[00111398]600MW機組主油泵及油渦輪升壓泵研制與優化

該項目源于東方汽輪機有限公司根據我國600MW汽輪機主油泵及油渦輪國產化研制的任務，并作為公司重大科研立項（項目編號：科2003-535）。在流體動力設計方面與西華大學合作，受到四川省教育廳自然科學重點項目（07ZA116）的支持。該項目研究內容符合國家“十五”、“十一五”科技攻關要求和四川省科技攻關指南，解決大型發電設備全部國產化和自主創新問題，屬于先進制造業技術領域。針對目前我國大型機組的主力機型－單機容量600MW級機型的“主油泵與油渦輪升壓泵供油系統”中的一系列關鍵技術進行研究開發，目的在于自主開發出600MW級機型的油系統的主油泵及油渦輪升壓泵等關鍵設備。掌握自主知識產權，實現產業化，達到國際先進水平，全面取代進口產品。油系統是火電和核電機組的重要組成部分之一，是保證發電機組能夠正常運行的關鍵。隨著單機容量的增加，對油系統的可靠性要求也不斷提高。在600MW及以上汽輪機組上一般采用“主油泵與油渦輪升壓泵供油系統”，近年來一些300MW及以下機組也逐步改用為該類系統。為了保證性能要求，國內對于大型汽輪機配套的油系統的關鍵設備（主油泵、油渦輪、升壓泵等）一般從國外進口或引進技術。該類系統不僅具有明顯的節能效果，而且在非設計工況下仍可維持較高的效率，提高了機組運行的經濟性。該項目針對600MW級機型的主油泵和油渦輪升壓泵產品的國內自主創新中的一系列關鍵技術問題，通過廠校合作進行研究與攻關，解決這些關鍵設備的研制過程中所涉及的共性關鍵技術。對該系統中的低比轉速雙吸離心主油泵、具有變轉速運行的高比轉速雙吸離心升壓油泵及具有流量調節的小反動度的徑向油渦輪的設計方法進行深入研究。在主油泵和升壓油泵流體動力設計過程中，用先進數字化設計方法，進行三元葉輪數字化設計，將葉片進口段設計成三維扭曲葉片，優化葉片出口幾何參數，以提高效率和運行穩定性。在油渦輪的流體動力設計中，按照油系統的運行要求通過調節渦輪的流量滿足升壓泵的軸功率和油渦輪出口的油壓要求。根據升壓油泵的工況匹配要求來設計油渦輪裝置。油渦輪采用環狀布置的徑流渦輪、直流道噴嘴及蝸殼，并驅動升壓油泵向主油泵供油和提供潤滑系統的油量和壓力，以自適應其機組油系統穩定性要求。采用基于全流道流場數值模擬及性能預測的優化設計方法，通過對非設計工況的協同優化來解決油系統運行穩定性問題。在結構設計過程中，對于轉子部件進行“流－固”耦合結構計算分析，優化結構設計以保證產品可靠性及可維修性，同時使其結構緊湊，簡化制造工藝和降低成本。經過樣機制造，廠內試驗，優化產品設計與制造，試驗后達到設計要求后投入商業運行驗證。該項目針對國產600MW級機型油系統要求，主要性能參數與日立公司產品基本一致，部分要求稍有提高。經過試驗和商業運行驗證表明，自主研制的主油泵及油渦輪升壓泵完全達到原定的技術指標，已完全達到并部分性能指標優于進口日立產品的性能參數。在大流量運行區域主油泵出口壓力比日立產品要高0.05Mpa，主油泵壓力輸出更平穩、高效率區更寬、變工況適應性更強。最優工況按設計目標向大流量區域偏移，與日立產品相比主油泵p-Q特性曲線更平坦，油渦輪升壓泵的轉速和功率匹配更好，保證油系統的在更寬范圍內的穩定性。主油泵的最優工況效率達到72%，升壓泵的最優工況效率達到78.5%，油渦輪升壓泵系統的效率大于50%，大大高于傳統的“主油泵與射油器組成的供油系統”（約25%）的效率。經過查新表明，該項目實屬國內首次自主創新開發出的大型汽輪機配套的主油泵和升壓泵油渦輪，具有自主知識產權。在理論創新方面，探索出了基于性能預測的主油泵及油渦輪升壓泵和優化設計方法。在主油泵和升壓泵的流體動力學設計中，采用非設計工況的協同優化技術，解決油系統的流體動力穩定性問題。在技術創新方面，在研制過程中，廣泛采用全流道流場數值模擬及性能預測的優化設計方法來優化流道設計，通過數值試驗大大地減少實物試驗，降低研制成本，并縮短研制周期。通過流場數值模擬技術來解決升壓泵與油渦輪功率匹配問題，對轉子進行“流－固”耦合動力學分析，優化結構設計，提高產品的可靠性。采用國內自主研制的國產化產品后，經濟效益非常顯著。進口一套600MW機組主油泵及油渦輪的價格分別為20.94萬美元(FOB)、14.3萬美元（FOB），即約合190萬人民幣（到廠價）、130萬（到廠價）人民幣，而國產化產品的價格分別為16.5萬人民幣和19.2萬人民幣。每套分別節省人民幣173.5萬和110.8萬，一臺600MW機組可節省284.3萬。按目前我公司的定貨情況，每年至少產出30臺600MW機組，可為公司節省8529萬元人民幣。應用三年來已創增收節支總額達1.77億元。如果將該技術推廣給其它制造廠，則可為國家產生更大的經濟效益。該項目不僅具有較大的經濟效益，而且具有很好的技術和社會效益方面。通過我們技術攻關，掌握了自主知識產權，打破了國外同行的技術封鎖，提高了在國際市場與國外公司展開競爭能力。目前，600MW級機型仍是我國的主力機型，該項目研究的成功對我國發電設備制造技術進步和能源工業的發展有重要意義。電力工業是每個國家的基礎產業。目前在我國的發電量中熱電仍然占70%左右。由于環境壓力加重，及提高能源利用率的經濟效益雙重驅動，今后熱力發電機組主要以超臨界、超超臨界參數的600MW、1000MW等級機型為發展目標。該項目自主研制的主油泵和油渦輪升壓泵可用于超臨界、超超臨界參數及常規的600MW級機型，完全替代國外進口產品。我公司是我國研究、設計、制造大型電站汽輪機的高新技術國有骨干企業，目前正在負責自主開發1000MW超超臨界汽輪機組，該項目的攻關成果也為1000MW核電機組油系統國產化奠定了技術基礎。東方電氣集團作為我國的三大發電設備生產基地之一和全球主要發電設備制造廠，該項目的成果有很好的推廣應用前景。