百萬二次再熱超超臨界六缸六排汽機(jī)組技術(shù)研究

馬魁元

(大唐東北電力試驗(yàn)研究所有限公司，吉林 長春 130012)

0 前言

2016年底，全國全口徑發(fā)電裝機(jī)容量16.5億kW，同比增長8.2%，其中可再生能源電力總裝機(jī)6.0億kW，占比36.4%。我國是以煤炭為主要一次能源的國家，煤電在電力生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位。能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟(jì)命脈[1]。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國發(fā)電設(shè)備的裝機(jī)容量也以較快的速度增長。但是，隨之而來的是會產(chǎn)生大量的排放污染，迫于環(huán)境保護(hù)方面的壓力，提高煤炭能源利用率降低污染排放，節(jié)能降耗創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展迅速，節(jié)能是實(shí)現(xiàn)中國能源經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[2]。節(jié)能減排是我國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的一項(xiàng)長遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，而火電廠是一次能源的消費(fèi)大戶，同時也是節(jié)能減排的重點(diǎn)企業(yè)[3]。世界上許多國家都積極開發(fā)更高效率、更少排放的燃煤機(jī)組，大型化、高參數(shù)成為今后燃煤機(jī)組發(fā)展的趨勢。

自2006年國內(nèi)首臺百萬超超臨界火電機(jī)組投產(chǎn)商業(yè)運(yùn)行，標(biāo)志著中國已掌握了當(dāng)今世界最先進(jìn)的火力發(fā)電技術(shù)。截止到2015年底，已經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行的百萬機(jī)組已達(dá)到82臺，在建機(jī)組10臺，成為世界范圍內(nèi)百萬機(jī)組最多的國家之一。目前國內(nèi)百萬機(jī)組多均為五缸四排汽型式，汽輪機(jī)的缸效率會直接影響到機(jī)組的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[4]，為了追求更高的汽輪機(jī)內(nèi)效率，需要提高汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)的同時降低排汽壓力，而在設(shè)計(jì)制造汽輪機(jī)的過程中，初參數(shù)的提高對合鋼材料的品質(zhì)及工藝要求較高，受到了較大的發(fā)展限制。這就需要降低排汽壓力而提出降低汽輪機(jī)阻塞背壓的方法，降低阻塞背壓的方法有兩種：一是提高末級葉片的高度，但由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速高，末級葉片高度很難進(jìn)一步提高。二是增加低壓缸的數(shù)量，增加凝汽器排汽面積[5]。

本文通過增加低壓缸數(shù)量的方式達(dá)到六缸六排汽汽輪機(jī)組，分析其技術(shù)特性和技術(shù)指標(biāo)。

1 六缸六排汽技術(shù)特性

1.1 總體方案

為順應(yīng)世界范圍內(nèi)大功率、高參數(shù)、低能耗汽輪機(jī)組的發(fā)展趨勢，提出了機(jī)組功率等級1 000 MW效率最優(yōu)的汽輪機(jī)組的要求，本次研究的對象為1 000 MW超超臨界二次再熱六缸六排汽機(jī)組，為了使汽輪機(jī)背壓達(dá)到阻塞背壓以下，由原來的兩個低壓缸增加一個低壓缸，使汽輪機(jī)背壓設(shè)計(jì)為2.9 kPa，研制開發(fā)了百萬二次再熱超超臨界火力發(fā)電機(jī)組，型號為：31 MPa/600℃/620℃/620℃，擬采用六缸六排汽的單軸方案。汽輪機(jī)各缸順序依次為一個高壓缸、一個超高壓缸、一個中壓缸和三個低壓缸串聯(lián)的布置方式，如圖1所示。

圖1 六缸六排汽三維外觀圖

主蒸汽及高、低溫再熱蒸汽系統(tǒng)采用單元制系統(tǒng)。鍋爐主給水經(jīng)過過熱器加熱后成為主蒸汽進(jìn)入超高壓缸，超高壓缸做完功的乏汽為一次低溫再熱蒸汽，進(jìn)入鍋爐再熱器加熱后成為一次高溫再熱蒸汽，一次高溫再熱蒸汽進(jìn)入高壓缸做功，高壓缸做完功的乏汽為二次低溫再熱蒸汽，進(jìn)入鍋爐再熱器加熱后成為二次高溫再熱蒸汽，二次高溫再熱蒸汽進(jìn)入中壓缸做功，中壓缸做完功的乏汽進(jìn)入低壓缸做功，最終低壓缸排汽進(jìn)入凝汽器凝結(jié)冷卻進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)，在經(jīng)過除氧器除氧、給水泵加壓后進(jìn)入高壓加熱器加熱，出口給水進(jìn)入鍋爐加熱完成一次汽水循環(huán)。

1.2 軸系穩(wěn)定特性

機(jī)組的振動水平是表征電廠穩(wěn)定安全最重要的標(biāo)志之一。過大的機(jī)組振動不僅引起機(jī)組動靜碰磨、加速零部件磨損、造成部件疲勞損傷等故障，嚴(yán)重時還會造成機(jī)組毀壞的特大事故[6]。

六缸六排汽方案與五缸四排汽方案相比，軸系明顯加長，軸系膨脹尺寸發(fā)生相應(yīng)變化，軸系穩(wěn)定性如何保證是值得關(guān)注的技術(shù)難題。為了解決軸系穩(wěn)定性和低壓缸差脹過大問題，設(shè)計(jì)時將汽缸布置順序和膨脹死點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)整。五缸四排汽方案，缸體的布置順序是超高壓缸、高壓缸、中壓缸和兩個低壓缸，機(jī)組膨脹死點(diǎn)位于超高壓缸和高壓缸之間。六缸六排汽方案，缸體的布置順序是高壓缸、超高壓缸、中壓缸和三個低壓缸，膨脹死點(diǎn)在超高壓缸和中壓缸之間。在3號軸承座內(nèi)裝有徑向推力聯(lián)合軸承。因此，整個軸系是以此為死點(diǎn)向兩頭膨脹；而高壓缸和中壓缸的貓爪在3號軸承座處也是固定的。因此，整個機(jī)組的動靜膨脹方向是相同的，解決了軸系膨脹不暢的問題。

圖2 六缸六排汽支撐點(diǎn)及軸系分布圖

汽輪發(fā)電機(jī)組軸系由八根轉(zhuǎn)子、十個軸承支承組成，其中，汽輪機(jī)部分由一根高壓轉(zhuǎn)子(HP)、一根超高壓轉(zhuǎn)子(VHP)、一根雙流中壓轉(zhuǎn)子(IP)及三根雙流低壓轉(zhuǎn)子(LP1、LP2、LP3)組成；發(fā)電機(jī)部分則由水氫氫發(fā)電機(jī)(GEN)及靜態(tài)勵磁機(jī)(EXC)轉(zhuǎn)子組成。其中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子除高壓轉(zhuǎn)子外其他均采用單支承結(jié)構(gòu)型式，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為雙支撐結(jié)構(gòu)，勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子勵端由一個四塊可傾瓦軸承與發(fā)電機(jī)形成三支承結(jié)構(gòu)。

通過計(jì)算八根轉(zhuǎn)子的一、二階阻尼臨界轉(zhuǎn)速見表1，能滿足避開額定轉(zhuǎn)速10%的要求(西門子標(biāo)準(zhǔn))及國家標(biāo)準(zhǔn)15%的要求。

另外，通過計(jì)算軸系扭振頻率見下表，軸系的各階扭振頻率應(yīng)避開45～55和95～105的范圍，滿足考核規(guī)范要求。

表1六缸六排汽轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算表

轉(zhuǎn)子高壓轉(zhuǎn)子超高壓轉(zhuǎn)子中壓轉(zhuǎn)子低壓轉(zhuǎn)子1低壓轉(zhuǎn)子2低壓轉(zhuǎn)子3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速/r·min-11 7822 2021 5421 2961 2961 2907323 828二階臨界轉(zhuǎn)速/r·min-1>4 500>4 500>4 500>4 000>4 000>4 0002 172>4 500

表2六缸六排汽軸系扭振頻率計(jì)算表

階數(shù)12345678頻率/Hz10.9816.9819.4624.9434.8968.43129.84141.72

1.3 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

由于機(jī)組增加了一個低壓缸采用六缸六排汽方案，使低壓缸排汽面積增大，低壓缸通流能力提高，汽輪機(jī)背壓由原來的3.8 kPa降低至2.9 kPa，降低了汽輪機(jī)的末參數(shù)，提高了汽輪機(jī)循環(huán)熱效率。為了對比六缸六排汽在經(jīng)濟(jì)方面具有什么樣的優(yōu)勢，對六缸六排汽方案經(jīng)過系統(tǒng)和冷端優(yōu)化，提出兩種對比方案。方案一：六缸六排汽方案，設(shè)計(jì)排汽壓力為2.9 kPa，型號為N1000-30/600/620/620；方案二:五缸四排汽排汽方案，設(shè)計(jì)排汽壓力為3.8 kPa，型號為N1000-31/600/620/620。兩種方案的主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3六缸六排汽與五缸四排汽主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比表

參數(shù)六缸六排汽方案五缸四排汽方案機(jī)組出力/MW1 0001 000主蒸汽壓力/MPa3031主蒸汽溫度/℃600600主蒸汽流量/t·h-12 5412 771一次再熱蒸汽壓力/MPa1010.7一次再熱蒸汽溫度/℃620620二次再熱蒸汽壓力MPa3.33.2二次再熱蒸汽溫度/℃620620低壓缸排汽壓力/kPa2.93.8低壓缸排汽流量/t·h-11 3311 440給水泵驅(qū)動方式汽動汽動最終給水溫度/℃325328機(jī)組熱耗率/kJ·(kWh)-16 9497 024

通過表3可以看出，在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行兩種方案的對比分析，五缸四排汽方案機(jī)組機(jī)組熱耗率為7 024 kJ/kWh，而優(yōu)化后的六缸六排汽方案機(jī)組熱耗率為6 949 kJ/kWh， 明顯低于前一方案75 kJ/kWh，折合成供電煤耗約2.28 g/kWh。

1.4 設(shè)備制造周期

目前汽輪機(jī)廠家均采用先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)理念，機(jī)組采用六缸六排汽型式后，需要增加一個低壓缸模塊。由于低壓缸排汽壓力的變化，低壓缸的排汽容量發(fā)生根本變化，三個低壓缸整體做功能力發(fā)生了變化，對高壓缸、超高壓缸和中壓缸的做功也會產(chǎn)生影響，并不是簡單的由兩個低壓模塊增加為三個低壓模塊，汽輪機(jī)廠家需要通過優(yōu)化末級葉片高度和葉型、優(yōu)化軸系穩(wěn)定性，最終提高低壓缸通流效率。而且還要對高壓缸、超高壓缸和中壓缸的做功能力進(jìn)行核算，重新設(shè)計(jì)，勢必會增加生產(chǎn)制造周期，設(shè)計(jì)周期保守估計(jì)，六缸六排汽方案比五缸四排汽方案會增加4個月。

2 效益分析

2.1 初投資對比分析

六缸六排汽方案較五缸四排汽方案，一臺機(jī)組需要增加一個低壓缸，由于軸系增加，廠房需要額外增加土建工程，相應(yīng)的輔助設(shè)備及泵組需要增加，另外還需要增加一部分循環(huán)水管道。具體增加的項(xiàng)目及投資見表4，總體而言，六缸六排汽方案較五缸四排汽方案需要增加投資為6 636萬元。

表4兩種設(shè)計(jì)方案的投資比較

方案低壓缸及附屬設(shè)備主廠房土建機(jī)務(wù)輔助設(shè)備水工機(jī)械及泵組循環(huán)水管六缸六排汽方案+5 500+680+120+163+173五缸四排汽方案00000

2.2 燃煤成本分析

在進(jìn)行燃煤成本分析中，要確定在兩種方案的邊界條件及熱力系統(tǒng)一致的條件下。按照年發(fā)電利用小時數(shù)5 500 h，一臺發(fā)電機(jī)組年發(fā)電量為55億kWh計(jì)算，六缸六排汽每年可以節(jié)約標(biāo)煤約1.254萬t，按照每t標(biāo)煤500元計(jì)算，則每年可節(jié)約燃煤成本約627萬元,見表5。

表5兩種方案單臺機(jī)組熱耗率、煤耗、運(yùn)行費(fèi)用對比

設(shè)計(jì)方案年均發(fā)電熱耗率/kJ·(kWh)-1供電煤耗/g·(kWh)-1供電煤耗差值/g·(kWh)-1年均標(biāo)煤耗量差值/萬t年均運(yùn)行費(fèi)用差值/萬元六缸六排汽方案6 949259.8基準(zhǔn)00五缸四排汽方案7 024262.08+2.28+1.254627

2.3 綜合效益分析

對六缸六排汽和五缸四排汽兩種方案進(jìn)行投資分析及燃煤成本分析后，采用最小年費(fèi)用比較法[7-8]進(jìn)行計(jì)算，公式如下

NF=i(1+i)n×K/((1+i)n-1)+C

式中NF——年費(fèi)用/萬元；

K——投資的現(xiàn)值/萬元；

n——設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行年限，取25年；

C——折算的年運(yùn)行費(fèi)用(包括運(yùn)行電費(fèi)、維修費(fèi)和管理費(fèi)等，假設(shè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行期內(nèi)每年的運(yùn)行費(fèi)是等額的)/萬元；

i——折現(xiàn)率。

表6兩種方案單臺機(jī)組年費(fèi)用對比

設(shè)計(jì)方案燃料成本/萬元初投資/萬元年均費(fèi)用差值/萬元六缸六排汽方案-6275 5000五缸四排汽方案基準(zhǔn)基準(zhǔn)基準(zhǔn)

通過兩種方案按照最小年費(fèi)用法進(jìn)行計(jì)算可知見表6，六缸六排汽方案較五缸四排汽方案多投資約5 500萬元，但是六缸六排汽方案可每年節(jié)約燃煤成本約627萬元，則至少8.8年后可回收投資成本，從第9年開始盈利。

2.4 環(huán)保效益分析

從環(huán)境保護(hù)和節(jié)能降耗方面考慮，六缸六排汽方案也優(yōu)于五缸四排汽方案。該工程六缸六排汽方案兩臺機(jī)組年節(jié)約標(biāo)煤2.508萬t，相當(dāng)于每年減排煙塵排放8 444 t，減排二氧化硫排放515 t，減排氮氧化物排放109 t，減排溫室氣體二氧化碳排放69 472 t。該工程六缸六排汽方案，改善了環(huán)境空氣質(zhì)量，減少了溫室氣體二氧化碳，從而降低溫室效應(yīng)，具有可觀的環(huán)境效益。

3 結(jié)論

(1)六缸六排汽方案較五缸四排汽方案增加一個低壓缸，軸系增長，軸系穩(wěn)定性通過調(diào)整膨脹死點(diǎn)得到了有效解決。

(2)六缸六排汽方案在北方沿海地區(qū)應(yīng)用后，通過優(yōu)化低壓缸排汽參數(shù)，降低背壓至2.9 kPa，每年節(jié)約標(biāo)煤約2.28 g/kWh，折合成標(biāo)煤約1.254萬t，具有非常好的社會效益。

(3)從環(huán)境保護(hù)和節(jié)能降耗方面，六缸六排汽方案每年向大氣減少大量的污染物排放，對保護(hù)環(huán)境具有較高的效益。