當前技術條件下火電機組最大單機容量的探討

劉鶴忠，葉勇健

（華東電力設計院，上海市，200063）

0 引言

從20世紀90年代起，日本、歐洲和我國投運了一批1 000MW等級的火電機組。據不完全統計，截止2010年6月，日本投運的1 000MW等級機組共9臺，歐洲（德國）投運的1 000MW等級機組1臺，中國投運的1 000MW等級機組共25臺。這些機組均為超超臨界參數，主蒸汽壓力為24.6～27 MPa，溫度為566～600℃，再熱蒸汽溫度為593～610℃，其中以主蒸汽、再熱蒸汽溫度均為600℃的為主流機型。除了日本的4臺機組為雙軸汽輪發電機配置外，其他的均為單軸機組。在此之前，美國在20世紀70—90年代初共投運了9臺1 300MW機組，機組的參數均為主蒸汽壓力24.2 MPa、溫度538℃，再熱蒸汽溫度538℃。前蘇聯于1982年投運了1臺1 200MW機組，在停運高加的工況下最大出力可達1 400MW，機組參數為主蒸汽壓力23.5MPa、溫度540℃，再熱蒸汽溫度540℃。美國和前蘇聯的1 200、1 300MW機組均為超臨界參數，和國際上主流的1 000MW超超臨界機組相比在效率上有較大的差距。

目前，國際上主要火電大國均在考慮建造更大容量和更高參數的超超臨界機組。提高機組的參數需要依靠更高等級熱強鋼的開發，需要技術和資金上的大量投入，而且一種新材料的成熟也需要經受時間的考驗。因此，世界范圍內除了極個別的中小容量的試驗機組正準備建設外，近期還未有批量進入商業建設和投運的可能。在現有參數的基礎上，開發更大容量機組的技術難度較低，風險相對較小，成本也更經濟。因此國內外的電力公司均有建設更大容量機組的意向，主要發電設備制造企業也在進行這方面的技術儲備，如德國和荷蘭正在建設1 100MW等級的火電機組。我國的發電集團均對建設1 200～1 400MW等級的火電機組表示出一定的興趣，一些項目已經處于前期技術準備階段。

本文就目前的主機技術條件下，采用當前材料能夠滿足的超超臨界參數（25～30 MPa，600℃等級），經過適當的技術開發，近期可能實現的最大機組容量進行分析，以供在工程前期進行機組選型時參考。

1 現有條件下鍋爐能夠達到的最大容量

鍋爐的蒸發量、煤耗量和煙氣量是影響鍋爐大小的重要參數。一般而言，機組容量越大，鍋爐蒸發量越大，鍋爐的體積就越大。另一方面，鍋爐的體積大小與鍋爐的設計煤質參數有很大關系，有些煤種發熱量低，相同的鍋爐蒸發量所需要的煤耗量大，導致產生的煙氣量大，則鍋爐需要更大的體積。有些煤種的結焦性強，設計時要求爐膛的截面熱負荷和容積熱負荷較小，則鍋爐爐膛較大。另外，鍋爐的大小與爐型有關。同等蒸發量的條件下，塔式鍋爐的截面積小于Π型鍋爐，而爐膛高度和鍋爐大板梁高度高于Π型鍋爐。

鍋爐容量的增加導致爐膛高度、長度和寬度的增加，使得爐頂大板梁的尺寸、剛性梁的尺寸、燃燒器的數量等相應增加。其中大板梁是制約鍋爐向更大容量發展的主要因素。

隨著鍋爐出力的增加，鍋爐受熱面質量也相應增加，據估算，1 200MW鍋爐比相同條件下1 000MW鍋爐的金屬總質量增加約3 500 t，1 300MW鍋爐比相同條件下1 000MW鍋爐的金屬總質量增加約6 000 t。同時，大板梁的跨距因爐膛尺寸的增加而增加。目前1 000MWΠ型鍋爐的寬度已經相當大，設計、安裝和運輸存在一定難度，1 200MW及以上容量的鍋爐將面臨更大困難。根據初步的設計，1 200MW以上鍋爐的部分大板梁高度增加，將由1 000MW鍋爐上下兩疊對接的方式變為三疊對接，制造工藝的要求將大大高于兩疊方式，特別是豎向垂直度難以保證，大板梁容易形成扭矩。如某鍋爐廠設計的1 200MW鍋爐的規格最大的大板梁的尺寸為H1 1 000mm× 1 600mm×60mm×120mm，垮距為45.3m，其高度和寬度都非常大。這樣的大型大板梁的設計難度很大，特別是該大板梁高跨比接近1：4，其對剪切應力的影響以及剪切應力對變形的影響需要在設計中予以充分重視。另外，上下三疊對接的大板梁對安裝也提出了很高的要求，尤其當中、下梁在空中組裝好以后，由于自重較重、跨度又很大導致自重引起的變形會非常大，上梁就位的難度較1 000MW鍋爐進一步加大。

我國的鍋爐設計相關規程對鍋爐爐膛的防結渣性能較為關注，選用的爐膛截面熱負荷相對較小，這導致了相同出力的鍋爐按照我國的設計規程設計爐膛截面尺寸較大。這種趨勢對于我國更大容量的鍋爐設計也將延續下去。表1列出了國內外現有的900、1 000、1 300MW等級爐膛典型尺寸，以及預計的按照我國爐膛截面熱負荷選取的1 200MW等級和1 400MW的鍋爐爐膛尺寸。

表1 國內外900、1 000、1 300MW等級的爐膛尺寸Tab.1 Furnace size of typical 900 MW， 1 000 MWand 1 300 MWboilers

制約鍋爐向更大容量發展的關鍵設計、制造因素并非不能克服。相同蒸發量下褐煤鍋爐的尺寸比煙煤鍋爐的尺寸增加不少，德國在建的1 100MW褐煤塔式鍋爐的尺寸，等同于1 400～1 500MW出力的煙煤塔式鍋爐尺寸。美國在30年前制造的1 300MW機組，由于早期的超臨界機組整體效率低，其鍋爐的蒸發量等同于采用目前技術的1 400MW超超臨界機組的鍋爐蒸發量。因此，無論是塔式鍋爐還是Π型鍋爐，以目前的技術條件及可預見的技術發展趨勢，近期內有能力制造出1 400～1 500MW超超臨界煙煤鍋爐。

2 現有條件下汽輪機能夠達到的最大容量

2.1 概況

現役的大容量（即1 000MW及以上容量）汽輪機按照布置方式可分為單軸汽輪機和雙軸汽輪機。采用雙軸汽輪機的機組20世紀70、80年代以美國機組居多，90年代后期及21世紀前10年以日本機組居多，而我國和歐洲基本上都采用單軸機組。對于汽輪機的最大出力，主要的制約因素為長軸系穩定性、汽輪機排汽面積（全轉速汽輪機末級葉片長度）以及各級汽缸的最大出力和汽缸的數量。

本文討論的汽輪機由1個高壓缸、若干個中壓缸、若干個低壓缸組成，布置型式為單軸汽輪機和雙軸汽輪機，再熱型式為一次再熱汽輪機和二次再熱汽輪機。

國內外主要的汽輪機制造廠均采用模塊化的汽輪機設計，通過不同的高、中、低壓缸模塊的搭配，設計出不同出力的汽輪機。本文通過對現有的汽輪機模塊的分析，并考慮對現有模塊的適當改進，如適當增加進汽參數和增加通流面積，分析現有技術條件下汽輪機的最大出力。

2.2 長軸系穩定性的制約因素

汽輪發電機組軸系的穩定性至關重要，軸系的穩定性與整個軸系的長度、各級轉子的撓度、各級轉子的振型、各級轉子的支撐形式、各級轉子間的連接形式等因素有關。通常，整個軸系越長，轉子撓度越大，振型越多，軸系穩定性相對越差，按目前的技術條件，汽輪機單軸不宜超過5個缸。世界上已經投運的700MW以上的汽輪機均采用高、中壓缸分缸，對于1 000MW的汽輪發電機組一般為1個高壓缸，1個中壓缸、2～3個低壓缸和發電機。軸系長度的限制導致不能通過增加汽缸的數量來增加單軸汽輪機的出力。

2.3 低壓缸排汽面積的制約因素

隨著機組功率的增加，低壓缸的排汽能力也需要相應增加。機組出力越大、背壓越低（排汽比容越大），需配置更大排汽面積的低壓缸，或更多的低壓缸。目前全速3 000 r/m in大容量機組中已普遍采用長度為1 000～1 200mm的末級葉片，排汽面積為9～11m2。各國公司目前都致力于開發更長、排汽面積更大的末級長葉片，已經開發的部分用于50Hz、3 000 r/m in的汽輪機低壓缸長葉片見表2。

表2 各公司開發的低壓缸長葉片Tab.2 The latest long blades of IP turbines developed byvarious manufactures

1 000MW機組如果背壓為4.9 kPa，排汽面積約為44m2，折算到1 200MW機組排汽面積約為53m2，1 300MW機組排汽面積約為57m2，1 400MW機組排汽面積約為62m2，1 500MW機組排汽面積約為66m2。由表2可見，如采用2個低壓缸，大部分末級葉片都不適合1 200MW及以上的機組，如采用3個低壓缸，一些末級葉片甚至能勝任1 500MW的機組。

2.4 高壓缸和中壓缸出力的制約因素

單軸一次再熱汽輪機由于軸系穩定性條件制約了汽缸的總數，700～1 200MW汽輪機均采用1個高壓缸、1個中壓缸和若干個低壓缸的型式，將來更大容量的單軸汽輪機也必然采用這種模式。雖然中壓缸相比于高壓缸其進汽壓力降低，蒸汽體積流量增加，但是總體而言中壓缸的運行條件優于高壓缸。就高壓缸和中壓缸而言，單軸一次再熱汽輪機的中壓缸的設計和制造難度不會高于高壓缸，制約單軸汽輪機總出力的瓶頸是高壓缸。

對于雙軸一次再熱汽輪機，由于每個軸的軸系都縮短了，甚至可以采用2個中壓缸。大容量汽輪機的軸系布置有2種方案：方案1，高壓軸系為高壓缸－中壓缸－中壓缸，低壓軸系為2～3個低壓缸；方案2，高壓軸系為高壓缸－低壓缸－低壓缸，低壓軸系為中壓缸－中壓缸－低壓缸。因此對于雙軸一次再熱汽輪機，如需進一步提高機組出力，高壓缸仍然比中壓缸更關鍵。

對于二次再熱汽輪機，一般配置為高壓缸、第1中壓缸、第2中壓缸、低壓缸（有的制造廠將高壓缸稱為超高壓缸，將第1中壓缸稱為高壓缸、第2中壓缸稱為中壓缸）。對600～700MW等級汽輪機的汽缸配置為1個高壓缸和第1中壓缸合缸、1個第2中壓缸、2個低壓缸，整個軸系為4個汽缸，單軸布置。對800MW及以上機組整個軸系需要6～7個缸，分別為1個雙流高壓缸，1個雙流第1中壓缸，2個雙流第2中壓缸，2～3個低壓缸，汽缸數量超過了5個，將采用雙軸布置。中壓缸亦不是整個汽輪機出力的瓶頸。

高壓缸的進汽量和進汽壓力成正比，因此通過提高機組一次蒸汽的壓力，同時保持高壓缸的排汽壓力可提高高壓缸的出力。通過適當增加高壓缸的各級葉片的高度，既可以提高汽缸通流能力，也可提高高壓缸的出力。

圖1是上海汽輪機廠（引進西門子H75和H80模塊）、東方汽輪機廠和哈爾濱汽輪機廠制造的1 000MW汽輪機高壓缸模塊在不同的高壓缸進口壓力下的最大蒸汽通流量和進口壓力的關系曲線。圖1中：TMCR為汽機最大連續出力工況；TRL為機組銘牌工況；VWO為調門全開工況；THA為機組熱耗率驗收。由圖1可見，當汽輪機高壓缸進口壓力在27MPa時，H75模塊的最大通流量（最大連續出力工況，不開補汽閥）為797 kg/s，當進口壓力達到28MPa時，H75模塊最大通流量為28/27×797 kg/s=827 kg/s（2 975 t/h）。可見H75模塊無法滿足1 200MW汽輪機的要求。而根據西門子的資料，H80模塊在進汽壓力為28MPa時的最大通流量為950 kg/s（3 420 t/h），能夠滿足1 200MW汽輪機（3 381 t/h）的要求，但是也基本上達到了H80的極限。因此，如果要制造更大單機容量的汽輪機，只有增加進汽壓力，如果增加到30MPa，則H80的最大通流量為3 664 t/h，基本可滿足1 300MW機組的要求。

如果采用二次再熱汽輪機，高壓缸的排汽壓力高于一次再熱汽輪機，一般為9～10MPa，降低了高壓缸的焓降和高壓缸出力占整個汽輪機出力的比例。同樣的高壓缸模塊，可用于更大容量的汽輪機。第1中壓缸的進汽和排汽參數均高于一次再熱汽輪機的中壓缸，因此同樣的中壓缸模塊也可用于更大容量的汽輪機。由于大容量的二次再熱汽輪機均將采用雙軸布置，因而可以采用2個第2中壓缸，高壓缸和第1中壓缸的出力減少部分由第2中壓缸彌補。因此，機組最大出力將高于一次再熱汽輪機。所有的汽缸中制約機組總出力的瓶頸因素仍然是高壓缸。根據對現在最大的高壓缸模塊H80的計算，如將高壓缸進汽壓力從28MPa提高到30MPa，排汽壓力從6MPa提高到9MPa左右，第1中壓缸排汽壓力提高到2.5MPa左右，高壓缸和第1中壓缸的總出力可達560MW以上，占整個汽輪機出力的比例卻下降到約40％，汽輪機的總出力可達到1 400MW左右。

3 現有條件下發電機能夠達到的最大容量

3.1 概況

根據西門子和ALSTOM的資料，目前正在開發的全轉速發電機的最大出力為1 300MW（但沒有業績），國外其他公司也未見制造出力高于1 300MW的全轉速發電機的報道。根據國內制造廠的資料，有的制造廠正在研發最大出力為1 200～1 300MW的發電機，然而真正開發出容量為1 200～1 300MW及以上的全轉速發電機需要克服不少困難，主要如下。

3.2 轉子軸鍛件

通過提高發電機轉子外徑可以有效提高發電機單機容量，然而受鍛件廠鍛造能力、材料的機械性能和轉子鍛件重量的限制，轉子外徑不宜過大，這限制了發電機容量的進一步擴大。

3.3 發電機本體設計制造的難度

國內外用于1 000MW機組的汽輪發電機定子電壓多為27 kV，28 kV以上尚沒有使用業績。對于1 200～1 300MW等級機組的發電機定子電壓宜在27～30 kV之間，一方面可提高發電機性能，另一方面可有效降低定子電流。提高發電機電壓，同時也增加了發電機絕緣的要求。

1 300MW以上的發電機電磁尺寸增大，對解決發電機鐵心磁負荷、發熱、振動及隔振帶來困難。另外，發電機定子電流增大，定子線棒增大，定子線棒設計和制造難度增大。轉子勵磁電流增大，轉子發熱增加，通風和散熱難度加大，滑環設計難度也增加了。發電機端部線負荷增加，需要解決端部發熱問題。

3.4 主變電壓等級

汽輪發電機單機容量增大對電廠的電氣系統，特別是電氣保護系統要求高。1 300MW以上的汽輪發電機，定子額定電流必然進一步增大，尤其是事故狀態下定子電流非常大，對電氣儀器以及電流互感器等設備要求非常高，增加了電氣保護系統設計難度。一方面，發電機制造廠可以通過提高發電機額定電壓有效降低額定電流，然而這就要求發電機主變能夠滿足發電機額定電壓的變化，給變壓器制造廠提出更高的要求。另一方面，可調整發電機運行時額定功率因數（當然這也取決于電網的情況），但如發電機功率因數過高（功率因數接近1）時，則易造成發電機失穩，因此提高發電機功率因數應該慎重。

3.5 運輸問題

汽輪發電機定子運輸通常采用海運（江海聯運）、汽車運輸以及鐵路運輸。海運（江海聯運）受到時間和地域限制，汽車和鐵路運輸受到橋梁承重能力、涵洞和隧道高度、路況以及車輛承重能力等因素限制。目前國內制造的百萬千瓦超超臨界汽輪發電機定子質量接近500 t，是三大主機設備中最重的部件，運輸只能采用海運或者汽運，對于內陸電廠的鐵路運輸已經成為各大發電機制造廠急需解決的一大難題。發電機容量提高后，發電機尺寸和質量也隨著增加。因此，對于1 300MW容量的發電機，單單發電機定子鐵心和線棒總質量就以接近國內鐵路運輸極限，定子運輸成為制約發電機單機容量突破1 300MW的重要制約因素。

4 結論

（1）一次再熱、單軸汽輪發電機組的出力瓶頸依次為發電機（1臺發電機，最大出力滿足1 200 MW機組），高壓缸（1臺高壓缸，最大出力為：28MPa進汽壓力1 200MW，30MPa進汽壓力1 300MW），中壓缸（1臺中壓缸，最大出力為1 300MW），低壓缸（3臺低壓缸，最大出力1 500MW）。因此，一次再熱、單軸的汽輪發電機組，其最大出力以1 200MW為宜。

（2）一次再熱機組、雙軸汽輪發電機組的瓶頸在高壓缸，通過提高高壓缸進汽壓力和排汽壓力的手段，同時采用2個中壓缸，其最大出力可為1 300～1 400MW級。

（3）二次再熱機組、單軸汽輪發電機組受軸系穩定性的制約，最大出力為700MW。

（4）二次再熱機組、雙軸汽輪發電機組的瓶頸同樣在高壓缸，通過提高高壓缸進汽壓力和排汽壓力的手段，機組的最大出力為1 400MW。

（5）本文是從設備制造角度研究各種類型的火電型式的最大單機容量。對于二次再熱機組和雙軸機組國內沒有使用過，國外的運行電廠也很少，因此對于大容量二次再熱機組和雙軸機組在系統設計、系統控制、運行方式等方面的經驗較少，這些方面對機組容量的限制因素也有必要作進一步研究。

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