獨特結(jié)構(gòu)、獨特性能的超超臨界汽輪機(jī)(一)

1、獨特結(jié)構(gòu)、獨特性能的超超臨界汽輪機(jī)(一)    何阿平 陽虹 彭澤锳摘要：在直接與汽輪機(jī)有關(guān)的高效潔凈燃煤發(fā)電技術(shù)：超超臨界參數(shù)、提高汽輪機(jī)內(nèi)效率以及冷端優(yōu)化三個領(lǐng)域內(nèi)，起關(guān)鍵作用的是汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。SEPG在超超臨界汽輪機(jī)中采取了一系列新穎獨特的結(jié)構(gòu)，通過從進(jìn)口到出口與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐段的對比分析表明，獨特結(jié)構(gòu)的熱耗得益在2.5%以上。玉環(huán)4×1000MW及外高橋-III等大量機(jī)組的實測高中壓缸效率及熱耗均達(dá)到了保證及設(shè)計值，驗證了獨特結(jié)構(gòu)設(shè)計具有穩(wěn)定的低損失，高效率特性。 關(guān)鍵詞：超超臨界參數(shù) 汽輪機(jī) 熱耗 1.前言 自1997年至今，百萬

2、千瓦燃煤發(fā)電超超臨界汽輪機(jī)走過10年的歷程之際，我們有必要對目前產(chǎn)品技術(shù)的狀況進(jìn)行總結(jié)和分析，以明確下一步的發(fā)展方向。從節(jié)約有限資源和環(huán)境保護(hù)的角度，“節(jié)能減排”不僅是提高電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，而且是整個社會持續(xù)發(fā)展的要求，汽輪機(jī)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展所面臨的形勢是： (1)提高效率的要求更為迫切，產(chǎn)品技術(shù)的“優(yōu)勝劣汰”將是必然趨勢 據(jù)我國2007年的統(tǒng)計，燃煤火電量占總電量的78%，消耗了50%以上的煤以及40%的工業(yè)用水；在全年排放中火電占據(jù)的份額為：渣的70%、灰的20%，SO2的52%以及24億噸的CO2，由于排放直接與效率有關(guān)，隨著京都議定書關(guān)于CO2減排目標(biāo)的實施，提高燃煤火力發(fā)電效率的要求更為

3、迫切。 隨著經(jīng)濟(jì)手段對環(huán)保和排放控制的杠桿作用，效率提高，熱耗下降的經(jīng)濟(jì)效益大小成為決定汽輪機(jī)產(chǎn)品能否立足市場的關(guān)鍵。根據(jù)歐洲的經(jīng)驗，如果按熱耗效益的經(jīng)濟(jì)杠桿相對每1kW，每1kJ/kWh 為0.2歐元計算；相對獨特與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)型2.5%熱耗差值，每一臺660MW和1000MW機(jī)組的價值差分別是2.4億元和3.65億元。顯然這個經(jīng)濟(jì)杠桿將促進(jìn)形成一個“為環(huán)保和效益買好設(shè)備”的市場運作機(jī)制，使電廠和制造商在保證熱耗中商務(wù)因素所承擔(dān)的風(fēng)險越來越大，促進(jìn)開發(fā)和應(yīng)用效率更高的技術(shù)和設(shè)備。 當(dāng)然，要使我國裝備業(yè)和電廠從目前“盡一切可能降低設(shè)備成本，提高企業(yè)效能”向“盡一切可能采用先進(jìn)技術(shù)提高效率”方針轉(zhuǎn)

4、變的前提、基礎(chǔ)、動力和壓力是必須形成以社會層面的“大成本”取代企業(yè)自身“小成本”的機(jī)制。國際節(jié)能減排的經(jīng)驗表明，只有實施一定的行政（政策）干預(yù)加上排放市場化的運作規(guī)則才能形成“嚴(yán)法之下高價格對應(yīng)的高效率和低排放”，產(chǎn)品技術(shù)必須“按效率高低實施優(yōu)勝劣汰”等共識。 (2)目前產(chǎn)品技術(shù)狀況的正確評估，明確繼續(xù)提高效率的發(fā)展方向 自2003年“863”課題確定發(fā)展600MW容量超超臨界機(jī)組以來,第一個超超臨界依托工程,華能玉環(huán)電廠創(chuàng)記錄的在4年中建成投運4臺機(jī)組；機(jī)組熱耗及汽輪機(jī)內(nèi)效率全面達(dá)到設(shè)計和保證值，“863”提出的穩(wěn)妥、起步目標(biāo)已圓滿實現(xiàn)，目前上海電氣電站設(shè)備有限公司(下簡稱SEPG)具有成熟

5、的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和獨特結(jié)構(gòu)兩種型式的汽輪機(jī)，其中在制的獨特結(jié)構(gòu)600MW1100MW超超臨界汽輪機(jī)組已多達(dá)6種，總數(shù)超過70余臺。在確定下一步發(fā)展目標(biāo)時，有必要對現(xiàn)有兩種產(chǎn)品技術(shù)的性能狀況作出一個全面的評估，明確不同結(jié)構(gòu)型式的效率差異多大？提高效率的關(guān)鍵技術(shù)有那些? 下一步產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展方向是什么?2.超超臨界600參數(shù)比亞臨界熱耗相對低4%，熱效率提高1.7%600高溫強度達(dá)到95MPa左右的9%-11%Cr鐵素體材料是目前這一輪超超臨界產(chǎn)品的基礎(chǔ)。SEPG正在設(shè)計制造VWO容量為1050MW、1060MW、1096MW凝汽和抽汽、三缸和四缸660MW等6種超超臨界機(jī)型，其蒸汽壓力有25MPa、2

6、6.25MPa、27MPa，溫度為600/600。根據(jù)熱力學(xué)基本原理，采用超超臨界參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性得益是非常清晰的，正如國家863“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)”課題/子課題1的“我國發(fā)展超超臨界發(fā)電機(jī)組的技術(shù)選型研究”報告指出（1），主蒸汽壓力提高1MPa，機(jī)組的熱耗可下降0.13%0.15%(下面引用按平均0.14%計算)；主蒸汽溫度提高10，熱耗可下降0.25%0.3%(平均0.275%)；再熱蒸汽溫度提高10，熱耗可下降0.15%0.2%(平均0.175%)。下表1為有關(guān)超超臨界參數(shù)對機(jī)組熱耗和熱效率得益的分析。 表1 超超臨界參數(shù)的熱耗對比（相對4.9kPa背壓） 參數(shù)kPa/ 熱耗（相對）下降

7、%熱效率增加值%熱耗（以亞臨界600MW為基準(zhǔn)）kJ/kWh目前各種機(jī)型保證熱耗水平kJ/kWh16.7/538/538基準(zhǔn) 基準(zhǔn) 779624.2/566/5662.30.97762125/600/6003.951.6675007309（某電廠投標(biāo)） 26.25/600/6004.131.737487731627/600/6004.2351.787479731228/600/6104.551.91745730/600/62052.1742435/700/72010.24.47074從上表數(shù)據(jù)可以看出：采用超超臨界600參數(shù)相對亞臨界，熱耗下降約4%（3.95%4.235%）；熱效率則提高1.

8、7%(1.66%1.78%)左右。以亞臨界600MW先進(jìn)的熱耗指標(biāo)7796kJ/kWh為基準(zhǔn)，僅考慮600參數(shù)的因素，對應(yīng)的保證熱耗應(yīng)為7500kJ/kWh7457 kJ/kWh，而表中所列目前各種機(jī)型的保證熱耗水平，例如超超臨界百萬千瓦機(jī)組的保證熱耗均為7316kJ/kW左右，比亞臨界熱耗水平降低6.6%，顯然其中有大約2.3%-2.6%（170 -190kJ/kWh）不是由于采用超超臨界參數(shù)的原因，制造商有必要對此作出合理的解釋和說明。 3.高效潔凈燃煤電廠設(shè)計理念的熱效率比亞臨界提高7.7%為了符合嚴(yán)格的環(huán)保要求，上世紀(jì)90年代起，德國發(fā)起的高效潔凈燃用褐煤發(fā)電（簡稱BoA）設(shè)計理念取得

9、了成功，該理念的核心是為燃煤電廠提供技術(shù)上最優(yōu),經(jīng)濟(jì)效益最好以及充分環(huán)保的綜合解決方案：采用一切可以使用的、提高效率的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，包括超超臨界參數(shù)、最新的結(jié)構(gòu)和技術(shù)提高汽輪機(jī)的內(nèi)效率、區(qū)域供熱、冷端優(yōu)化、余熱利用、熱力系統(tǒng)配置優(yōu)化、一切有效的減排措施、一次和二次調(diào)頻能力等。2002年德國Niederaussem電廠1027MW機(jī)組是BoA的典型實例，通過一切可以應(yīng)用技術(shù)和裝備的投入，不僅與亞臨界600MW的熱效率35.5%相比，新電廠的熱效率提高到43.2%，增加幅度達(dá)到7.7%（圖1），而且在相同電量條件下的CO2排放每年減少300萬噸；粉塵、SO2和Nox的排放量減少約30%（2）。

10、圖1 高效潔凈燃煤發(fā)電技術(shù)效益分解 德國高效潔凈發(fā)電技術(shù)（BoA）理念給我們有至少2方面的啟示： （1）超超臨界參數(shù)僅僅是高效潔凈發(fā)電技術(shù)中提高效率的6個技術(shù)領(lǐng)域：超超臨界參數(shù)、汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、冷端、余熱利用、熱力系統(tǒng)配置、廠用電中的1個。600參數(shù)對效率提高的貢獻(xiàn)僅占1/6左右。如果僅僅關(guān)注參數(shù)提高，而忽略其他5個方面，甚至在某些方面，例如汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)以及冷端設(shè)計不進(jìn)行優(yōu)化，甚至于“劣化”，顯然是偏離節(jié)能減排宗旨的。 （2） 在設(shè)備投資成本和造價評估中只有引入了提高效益的經(jīng)濟(jì)杠桿才會在電廠建設(shè)中實現(xiàn)“盡可能采取一切可以提高效率的設(shè)備和技術(shù)”的選型原則。以Niederaussem的1027MW機(jī)

11、組為例，為利用鍋爐的排煙余熱,使熱效率提高0.9%，增加內(nèi)部1300公里的換熱管道投資；為冷端優(yōu)化的超低雙背壓2.91kPa/3.68kPa，使熱效率提高1.4%，采用了巨大的冷卻塔以及五缸六排汽（三個名義排汽面積為2×12.5的低壓缸）汽輪機(jī)；為熱力系統(tǒng)優(yōu)化，采用了10級回?zé)岢槠?，這些設(shè)備和技術(shù)的投入一方面使效率提高7.7%,另一方面使單位千瓦的投資增加到1200歐元（大約是目前我國的3倍），是“高價格與高效率、低排放設(shè)備”的典型實例，但按熱耗1kJ/kWh為20萬歐元的“大成本”原則計算，這些設(shè)備投資的增加是完全值得的。相比如果在電廠建設(shè)中，不計先進(jìn)技術(shù)設(shè)備投資的經(jīng)濟(jì)效益，制造

12、商和電廠執(zhí)行 “降低單位造價”的方針，這些高效潔凈燃煤技術(shù)就不會得到應(yīng)用。我們的超超臨界機(jī)組數(shù)量在世界上遙遙領(lǐng)先，但德國高效潔凈燃煤發(fā)電技術(shù)的理念和先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用深度，所取得的節(jié)能減排社會效益均值得我們參考和借鑒。4， 先進(jìn)的結(jié)構(gòu)是保證高效率的關(guān)鍵 4.1 先進(jìn)的獨特結(jié)構(gòu)是汽輪機(jī)提高效率的三個技術(shù)領(lǐng)域中的關(guān)鍵 在計算機(jī)技術(shù)融入整個汽輪機(jī)設(shè)計制造的今天，產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)平臺（CAD、CAE、CFD、CAM）的國際化和商業(yè)化使汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計成為決定產(chǎn)品性能高低，最基本、最關(guān)鍵的決定性因素。與傳統(tǒng)風(fēng)格形式相比，在汽輪機(jī)有關(guān)的三個提高效率的技術(shù)領(lǐng)域：熱力循環(huán)熱端的進(jìn)汽參數(shù)；汽輪機(jī)的內(nèi)效率以及汽輪機(jī)冷端排

13、汽優(yōu)化中，只有采用了先進(jìn)而獨特的結(jié)構(gòu)才能使產(chǎn)品具有采用更高超超臨界參數(shù)的能力、才能大幅度降低流動損失，得到更高的汽輪機(jī)內(nèi)效率、才能降低冷端損失，從而得到最高的效率。 SEPG具有傳統(tǒng)及獨特兩種結(jié)構(gòu)風(fēng)格的機(jī)型，分析表明：在超超臨界參數(shù)及大容量條件下，繼續(xù)保持亞臨界、超臨界的傳統(tǒng)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式，不僅不會降低流動損失，反而會因參數(shù)和容量增加帶來的安全可靠性問題，增加損失，犧牲超超臨界參數(shù)帶來的部分得益。 SEPG正是通過一系列獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)來實現(xiàn)熱耗在超超臨界參數(shù)4%得益基礎(chǔ)提高到6.6%的目標(biāo)。除了明顯提高機(jī)組的安全可靠性、安裝維護(hù)特性以及運行靈活性能外，幾乎在蒸汽流動的每一段過程中，獨特結(jié)構(gòu)

14、均能明顯地降低流動損失?？鄢T如容量增大的影響、回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化等因素之外，獨特結(jié)構(gòu)設(shè)計至少有2.5%以上的熱耗得益。 42 獨特結(jié)構(gòu)汽輪機(jī)性能的實踐驗證 “實踐是檢驗的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，10年來大量獨特結(jié)構(gòu)機(jī)組的運行性能令人信服地證實了先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)效益（見下表2）。玉環(huán)、外高橋連續(xù)6臺機(jī)組的現(xiàn)場性能為我國電力企業(yè)帶來的驚喜是： 在熱耗達(dá)到保證值得同時，高中壓缸效率也達(dá)到設(shè)計值； 不僅一臺機(jī)組，而且陸續(xù)投運的所有機(jī)組的性能均穩(wěn)定地達(dá)到設(shè)計和保證性能； 電廠實際運行熱耗很少進(jìn)行修正，甚至實際運行測試的熱耗還低于保證熱耗，例如玉環(huán)#1實測熱耗為7258kJ/kWh，修正后的熱耗為7295 kJ/kWh

15、，即電廠在實際運行中還能得到比保證值更高的經(jīng)濟(jì)效益（3）。 表2 獨特結(jié)構(gòu)機(jī)組的實測性能數(shù)據(jù) 電廠及日期 實測平均(設(shè)計值)高中壓缸效率%實測(保證)熱耗kJ/kWh1998德國黑泵電廠2×874MW90.95/93.457307.5(7315.1)1999德國Boxberge電廠910MW94.2/96.1全廠熱耗7484(7531)2002年Isogo電廠600MW 兩年后熱耗7318(7342)2004年外高橋-II-2×900MW 7500(7602)2007年華能玉環(huán)電廠4×1000MW90.65/93.28(90.39/93.3)7291-7315(7

16、316)2008年外高橋-III-2×1000MW92.08/93.77(91.12/93.44)析 我們從設(shè)計角度，通過與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比的方法，沿著蒸汽流動的軌跡，從汽輪機(jī)進(jìn)口到排汽的各個流段，對獨特結(jié)構(gòu)的低流動損失、高效率特性進(jìn)行分解。 （1）汽輪機(jī)閥門前可采取更高的蒸汽壓力 與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式相比，SEPG采用的“獨特”圓筒型高壓模塊中，外缸為無水平中分面的圓筒型，前后分為高溫及低溫缸，由軸向螺栓連接；內(nèi)缸有水平中分面，但也是一個無法蘭外伸端的光滑圓筒型結(jié)構(gòu)（見圖2）。自冷結(jié)構(gòu)不僅冷卻轉(zhuǎn)子和汽缸，同時使內(nèi)外缸分別承受部分壓力載荷（見圖3），加上受力直徑小、溫度場及應(yīng)力均勻等特點使螺栓

17、、汽缸及轉(zhuǎn)子的工作應(yīng)力、熱應(yīng)力、膨脹都能承受更高的蒸汽壓力，現(xiàn)有的模塊在一開始就將參數(shù)定位在30MPa/600/620。圖2 緊湊光滑的圓筒型高壓內(nèi)外缸 圖3 內(nèi)外缸自冷及壓力分配結(jié)構(gòu) 具體產(chǎn)品應(yīng)用的溫度和壓力是采取逐步增加的方式，目前產(chǎn)品的壓力已從25MPa升高到26.25MPa、27MPa、28MPa。與目前傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)機(jī)型的壓力不大于25MPa相比,26.25MPa30MPa的熱耗可降低約14kJ/kWh55kJ/kWh。 (2)獨特的大面積主汽門永久濾網(wǎng)結(jié)構(gòu) 針對超超臨界的特點，整個機(jī)組為兩個主汽門和調(diào)門，且采用一種獨特的，由成型帶料迭加而成的永久濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)。其特點是大面積（為閥門喉部面積的

18、7倍），小濾網(wǎng)（僅1.6mm）,在保持較好過濾效果前提下,流動損失系數(shù)僅0.5%左右。 (3)主汽門和調(diào)門直接和汽缸相連，無蒸汽管道 兩個主汽門調(diào)門通過大螺母直接與汽缸相連（見圖4），與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，直接避免了蒸汽通過安裝在機(jī)頭四個調(diào)門的四根累計幾十米主蒸汽管道，及3-4個彎頭的流動損失。按1%流動損失計算的熱耗得益在5kJ/kWh左右。 圖4 兩個主門直接安裝在汽缸上 (4)閥門出口立即到達(dá)噴嘴的簡捷進(jìn)汽結(jié)構(gòu) 獨特結(jié)構(gòu)設(shè)計使蒸汽經(jīng)過兩個閥門進(jìn)入汽缸后立即到達(dá)第一級噴嘴前（圖5），省缺了傳統(tǒng)四個進(jìn)氣管及四個弧段組成的蒸汽室過程（圖6），減少了一段流動損失。 圖5進(jìn)入汽缸立即到達(dá)噴嘴的結(jié)構(gòu) 圖6

19、傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)四個進(jìn)汽管的蒸汽室 (5) 全新的配汽方式提高經(jīng)濟(jì)性 噴嘴調(diào)節(jié)和全周進(jìn)汽兩種配汽方式在安全性、經(jīng)濟(jì)性方面各有特點，但是針對超超臨界參數(shù)及1000MW容量，因下列原因，使技術(shù)優(yōu)勢完全傾向全周進(jìn)汽方式：一方面噴嘴調(diào)節(jié)受強度的制約，即使在采用雙流調(diào)節(jié)級情況下，還必須將最小部分進(jìn)汽度增加到75%左右（三閥全開），其后果是滑壓終點的負(fù)荷相應(yīng)提高到100%額定負(fù)荷左右；另一方面，全周進(jìn)汽+旁通進(jìn)汽閥配置方式，使100%負(fù)荷的滑壓壓力也同樣達(dá)到了額定壓力。為此，在超超臨界參數(shù)下，全周進(jìn)汽和噴嘴調(diào)節(jié)兩種方式實現(xiàn)相同的定-滑-定壓力運行特性（表3、圖7）。以往亞臨界機(jī)組中，噴嘴調(diào)節(jié)部分進(jìn)汽度小，滑壓運行

20、壓力高，循環(huán)效率高的優(yōu)勢在超超臨界機(jī)組中已不存在，噴嘴調(diào)節(jié)因75%部分進(jìn)汽的損失，級效率低的情況仍舊存在，使噴嘴調(diào)節(jié)在額定負(fù)荷及部分負(fù)荷的效率和安全性均不及全周進(jìn)汽方式。 表3 超超臨界不同配汽結(jié)構(gòu)基本具有相同的負(fù)荷-滑壓壓力MPa最大負(fù)荷 100%負(fù)荷 75%負(fù)荷 50%負(fù)荷 40%負(fù)荷 噴嘴部分進(jìn)汽方式 252518.912.610.4全周進(jìn)汽 26.2523.2717.311.49.28全周進(jìn)汽+旁通進(jìn)汽 26.2526.2519.412.810.4圖7 超超臨界汽輪機(jī)的負(fù)荷與壓力的定-滑-定曲線 計算表明，相同負(fù)荷-滑壓特性條件下，配有旁通進(jìn)汽閥（相當(dāng)于第三個調(diào)門）的全周進(jìn)汽與傳統(tǒng)的部

21、分進(jìn)汽結(jié)構(gòu)相比，額定負(fù)荷及部分負(fù)荷的熱耗要低20kJ/kWh左右（見圖8）；大于額定流量時，旁通閥打開，效率下降。最大負(fù)荷下配旁通閥熱耗最高，無旁通閥的全周進(jìn)汽熱耗最低。 圖8 超超臨界汽輪機(jī)不同配汽結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性對比 （6）獨特的全周進(jìn)汽斜置靜葉結(jié)構(gòu)（圖9） 汽流通過兩個徑向的進(jìn)汽口后，立即通過斜置安裝的靜葉向軸向折轉(zhuǎn)，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖10）相比：第一，流道緊湊，損失小；第二，整體內(nèi)外圍帶的靜葉無徑向漏汽損失；第三，通過斜置，在彎道布置的斜置靜葉中實現(xiàn)了氣流折轉(zhuǎn)，與90度折轉(zhuǎn)相比，損失??；第四，無部分進(jìn)汽損失，級效率高2%； 圖9 斜置單流全周進(jìn)汽靜葉 圖10 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的雙流調(diào)節(jié)級 （7）高壓單流與雙流調(diào)節(jié)級的損失對比 因強度限制，而采用雙流調(diào)節(jié)級結(jié)構(gòu)（圖10）的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與單流斜置靜葉級相比：第一，雙流使噴嘴面積減少50%，端損大幅度增加，級效率至少下降4%；第二，為避免壓力級的端損增加，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的壓力級仍采用單流，從而形成先是氣流一分為二，然后50%的氣流經(jīng)180度的大折轉(zhuǎn)之后又合二為一，附加的壓損至少1%；第三，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)級動葉片出口過渡到下一級，有一個長距離的流道，而獨特結(jié)構(gòu)兩級葉片緊密相接，無過渡段流動損失。 無蒸汽室的全周進(jìn)汽、進(jìn)汽彎道中的斜置靜葉、單流葉片級以及動葉出口與下一級直接相連等獨特結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，第一級的效率要高10%-15%，相當(dāng)高壓缸效率高2%