東方高效雙缸雙轉(zhuǎn)速再熱生物質(zhì)發(fā)電汽輪機優(yōu)化設計

張偉榮， 張鵬飛， 李軍， 洪安堯， 段艷雄， 李海軍

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 前言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國， 擁有豐富的生物質(zhì)能，而生物質(zhì)能發(fā)電技術是一種清潔高效的利用方式，用生物質(zhì)能發(fā)電實施煤炭替代， 可顯著減少氮氧化物排放， 促進農(nóng)業(yè)增收， 有效保護環(huán)境， 產(chǎn)生良好的社會和經(jīng)濟效益。 因此， 有必要研究如何提升生物質(zhì)能發(fā)電利用效率。

目前， 國內(nèi)生物質(zhì)發(fā)電燃料大多周邊聚集就近利用， 機組裝機功率大多集中在15～40 MW 范圍內(nèi)， 我國現(xiàn)役生物質(zhì)發(fā)電汽輪機多采用高溫高壓及以下參數(shù)常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min） 機型， 汽輪機效率偏低、 電廠熱效率普遍在20%～30%， 生物質(zhì)能利用率低， 嚴重制約了生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。 東汽積極響應市場需求， 不斷自主創(chuàng)新， 率先研發(fā)了高效35 MW 雙缸雙轉(zhuǎn)速再熱生物質(zhì)汽輪機， 大幅提高了生物質(zhì)能發(fā)電汽輪機的效率， 同時可實現(xiàn)供汽、 采暖、 高背壓供熱等多種功能， 顯著提升了生物質(zhì)能的利用效率。 本文介紹了東方高效35 MW 雙缸雙轉(zhuǎn)速再熱生物質(zhì)發(fā)電汽輪機的研發(fā)及優(yōu)化設計情況。

1 機組概況

東方高效35 MW 雙缸雙轉(zhuǎn)速再熱生物質(zhì)發(fā)電汽輪機為高溫超高壓、 一次中間再熱、 兩缸單排汽、 單軸、 雙轉(zhuǎn)速、 凝汽式汽輪機， 汽輪機高中壓部分和低壓部分為分缸結構， 高中壓采用合缸結構， 高中壓反向?qū)ΨQ布置中間進汽， 低壓缸采用單流布置。 汽輪機總體縱剖面圖見圖1。

圖1 東方N35-13.24/535/535 型汽輪機縱剖面圖

高中壓和低壓兩缸之間由單斜齒式減速箱連接， 高中壓高轉(zhuǎn)速通過齒輪箱減速至3 000 r/min，協(xié)同低壓缸驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。 機組配2 套主汽調(diào)節(jié)閥和1 套再熱主汽調(diào)節(jié)閥， 其中主汽調(diào)節(jié)閥采用1 拖2 結構， 2 套主汽調(diào)節(jié)閥均布置在高中壓汽缸兩側(cè)， 通過導汽管與高中壓汽缸連接， 再熱主汽調(diào)節(jié)閥為聯(lián)合閥， 布置在高中壓缸側(cè)部。 機組采用縱向布置， 長寬高為14 m×7 m×4 m （距運行平臺）， 機組總體立體外形圖見圖2。

圖2 機組總體立體外形圖

2 技術參數(shù)

機組型號： N35-13.2/535/535；

額定功率： 35 MW；

最大功率： 40 MW；

額定轉(zhuǎn)速： 高中壓5 000 r/min，低壓3 000 r/min；

主汽壓力： 13.24 MPa；

主汽溫度： 535 ℃；

再熱壓力： 2.454 MPa；

再熱溫度： 535 ℃；

額定主汽流量： 110 t/h；

最大主汽流量： 128 t/h；

回熱系統(tǒng)： 2 高加+1 除氧器+3 低加；

排汽背壓： 4.9 kPa；

末級葉片： 545 mm；

通流級數(shù)： HP 20 級、 IP 17 級、 LP 9 級。

3 機組優(yōu)化設計研究

3.1 熱力系統(tǒng)優(yōu)化

（1）初參數(shù)優(yōu)化

本機組主汽參數(shù)從常規(guī)的8.83 MPa/535 ℃提高至13.2 MPa/535 ℃。 根據(jù)熱力學原理， 提升初參數(shù)可以提高蒸汽動力朗肯循環(huán)熱效率， 降低汽輪機熱耗率。

（2）再熱循環(huán)

受限于生物質(zhì)燃料熱值變化大、 燃燒不穩(wěn)定等特性汽輪機新蒸汽溫度535 ℃再次提升較為困難， 因此， 本機組在提升初參數(shù)同時引入了再熱循環(huán)， 降低了汽輪機末級排汽濕度， 保證汽輪機末級葉片安全可靠性的同時提升了循環(huán)熱效率，圖3 為主汽參數(shù)8.83 MPa/535 ℃提升至13.2 MPa/535 ℃/535 ℃汽輪機熱耗率影響分析， 提升初參數(shù)和引入再熱循環(huán)機組總體熱耗下降約7.5%。

圖3 初參數(shù)和再熱循環(huán)對機組熱耗率影響

（3）除氧器滑壓優(yōu)化

高溫高壓常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）機型除氧器通常定壓運行， 本機組采用滑壓除氧器， 降低了除氧器抽汽節(jié)流損失。

（4）給水溫度優(yōu)化

一般來說， 提升鍋爐最終給水溫度， 汽輪機排汽端冷源損失下降， 汽輪機熱效率提高， 但給水溫度過高會導致鍋爐排煙溫度升高， 鍋爐效率下降， 電廠總體熱效率下降， 電廠管道閥門等材料成本增加， 因此， 需要綜合考慮。 高溫高壓常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）機型給水溫度約215 ℃， 本機組提升初參數(shù)同時對鍋爐最終給水溫度進行優(yōu)化，綜合考慮鍋爐效率和汽輪機熱耗率， 本機組鍋爐給水溫度最終選擇250 ℃。

3.2 通流優(yōu)化

（1）轉(zhuǎn)速選取優(yōu)化

生物質(zhì)汽輪機功率容量較小， 提升初參數(shù)后相同進汽流量下容積流量降低， 蒸汽流通通流面積降低， 葉高降低， 通流效率下降。 根據(jù)汽輪機原理， 速比是影響汽輪機通流效率的關鍵因素之一， 汽輪機通流級設計通常接近最佳速比， 整體經(jīng)濟性最佳， 其表述見式（1）：

式中： n 為轉(zhuǎn)速， d 為通流級節(jié)圓直徑， φ 為噴嘴速度系數(shù)， Hs為等熵焓降。

分析可知， 在最佳速比不變的條件下， 提高轉(zhuǎn)速可降低節(jié)圓直徑， 在所需通流面積一定的條件下， 即可以提高通流葉片高度， 提高通流效率。降低單級焓降， 即增加級次和降低根徑， 提高葉片高度。 因此， 對小容積流量汽輪機提高通流效率應采用多級次、 低根徑、 小焓降設計思想。

本機組高中壓段容積流量較小（一般對應通流中葉片高度＜30 mm） 宜采用高轉(zhuǎn)速。 低壓段容積流量較大， 葉片高度較高， 提高轉(zhuǎn)速對通流效率提高影響不大， 宜采用3 000 r/min 設計。

（2）通流效率優(yōu)化

本機組高中壓缸通流應用東汽最新DAPH3 高效反動式葉型， 轉(zhuǎn)速提高后降低了壓力級根徑、增加壓力級級次、 取消部分進汽度， 壓力級葉片高度大幅提高， 二次流損失大幅下降， 壓力級效率顯著提高， 高中壓部分通流效率相比常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min） 機型分別提高10%、 4%， 低壓通流應用東汽最新先進高度后加載靜葉葉型和大剛度動葉葉型， 低壓通流效率比常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）機型提高1.5%。

（3）高效末級葉片應用

末級葉片設計采用大焓降， 高根部反動度的設計思想， 不但設計工況效率高， 而且變工況性能優(yōu)良， 本機組末級動葉片采用545 mm 高效末級葉片， 額定工況排汽速度180 m/s， 接近軸向排汽， 排汽損失小， 兼顧了設計點高效率和變工況優(yōu)良性能。

3.3 結構優(yōu)化

（1）高中壓缸整體發(fā)貨

本機組高中壓缸采用整缸發(fā)貨， 全通流廠內(nèi)完成安裝， 現(xiàn)場實現(xiàn)免開缸就位安裝， 大大簡化機組安裝周期。 高壓缸采用局部式雙層缸設計，汽缸熱應力分布更加均勻， 改善了汽缸法蘭和螺栓受力情況， 結構設計緊湊， 熱容量小， 利于快速啟機。

（2）雙電泵主油泵

本機組由主軸驅(qū)動主油泵改為雙電泵主油泵， 電機驅(qū)動油泵直接向軸承供油， 取消汽輪機前箱主油泵、 射油器和大量管道， 一用一備， 可實現(xiàn)在線切換， 不受汽輪機轉(zhuǎn)速限制， 可隨時啟停， 同時軸系縮短， 降低了油系統(tǒng)供油能耗， 降低了系統(tǒng)噪音。

（3）采用先進汽封

對高參數(shù)小流量汽輪機， 軸端漏汽對汽輪機經(jīng)濟性影響占比更加凸顯， 本機組采用高性能密封汽封鑲齒式汽封， 結構見圖4， 在有效空間內(nèi)相比常規(guī)迷宮式汽封齒數(shù)增加20%以上， 同時合理控制動靜部件之間漏汽間隙， 機組漏汽損失大幅下降。

圖4 鑲齒式汽封結構示意圖

（4）調(diào)節(jié)方式優(yōu)化

本機組針對生物質(zhì)燃料熱值不穩(wěn)定， 負荷變化頻繁的特點， 配汽方式采用噴嘴配汽， 在高壓調(diào)節(jié)閥控制上由常規(guī)凸輪或提板結構改為閥門管理， 機組在啟動、 升速、 帶負荷和變工況控制過程中可以實現(xiàn)單閥模式和順序閥模式的無擾切換，機組運行調(diào)節(jié)更加迅速靈活高效。

4 性能分析

4.1 經(jīng)濟性分析

本機組與傳統(tǒng)30 MW 高溫高壓非再熱常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）機型經(jīng)濟性對比結果見表1。

表1 傳統(tǒng)機型和設計機型經(jīng)濟性對比

（1）從機組經(jīng)濟性角度分析， 采取熱力系統(tǒng)、通流、 結構和雙轉(zhuǎn)速等優(yōu)化措施后東方高效35 MW 再熱機組比傳統(tǒng)30 MW 高溫高壓非再熱常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）機型熱耗下降約13%，汽輪機經(jīng)濟性大幅提升。

（2）從發(fā)電經(jīng)濟性收益角度分析， 在汽輪機吸熱量一定（即生物質(zhì)燃料量一定）條件下， 東方高效35 MW 再熱機組年發(fā)電量比傳統(tǒng)30 MW 高溫高壓非再熱常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）機型增加約0.33億千瓦時， 發(fā)電經(jīng)濟效益增加2 475 萬元/年， 經(jīng)濟效益非常可觀。

4.2 功能延伸分析

（1）供汽、 采暖功能

本機組高中壓部分和低壓部分連通管連接，可安裝供熱蝶閥實現(xiàn)0.2～0.8 MPa 工業(yè)供汽、 采暖可調(diào)抽汽需求。

（2）高背壓供熱

針對北方地區(qū)冬季民生供暖需求， 機組可選擇合適低壓排汽通流模塊實現(xiàn)機組高背壓（20～35 kPa） 運行， 利用汽輪機低壓排汽與循環(huán)水換熱回收機組排汽冷源損失能量， 再通過連通管采暖抽汽分級加熱循環(huán)水外供可實現(xiàn)民生采暖需求。

5 結束語

本文對東方高效35 MW 雙缸雙轉(zhuǎn)速再熱生物質(zhì)發(fā)電汽輪機的研發(fā)及優(yōu)化設計情況進行了詳細介紹， 從熱力系統(tǒng)、 再熱循環(huán)、 通流、 結構和雙轉(zhuǎn)速等方面進行了優(yōu)化， 機組經(jīng)濟性比原型機得到大幅度提升， 機組應用功能擴展延伸， 可以滿足生物質(zhì)發(fā)電領域的多種需求， 顯著提升生物質(zhì)能的利用效率， 具有較強推廣應用價值。