汽轮机技术的发展与前景

2002年12月第4期 文章编号:1671-0851(2002) 04-0001-06

上海汽轮机

SHAN G HAI TU R BIN E

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汽轮机技术的发展与前景

张素心

(上海汽轮机有限公司, 上海200240)

摘 要: 介绍了上海汽轮机有限公司1953年成立以来的产品和技术以及进一步的发展规划。关键词: 汽轮机; 产品发展; 设计

中图分类号: T K261 文献标识码: A

Development and Prospects of Steam Turbine Technology

Z H ANG Su -x in

(Shan ghai Turbine C o. Ltd. , Shanghai 200240, China)

Abstract: T he products and t echnolog y of the steam tur bine since ST C foundation from 1953, and the dev e -lopment prog ram in the future in ST C are introduced in this paper. Key words: steam turbine; product development; design

5000M W , 位居世界第四位。

0 引言

上海汽轮机厂是成立于1953年的我国第一家

1 企业产品技术发展的三个阶段

汽轮机制造业的发展水平是一个国家综合实力的反映, 上海汽轮机厂产品技术的发展过程是整个国家科技进步和国民经济发展的写照, 五十年的历程可划分为三个不同特点的发展阶段:

(1) 1953年至1981年的自力更生发展阶段:这个阶段培养了一大批汽轮机设计及制造人才, 自行设计制造了6M W 、12M W 、25M W 、50M W 、125M W 、300M W 六个功率等级, 凝汽、抽凝、背压、抽背、工业驱动五种类型, 中压、高压、超高压再热、亚临界再热四个参数等级的电站汽轮机产品系列。

(2) 1981年至1995年消化引进型300M W ~600M W 汽轮机的技术阶段:为满足国民经济发展对

汽轮机制造厂, 1955年成功制造出中国第一台6M W 汽轮机, 开创了新中国电站设备制造业发展的历史篇章, 五十年来工厂先后开发了不同参数, 各种功率等级的火电、核电、工业汽轮机产品系列, 填补了多项国内电站汽轮机制造的空白, 至2002年累计汽轮机的总量达到80000M W , 为我国国民经济和电力工业的发展做出了重大的贡献。

自90年代以来, 通过与美国西屋公司(现为德国西门子-西屋公司) 组建为合资企业上海汽轮机有限公司(简称ST C) , 使公司具有世界先进水平的现代汽轮机开发体系, 目前公司电站汽轮机的产量占世界总产量的8. 8%, 自1998年起年产量已超过

收稿日期:2001-07-20

作者简介:张素心(1964) ) , 男, 1986年毕业于清华大学热能工程系, 上海汽轮机有限公司总工程师; 主要从事轴流式压气

机、大功率汽轮机和联合循环的设计, 包括600M W 亚临界机组的开发工作, 发表相关论文数十篇; 于2002年10月被任命该公司总裁。

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发展大功率等级机组的需要, 通过原机械部引进了美国西屋公司的亚临界300M W 及600M W 机组的技术。该阶段企业产品技术的发展主要围绕这二个引进机型。在/七五0期间, 在原机械部的组织下, 上海发电设备成套设计研究所, 国内三大主机厂及国内的高等院校, 有关研究院所联合开展了汽轮机气动设计方法、转子动力学、叶片自动设计系统、转子自动设计系统等一系列重点科技攻关。/八五0期间又联合完成了国家重点科技攻关项目/优化汽轮机研制0。与此同时, 自1988年开始我们又在上海市经委、重点办及超亚临界电站项目办的领导下, 在对引进技术消化、吸收的基础上对引进型300M W 、600M W 汽轮机进行了全面的优化改进工作, 采取以企业为中心, 面向全国招标的方式, 组织起国内科研、高校的技术精英对提高机组性能的关键项目进行科技攻关。总计完成与引进型300M W 、600M W 汽轮机有关的攻关项目62项, 其中有一项获国家科学技术进步奖, 37项获上海市科技结合生产攻关振

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兴奖。这些攻关项目不仅解决了设计制造中的关键问题, 还进一步提高了机组的性能, 使工厂的产品开发设计及制造技术开始与国际先进技术接轨, 为企业进一步的发展奠定了基础。

(3) 1996年与美国西屋公司合资, 企业进入了一个全面发展的新阶段:随着改革开放的深入, 按照以市场换技术的原则, 1995年12月由上海汽轮机厂与美国西屋电气公司合资组建上海汽轮机有限公司, 经过5年合资双方的努力, 通过全面的技术引进和计算机信息技术的推广应用, 目前已达到合资双方确定的目标:

#建立具有国际先进水平的汽轮机开发系统, 掌握与外国公司相同的产品设计开发能力;

#建立与国际接轨的质量保证体系; #年产7000M W 的电站汽轮机制造能力。上海汽轮机有限公司五十年来在不同历史阶段开发出一百多种型式的汽轮机产品, 下表为主要类型产品的汇总:

首台[***********][***********][***********][***********]

型式

中压凝、抽汽6M W 中压凝12M W 中压凝16M W 中压凝、抽汽25M W 中压抽汽12M W 中压驱动风机12M W 超高压再热125M W 高压凝、抽50M W 亚临界四缸300M W

引进型二缸300M W -350M W 核电310-325M W 高压双抽100-125M W 引进型抽汽300M W 引进型超高压再热135M W 引进型四缸600M W 联合循环双压单缸55M W 空冷325M W

引进型超高压二缸220M W

品种凝4, 抽11凝2凝1凝7, 抽51028凝4, 抽26

243

至今总台数凝154, 抽34

4890凝84, 抽91007192另有改造43凝43, 抽101

[1**********]226

说明

现有冲动及反动式二种新机型

现有改造机型出口巴基斯坦一台出口巴基斯坦一台

出口伊朗出口中东

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水平及产品开发能力提升到当代国际先进水平。集

2 现代汽轮机的设计制造体系

在市场经济中决定一个企业能否成功的产品三大要素为:

(1) 产品的市场占有率:该要素取决于产品开发的快速反应能力, 产品开发对市场的适应能力, 产品的技术独占性, 产品的一次开发成功率。

(2) 产品的技术含量:高新技术的应用水平及机组优良的经济性, 可靠性, 运行灵活性。

(3) 产品的性能价格比:制造的动态组合能力, 先进的工艺技术, 包括交货期、质量、永久维护在内的全价格。

这三大要素集中反映出一个企业的产品开发水平和综合技术实力。通过合资, 全面引进技术建立的现代汽轮机设计制造系统是上海汽轮机有限公司发展史上一个崭新的里程碑, 该系统使企业的技术

中了西门子-西屋公司在火电、核电领域内近百年发展的经验和最新成果的设计制造系统包括下面几个部分:

#计算机网络化管理的汽轮机热力设计系统#汽轮机积木块及通流部分自动优化设计系统#新的(汽轮机) 积木块开发设计技术系统#汽轮机数字计算机控制开发系统#统一网络化的计算机系统#汽轮机大型数控CA M 加工中心

2. 1 计算机网络化管理的汽轮机热力设计系统

新的热力设计系统将热力及通流部分的设计、产品数据库、计算结果及信息输送组合在统一的计算机网络系统中, 所有程序的运作平台为WI N -DOWS 系统。整个计算机系统由三部分组成, 见以下示意框图

:

由于所有的数据传递全部由计算机实现, 因此

和一个通流部分自动优化设计的计算机程序系统。

在积木块资料库中有一系列(共计41个) 不同参数范围、不同功率等级, 以汽轮机汽缸为单元的积木块, 通过积木块的组合, 可匹配出130M W 至1300M W 功率范围内的各种火电、核电机组。该系统的组成及功能见下

:

使用方便、文档规范、设计工效高。2001年该系统为配合市场开发完成近一百多种方案, 2600个热力工况的设计计算工作。

2. 2 汽轮机积木块及通流部分自动优化设计系统

该系统由二部分组成:一个完整的积木块资料库

该设计系统的特点在于:

(1) 在一定的参数及功率范围内除通流部分叶片以外, 整个积木块是通用的; 而相同的汽缸、转子跨度和直径、轴承、阀门、管道、滑销及支撑、辅助系统以及控制系统意味着有相同的启停运行差胀性能, 相同的振动特性, 相同的管道受力特性。积木块一次成功率。

(2) 高度自动化的通流部分优化设计程序系统, 在新产品开发时, 积木块汽缸内通流部分的叶片尺寸(高度和喉部面积) 应按机组功率对应的流量大小进行设计。为提高机组的经济性和安全可靠性也可采用先进的气动设计技术更新叶型:如采用可控, 尼

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叶片、高强度叶根、蜂窝汽封、低直径汽封隔板等。整个通流部分的设计全部实现了计算机化, 在计算机网络系统中包括:

#叶型及叶片数据库。

#通流部分自动优化设计程序包:在给定流量及进出口参数后, 程序按最佳的效率原则自动决定通流部分的叶片级数, 自动选取叶型及所有的结构尺寸, 自动完成各级叶片的热力及强度振动特性考核, 自动绘制叶片通流图。

#叶片设计/BLA DE 0程序包:该程序包综合了叶片叶型设计, 叶片结构设计、强度振动特性计算功能, 与各种叶片、叶型相关的气动、强度振动程序有数据的自动生成和数据传输接口, 可进行各种叶片的设计, 不仅提高了设计工效, 而且可保证设计的质量和规范化。

#通流部分叶片、叶型、隔板的参数化CAD 绘图程序。

该汽轮机积木块及通流部分的自动优化设计系统在全厂的计算机网络系统中运行, 不仅在设计人员之间, 而且在全厂管理、工艺、制造部门之间实现了数据信息资源共享。目前该系统已成为整个产品开发的核心环节, 标准的积木块和高度计算机化的设计技术使产品的开发具有快速的反应能力和适应能力, 可满足不同用户的要求; 不仅缩短了设计制造周期, 提高性能价格比, 还因其具有大量成熟可靠的运行业绩可充分保证产品的(第) 一次开发成功率。2. 3 新的(汽轮机) 积木块开发设计技术系统

虽然41个积木块和通流部分的自动优化系统已基本覆盖130M W ~1300M W 功率范围内的火电(超高压、亚临界、超临界) 、核电汽轮机产品, 但从市场开拓和长远发展的角度, 在产品开发系统中还必须具备以下二方面的开发能力:

#新的高效叶型, 叶片的开发能力;

#新的(汽轮机) 积木块设计开发能力:例如大功率单缸联合循环汽轮机、大功率抽汽供热汽轮机、单缸中间再热汽轮机、高温超临界汽轮机等。

该设计系统由以计算气动力学及计算工程力学为基础的170多个大型计算机程序及SU N 工作站的U G-II 计算机辅助设计组成。典型的有:

(1) 全三元气动设计系统

高速大容量计算机、数值计算技术及试验验证是本公司全三元气动设计系统的三大要素。目前本统。系统:

汽轮机技术的发展与前景

第一种:计入叶片力的通流矩阵法三元流场计算程序。目前该系统设计的多种全三维弯扭叶片已在135M W~600M W 等机组中应用。

第二种:以全三元欧拉方程求解为主的设计系第三种:粘性全三元气动计算程序。该程序求解的流场特性相当准确, 程序收敛性好, 计算速度快, 可对弯扭叶片的设计进行分析评价。

(2) 计算机工程力学(CAE) 设计系统

本公司在计算机网络中配置了NAST RAN 、PA -T RAN 有限元程序, 并针对不同的部件制定了相应的安全性考核准则; 从以往考核平均应力的方法转变为对应力场尖峰应力、高周疲劳及低周疲劳强度的考核。在此基础上, 推出了一系列以消除应力集中、增加阻尼、减少动应力为目的的新结构型式。CA E 系统中用于新汽轮机积木块设计的主要程序有:

#整体围带三联体叶片有限元计算考核#整体自带围带-碰撞阻尼型动叶片计算考核#长叶片动应力有限元动强度计算考核#整圈自锁阻尼型叶片振动特性及动强度考核#蒸汽室有限元强度考核

#汽轮机-发电机转子轴系特性计算考核#汽缸强度及刚性有限元计算考核#长叶片低周疲劳有限元计算考核2. 4 汽轮机数字计算机控制开发系统

该技术系统设计的控制软件不仅降低了整个控制系统的成本, 性能能满足用户的各种要求, 而且可保证汽轮机各项实际运行参数能得到准确的体现, 保证控制的绝对可靠。该数字技术化控制系统的开发技术已达到当代国际先进水平:

#硬件配置将全面开放, DEH 软件可以与任何最先进的计算机硬件相配:例如曾为WDPF ) II, FO XBORO, M OO RE, M Y CRO APACS, O VAT ION 等硬件配置过各种功能的DEH 软件。

#可以满足各种控制功能的要求:例如近期开发的大功率机组带旁路启动程序, 带调整抽汽功能的程序, 常压透平油的DEH 控制系统等。2. 5

统一网络化的计算机系统

合资后, 在全公司建立了最新的计算机网络系统, 整个汽轮机设计制造系统均在该网络中运作。料、生

2002年12月第4期 产准备及管理的各种功能, 主要有:

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2000/2001年国内首批二台双压进汽控制的单缸55M W 汽轮机一次开发成功, 集中应用了一系列先进技术使经济性提高3%~5%, 快速启动性能好, 运行灵活, 满足联合循环的各项要求。/十五0期间将在引进西门子-西屋技术的基础上推出100M W 更大功率等级的单缸联合循环汽轮机。

(4) 大功率核电汽轮机

(5) 火电300M W ~700M W 的优化新品种/十五0期间将面向全球市场推出性能更好的优化亚临界300M W~700M W 等级机型:

#优化型的二缸二排汽300M W ~350M W 汽轮机。为满足全球不同地区的要求, 可根据冷却水温配置三种不同的低压缸和五种不同的长叶片。

#优化型600M W~700M W 机组:四缸或三缸四排汽。

同样低压缸也可按冷却水温配置三种不同的低压缸和五种长叶片以适应全球不同地区的要求。

(6) 200M W 功率等级汽轮机

该机型与国内现有的三缸200M W 机组相比, 经济性、可靠性、运行灵活性、建设成本、维护及运行管理等各个方面均有非常明显的优势, 同时, 这种功率等级在国际上发展中国家也有非常好的市场。

(7) 大功率、多品种热电联供汽轮机产品系列(8) 燃气轮机

在/十五0期间将引进燃气轮机的制造技术。3. 2 加大技术投入, 建立自主的研发系统

现有的现代汽轮机开发体系为企业新产品开发提供了广阔的空间, 积蓄了相当大的产品开发潜力, 除燃气轮机外的电站汽轮机已可以满足今后一段时间内国内外市场的需求, 但同时也应认识到, 这些新产品都得益于现有引进技术所建立的开发平台, 要保持这个技术平台的先进性和发展后劲, 必须有新的技术投入。作为长远的发展战略, 应加强下列关键技术的投入, 建立自主的持续研发系统:

#高压高温参数相关的技术:包括高温材料的应用及试验、结构冷却技术、高温材料的加工工艺性研究、材料表面强化技术、高温燃气轮机叶片材料及工艺性研究试验。

#气动性能研究:多级试验透平、多级压气机试验台、湿蒸汽透平试验台。

#工业性中间试验样机基地:超超临界、超高温、二次中间再热中间试验、大功率单缸汽轮机、单缸中#工程资料库, 包括图库、工程报告、材料及工艺规程;

#大型产品设计计算机程序库, 包括全厂网的170多个设计程序、区域网的近60个设计程序;

#大型有限元商用程序NAST RAN , PA RT RAN ; #U G -I I, CADS5计算机CAD 设计系统; #热力系统计算的管理程序;

#CA D 程序设计图纸管理系统, 包括电子版本的审核入库, 修改及应用;

#生产管理程序, 具有生产路线表编制, 生产过程从原材料到制造完工的计算机管理功能。2. 6 汽轮机大型数控CAM 加工中心

与现代汽轮机高度计算机化的产品设计技术相对应必须要有一个数控化的工艺加工系统。合资后的上海汽轮机有限公司在原有基础上, 又以西门子-西屋公司的投资, 扩建了一个具有世界先进水平、大规模的计算机数控加工中心, 包括叶片加工及检测的三维数控及汽缸、转子等大型部件的各种数控加工设备。这些数控设备的投入不仅提高了制造质量, 还使全公司扩充到7000M W, 年产4台600M W , 8台300M W, 10台135M W 的生产能力。

3 企业产品技术的进一步发展

现代汽轮机开发体系的建立以及近年来大量自行开发产品的成功实践标志着市场换技术时代的结束。随着我国进入W T O, 面对国际、国内市场的开拓, 企业的发展目标及战略将由消化吸收引进技术转移为:

(1) 开发满足市场要求, 能占据国际、国内市场份额的多品种、高效率、高质量、有竞争力的产品。

(2) 建立自主的研制更新一代产品积木块的试验研发体系, 提高企业的长远持续发展竞争力, 保持与国际跨国公司同步发展的能力。3. 1 近期的产品开发目标

(1) 大功率、高效率超临界汽轮机

超临界发展规划分为600M W ~700M W 、900M W~1000M W 及1300M W 三个功率等级。近期应重点发展主、再蒸汽参数为压力大于25M P a, 温度大于580e 温度的超超临界机组。

(2) 大功率空冷300M W~600M W 汽轮机(

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型, 推行在本国创业绩, 然后推向国外市场的作法。

4 建议

在WT O 的框架下应尽快对大型动力设备制造动力设备制造业涉及国民经济的命脉) ) ) 电力工业和国防工业, 历来是代表一个国家综合实力的支柱产业。目前工业发达国家也只有少数几个跨国公司才具备大型汽轮机、燃气轮机的设计及制造能力。由于行业的特殊地位及其高新技术产业的特征, 这些跨国公司无一不是在政府政策全方位支持下发展起来的, 而且为维护其国家和公司的利益, 在国际上已形成一个公认的市场框架。按这个国际市场框架从市场分配、产品开发、财力和人力四个方面为这些跨国公司的生存和发展创造了一个良好的国际环境。具体为:

(1) 世界各国及地区市场对各个公司提供政策性的支持。通过/市场交换技术0引进先进的产品, 提高本国的制造业水平。进入WT O 后, 我国有关部门应制定相应对等的政策, 保护中国企业的正当市场利益。

(2) 支持各公司在其国内市场内不断推出新机

今年我国应对国有企业采取更为积极的新产品准入政策。

(3) 完善的价格协调机制; 动力设备制造的发展涉及到国民的长远利益, 国外对该行业有非常完善的价格机制。各国公司在其国内市场有十分有效的价格政策, 使财力及优秀的人才流向这些代表国家实力的跨国公司, 为整个国家创造更多社会效益。

在进入W T O 后, 我国有关部门应参照美国、日本、德国、法国、韩国的做法, 从维护国家和民族利益的高度, 在项目立项、招标的各个环节全方位地(市场分配, 价格, 新产品准出, 财力) 采取与发达国家对等的政策, 为中国企业的成长和发展提供保证和支持。

上海汽轮机有限公司五十年来为我国电力工业的发展作出了应有的贡献, 在进入W T O 的新世纪中, 在努力用好以市场换技术得来的先进技术的同时, 要继续发扬科学的创新精神, 加强技术投入, 建立自主的研发系统。面对国内、国际的挑战, 企业要进一步深化内部改革, 以产品、技术、管理三个一流为目标提升企业的整体水平, 为我国动力工程事业的发展作出更大的贡献。

业建立与国际对等的支持政策。

#会议消息#

中国动力工程学会透平专委会

2002年度学术研讨会在哈尔滨召开

2002年度中国动力工程学会透平专委会第十届学术研讨会(同2002年汽轮机行业总工程师工作研讨会一起) 于2002年9月在哈汽厂召开, 出席会议的代表有透平专委会主任委员、秘书长及委员、部分特邀代表和一些论文宣读作者, 以及总工程师会议与会代表共计50余人。

本次会议从来稿中选出15篇论文进行宣读和研讨, 内容涉及广, 既有对透平行业的回顾和展望, 又有专题论述, 从各个领域反映出同行业共同关心的问题。这次宣读论文中也包括为配合中国动力工程学会创立40周年而分别由哈汽、东汽、上汽三家制造厂总师及上海电气集团总公司副总师撰写的4篇内容翔实的文章, 为与会代表了解大型汽轮机及燃机国产化现状和未来发展前景提供了很好的机会。会议期间, 经过评选, 共有7篇文章获优秀论文奖, 并颁发了获奖征书和奖金。

通过几天的论文宣读与交流, 与会者认为, 透平专委会每年一次的论文研讨会为大家开展学术活动、增进了解以及建立更深入的交流提供了难得的机会, 尤其是通过相关学术专题的研讨, 将促进行业内制造厂与大学及相关院所之间的联系和合作, 为技术的开发和应用, 推动汽轮机行业的良性发展起到了导向及信息沟通作用。

经过商讨, 2003年度透平专委会学术研讨会(会同2003年第十三次汽轮机行业总工程师工作研讨会一起召开) 将于明年第三季度在北京汽轮电机有限公司举行, 研讨的学术论文将从现在起开始征稿, 透平专委会协办刊物5上海汽轮机6也将一如既往为学会的学术交流提供刊登园地。

巾心