超臨界大型汽輪機選型研究

 摘 要：超臨界技術是火電技術的發展方向，而超臨界汽輪機又是引進超臨界技術的關鍵，在超臨界汽輪機單機容量、參數調節方式、軸系和旁路系統的選擇中應遵循高效、經濟的原則，而單軸、5缸6排汽或4缸4排汽，參數為25MPa/600℃/600℃或25MPa/600℃/620℃滑壓運行、全周進汽1000MW級超臨界汽輪機應是較為科學合理的選擇。 
        關鍵詞：超臨界汽輪機, 選型 ,參數 ,軸系 

        通過技術進步降低燃煤發電對環境的污染，是我國目前電力發展面臨的重要問題。在諸多潔凈煤發電技術中，超臨界發電技術配之以高效煙氣凈化技術是最具有技術繼承性，最具有條件在短時期內實現規模化生產，優化火電結構，是推進燃煤發電技術發展的重要技術方向。引進和建設低煤耗、大容量的超臨界大型火電機組勢在必行，而超臨界火電技術的經濟性與單機容量緊密相關，特別是超臨界汽輪機的型式、容量、參數、調節方式和旁路系統的選擇將直接影響技術引進的成敗。根據超臨界機組的自身特點，科學合理地選擇超臨界汽輪機將對我們引進吸收國外先進技術起到事半功倍的效果。 
        一、超臨界汽輪機單機容量的選擇 
        超臨界汽輪機單機容量的增大，不僅對降低單位千瓦的投資大有好處，而且可以節約一次能源的消耗。汽輪機進汽量隨單機容量的增大而增大，并且使軸端泄漏損失所占比重減小，以及由于通流面積的增大，通流部分漏汽損失也相對減小。但是機組容量的增大，其相對應的最佳設計參數也應隨之提高，所需的設備制造材料的等級也將提高，設備造價大幅度提高。另外，汽輪機進汽初壓的提高對熱耗影響的大小與機組容量大小和初壓變化幅度有關，機組容量愈大，汽輪機最佳進汽壓力也相應增大。根據汽輪機設計參數對熱耗的影響和我國電網容量的大小，及我國現有超臨界機組容量的大?。ㄎ覈淹懂a600MW/800MW/900MM等多臺超臨界機組），并結合國際上的先進技術，應大規模引進l000Mv級的超臨界機組，以促進我國高效、環保的電源結構的形成。 
        二、超臨界汽輪機參數的選擇 
        提高大型汽輪機機組效率，降低機組熱耗，通常用提高進汽參數的辦法來實現，并取得了顯著成效。當機組由亞臨界參數向超臨界參數轉變時，汽輪機相對內效率的提高非常明顯。但當進汽參數在25MPa/600℃/600℃的基礎上再提高進汽參數到30MPa/600℃/600℃時，相對內效率的變化僅為0.5%，而為提高這一參數所消耗在金屬材料上的代價卻非常昂貴，得不償失。對于再熱蒸汽（中壓缸進汽）參數的選擇應特別對待，超臨界大型汽輪機由于再熱蒸汽的壓力也相應提高，但其絕對值較小，一般為主蒸汽壓力的18％-23%。在選擇再熱蒸汽壓力與溫度時，應優先選擇提高再熱蒸汽的溫度，因為提高溫度比提高壓力的投入小，并且在運行中還可以降低給水泵的功耗，機組熱耗下降明顯（再熱蒸汽溫度每提高10℃，熱耗可下降約0.3%)。另外，提高再熱蒸汽溫度會降低低壓缸排汽濕度，改善汽輪機低壓缸末幾級長葉片的工作環境，提高汽輪機低壓缸內效率，延長汽輪機低壓缸末幾級長葉片的壽命。適當提高再熱蒸汽溫度，還可以較充分地發揮超臨界技術降低機組熱耗的優越性，所以選擇再熱蒸汽參數時應優先選擇再熱蒸汽溫度較主蒸汽溫度稍高的參數 
        在一定范圍內，汽輪機的新蒸汽溫度或再熱蒸汽溫度每提高100℃，機組熱耗一般下降0.25％-0.3%，若進汽溫度及再熱溫度同時提高30℃，機組熱耗可下降1.5％-1.8%；而采用二次再熱可進一步提高機組運行的熱經濟性（一般二次再熱比一次再熱可進一步降低機組熱耗1.5% -2.0%)，但管道布置及控制、保護系統較復雜，機組造價增加。因此，只有工作在燃料價格特別昂貴地區的帶基本負荷大機組才考慮采用二次再熱。由此可見，畏次再熱短期內不適應我國國情，技術引進時暫不考慮由于日本近年來在超臨界技術方面一直處于國際領先水平，為了獲取機組的最佳熱耗，可參照日本1997年以后投運的700MM以上的大型火電機組的新蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度，選取既安全可行又處于國際領先水平的合理的蒸汽參數：25MPa/600℃/610℃或25MPa/600℃/600℃。 
        三、超臨界汽輪機軸系的選擇 
        1．超臨界汽輪機單軸與雙軸的選擇 
        超臨界汽輪機為減少軸系長度，通常采用雙軸布置，現役機組既有單軸布置的亦有雙軸布置，無論單軸布置還是雙軸布置，都是為滿足排汽面積符合低壓排汽的需要，當末級長葉片的制造加工可以滿足需要且汽輪發電機組在同一直線布置，其軸系的穩定性可以保證時，應首選單軸機組。汽輪發電機組的運行實踐證明，相同容量的機組，單軸機組較雙軸機組具有更好的“經濟型規模”，且易于布置、降低造價、節約材料、縮短建設工期。 
        2．超臨界汽輪機高、中壓通流部分的選擇
超臨界機組由于進汽參數高，汽輪機的高、中壓汽缸及主蒸汽管道等金屬部件較為厚重，蒸汽參數的變化會引起高、中壓汽缸，主蒸汽管道，高、中壓轉子，噴嘴汽室等金屬部件有較大的交變熱應力，而影響機組變負荷運行能力及靈活性。為提高機組變負荷運行能力及靈活性，在結構設計上通常除采用多層汽缸結構，以降低每層汽缸的內外壓差、溫差，減少壁厚外，BBC公司采用兩半圓筒式無中分面法蘭的套嵌式內缸，西門子公司采用過整體圓筒式無水平中分面軸向裝配式汽缸，這兩種結構對降低汽缸熱應力和熱變形是有利的，但檢修工藝復雜，另一種傳統結構是采用盡可能窄的水平中分面法蘭。實踐證明：采用高窄水平中分面法蘭既能滿足機組變負荷運行的需要，又便于安裝檢修 
        3．超臨界汽輪機低壓通流部分的選擇 
        現役的1000MM級超臨界單軸汽輪機基本上為5缸6排汽布置，并積累了豐富的成功經驗，技術非常成熟。隨著冶金和機械加工技術的不斷發展，加工制造43英寸以上長度的低壓末級長葉片技術已十分成熟，因此設計制造4缸4排汽的1000MW級超臨界單軸汽輪機在技術和工藝上完全可行。設計制造4缸4排汽的汽輪發電機組，既可以縮短汽輪機軸系長度，節約材料，又可以增加軸系的穩定性，提高機組可靠性和經濟性。另外，在選擇4缸4排汽的l000MM級超臨界單軸汽輪機時，應盡量選用單軸瓦結構，如果選用雙軸瓦，則軸系太長，汽輪機軸系的穩定性難以保證。 
        四、超臨界機組調節方式的選擇 
        超臨界機組進汽參數高、進汽密度大，特別是在低負荷時，若采用定壓噴嘴調節，調節級葉片負荷特別大，調節級葉片將產生巨大的應力，無論在葉片結構上采取何種措施，調節級葉片應力對機組的可靠性必定是一個潛在威脅。如果采用滑壓運行、全周進汽方式不僅能減少汽缸及轉子的熱應力交變循環，而且有利于快速啟停和提高機組負荷適應性。在機組滑壓運行時，汽輪機進汽容積流量不變，調節汽閥呈全開狀態，噴嘴面積不變，此時汽輪機進汽壓力和鍋爐出口氣壓均隨電負荷的變化而變化，它是由機、爐、電統一的控制系統來實現的，由于調節汽閥呈全開狀態，無節流損失，部分負荷下汽輪機內效率可基本保持與設計工況下一樣。在部分負荷下，鍋爐出口汽壓降低了，因此給水壓力也可相應降低，這樣可以減少給水泵的功耗，以提高部分負荷下的熱經濟性。由于在不同負荷時，高壓缸的壓比不變，而且負荷變化時，溫度的相對變化幅度小，因此，不僅能保持汽輪機在部分負荷下有較高的內效率，而且由于溫度變化小，減少了汽輪機主要部件汽缸、轉子的熱應力交變循環，有利于快速啟停和提高機組負荷適應性。此外，采用滑壓運行，鍋爐、管道、汽輪機有關部分在部分負荷時其工作壓力降低，也提高了這些部分主要零部件的工作壽命。總之，滑壓調節方式既可滿足機組調峰的需要，又可確保機組可靠性和經濟性，優勢十分突出。 
        五、超臨界汽輪機旁路系統的選擇 
        機組旁路系統作為機組的重要輔助系統，其配置的優劣將直接影響機組的安全性和經濟性。而旁路系統的形式多種多樣，大致可分為單機（整機）大旁路系統、兩級串聯旁路系統、三級旁路系統和三用閥旁路系統4種形式。 
        單機大旁路系統簡單，投資省，便于操作，可滿足機組啟動、停機過程中回收工質并加快啟動速度的要求，缺點是再熱系統的暖管升溫受到限制，對機組的熱啟動不利；蒸汽未流經再熱器系統，使鍋爐再熱系統的材質、布置及再熱器區的煙氣溫度受到限制，對再熱器不能起到保護作用。在運行中旁路系統調節靈活性不高，負荷適應性較差，不能完全起到旁路系統應有的作用。 
        兩級串聯旁路系統的特點是在機組啟動和甩負荷時保護再熱器，防止其干燒損壞；能夠滿足機組熱態啟動時蒸汽溫度與汽缸金屬壁溫的匹配要求，縮短機組在各種工況下的啟動時間，滿足機組帶中間負荷及調峰的需要。此系統的適應性較強，是目前國內大容量火電機組普遍采用的一種旁路形式。
三級旁路系統適應性強，運行靈活，滿足機組的各種運行工況兼有大旁路系統和兩級串聯旁路系統的優點，但啟動系統復雜，鋼材消耗量大，現在基本上已不再采用。 
        三用閥旁路系統的特點是高壓旁路閥兼有啟動調節閥、減壓閥和安全閥的作用，故稱為三用閥系統，亦是由高、低壓旁路系統組成的兩級串聯旁路系統，但其容量配置較大，一般推薦采用100％容量的高壓旁路，60％-70％容量的低壓旁路，并設置帶有附加控制的再熱器安全閥。三用閥是可控的，能實現快速自動跟蹤超壓保護，省去了鍋爐過熱器安全閥。通過調節控制汽壓以適應機組不同工況的滑參數啟停和運行，機組甩負荷后鍋爐不立即熄火，能帶廠用電運行，事故排除后即可重新投人，既減少鍋爐啟停次數，又減輕了對汽輪機的熱沖擊，縮短恢復時間。三用閥的結構尺寸小，便于布置和檢修。由于三用閥具有多種功能，對熱控和調節系統等方面的要求高，液壓控制難度大，功耗較高，全容量旁路系統的管道尺寸增加，其投資昂貴。 
        選擇旁路系統型式時應考慮機組在電網中承擔的任務、運行方式、事故處理方式和再熱器的位置布置等因素。 
        基本負荷機組運行穩定，啟停次數少，一般可選用系統簡單的旁路系統。
對于調峰機組，負荷變化幅度較大，啟停頻繁，尤其是兩班制運行的機組，每天需要熱態啟動，應選用啟停損失小，便于調節的旁路系統，如兩級串聯旁路系統。對于電網要求在機組甩負荷時，要求停機不停爐、汽輪機空轉或帶廠用電運行，則應選擇汽水能回收，又能保護鍋爐等各部分的旁路系統。
對于三用閥旁路系統，因其對熱控和調節系統等方面的要求高，控制難度大，全容量旁路系統的管道尺寸增加，其投資昂貴，并且這種設計違反國家勞動部頒發的《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》（勞動部發[1996]276號），其設計雖然在內蒙元寶山電廠和華能石洞口二廠（上海）應用得非常成功，但是在1000MM級超臨界機組上應盡量避免使用。 
        綜合各種旁路系統的特點，并考慮隨著大容量超臨界機組數量的日益增多和我國用電高峰的峰谷差不斷增大，超臨界機組勢必參與調峰，超臨界機組應具有高的靈活性和安全性，l000MW級超臨界機組的旁路系統以配置兩級串聯旁路系統為宜。 
        六、結束語 
        根據國內外成熟、先進的超臨界汽輪機設計制造技術和運行管理經驗，結合我國廠網分開、競價上網的實際情況，選擇單軸、5缸6排汽或4缸4排汽；參數為25MPa/600℃/600℃或25MPa/600℃/620℃滑壓運行、全周進汽的1000MW級超臨界汽輪機，并根據主蒸汽和再熱蒸汽參數合理選擇經濟可靠的高、中壓通流部分的制造材料，配置兩級串聯旁路款充，在技術上完全可行，且有著廣闊的發展遠景。

參考文獻
1.李祥苓.超臨界大型汽輪機低壓通流優化研究．國際電力，2002，4
2.楊立洲．超臨界壓力火力發電技術上海：上海交通大學出版社，1990