50 MW等級(jí)光熱發(fā)電汽輪機(jī)總體設(shè)計(jì)

錢 勇， 倪 劍， 周 勇

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽(yáng) 618000)

光熱發(fā)電技術(shù)具有系統(tǒng)效率高、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足電網(wǎng)深度調(diào)峰要求[1]，是可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的可再生清潔能源技術(shù)。國(guó)外光熱發(fā)電技術(shù)起步較早，發(fā)展較快，特別是2007年至2013年國(guó)際光熱發(fā)電市場(chǎng)進(jìn)入了黃金發(fā)展時(shí)期，西班牙、美國(guó)的光熱發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模都居于全球領(lǐng)先水平，其裝機(jī)容量占比超過(guò)全球裝機(jī)容量的90%[2]。國(guó)內(nèi)光熱發(fā)電雖然起步較晚，但是隨著科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)升級(jí)和環(huán)保壓力劇增，國(guó)內(nèi)光熱電站項(xiàng)目進(jìn)入了高速發(fā)展期，高校、科研院所對(duì)光熱發(fā)電與生物質(zhì)、地?zé)崮堋L(fēng)能、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電組成的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電也進(jìn)行了深入研究[3]。2018年并網(wǎng)投運(yùn)的項(xiàng)目有德令哈50 MW槽式光熱電站、敦煌100 MW塔式光熱電站及德令哈50 MW塔式光熱電站。這些商用光熱電站成功并網(wǎng)發(fā)電是對(duì)我國(guó)光熱發(fā)電技術(shù)的工程驗(yàn)證，為我國(guó)規(guī)模化發(fā)展光熱發(fā)電提供了重要的技術(shù)支撐。

根據(jù)初步測(cè)算，光熱發(fā)電汽輪機(jī)的投資成本約占整個(gè)光熱電站總投資的2.5%，但其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)卻對(duì)系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率有顯著影響，對(duì)光熱發(fā)電汽輪機(jī)的啟停速度、負(fù)荷運(yùn)行范圍等指標(biāo)的要求比對(duì)常規(guī)汽輪機(jī)的要求更高[4]，光熱發(fā)電汽輪機(jī)性能與整個(gè)光熱電站的投資回收期直接相關(guān)，因此對(duì)光熱發(fā)電汽輪機(jī)進(jìn)行研究具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)光熱發(fā)電示范項(xiàng)目基本采用50 MW或100 MW等級(jí)光熱發(fā)電汽輪機(jī)，筆者僅介紹50 MW等級(jí)光熱發(fā)電汽輪機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)組參數(shù)選擇

目前最成熟的商用光熱電站為槽式電站，其裝機(jī)容量占全球光熱發(fā)電站裝機(jī)容量的比高于90%[5]，隨著科技的進(jìn)步和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，塔式電站與線性菲涅爾式電站占比逐漸增大。塔式、槽式和線性菲涅爾式電站均采用汽輪發(fā)電機(jī)組作為熱電轉(zhuǎn)換設(shè)備，常規(guī)塔式及槽式光熱電站主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 不同形式光熱電站主要技術(shù)參數(shù)

光熱發(fā)電汽輪機(jī)參數(shù)的選擇主要與所采用的換熱介質(zhì)和集熱方式相關(guān)。提高汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)可以提高效率，但同時(shí)會(huì)影響蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的熱利用效率以及設(shè)備投資金額，應(yīng)對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高光熱電站整體熱經(jīng)濟(jì)性。

1.2 熱力方案

光熱發(fā)電汽輪機(jī)與常規(guī)汽輪機(jī)相同，均采用以蒸汽為工作介質(zhì)的朗肯循環(huán)，為避免汽輪機(jī)動(dòng)葉片過(guò)早進(jìn)入濕蒸汽區(qū)運(yùn)行影響機(jī)組安全，同時(shí)提高機(jī)組熱力循環(huán)效率。50 MW等級(jí)光熱發(fā)電汽輪機(jī)采用高、中低壓分缸一次中間再熱技術(shù)，該等級(jí)汽輪機(jī)高壓通流部分葉高小、相對(duì)漏汽量大，汽缸效率低。為解決蒸汽體積流量較小的問題，汽輪機(jī)的高壓缸部分采用高轉(zhuǎn)速，其汽缸效率比常規(guī)轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)至少高12百分點(diǎn)[6](見表2)。雖然高壓缸采用高轉(zhuǎn)速需要配置齒輪箱，但是光熱發(fā)電汽輪機(jī)所配置的齒輪箱效率大于98.5%，經(jīng)過(guò)整體核算，高壓缸采用高轉(zhuǎn)速在效率方面依然有明顯優(yōu)勢(shì)。

表2 高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)與常規(guī)汽輪機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)比

提高循環(huán)系統(tǒng)給水溫度可以提高工質(zhì)的平均吸熱溫度，從而提高循環(huán)效率。光熱汽輪發(fā)電機(jī)組最終給水溫度一般高于相應(yīng)參數(shù)火電機(jī)組的給水溫度，主要是為了提高整個(gè)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。最終的給水溫度由末級(jí)加熱器對(duì)應(yīng)的抽汽壓力和加熱器傳熱端差確定，目前50 MW等級(jí)光熱發(fā)電汽輪機(jī)最終給水溫度為250～260 ℃。

汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的優(yōu)化匹配需要與全系統(tǒng)耦合，也需要兼顧成本與收益以及汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，50 MW等級(jí)光熱發(fā)電汽輪機(jī)經(jīng)綜合論證優(yōu)選八級(jí)回?zé)嵯到y(tǒng)，具體見圖1。

HP—高壓缸；ILP—中低壓缸。

圖1 熱力系統(tǒng)圖

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

50 MW等級(jí)光熱發(fā)電汽輪機(jī)采用高、中低壓分缸一次再熱技術(shù)，高壓缸設(shè)計(jì)成反動(dòng)式高轉(zhuǎn)速，合理分配每級(jí)焓降，反動(dòng)級(jí)的輪周效率曲線在最大速比(約為1)附近存在一個(gè)平坦區(qū)域，速比在一定范圍內(nèi)變化時(shí)不會(huì)引起輪周效率的明顯下降[7]。中低壓部分采用沖動(dòng)式，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，高壓缸與中低壓缸之間設(shè)置減速箱，發(fā)電機(jī)中置，汽輪發(fā)電機(jī)組整體布置見圖2。經(jīng)過(guò)咨詢相關(guān)單位與設(shè)計(jì)院，機(jī)組采用低位布置、軸向排汽結(jié)構(gòu)能有效降低廠房建設(shè)成本和周期(見表3)。

圖2 50 MW等級(jí)光熱發(fā)電汽輪機(jī)整體布置圖

表3 50 MW等級(jí)光熱電站運(yùn)行層土建成本對(duì)比

2.1 閥門設(shè)計(jì)

采用一次中間再熱的光熱發(fā)電汽輪機(jī)分別設(shè)置了高壓閥、中壓閥，為水平切向進(jìn)汽布置結(jié)構(gòu)，采用螺栓將閥門把安裝在汽缸上，其優(yōu)點(diǎn)為壓損小(2%左右)[8]。汽缸進(jìn)汽部位溫度場(chǎng)分布均勻，熱應(yīng)力小，安裝檢修方便。與常規(guī)火電汽輪機(jī)不同的是光熱發(fā)電汽輪機(jī)的中壓閥也采用了主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合組閥，使得機(jī)組調(diào)節(jié)性能更好。主閥桿、調(diào)節(jié)閥桿與套筒之間都設(shè)置了錐形密封面，正常運(yùn)行時(shí)主閥桿零泄漏，調(diào)節(jié)閥全開時(shí)調(diào)節(jié)閥桿零泄漏。閥門支架采用三支點(diǎn)浮動(dòng)支撐，依靠彈簧變形吸收閥門與基礎(chǔ)的脹差。

2.2 汽缸設(shè)計(jì)

光熱發(fā)電汽輪機(jī)蒸汽初參數(shù)可以達(dá)到壓力為10～15 MPa、溫度為370～550 ℃，高壓模塊采用雙層缸(見圖3)。

圖3 高壓缸示意圖

高壓外缸采用中分法蘭結(jié)構(gòu)，前部高壓內(nèi)缸采用筒形缸紅套環(huán)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)有隔熱罩，后部采用隔板套，內(nèi)外缸尺寸減小，換熱充分。高壓缸設(shè)計(jì)工藝性好，內(nèi)外缸熱應(yīng)力小，大修周期長(zhǎng)。高壓缸設(shè)計(jì)有倒暖裝置，可以有效降低啟動(dòng)時(shí)間，滿足快速啟動(dòng)要求。

中低壓缸采用單層缸結(jié)構(gòu)(見圖4)，壓差小，外壁絕熱，一、二次應(yīng)力均比較低；為了加快中低壓缸溫升速度，采用窄高法蘭，可滿足快速啟停要求。

圖4 中低壓缸示意圖

2.3 轉(zhuǎn)子

采用一次中間再熱技術(shù)后，采用熔鹽為導(dǎo)熱介質(zhì)的光熱發(fā)電汽輪機(jī)中低壓缸轉(zhuǎn)子采用焊接形式，其特點(diǎn)為進(jìn)汽高溫段采用高溫性能優(yōu)良的材料(30Cr1Mo1V)，低溫部分采用強(qiáng)度高、脆性轉(zhuǎn)變溫度低的材料(30Cr2Ni4MoV)，通過(guò)合適的焊接及熱處理工藝滿足中低壓缸轉(zhuǎn)子的各項(xiàng)要求。轉(zhuǎn)子特別是中低壓缸轉(zhuǎn)子快速啟停過(guò)程中第一級(jí)后圓角處應(yīng)力較大，設(shè)計(jì)中需要優(yōu)化圓角結(jié)構(gòu)。

2.4 排汽缸

排汽缸采用軸向排汽結(jié)構(gòu)(見圖5)，排汽沿軸向直接進(jìn)入排汽管道，無(wú)須向下轉(zhuǎn)折，可降低流動(dòng)損失，流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果見圖6。通過(guò)相關(guān)計(jì)算，常規(guī)向下排汽汽輪機(jī)排汽缸的靜壓恢復(fù)系數(shù)約為0.05，排汽的余速?zèng)]有被很好地利用；而采用軸向排汽的汽缸在相同的排汽面積情況下，由于汽流減少了由軸向向徑向的 90°轉(zhuǎn)折，能量損失減少，靜壓恢復(fù)系數(shù)約為0.15。由于排汽缸靜壓恢復(fù)系數(shù)的提高，汽輪機(jī)效率提高了0.2%～0.3%。

圖5 排汽缸結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 軸向排汽流場(chǎng)分析結(jié)果

中低壓缸的軸承箱布置在排汽缸內(nèi)，由撐管支撐在排汽缸下半部分，撐管內(nèi)布置有進(jìn)回油、軸封管道等。排汽缸上半部分設(shè)置有檢修組件，不開缸就能完成軸承檢修。

3 模塊化設(shè)計(jì)

光熱電站一般建設(shè)在荒漠、戈壁，施工條件差且周期緊張，用戶希望機(jī)組盡量整體發(fā)貨，以便減少現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量，50 MW等級(jí)光熱發(fā)電汽輪機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，高、中低壓模塊均能夠整體發(fā)貨，產(chǎn)品公用底座即可作為發(fā)貨支架，安裝簡(jiǎn)便、快捷。50 MW光熱發(fā)電汽輪機(jī)高、中低壓模塊現(xiàn)場(chǎng)圖見圖7、圖8。

圖7 高壓模塊現(xiàn)場(chǎng)圖

圖8 中低壓模塊現(xiàn)場(chǎng)圖

4 結(jié)語(yǔ)

50 MW光熱發(fā)電汽輪機(jī)高壓缸采用高轉(zhuǎn)速反動(dòng)式，中低壓缸采用沖動(dòng)式，高壓缸與中低壓缸之間設(shè)置變速箱，發(fā)電機(jī)中置，采用低位布置，并采用軸向排汽結(jié)構(gòu)，能滿足光熱發(fā)電系統(tǒng)的特殊要求。國(guó)內(nèi)50 MW等級(jí)光熱發(fā)電汽輪機(jī)已陸續(xù)成功投入商業(yè)運(yùn)行，需要根據(jù)實(shí)際投運(yùn)情況收集運(yùn)行數(shù)據(jù)，積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，持續(xù)優(yōu)化總體設(shè)計(jì)方案。