[00111398]600MW机组主油泵及油涡轮升压泵研制与优化

该项目源于东方汽轮机有限公司根据我国600MW汽轮机主油泵及油涡轮国产化研制的任务，并作为公司重大科研立项（项目编号：科2003-535）。在流体动力设计方面与西华大学合作，受到四川省教育厅自然科学重点项目（07ZA116）的支持。该项目研究内容符合国家“十五”、“十一五”科技攻关要求和四川省科技攻关指南，解决大型发电设备全部国产化和自主创新问题，属于先进制造业技术领域。针对目前我国大型机组的主力机型－单机容量600MW级机型的“主油泵与油涡轮升压泵供油系统”中的一系列关键技术进行研究开发，目的在于自主开发出600MW级机型的油系统的主油泵及油涡轮升压泵等关键设备。掌握自主知识产权，实现产业化，达到国际先进水平，全面取代进口产品。油系统是火电和核电机组的重要组成部分之一，是保证发电机组能够正常运行的关键。随着单机容量的增加，对油系统的可靠性要求也不断提高。在600MW及以上汽轮机组上一般采用“主油泵与油涡轮升压泵供油系统”，近年来一些300MW及以下机组也逐步改用为该类系统。为了保证性能要求，国内对于大型汽轮机配套的油系统的关键设备（主油泵、油涡轮、升压泵等）一般从国外进口或引进技术。该类系统不仅具有明显的节能效果，而且在非设计工况下仍可维持较高的效率，提高了机组运行的经济性。该项目针对600MW级机型的主油泵和油涡轮升压泵产品的国内自主创新中的一系列关键技术问题，通过厂校合作进行研究与攻关，解决这些关键设备的研制过程中所涉及的共性关键技术。对该系统中的低比转速双吸离心主油泵、具有变转速运行的高比转速双吸离心升压油泵及具有流量调节的小反动度的径向油涡轮的设计方法进行深入研究。在主油泵和升压油泵流体动力设计过程中，用先进数字化设计方法，进行三元叶轮数字化设计，将叶片进口段设计成三维扭曲叶片，优化叶片出口几何参数，以提高效率和运行稳定性。在油涡轮的流体动力设计中，按照油系统的运行要求通过调节涡轮的流量满足升压泵的轴功率和油涡轮出口的油压要求。根据升压油泵的工况匹配要求来设计油涡轮装置。油涡轮采用环状布置的径流涡轮、直流道喷嘴及蜗壳，并驱动升压油泵向主油泵供油和提供润滑系统的油量和压力，以自适应其机组油系统稳定性要求。采用基于全流道流场数值模拟及性能预测的优化设计方法，通过对非设计工况的协同优化来解决油系统运行稳定性问题。在结构设计过程中，对于转子部件进行“流－固”耦合结构计算分析，优化结构设计以保证产品可靠性及可维修性，同时使其结构紧凑，简化制造工艺和降低成本。经过样机制造，厂内试验，优化产品设计与制造，试验后达到设计要求后投入商业运行验证。该项目针对国产600MW级机型油系统要求，主要性能参数与日立公司产品基本一致，部分要求稍有提高。经过试验和商业运行验证表明，自主研制的主油泵及油涡轮升压泵完全达到原定的技术指标，已完全达到并部分性能指标优于进口日立产品的性能参数。在大流量运行区域主油泵出口压力比日立产品要高0.05Mpa，主油泵压力输出更平稳、高效率区更宽、变工况适应性更强。最优工况按设计目标向大流量区域偏移，与日立产品相比主油泵p-Q特性曲线更平坦，油涡轮升压泵的转速和功率匹配更好，保证油系统的在更宽范围内的稳定性。主油泵的最优工况效率达到72%，升压泵的最优工况效率达到78.5%，油涡轮升压泵系统的效率大于50%，大大高于传统的“主油泵与射油器组成的供油系统”（约25%）的效率。经过查新表明，该项目实属国内首次自主创新开发出的大型汽轮机配套的主油泵和升压泵油涡轮，具有自主知识产权。在理论创新方面，探索出了基于性能预测的主油泵及油涡轮升压泵和优化设计方法。在主油泵和升压泵的流体动力学设计中，采用非设计工况的协同优化技术，解决油系统的流体动力稳定性问题。在技术创新方面，在研制过程中，广泛采用全流道流场数值模拟及性能预测的优化设计方法来优化流道设计，通过数值试验大大地减少实物试验，降低研制成本，并缩短研制周期。通过流场数值模拟技术来解决升压泵与油涡轮功率匹配问题，对转子进行“流－固”耦合动力学分析，优化结构设计，提高产品的可靠性。采用国内自主研制的国产化产品后，经济效益非常显著。进口一套600MW机组主油泵及油涡轮的价格分别为20.94万美元(FOB)、14.3万美元（FOB），即约合190万人民币（到厂价）、130万（到厂价）人民币，而国产化产品的价格分别为16.5万人民币和19.2万人民币。每套分别节省人民币173.5万和110.8万，一台600MW机组可节省284.3万。按目前我公司的定货情况，每年至少产出30台600MW机组，可为公司节省8529万元人民币。应用三年来已创增收节支总额达1.77亿元。如果将该技术推广给其它制造厂，则可为国家产生更大的经济效益。该项目不仅具有较大的经济效益，而且具有很好的技术和社会效益方面。通过我们技术攻关，掌握了自主知识产权，打破了国外同行的技术封锁，提高了在国际市场与国外公司展开竞争能力。目前，600MW级机型仍是我国的主力机型，该项目研究的成功对我国发电设备制造技术进步和能源工业的发展有重要意义。电力工业是每个国家的基础产业。目前在我国的发电量中热电仍然占70%左右。由于环境压力加重，及提高能源利用率的经济效益双重驱动，今后热力发电机组主要以超临界、超超临界参数的600MW、1000MW等级机型为发展目标。该项目自主研制的主油泵和油涡轮升压泵可用于超临界、超超临界参数及常规的600MW级机型，完全替代国外进口产品。我公司是我国研究、设计、制造大型电站汽轮机的高新技术国有骨干企业，目前正在负责自主开发1000MW超超临界汽轮机组，该项目的攻关成果也为1000MW核电机组油系统国产化奠定了技术基础。东方电气集团作为我国的三大发电设备生产基地之一和全球主要发电设备制造厂，该项目的成果有很好的推广应用前景。