超高溫亞臨界135MW汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋放放 謝林貴 張文祥 唐麗麗 賴強(qiáng) 劉曉燕

摘要：為了適應(yīng)煤氣發(fā)電技術(shù)不斷向高參數(shù)方向發(fā)展的需求，東方汽輪機(jī)廠研發(fā)了超高溫亞臨界135 MW等級(jí)的汽輪機(jī)。對(duì)該機(jī)型的熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，分析了機(jī)組的配汽方式、回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)、末級(jí)葉片選型等方面內(nèi)容，為后續(xù)機(jī)組開(kāi)發(fā)提供了參考。

關(guān)鍵詞：超高溫亞臨界;汽輪機(jī);熱力系統(tǒng)

0 引言

鋼鐵生產(chǎn)中會(huì)伴隨產(chǎn)生大量煤氣、余熱，鋼廠通過(guò)系統(tǒng)性利用余熱，開(kāi)展全面節(jié)約熱能的工作，保障煤氣滿足鋼鐵生產(chǎn)工藝自用后，尚有大量煤氣可供電廠燃用，減少了大量煤氣（含CO2、CH4等）、高溫?zé)釟庀蚩諝庵信欧?，避免了廢氣、熱源等物質(zhì)污染大氣，改善了鋼廠周邊環(huán)境，提高了鋼廠所在區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展水平。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋼廠煤氣發(fā)電機(jī)組的初參數(shù)不斷提高，大體可以分為以下幾個(gè)階段：

（1）第一代中溫中壓煤氣發(fā)電技術(shù)，主要以3.43 MPa、435 ℃或者更低參數(shù)的機(jī)組為主，全廠發(fā)電效率≤25%，典型項(xiàng)目有湘鋼25 MW煤氣發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目。

（2）第二代高溫高壓煤氣發(fā)電技術(shù)，2002年開(kāi)始煤氣發(fā)電機(jī)組初參數(shù)提高至8.83 MPa、535 ℃，全廠發(fā)電效率提高至29%～31%，典型項(xiàng)目有沙鋼4×50 MW、南鋼3×50 MW煤氣發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目。

（3）第三代高溫超高壓、一次再熱煤氣發(fā)電技術(shù)，2011年開(kāi)始煤氣發(fā)電機(jī)組初參數(shù)提高至13.24 MPa、535 ℃、535 ℃，隨著機(jī)組參數(shù)的提高以及采用中間再熱方式，全廠發(fā)電效率提高至35%～38%，典型項(xiàng)目有九江線材2×65 MW、五礦營(yíng)口135 MW煤氣發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目。

（4）第四代超高溫亞臨界、一次再熱煤氣發(fā)電技術(shù)，在2016年部分機(jī)組采用超高溫超高壓參數(shù)13.24 MPa、566 ℃、566 ℃，但為了進(jìn)一步降低機(jī)組能耗，超高溫亞臨界參數(shù)被提出并得到了迅速推廣應(yīng)用，初參數(shù)為16.67 MPa、566 ℃、566 ℃，全廠發(fā)電效率約為42%，典型項(xiàng)目有日照鋼鐵2×135 MW、湛江鋼鐵2×135 MW煤氣發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目。

一次再熱超高溫亞臨界參數(shù)是目前煤氣發(fā)電領(lǐng)域內(nèi)最高的主汽參數(shù)，針對(duì)目前機(jī)組經(jīng)濟(jì)性要求高、兼顧靈活運(yùn)行的特點(diǎn)，東方汽輪機(jī)廠（以下簡(jiǎn)稱東汽廠）開(kāi)發(fā)了超高溫亞臨界135 MW機(jī)型，在東汽廠已有投運(yùn)的高溫超高壓機(jī)型基礎(chǔ)上，沿用兩缸單排汽、中低壓合缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，具有結(jié)構(gòu)緊湊、軸向跨距短、運(yùn)行靈活性的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)機(jī)組的熱力系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

本文對(duì)該型汽輪機(jī)的熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹，詳細(xì)分析了機(jī)組的配汽方式、回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)、末級(jí)葉片選型等方面的內(nèi)容。

1 總體方案

該機(jī)組為N135-16.7/566/566型超高溫亞臨界、一次中間再熱、兩缸單排汽、濕冷凝汽式汽輪機(jī)。該機(jī)組由一個(gè)高壓模塊及一個(gè)單流低壓模塊組成，高壓模塊和低壓模塊反向布置，共8級(jí)回?zé)?，?個(gè)高壓加熱器+1個(gè)除氧器+4個(gè)低壓加熱器組成，末級(jí)葉片采用成熟的909 mm末葉。汽輪機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2 配汽方式

本機(jī)型采用旁通配汽方式，取消調(diào)節(jié)級(jí)，全周進(jìn)汽帶補(bǔ)汽閥的配置，該種配汽方式具有設(shè)計(jì)效率高、安全可靠性高的特點(diǎn)。

旁通配汽機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，補(bǔ)汽閥全開(kāi)無(wú)節(jié)流損失，當(dāng)機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻時(shí)，可以通過(guò)快速開(kāi)啟補(bǔ)汽閥及時(shí)響應(yīng)，滿足電網(wǎng)調(diào)頻需要的同時(shí)減少鍋爐運(yùn)行波動(dòng)。當(dāng)汽輪機(jī)處于THA工況以下負(fù)荷時(shí)，高壓閥組處于調(diào)節(jié)閥全開(kāi)、補(bǔ)汽閥全關(guān)的狀態(tài)，補(bǔ)汽閥處于熱備用狀態(tài)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)出一次調(diào)頻指令時(shí)開(kāi)啟，當(dāng)機(jī)組功率從額定功率增大時(shí)（具有一定功率裕度），補(bǔ)汽閥開(kāi)啟，蒸汽補(bǔ)進(jìn)通流中，以滿足流量增加的要求;當(dāng)汽輪機(jī)處于THA工況以上負(fù)荷時(shí)，補(bǔ)汽閥處于開(kāi)啟狀態(tài)。

旁通配汽與節(jié)流配汽主汽壓力與負(fù)荷率的關(guān)系曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，旁通配汽各工況的主汽壓力明顯高于節(jié)流配汽方式，機(jī)組循環(huán)效率更高，經(jīng)濟(jì)性更好。

考慮對(duì)結(jié)構(gòu)和主流的影響，該機(jī)型補(bǔ)汽點(diǎn)設(shè)在高壓10級(jí)后，補(bǔ)汽閥位置處壓力及流場(chǎng)分布示意圖如圖2所示。

從圖2中可以看出，下游葉片入口處的流場(chǎng)（壓力、速度矢量等）均勻，說(shuō)明補(bǔ)汽閥結(jié)構(gòu)尺寸較為合適，對(duì)下游葉片的氣動(dòng)性能影響較小;主流與補(bǔ)汽閥進(jìn)入的汽流摻混區(qū)域距離轉(zhuǎn)子表面尚遠(yuǎn)，兩股汽流混合產(chǎn)生的非定常效應(yīng)不斷衰減，因此轉(zhuǎn)子的激振程度受影響非常小。采用環(huán)形進(jìn)汽腔室，能夠在補(bǔ)汽閥開(kāi)啟時(shí)產(chǎn)生很好的均壓作用，對(duì)主流的影響很小，軸系振動(dòng)情況良好。

3 回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著電廠節(jié)能減排工作的不斷推進(jìn)，火力發(fā)電設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性要求越來(lái)越高。在機(jī)組進(jìn)、排汽參數(shù)確定時(shí)，通過(guò)優(yōu)化回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)一步改善機(jī)組的熱耗水平。

3.1? ? 給水溫度選擇

最終給水溫度升高有以下影響：其一，隨著給水溫度的提高，機(jī)組平均吸熱溫度升高，循環(huán)效率提高，但在給水溫度升高達(dá)到一定值后，汽輪機(jī)熱耗變化趨勢(shì)變緩;其二，鍋爐效率隨排煙溫度升高逐漸降低。

綜合考慮給水溫度對(duì)汽輪機(jī)熱耗和機(jī)組進(jìn)汽量的影響，推薦給水溫度約為300 ℃，較早期亞臨界機(jī)型升高約10 ℃，汽輪機(jī)的熱耗降低約14 kJ/kWh。

3.2? ? 再熱壓力選擇

對(duì)于中間再熱機(jī)組而言，再熱壓力的確定應(yīng)綜合考慮排汽濕度、循環(huán)效率、高排蒸汽壓力、溫度等方面的影響。如果一次中間再熱壓力設(shè)計(jì)偏高，相應(yīng)的高壓缸排汽壓力、溫度偏高，鍋爐再熱器進(jìn)口溫度偏高，對(duì)其設(shè)計(jì)造成不利影響，同時(shí)，再熱循環(huán)所占份額下降，整體循環(huán)效率下降。反之，如果一次中間再熱壓力設(shè)計(jì)偏低，后續(xù)循環(huán)效率下降，導(dǎo)致整體循環(huán)效率降低，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致排汽濕度降低。因此，存在一個(gè)最佳再熱壓力，在保證允許的排汽干度情況下，再熱循環(huán)效率達(dá)到最佳值。

經(jīng)核算，針對(duì)超高溫亞臨界參數(shù)機(jī)組，當(dāng)再熱壓力/主汽壓力在19%～21%內(nèi)，機(jī)組熱耗最佳。本項(xiàng)目再熱壓力/主汽壓力為20.8%，在最佳再熱壓力范圍內(nèi)。

3.3? ? 回?zé)峒?jí)數(shù)

根據(jù)熱力學(xué)原理，隨著回?zé)岢槠?jí)數(shù)增多，回?zé)嵯到y(tǒng)平均換熱溫差減少，換熱不可逆損失越小，能量達(dá)到梯級(jí)利用的效果，從而提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

隨著回?zé)峒?jí)數(shù)變多，機(jī)組熱耗收益不斷增加，但收益增加變小，考慮到機(jī)組抽口和加熱器布置，該機(jī)型采用8級(jí)回?zé)岱桨?，相?duì)7級(jí)回?zé)岱桨赣?6 kJ/kWh熱耗收益。

4 末級(jí)葉片選型

根據(jù)汽輪機(jī)變工況原理，中間級(jí)的蒸汽壓力與級(jí)流量變化成正比，在變工況時(shí)級(jí)壓比、速比和級(jí)效率等參數(shù)與設(shè)計(jì)工況相比基本相同。而對(duì)于末級(jí)長(zhǎng)葉片而言，當(dāng)外部冷端條件發(fā)生變化時(shí)，其排汽壓力產(chǎn)生很大變化，級(jí)各特性參數(shù)相應(yīng)隨著流量、排汽壓力等的變化而較大幅度變化。因此，末葉選型與汽輪機(jī)變工況下的經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。

在135 MW等級(jí)濕冷機(jī)組上，針對(duì)5.88 kPa背壓，有909 mm、800 mm末葉低壓模塊，用以適應(yīng)機(jī)組的冷端條件，以使機(jī)組性能達(dá)到最佳，兩個(gè)末葉在不同負(fù)荷下的熱耗變化曲線如圖3所示。

計(jì)算表明，在50%負(fù)荷率以上時(shí)，909 mm末葉方案優(yōu)于800 mm末葉方案?？紤]到機(jī)組全年平均負(fù)荷率一般在50%以上，909 mm末葉的低壓模塊經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前鋼廠煤氣發(fā)電技術(shù)不斷向高參數(shù)方向發(fā)展，目前超高溫亞臨界機(jī)組已成為必然趨勢(shì)。東汽廠開(kāi)發(fā)的135 MW兩缸單排汽機(jī)型充分考慮了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和成本，擁有更加優(yōu)越的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和變負(fù)荷性能。

（1）采用旁通配汽，全周進(jìn)汽+補(bǔ)汽閥的方式，保證機(jī)組在30%～90%負(fù)荷范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)，同時(shí)安全可靠性高;

（2）采用8級(jí)回?zé)岱桨福瑢?duì)回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，合理選取機(jī)組給水溫度、再熱壓力、回?zé)峒?jí)數(shù)，保證機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)兼顧系統(tǒng)的簡(jiǎn)單、可靠運(yùn)行需求;

（3）采用909 mm末葉葉片，確保機(jī)組額定負(fù)荷的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好，同時(shí)具有良好的變工況運(yùn)行性能。

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收稿日期：2020-06-10

作者簡(jiǎn)介：宋放放（1988—），男，山東濟(jì)寧人，碩士，工程師，主要從事汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。