高超超臨界汽輪機節能降耗效能淺析

惠坤龍 朱凱麗 張咪 胡術壯

摘 要：在治污減霾的巨大壓力下，目前國內發電行業的汽輪機組正在向節能減排效果更好的高超超臨界汽輪機發展，本文就高超超臨界汽輪機的發展歷程及其節能降耗的改進措施和效果進行了分析研究。

關健詞：汽輪機；降耗效能；高超超臨界

中圖分類號：TK268 文獻標識碼：A

1 高超超臨界汽輪機的發展歷程

從汽輪機技術進步的角度來看，經濟性1%的提高就是重大的技術發展，因此，通常會將蒸汽參數等級作為汽輪機技術和產品等級的標志。在低壓、中壓到亞臨界、超臨界的發展過程中均以壓力參數作為特征標志；而超超臨界則是以600℃溫度作為標志；等到下一個階段新的高超超臨界則會以壓力提高到35MPa或者溫度700℃等級作為標志。因為溫度對汽輪機的影響最大，并且與高溫材料有關，因此有三個里程碑式的發展：第一個里程碑是以高溫CrMoV及12Cr材料為基礎，其產品發展延續了近百年的歷史，最高溫度達到566℃，壓力最高達到超臨界 24.2 MPa；第二個里程碑是采用了先進鐵素體材料的超超臨界參數，其溫度達到 600～625℃，壓力25～30MPa；第三個里程碑的參數定義為大于35MPa或溫度700℃/720℃，它所對應的高溫材料的發展重點是Ni基合金，比起超臨界汽輪機，參數提高后的節能減排效益更加巨大。

雖然高超超臨界汽輪機的Ni基材料能夠參考現有燃氣輪機的材料，但還是必須要根據汽輪機的運行條件來開展大量的研制和試驗，需要巨大的人力和物力投入。比如材料的優化及長期的高溫性能試驗和關鍵部件的運行試驗；大型的鑄鍛件工藝研究；焊接轉子工藝的研究工作。

技術改進和科研不能一蹴而就，故700℃高超超臨界技術和產品分布發展也需要分階段進行，第一階段提前實施與Ni材料無關的三個技術升級：開發和推出高壓、熱力循環優化以及獨特的結構模塊，再通過材料的升級，實現第二階段的700℃溫度。根據這個路線，第二階段700℃汽輪機的關鍵集中在與鎳基合金材料相關的高溫部件。

2 高超超臨界汽輪機效率的提升

對于汽輪機通流部分的設計，綜合高效率葉柵成型技術、計算機優化技術，以及葉片制造的數字化這3個領域的最新技術成果，建立了一個先進的通流葉片整體自動優化設計系統。這個系統可以按照熱力參數、給定的軸向尺寸限制，自動地完成整個通流部分葉片級的設計，自動形成所需的數據文件、制造圖和生產路線。結構上的優化就在于沒有進汽蒸汽管道，閥門直接和汽缸相連；全周進汽的斜置靜葉，沒有蒸汽室；沒有法蘭外伸端的小直徑圓筒型高壓內缸；也無水平中分面的圓筒型外缸，取消了傳統機型中強度處于極限狀況的水平中分面高溫螺栓結構；而且高壓缸中間級的內冷結構起到了降低溫度和使內外缸分別承擔壓差的作用，也能大幅度降低內外汽缸的工作應力。其具有獨特結構的機型可以明顯的降低蒸汽從進口到出口的每一段流動過程中的流動損失，提高汽輪機的效率。

冷端優化技術雖然跟高溫高壓參數沒有直接的關系，但因為汽輪機的排汽損失占整個汽輪機出力的1.5%-3%，冷端的優化還是決定汽輪機效率高低的關鍵技術之一。因為冷端不涉及昂貴高溫材料的使用，因此高超超臨界機組的冷端優化更偏向于選取較低的背壓；二次再熱使得總體增加一個再熱缸，在軸系總體缸數不變的條件下，使可以選配的低壓缸數減少一個。除此之外，采用盡可能多的使機組效率得到提高的先進技術也是提高性價比的重要措施。例如外高橋第三發電廠2*1000MW機組是我國電力行業取得巨大節能減排效益的典型，這個電廠不僅選擇具有高效率獨特結構的機型，而且還通過提高鍋爐效率、利用煙氣余熱、優化冷端背壓、優化給水泵系統，以及通過啟動前采用旁路沖洗技術“防止對汽輪機的硬質顆粒沖蝕以避免運行效率的下降”十幾項優化設計和技術創新都取得了非常成功的節能效果，提高了機組的熱效率。

3 汽輪機節能的增效改造

3.1 汽輪機節能的增效措施

對于汽輪機組及其附屬系統運行時存在的影響經濟性和穩定性的問題，比如：汽輪機組熱耗高，汽輪機高、中、低壓缸運行效率偏低；低壓缸排氣溫度偏高；凝汽器換熱效果差，真空度低，凝結水溶氧量偏高；帶有液力耦合器調速的轉機設備，工作效率偏低，廠用電耗高；真空泵在夏季運行時出力低，容易發生汽蝕缺陷；循環水冷卻塔散熱效果不佳；機組各熱力系統普遍存在閥門內漏的缺陷，熱能損失較嚴重等，分析原因之后可以得到如下解決方案：①將汽缸原梳齒式汽封換成其他更加科學、密封性效果更好的新型汽封（如：布萊登汽封、刷式汽封、側齒汽封），同時對各汽封間隙進行合理調整，可以顯著提高汽輪機各汽缸的運行效率。②在低壓缸排汽通道內部合理位置和角度上安裝一定數量的“排汽導流板”，可有效降低機組低壓缸排汽通道汽場分布不均勻的程度，會干擾低壓缸排汽二次渦流場的形成，顯著增強低壓缸排汽擴壓能力和凝汽器換熱效率，進而提高汽輪機組的運行經濟性。③用內壁光滑的大型熱壓一體彎頭更換掉低壓缸導汽管原裝焊接“多節型”彎頭，是解決汽輪機低壓缸導汽管局部阻力大、蒸汽流動損失大的有效手段。④需要定期對汽輪機組真空系統做嚴密性實驗，積極查找“負壓”系統泄漏點并及時消漏；重新設計凝汽器的水封筒高度，能夠有效地減少凝汽器真空泄漏量，降低凝結水的溶氧量。⑤堅持定期在凝汽器水側投放膠球，加強循環水質監督，在凝汽器循環水入口安裝“旋轉式二次濾網”裝置，都能有效避免其換熱管束的堵塞、結垢。⑥還要提高對閥門內漏治理的重視程度。對汽輪機組各熱力系統普遍存在的閥門內漏缺陷，應該采取更換、研磨、涂鍍、堆焊、車削等手段，集中、有效地治理閥門內漏，以提高機組熱能利用率[2]。

3.2 汽輪機節能的降耗效果

側齒式汽封結構較先進，密封效果好，節能效果顯著，運行也安全可靠，加工制造工藝成熟，在國內已經較普遍使用，并且改裝工藝簡便，不用改變原汽封結構，投資少，見效快；刷式汽封是一種柔性密封，刷絲對轉子的摩擦振動小，隨著轉子跳動不改變密封間隙，密封效果好，最適合溫度和壓力較低的低壓缸使用。解決汽輪機組能耗高、效率低問題的2種主要方法：一是消除設備缺陷，以保持設備的良好出力，提高其運行可靠性，減少因為設備缺陷造成的非停事故，降低因為缺陷引起的各種能量損失；二是利用技術改造和技術革新來提高設備的能源利用效率。

參考文獻：

[1]王攀，現役火力發電機組汽機側節能優化研究，華北電力大學，2016（6）.

[2]夏榮海，火電廠汽輪機組節能技術的應用研究，華北電力大學，2016（6）.