槽式光熱發(fā)電汽輪機經濟性關鍵技術研究

尹剛 范小平 吳方松 尹華劼

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

1 前言

我國是一個太陽能資源豐富的國家， 太陽能是支撐我國國民經濟可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性能源之一。 利用太陽能技術可以實現(xiàn)環(huán)境保護、 能源供應多樣化。 光熱發(fā)電作為太陽能利用的重要形式，與光伏發(fā)電相比， 在系統(tǒng)效率、 建設規(guī)模、 負荷穩(wěn)定性等有獨特優(yōu)勢， 目前已成為清潔能源發(fā)展最快的行業(yè)。 太陽能光熱發(fā)電根據(jù)聚熱方式的差異而分為塔式、 槽式、 菲涅爾、 蝶式四種， 其中以槽式熱發(fā)電技術最為成熟[1]。 本文結合國內首臺大型槽式太陽能光熱發(fā)電汽輪機研制， 結合光熱發(fā)電特點， 探討槽式太陽能光熱發(fā)電汽輪機經濟性的關鍵技術。

2 太陽能光熱發(fā)電汽輪機技術特點

太陽能光熱發(fā)電項目的投資成本比常規(guī)發(fā)電高， 初投資一直是制約光熱發(fā)電的重要因素[2]。 汽輪機作為光熱發(fā)電系統(tǒng)熱功轉換的核心部件， 也是制約光熱發(fā)電技術發(fā)展的關鍵。 根據(jù)太陽能特點， 光熱發(fā)電汽輪機應具有如下特點：

（1）經濟性高；

（2）快速啟動能力；

（3）頻繁啟停和快速變負荷等能力；

（4）低負荷的連續(xù)運行能力；

（5）兩班制運行能力；

（6）控制方便靈活。

3 槽式太陽能光熱汽輪機設計

公司研制的國內首臺50 MW 等級槽式光熱發(fā)電汽輪機為再熱凝汽式汽輪機， 采用雙缸、 雙轉速方案， 即高壓缸采用高轉速（6 000 r/min）， 中低壓缸采用常規(guī)轉速（3 000 r/min）。 整個汽輪機為單層布置， 不設置二層平臺， 汽輪機低壓缸采用軸向排汽結構， 發(fā)電機采用中間布置。 整個機組布置為： 高壓缸通過齒輪箱減速到3 000 r/min，與發(fā)電機連接， 發(fā)電機另一側與中低壓缸連接，中低壓缸后部與軸向凝汽器連接， 整個機組布置形式如圖1 所示。 本機型的具體參數(shù)詳見表1。

圖1 國內首臺50 MW 等級槽式光熱發(fā)電汽輪機總體布置圖

表1 50 MW 等級槽式光熱發(fā)電汽輪機參數(shù)

4 槽式光熱汽輪機經濟性關鍵技術

由于太陽能光熱發(fā)電汽輪機的特性， 槽式光熱發(fā)電汽輪機設計的關鍵在于盡可能提高汽輪機的經濟性以保證整個項目的投資回報率。 主要措施如下：

4.1 適用于太陽能光熱汽輪機的再熱技術

再熱技術的使用可以提高汽輪機郎肯循環(huán)的平均吸熱溫度， 對于50 MW 等級汽輪機， 再熱循環(huán)的效率可提高～10%。 但再熱壓比的選擇是決定再熱循環(huán)效率的關鍵， 對于再熱汽輪機， 高壓缸容積流量較小， 造成葉片的相對高度較低導致高壓缸效率低， 而中壓缸經過再熱后過熱度提高，壓力降低， 在汽輪機中等熵效率是最好的， 因此為降低熱耗應提高高中壓缸的分缸壓力， 讓中壓缸多做功， 但提高分缸壓力導致中壓缸進汽過熱度降低， 造成排汽濕度大導致末級葉片水蝕。 因此提高系統(tǒng)的效率關鍵在于選擇最佳再熱壓比，從而保證機組經濟性最佳。 通過研究不同壓力下高壓和低壓缸效率的變化， 并折算出整體循環(huán)熱耗與再熱壓力之間的關系。 通過一系列再熱壓力點的離散計算， 最終將離散結果匯總， 匯編成一條曲線。 該曲線類似于拋物線， 在拋物線頂點即為最優(yōu)壓比點。 再熱壓力與熱耗的關系詳如圖2所示。

圖2 再熱壓力與機組熱耗的關系

4.2 汽水分離器

槽式導熱油光熱發(fā)電系統(tǒng)受導熱油特性限制，溫度不能超過400 ℃， 主蒸汽溫度一般380 ℃，過熱度不高， 這導致THA 工況下在最佳再熱壓力時高壓排汽為濕蒸汽， 這會導致部分液態(tài)水進入再熱器， 水汽化將吸收大量熱量。 為保證再熱溫度， 必然要求再熱器能力增加， 增加整個系統(tǒng)的輸入熱量， 這顯然降低了循環(huán)效率， 而且不利于能源的分級利用。 因此在再熱器前增設汽水分離器， 將進入再熱器的蒸汽干度提高， 分離出的水直接進入除氧器， 利用其顯熱， 使循環(huán)效率提高。槽式導熱油光熱發(fā)電汽輪機， 在高壓排汽和再熱器之間設置合理的汽水分離器是提高循環(huán)效率的關鍵技術之一。

4.3 汽輪機回熱系統(tǒng)優(yōu)化

采用回熱系統(tǒng)， 可以減少循環(huán)的冷端損失，提高進入蒸汽發(fā)生裝置的水溫， 減少排汽量， 降低排汽余速損失， 降低凝汽損失， 熱耗明顯下降從而使循環(huán)效率得到提高。 設置合理的回熱系統(tǒng)是提高光熱汽輪機循環(huán)效率的另一關鍵技術。

為探究回熱級數(shù)與汽輪機循環(huán)效率之間的關系， 假定其余邊界條件不變， 則汽輪機循環(huán)最小熱耗與回熱級數(shù)關系式見式（1）。

式中：qn為汽輪機循環(huán)最小熱耗；n為汽輪機循環(huán)回熱級數(shù)；R0、 Δi為系統(tǒng)常數(shù)（與系統(tǒng)有關）。

為便于分析，將式（1）圖形化，如圖3 所示。

圖3 回熱級數(shù)與熱耗關系圖

從圖3 可以看出， 增加回熱級數(shù)可以降低熱耗， 提高循環(huán)效率， 但每增加一級回熱抽汽得到的收益隨著回熱級數(shù)增加而變緩， 同時過多的回熱級數(shù)也會增加回熱系統(tǒng)布置上的困難。 針對槽式導熱油太陽能光熱汽輪機， 綜合考慮， 回熱級數(shù)選取8 級， 高壓缸3 級回熱， 低壓缸5 級回熱，即3 級高加、 1 級除氧和4 級低加。

4.4 汽輪機轉速選擇

50 MW 槽式光熱發(fā)電汽輪機蒸汽的特點是參數(shù)高（特別是壓力）而流量相對較小， 導致機組的高壓段的容積流量小， 如常規(guī)機組， 高壓缸3 000 r/min 的轉速， 每級的葉片的節(jié)圓直徑相對較高，葉片相對葉高較小或存在部分進汽， 導致高壓級通流效率低， 為了提高機組高壓通流的效率， 高壓缸采用高轉速， 降低葉片的節(jié)圓直徑， 增加相對葉高， 可較大幅度提升通流效率， 綜合考慮齒輪箱損耗， 確保機組高壓部分的效率提高。

中低壓缸采用常規(guī)轉速主要是考慮到低壓部分容積流量相對較大， 葉片相對葉高較大， 高轉速方案對效率的提升扣減齒輪箱損耗后收益較小。同時由于本項目運行背壓低至4 kPa， 為了保證效率， 降低余速損失， 末級葉片長。 若采用高轉速，葉片離心力大， 末級葉片設計難度急劇增加。 最終出于機組經濟性、 安全性等的綜合考慮采用常規(guī)轉速方案。

4.5 配汽方式選擇

目前汽輪機的配汽方式主要有3 種： 噴嘴配汽、 節(jié)流配汽和旁通配汽， 旁通配汽多用于艦船，噴嘴配汽和節(jié)流配汽多用于發(fā)電汽輪機。 噴嘴配汽的部分負荷效率高， 但額定負荷有部分進汽損失； 節(jié)流配汽設計工況的效率高， 但部分負荷有節(jié)流損失。 節(jié)流后汽輪機的內效率見式（2）。

式中：為汽輪機通流部分的相對內效率；ηih為汽輪機的節(jié)流效率。

針對太陽能光熱發(fā)電汽輪機開發(fā)出了一種新型節(jié)流配汽方式， 該節(jié)流配汽方式在起機到20%負荷之間采用閥門控制節(jié)流配汽， 當負荷到達20%后實現(xiàn)閥門全開， 從20%～100%負荷閥門全開不參與調節(jié)， 機隨爐動。 該種方式實現(xiàn)了整個連續(xù)運行區(qū)間（20%～100%）無節(jié)流損失。 即為零，汽輪機內效率就為汽輪機通流效率。 同時實現(xiàn)了全周進汽， 熱應力小， 利于快速啟動。 機組采用滑參數(shù)運行， 在運行過程中閥門全開， 在設計時不考慮機組最大工況的進汽余量， 在各工況下閥門節(jié)流損失最小， 從而保證機組的效率較常規(guī)節(jié)流配汽機組高， 同時在最大負荷時， 考慮機組的超壓運行能力， 從而保證機組的長期安全高效運行。 采用節(jié)流配汽能有效降低第一級葉片安全風險， 從而更能適應光熱汽輪機負荷變化頻繁的特點。

閥門采用對沖進汽結構， 通過優(yōu)化進汽結構保證機組進汽的均勻性， 從而提升機組的效率。為降低閥門型損， 并對閥門型線及結構進行優(yōu)化，從而降低閥門腔室內部流場損失。 同時輔以新型閥門自密封結構， 如圖4 所示， 在閥門全開狀態(tài)，閥桿和閥桿套筒緊密貼合， 保證機組在連續(xù)運行工況（20%～100%負荷工況）下實現(xiàn)零泄露。 具體結構如圖4 所示。

圖4 閥桿自密封結構

4.6 排汽方式選擇

凝汽式汽輪機的排汽能量相當于總可用等熵能量的1%以上， 約占機組總損失的15%。 計算表明， 改善排汽系統(tǒng)的氣動設計能夠有效提高汽輪機效率， 降低能源消耗。 凝汽式汽輪機的排汽形式一般有： 向下排汽、 向上排汽、 軸向排汽、 側向排汽， 其中向下排汽用得最多。 與軸向排汽相比， 向下排汽的排汽缸采用的是軸向徑向擴壓的方式， 汽流由軸向向徑向90°折轉， 導致了排汽缸內的能量損失增加。 若采用軸向排汽方案， 還可降低廠房高度， 減少工程投資， 也適應目前光熱項目選址均在地廣人稀的高原及沙漠地區(qū)。 因此太陽能光熱發(fā)電汽輪機多采用軸向排汽結構。

4.7 通流優(yōu)化技術

在太陽能光熱發(fā)電這種要求變工況運行頻繁、經濟性要求高的機組上， 高效寬負荷葉型及通流設計技術可保證在較大負荷變化范圍內機組具有較高的效率。 通流設計遵循采用小焓降、 大速比、大反動度、 大頭葉型的設計理念， 適當降低根徑增加葉片的高度， 并確保通流長期在最佳效率附近運行。 采用大的反動度主要是由于負荷降低會導致機組反動度降低， 部分葉片的根部會出現(xiàn)負反動度， 葉片出現(xiàn)鼓風或做負功。 反動度大必然帶來大的速比。 大頭葉型的最大特點是葉片進汽側的型線頭很大， 這樣最大的好處是葉片適應變工況過程中攻角變化的能力強， 保證在部分負荷時不出現(xiàn)大的正攻角或負攻角， 從而出現(xiàn)汽流的脫流導致葉型損失增大。

同時對影響機組性能漏汽損失等方面進行優(yōu)化設計， 合理設計軸端漏汽的去向， 適當增加軸封的齒數(shù)， 對所有汽封間隙的設計在保證機組快速啟停的基礎上徑向間隙選取中值， 并在制造過程中嚴格控制， 從而降低整個機組的漏汽損失。

5 結語

本文結合全國首臺槽式太陽能光熱汽輪機研制， 對影響槽式光熱發(fā)電汽輪機經濟性的關鍵技術進行了探討， 隨著機組的投運， 將進一步優(yōu)化槽式光熱發(fā)電汽輪機， 推動光熱汽輪機國產化技術的進步。