超高溫亞臨界135 MW汽輪機熱力系統(tǒng)設計

摘要：為了適應煤氣發(fā)電技術不斷向高參數(shù)方向發(fā)展的需求，東方汽輪機廠研發(fā)了超高溫亞臨界135MW等級的汽輪機。對該機型的熱力系統(tǒng)設計特點進行了介紹，分析了機組的配汽方式、回熱系統(tǒng)設計、末級葉片選型等方面內容，為后續(xù)機組開發(fā)提供了參考。關鍵詞：超高溫亞臨界；汽輪機；熱力系統(tǒng)01概述鋼鐵生產(chǎn)中會伴隨產(chǎn)生大量煤氣、余熱，鋼廠通過系統(tǒng)性利用余熱，開展全面節(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）、高溫熱氣向空氣中排放，避免了廢氣、熱源等物質污染大氣，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。隨著技術的不斷進步，鋼廠煤氣發(fā)電機組的初參數(shù)不斷提高，大體可以分為以下幾個階段：（1）第一代中溫中壓煤氣發(fā)電技術，主要以3.43MPa、435℃或者更低參數(shù)的機組為主，全廠發(fā)電效率≤25%，典型項目有湘鋼25MW煤氣發(fā)電機組項目。（2）第二代高溫高壓煤氣發(fā)電技術，2002年開始煤氣發(fā)電機組初參數(shù)提高至8.83MPa、535℃，全廠發(fā)電效率提高至29%～31%，典型項目有沙鋼4×50MW、南鋼3×50MW煤氣發(fā)電機組項目。（3）第三代高溫超高壓、一次再熱煤氣發(fā)電技術，2011年開始煤氣發(fā)電機組初參數(shù)提高至13.24MPa、535℃、535℃，隨著機組參數(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%，典型項目有九江線材2×65MW、五礦營口135MW煤氣發(fā)電機組項目。（4）第四代超高溫亞臨界、一次再熱煤氣發(fā)電技術，在2016年部分機組采用超高溫超高壓參數(shù)13.24MPa、566℃、566℃，但為了進一步降低機組能耗，超高溫亞臨界參數(shù)被提出并得到了迅速推廣應用，初參數(shù)為16.67MPa、566℃、566℃，全廠發(fā)電效率約為42%，典型項目有日照鋼鐵2×135MW、湛江鋼鐵2×135MW煤氣發(fā)電機組項目。一次再熱超高溫亞臨界參數(shù)是目前煤氣發(fā)電領域內最高的主汽參數(shù)，針對目前機組經(jīng)濟性要求高、兼顧靈活運行的特點，東方汽輪機廠（以下簡稱東汽廠）開發(fā)了超高溫亞臨界135MW機型，在東汽廠已有投運的高溫超高壓機型基礎上，沿用兩缸單排汽、中低壓合缸的結構設計方案，具有結構緊湊、軸向跨距短、運行靈活性的特點，同時對機組的熱力系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，以提高機組運行經(jīng)濟性。本文對該型汽輪機的熱力系統(tǒng)設計方案進行了介紹，詳細分析了機組的配汽方式、回熱系統(tǒng)設計、末級葉片選型等方面的內容。

02總體方案該機組為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。該機組由一個高壓模塊及一個單流低壓模塊組成，高壓模塊和低壓模塊反向布置，共8級回熱，由3個高壓加熱器+1個除氧器+4個低壓加熱器組成，末級葉片采用成熟的909mm末葉。汽輪機主要設計參數(shù)如表1所示。03配汽方式本機型采用旁通配汽方式，取消調節(jié)級，全周進汽帶補汽閥的配置，該種配汽方式具有設計效率高、安全可靠性高的特點。旁通配汽機組正常運行時，補汽閥全開無節(jié)流損失，當機組進行一次調頻時，可以通過快速開啟補汽閥及時響應，滿足電網(wǎng)調頻需要的同時減少鍋爐運行波動。當汽輪機處于THA工況以下負荷時，高壓閥組處于調節(jié)閥全開、補汽閥全關的狀態(tài)，補汽閥處于熱備用狀態(tài)，當電網(wǎng)發(fā)出一次調頻指令時開啟，當機組功率從額定功率增大時（具有一定功率裕度），補汽閥開啟，蒸汽補進通流中，以滿足流量增加的要求；當汽輪機處于THA工況以上負荷時，補汽閥處于開啟狀態(tài)。旁通配汽與節(jié)流配汽主汽壓力與負荷率的關系曲線如圖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，機組循環(huán)效率更高，經(jīng)濟性更好?？紤]對結構和主流的影響，該機型補汽點設在高壓10級后，補汽閥位置處壓力及流場分布示意圖如圖2所示。從圖2中可以看出，下游葉片入口處的流場（壓力、速度矢量等）均勻，說明補汽閥結構尺寸較為合適，對下游葉片的氣動性能影響較??；主流與補汽閥進入的汽流摻混區(qū)域距離轉子表面尚遠，兩股汽流混合產(chǎn)生的非定常效應不斷衰減，因此轉子的激振程度受影響非常小。采用環(huán)形進汽腔室，能夠在補汽閥開啟時產(chǎn)生很好的均壓作用，對主流的影響很小，軸系振動情況良好。04回熱系統(tǒng)設計隨著電廠節(jié)能減排工作的不斷推進，火力發(fā)電設備的經(jīng)濟性要求越來越高。在機組進、排汽參數(shù)確定時，通過優(yōu)化回熱系統(tǒng)設計，能夠進一步改善機組的熱耗水平。4.1

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到一定值后，汽輪機熱耗變化趨勢變緩；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汽輪機熱耗和機組進汽量的影響，推薦給水溫度約為300

℃，較早期亞臨界機型升高約10

℃，汽輪機的熱耗降低約14kJ/kWh。4.2

再熱壓力選擇對于中間再熱機組而言，再熱壓力的確定應綜合考慮排汽濕度、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計偏高，相應的高壓缸排汽壓力、溫度偏高，鍋爐再熱器進口溫度偏高，對其設計造成不利影響，同時，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計偏低，后續(xù)循環(huán)效率下降，導致整體循環(huán)效率降低，同時會導致排汽濕度降低。因此，存在一個最佳再熱壓力，在保證允許的排汽干度情況下，再熱循環(huán)效率達到最佳值。經(jīng)核算，針對超高溫亞臨界參數(shù)機組，當再熱壓力/主汽壓力在19%～21%內，機組熱耗最佳。本項目再熱壓力/主汽壓力為20.8%，在最佳再熱壓力范圍內。4.3

回熱級數(shù)根據(jù)熱力學原理，隨著回熱抽汽級數(shù)增多，回熱系統(tǒng)平均換熱溫差減少，換熱不可逆損失越小，能量達到梯級利用的效果，從而提高機組運行經(jīng)濟性。隨著回熱級數(shù)變多，機組熱耗收益不斷增加，但收益增加變小，考慮到機組抽口和加熱器布置，該機型采用8級回熱方案，相對7級回熱方案有26kJ/kWh熱耗收益。

05末級葉片選型根據(jù)汽輪機變工況原理，中間級的蒸汽壓力與級流量變化成正比，在變工況時級壓比、速比和級效率等參數(shù)與設計工況相比基本相同。而對于末級長葉片而言，當外部冷端條件發(fā)生變化時，其排汽壓力產(chǎn)生很大變化，級各特性參數(shù)相應隨著流量、排汽壓力等的變化而較大幅度變化。因此，末葉選型與汽輪機變工況下的經(jīng)濟性密切相關。在135MW等級濕冷機組上，針對5.88kPa背壓，有909mm、800mm末葉低壓模塊，用以適應機組的冷端條件，以使機組性能達到最佳，兩個末葉在不同負荷下的熱耗變化曲線如圖3所示。計算表明，在50%負荷率以上時，909mm末葉方案優(yōu)于800mm末葉方案?？紤]到機組全年平均負荷率一般在50%以上，909mm末葉的低壓模塊經(jīng)濟性更優(yōu)。06結語當前鋼廠煤氣發(fā)電技術不斷向高參數(shù)方向發(fā)展，目前超高溫亞臨界機組已成為必然趨勢。東汽廠開發(fā)的135MW兩缸單排汽機型充分考慮了機組經(jīng)濟性和成本，擁有更加優(yōu)越的運行經(jīng)濟性和變負荷性能。（1）采用旁通配汽，全周進汽+補汽閥