MW級(jí)核電汽輪機(jī)還有海南核電有限公司二期壓水堆核電站“華龍一號(hào)”1 197 MW半速核電汽輪機(jī)。

3.4 第三代和第四代核電汽輪機(jī)

由東汽生產(chǎn)的世界上在役單機(jī)容量最大的汽輪機(jī)于2018年在臺(tái)山核電合營(yíng)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)臺(tái)山)投入商業(yè)運(yùn)行。臺(tái)山1號(hào)機(jī)組是世界上首臺(tái)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電的EPR第三代核電機(jī)組，汽輪機(jī)單機(jī)容量為1 755 MW，采用四缸六排汽，轉(zhuǎn)速1 500 r/min，為沖動(dòng)式汽輪機(jī)，末級(jí)葉高為1 430 mm。臺(tái)山1號(hào)機(jī)組于2009年開(kāi)工建設(shè)，2號(hào)機(jī)組于2010年開(kāi)工建設(shè)。臺(tái)山1號(hào)、2號(hào)機(jī)組分別是繼2005年開(kāi)工的芬蘭奧基陸托3號(hào)機(jī)組、2007年開(kāi)工的法國(guó)弗拉芒維爾3號(hào)機(jī)組后，全球第三和第四臺(tái)開(kāi)工建設(shè)的EPR第三代核電機(jī)組。在2018年6月29日，臺(tái)山核電1號(hào)1 755 MW汽輪機(jī)首次并網(wǎng)發(fā)電成功，于2018年12月13日投入運(yùn)行。

華能山東石島灣核電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)石島灣)核電站是我國(guó)第四代核電技術(shù)首個(gè)高溫氣冷堆示范工程。該核電站汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)為13.24 MPa/566 ℃，額定功率為211.9 MW，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定背壓為4.5 kPa。汽輪機(jī)由1個(gè)單流高壓缸和1個(gè)雙流低壓缸組成，高壓缸有21級(jí)，低壓缸有2×7=14級(jí)，末級(jí)葉高為1 050 mm。由于高壓缸的排汽仍為過(guò)熱蒸汽，汽輪機(jī)沒(méi)有配置汽水分離再熱器(MSR)。該汽輪機(jī)于2017年4月完成安裝工作,預(yù)計(jì)2021年并網(wǎng)發(fā)電。

4 工業(yè)汽輪機(jī)

根據(jù)用途，工業(yè)汽輪機(jī)可以分為工業(yè)驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)和工業(yè)發(fā)電用汽輪機(jī)。

4.1 工業(yè)驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)

近幾年來(lái)，我國(guó)工業(yè)驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，已應(yīng)用于化工、冶金、電站給水泵和核電等領(lǐng)域，形成了一系列新產(chǎn)品，典型產(chǎn)品見(jiàn)表1。杭州汽輪機(jī)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)杭汽)研制的全球最大150萬(wàn)t/a超大型乙烯裝置用90 MW工業(yè)汽輪機(jī)(乙烯三機(jī))，于2020年1月2日在恒力石化(大連)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)恒力石化)投運(yùn)。

4.2 工業(yè)發(fā)電用汽輪機(jī)

工業(yè)發(fā)電用汽輪機(jī)發(fā)展的技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在一次再熱技術(shù)在小功率汽輪機(jī)上應(yīng)用和參數(shù)提高2個(gè)方面。2011年之前，我國(guó)100 MW以下汽輪機(jī)均采用非再熱型式，2012年?yáng)|汽在我國(guó)首次推出65 MW一次再熱機(jī)型，該型號(hào)汽輪機(jī)熱耗率可降低7%，為小功率汽輪機(jī)采用再熱型式提供了工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，陸續(xù)研制出25～135 MW一系列再熱汽輪機(jī)。與沒(méi)有再熱的25 MW汽輪機(jī)相比，進(jìn)汽參數(shù)為6.3 MPa/445 ℃/425 ℃的25 MW濕冷一次再熱垃圾發(fā)電用汽輪機(jī)的熱耗率下降370 kJ/(kW·h)。進(jìn)汽參數(shù)為13.2 MPa/566 ℃/566 ℃的30～50 MW濕冷一次再熱發(fā)電用汽輪機(jī)的熱耗率比非再熱50 MW機(jī)組約低10%。這些工業(yè)發(fā)電用汽輪機(jī)廣泛應(yīng)用于鋼廠(chǎng)余熱利用、垃圾發(fā)電和太陽(yáng)能光熱發(fā)電等領(lǐng)域，有效提高了發(fā)電效率及能源利用率，典型產(chǎn)品見(jiàn)表2。

表1 典型工業(yè)驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)新產(chǎn)品

表2 典型工業(yè)發(fā)電用再熱汽輪機(jī)新產(chǎn)品

5 汽輪機(jī)參數(shù)與功率

新型大容量電站汽輪機(jī)主要包括火電濕冷一次再熱超超臨界汽輪機(jī)、火電濕冷二次再熱超超臨界汽輪機(jī)、火電空冷超超臨界汽輪機(jī)與核電汽輪機(jī)。2010年以來(lái)，我國(guó)大功率電站汽輪機(jī)的參數(shù)與功率有所提高，創(chuàng)造了多項(xiàng)全球第一，按照投入運(yùn)行或并網(wǎng)發(fā)電的時(shí)間順序，圖1給出國(guó)內(nèi)外汽輪機(jī)功率的

圖1 國(guó)內(nèi)外汽輪機(jī)功率的增長(zhǎng)示意圖

增長(zhǎng)趨勢(shì)。表3給出了典型汽輪機(jī)的參數(shù)和功率。其中,田集指的是淮滬電力有限公司田集第二發(fā)電廠(chǎng);萬(wàn)州指的是重慶神華萬(wàn)州電廠(chǎng);安源指的是華能安源發(fā)電有限責(zé)任公司;農(nóng)六師指的是新疆農(nóng)六師煤電有限公司;哈密指的是國(guó)電哈密煤電開(kāi)發(fā)有限公司;托克托指的是大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司;寧東指的是國(guó)華寧東發(fā)電有限公司;趙石畔指的是陜能趙石畔煤電有限公司雷龍灣電廠(chǎng);橫山指的是陜西橫山發(fā)電有限責(zé)任公司;鴛鴦湖指的是神華國(guó)能寧夏鴛鴦湖發(fā)電有限公司。我國(guó)火電汽輪機(jī)單軸最大功率達(dá)到1 240 MW，雙軸最大功率達(dá)到1 350 MW，而核電汽輪機(jī)最大功率達(dá)到1 755 MW。

表3 典型電站汽輪機(jī)的參數(shù)和功率

6 末級(jí)長(zhǎng)葉片

采用更長(zhǎng)末級(jí)葉片是降低末級(jí)排汽損失、增加末級(jí)排汽面積、提高末級(jí)出力和做功能力的重要技術(shù)手段，可以減少大功率汽輪機(jī)的低壓缸數(shù)量，從而降低汽輪機(jī)造價(jià)?？绽?60 MW超超臨界汽輪機(jī)采用葉高為863 mm、910 mm和1 100 mm的末級(jí)葉片，可采用1個(gè)低壓缸。

我國(guó)汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片設(shè)計(jì)體系建立在理論計(jì)算及大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)工程驗(yàn)證，形成了氣動(dòng)熱力設(shè)計(jì)方法、強(qiáng)度與振動(dòng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及軟件、制造安裝工藝規(guī)范、質(zhì)量控制規(guī)范和實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證規(guī)范。在氣動(dòng)、強(qiáng)度和材料學(xué)科的帶動(dòng)下，我國(guó)自主研制出具有國(guó)際先進(jìn)水平的超長(zhǎng)末級(jí)葉片和低壓模塊，典型末級(jí)長(zhǎng)葉片的葉高見(jiàn)表4。國(guó)內(nèi)低壓長(zhǎng)葉片按照避開(kāi)50 Hz濕冷系列、50 Hz空冷系列及核電半速25 Hz系列開(kāi)發(fā)，均采用成熟和先進(jìn)的長(zhǎng)葉片開(kāi)發(fā)技術(shù)以及適用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的材料。

表4 典型汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)葉片的葉高

7 汽輪機(jī)發(fā)展方向

7.1 發(fā)電效率50%以上機(jī)組的汽輪機(jī)

7.1.1 650 ℃汽輪機(jī)

汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)初步確定為35 MPa/630 ℃/650 ℃/650 ℃，為二次再熱1 000 MW汽輪機(jī)。已有訂貨的二次再熱630 ℃汽輪機(jī)，其機(jī)組發(fā)電效率達(dá)到50%的前提是采用低背壓(4.0～4.1 kPa)技術(shù)。二次再熱650 ℃汽輪機(jī)機(jī)組發(fā)電效率達(dá)到50%時(shí)設(shè)計(jì)為常規(guī)背壓4.9 kPa。由于650 ℃汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)較高，在相同背壓下，其熱耗率較630 ℃汽輪機(jī)更低，機(jī)組發(fā)電效率超過(guò)50%。

工作溫度為650 ℃的超高壓內(nèi)缸、高壓內(nèi)缸、中壓內(nèi)缸、超高壓閥殼、高壓閥殼和中壓閥殼等大型鑄件材料擬采用鎳基合金或馬氏體耐熱鋼。超高壓轉(zhuǎn)子、高壓轉(zhuǎn)子和中壓轉(zhuǎn)子擬采用焊接轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，高溫段擬采用鎳基合金，非高溫段采用9%～12%Cr鋼。

7.1.2 700 ℃汽輪機(jī)

700 ℃汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)初步擬定為35～38 MPa/700 ℃/720 ℃，為一次再熱或二次再熱700～1 000 MW汽輪機(jī)。機(jī)組發(fā)電效率為52%～55%，采用深海海水冷卻的超低背壓機(jī)組發(fā)電效率可達(dá)55%，內(nèi)陸地區(qū)采用冷卻塔方式冷卻的機(jī)組發(fā)電效率可達(dá)52%。700 ℃汽輪機(jī)的超高壓轉(zhuǎn)子、高壓轉(zhuǎn)子和中壓轉(zhuǎn)子均采用焊接轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，高溫段采用鎳基合金，大型鑄件也采用鎳基合金。

降低鎳基合金高溫管道費(fèi)用是決定700 ℃汽輪機(jī)能否產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素之一。技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析表明，700 ℃汽輪機(jī)示范工程中采用一次再熱、三缸兩排汽的700 MW汽輪機(jī)以及全高位布置可以大幅度降低鎳基材料的消耗，提高700 ℃汽輪機(jī)的性?xún)r(jià)比。整臺(tái)汽輪機(jī)組全高位布置可以大幅度減少主蒸汽管道和一次再熱蒸汽管道的長(zhǎng)度，降低其成本，與在役超超臨界機(jī)組相比，考慮參數(shù)提高、高位布置管道使壓損減少以及雙機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)等因素，汽輪機(jī)的熱耗率降幅超過(guò)5%。

7.2 1 900～2 200 MW核電汽輪機(jī)

7.2.1 CAP1700半速核電汽輪機(jī)(1 900 MW)

CAP1700半速核電汽輪機(jī)的主蒸汽參數(shù)為5.52～5.92 MPa/270～274.7 ℃，主蒸汽濕度為0.36%～0.45%，額定功率為1 900 MW，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，主蒸汽質(zhì)量流量為10 037～10 260 t/h，背壓為3～7 kPa?？傮w方案為單軸四缸六排汽或單軸五缸八排汽。采用焊接轉(zhuǎn)子或整鍛轉(zhuǎn)子，根據(jù)背壓的不同，采用1 710～2 100 mm末級(jí)長(zhǎng)葉片。

7.2.2 CAP1900半速核電汽輪機(jī)(2 100～2 200 MW)

CAP1900半速核電汽輪機(jī)的主蒸汽參數(shù)為5.52～5.92 MPa/270～274.7 ℃，主蒸汽濕度為0.36%～0.45%，額定功率為 2 100～2 200 MW，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，主蒸汽質(zhì)量流量為11 094～11 880 t/h，背壓為3～7 kPa?？傮w方案為單軸四缸六排汽或單軸五缸八排汽。采用焊接轉(zhuǎn)子或整鍛轉(zhuǎn)子，根據(jù)背壓的不同，采用2 200～2 300 mm末級(jí)長(zhǎng)葉片。

7.3 全速和半速長(zhǎng)葉片

7.3.1 全速1 450～1 550 mm長(zhǎng)葉片

全速濕冷鈦合金1 450～1 550 mm末級(jí)長(zhǎng)葉片采用鈦合金材料TC4，設(shè)計(jì)排汽面積為16.17 m2，適用于超超臨界二次再熱兩排汽660 MW汽輪機(jī)、參數(shù)更高的聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)、低背壓四排汽1 000 MW汽輪機(jī)以及4.9 kPa常規(guī)背壓四排汽1 200～1 300 MW汽輪機(jī)。國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)制造企業(yè)已經(jīng)完成1 500～1 550 mm鈦合金葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，根據(jù)加工制造工藝等要求編制了鈦合金長(zhǎng)葉片加工制造規(guī)范，可實(shí)現(xiàn)此類(lèi)葉片加工制造的規(guī)范化。國(guó)內(nèi)已完成1 450 mm鈦合金葉片的設(shè)計(jì)工作、一系列加工工藝試驗(yàn)研究以及實(shí)物葉片的加工制造，2019年7月23日完成實(shí)物葉片的調(diào)頻試驗(yàn)工作。1 450 mm鈦合金葉片計(jì)劃應(yīng)用于大唐鄆城或中興電力蓬萊發(fā)電有限公司超超臨界二次再熱1 000 MW發(fā)電機(jī)組。

7.3.2 半速2 000～2 300 mm長(zhǎng)葉片

2 000～2 100 mm葉片是為CAP1700汽輪機(jī)開(kāi)發(fā)的末級(jí)長(zhǎng)葉片，排汽面積超過(guò)29 m2，適用于六排汽2 000～2 200 MW半速核電汽輪機(jī)，也適用于四排汽1 000 MW級(jí)半速核電汽輪機(jī)。目前2 000 mm末級(jí)葉片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作已經(jīng)完成，計(jì)劃尋找合適的項(xiàng)目進(jìn)行?；~片的實(shí)機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證。

2 200～2 300 mm葉片是為CAP1900汽輪機(jī)開(kāi)發(fā)的末級(jí)長(zhǎng)葉片，排汽面積超過(guò)32 m2，適用于六排汽2 100～2 200 MW半速核電汽輪機(jī)。國(guó)內(nèi)正在開(kāi)展末級(jí)長(zhǎng)葉片的氣動(dòng)、強(qiáng)度、振動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作以及加工制造工藝研究，初步具備實(shí)物葉片制造條件，下一步需要開(kāi)展末級(jí)長(zhǎng)葉片動(dòng)頻試驗(yàn)驗(yàn)證等研究工作。

開(kāi)發(fā)較大工況變化范圍內(nèi)高性能、具有良好運(yùn)行靈活性和高可靠性的末級(jí)長(zhǎng)葉片的技術(shù)難度較大?？紤]全三維氣動(dòng)性能、流固耦合特性、汽液兩相特性、強(qiáng)度振動(dòng)特性和整圈連接結(jié)構(gòu)阻尼特性等，末級(jí)長(zhǎng)葉片多學(xué)科、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)有待深入研究。

8 結(jié) 論

(1) 國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)制造行業(yè)在火電汽輪機(jī)單軸最大功率1 240 MW、二次再熱31 MPa/615 ℃/620 ℃/620 ℃、高參數(shù)35 MPa/615 ℃/630 ℃/630 ℃、雙軸高低位布置最大功率1 350 MW、雙機(jī)回?zé)岢槠h(huán)、熱電聯(lián)產(chǎn)28 MPa/600 ℃/620 ℃的1 000 MW、超低背壓2.9 kPa的六缸六排汽超長(zhǎng)軸系等方面，已經(jīng)取得了具有國(guó)際先進(jìn)水平的新成就。

(2) 第三代核電技術(shù)壓水堆核電站采用的1 250 MW半速核電汽輪機(jī)和全球功率最大的1 755 MW半速核電汽輪機(jī)率先在我國(guó)投入運(yùn)行，第四代核電技術(shù)高溫氣冷堆核電站211 MW汽輪機(jī)(進(jìn)汽參數(shù)為13.24 MPa/566 ℃)已經(jīng)完成電站現(xiàn)場(chǎng)安裝工作。

(3) 全球最大150萬(wàn)t/a超大型乙烯裝置用90 MW工業(yè)驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)已經(jīng)投運(yùn)，新研制的一次再熱25～135 MW工業(yè)發(fā)電用汽輪機(jī)廣泛應(yīng)用于垃圾發(fā)電、太陽(yáng)能光熱發(fā)電和鋼廠(chǎng)余熱發(fā)電等領(lǐng)域，提高了發(fā)電效率及能源利用率。

(4) 全球現(xiàn)役空冷汽輪機(jī)最長(zhǎng)末級(jí)葉片(長(zhǎng)度為1 100 mm)已經(jīng)投入運(yùn)行，全速火電汽輪機(jī)的鈦合金1 450 mm末級(jí)長(zhǎng)葉片以及半速核電汽輪機(jī)的1 710 mm、1 800 mm、1 828 mm和1 905 mm末級(jí)長(zhǎng)葉片已經(jīng)完成葉片動(dòng)頻調(diào)頻試驗(yàn)，其中1 905 mm末級(jí)長(zhǎng)葉片成為全球已經(jīng)制造出的最長(zhǎng)末級(jí)葉片。

(5) 汽輪機(jī)產(chǎn)品未來(lái)的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：發(fā)電效率50%以上機(jī)組的火電汽輪機(jī)、1 900～2 200 MW核電汽輪機(jī)、全速1 450～1 550 mm和半速2 000～2300 mm長(zhǎng)葉片。

致謝：本文研究工作得到了彭澤瑛、豐鎮(zhèn)平、潘家成、李宇峰、侯明軍、吳建中和葉興柱等的大力支持，在此深表謝意。