超超臨界機組汽輪機熱力性能優化設計探討

沈 春， 邵罡北

(1. 內蒙古京能電力檢修有限公司，呼和浩特 010000；2. 華潤電力(寧武)有限公司，山西忻州 003670)

目前，隨著國內汽輪機熱力技術的迅速發展，汽輪機效率越來越高，熱耗率越來越低，可以獲得更好的經濟效益。在開展更加先進的汽輪機技術研究的過程中，主要圍繞汽輪機二次再熱機組的熱力系統、末級葉片、運行技術、機組軸系穩定性等進行深度研究[1]。

筆者按照“理論優化-試驗驗證-改造機組驗證-新機組應用”的研制體系，超超臨界機組汽輪機，在第三代通流技術的基礎上，結合新一代通流技術[2]進行分析，以提高機組的通流效率。

1 新一代通流技術的應用

近年來，采用第三代、新一代通流技術的超超臨界機組的熱耗率均達到設計要求，高、中壓缸效率得到了明顯提高，表明第三代、新一代通流技術已經趨于成熟。

1.1 第三代通流技術

目前，已投運的采用第三代通流技術的超超臨界機組汽輪機高壓缸效率能夠突破90%，中壓缸效率可達到93.3%～94.5%，高、中壓缸的試驗效率均優于保證效率，具體見圖1。

圖1 采用第三代通流技術的超超臨界機組汽輪機高、中壓缸效率

1.2 新一代通流技術

基于第三代通流技術，研發的新一代通流技術，對葉片的積疊、彎曲、扭轉等三維造型進行設計和優化，控制葉片端部的二次流損失。同時，采用成熟的計算流體動力學(CFD)軟件，綜合考慮通流中的葉片流道、汽封流道、葉片根頂部倒圓角、抽口、補汽結構等[3]，以及前后端部汽封結構，對流場和效率進行評估，并且針對局部結構進行優化設計。圖2為CFD軟件分析得到的靜葉損失沿相對葉高的變化，圖3為試驗得到的靜葉損失沿相對葉高的變化。采用新第一代通流技術后，靜葉損失得到了有效降低。

圖2 CFD軟件分析得到的靜葉損失沿相對葉高的變化

圖3 試驗得到的靜葉損失沿相對葉高的變化

某1 000 MW機組汽輪機采用新一代通流技術改造后，高、中壓缸效率見表1。該機組汽輪機的進汽閥離汽缸本體較遠，進汽壓力損失大，同時受到中壓缸排汽壓力高、中壓缸焓降小等因素的影響，應用新一代通流技術后，高、中壓缸效率有所提高。

表1 改造后高、中壓缸效率

2 新一代通流技術的優勢

以某1 350 MW機組汽輪機為研究對象，對新一代通流技術的應用進行研究。該機組為超超臨界、二次再熱機組，設計參數為35 MPa/615 ℃/630 ℃/620 ℃，采用單軸、五缸四排汽、直接空冷式汽輪機。汽輪機采用高位布置，依次為1個單流超高壓缸(反動式，共有16級)、1個單流高壓缸(反動式，共有14級)、1個雙分流中壓缸(反動式，共有2×13級)和2個雙分流低壓缸(沖動式，共有2×2×5級)，末級葉片高度為1 000 mm。各汽缸按照串聯、單軸雙支撐布置。

隨著機組容量的提高，汽輪機進汽量也會相應地提高。1 350 MW機組汽輪機主蒸汽質量流量比相同主蒸汽參數下1 000 MW機組汽輪機主蒸汽質量流量增大約35%，同時，汽輪機通流部分葉片高度會增加，可顯著降低汽輪機通流部分損失，提高機組效率。

汽輪機通流部分損失主要包括型面損失、二次流損失、漏汽損失等。對于典型的超高壓缸內通流部分，其主要損失構成及其占比見圖4。型面損失、二次流損失和漏汽損失的占比較大。通過采用先進的葉型技術和流型匹配技術，可以有效減小動葉及靜葉型面損失，使葉片具有良好的氣動性能及變攻角性能，并且該方法已經過試驗驗證及實際投運驗證。機組容量提升后，優化流型在控制二次流損失及減小漏汽損失方面具有明顯優勢。

圖4 通流部分損失構成及其占比

2.1 降低二次流損失

二次流損失[4]及端部的摩擦損失(靜葉二次流損失和靜葉型面損失)在總損失中占比較大，因此控制二次流損失是提升通流效率的關鍵。二次流形成的原因是沿通道橫向存在壓力梯度，位于端壁邊界層內的流體動能較小，無法平衡橫向壓差的作用，導致邊界層內的流體從葉片內弧面流向背弧面。降低二次流損失最有效的方法是提高相對葉高。對于1 350 MW機組汽輪機，由于其進汽量明顯增大，絕對葉高大幅度提高，使葉片背弧的根部、頂部區域的二次流影響范圍都大大減小，進而可以顯著降低二次流損失在總損失中的占比。

2.2 降低漏汽損失

汽輪機動靜部分的漏汽導致做功工質存在損失，進而降低汽輪機效率。在設計汽輪機通流部分時，通過采用先進的流型加載設計，可以合理控制葉片根部到頂部的反動度，并且可以降低通流部分漏汽損失。同時，結合機組整體設計方案，選取合適的汽封形式，可以有效控制漏汽損失[5]。

同參數等級機組的機型、分缸壓力、通流部分等方面的設計接近，漏汽量基本相當，而提高機組容量，能夠顯著減小漏汽損失在機組做功中的比例，進而減小漏汽損失對機組效率的影響。機組容量提高至1 350 MW時，汽輪機通流部分葉片高度提高，二次流損失降低，同時漏汽損失在機組做功中的比例減小，機組經濟性得到改善。

3 二次再熱技術的應用

空冷機組對環境溫度的變化比較敏感，其背壓變化范圍比較大而且頻繁，對低壓缸末級葉片、低壓缸和軸系影響較大。機組排汽濕度過低，因此高應力的末級葉片需要避免進入威爾遜區運行。針對該問題主要展開的研究為：(1)提高主蒸汽參數對熱力循環的影響；(2)研究選取合適的一次再熱蒸汽參數以提高熱效率和方便布置設備；(3)研究二次再熱對熱耗率和排汽濕度的影響；(4)研究二次再熱空冷機組運行技術。

通過一系列研究，開發出更先進的、更耐腐蝕的、適用于空冷機組的末級葉片，降低了二次再熱空冷機組潛在的技術風險，能有效保證機組安全可靠運行。

機組排汽濕度主要受二次再熱蒸汽壓力、溫度和排汽背壓的綜合影響，二次再熱空冷機組的排汽濕度較大[6]。機組在額定背壓(9.5 kPa)下排汽濕度約為5%，末級葉片長期處于威爾遜區，并且在夏季低負荷背壓下末級葉片容易出現過熱的情況。

解決排汽濕度較大的主要措施是適當降低再熱蒸汽溫度，將排汽濕度提高到合理的區域。但是，降低再熱蒸汽溫度后，機組熱效率明顯降低，不利于機組高效運行。因此，主要研究方向是研制滿足二次再熱空冷機組低排汽濕度運行的技術，并且已經取得成功，可以保證機組安全高效運行。

3.1 主蒸汽參數的選擇

提高主蒸汽參數可以有效提升整個電廠熱力循環經濟性。圖5為某二次再熱空冷機組的熱力循環。

圖5 某二次再熱空冷機組的熱力循環

提高主蒸汽壓力可以提高整體循環效率，并且在主蒸汽溫度不變的情況下提高工質平均吸熱量。一般情況下，壓力對熱耗率的影響為：在25～30 MPa，壓力每提高1 MPa，熱耗率降低約0.15%；在30～35 MPa，壓力每提高1 MPa，熱耗率降低0.10%～0.12%。

提高主蒸汽溫度或再熱蒸汽溫度都將顯著提升循環效率。一般情況下，當主蒸汽溫度在600 ℃左右時，主蒸汽溫度每提高10 K，熱耗率降低0.25%；再熱蒸汽溫度在620 ℃左右時，再熱蒸汽溫度每提高10 K，熱耗率降低0.15%。

圖6為一次再熱機組主蒸汽參數從28.0 MPa/600 ℃提高至35.0 MPa/630 ℃時，機組熱耗率的變化。隨著主蒸汽參數的提高，機組熱耗率大幅降低。

圖6 一次再熱機組主蒸汽參數對熱耗率的影響

3.2 一次再熱蒸汽壓力的選擇

汽輪機首級高壓加熱器回熱抽汽一般采用超高壓缸排汽，因此在選擇一次再熱蒸汽壓力時需要考慮鍋爐給水溫度。一次再熱蒸汽壓力過高，給水溫度偏高于最佳給水溫度，一次再熱蒸汽吸熱量占總吸熱量的比例下降，導致整體循環效率下降；同時，超高壓缸排汽溫度偏高，一次再熱器進口溫度偏高。一次再熱蒸汽壓力過低，鍋爐給水溫度偏低，整體循環效率下降，同時會導致難以布置二次再熱受熱面。

圖7為一次再熱蒸汽壓力對熱耗率的影響。由圖7可得：一次再熱蒸汽壓力與主蒸汽壓力的比約為40%時，整體循環效率最高；綜合考慮給水溫度及超高壓缸排汽溫度，一般選取一次再熱蒸汽壓力為主蒸汽壓力的34%～37%為宜，在該比值下熱耗率相對較低。

圖7 一次再熱蒸汽壓力對熱耗率的影響

3.3 二次再熱蒸汽壓力的選擇

二次再熱蒸汽壓力選取主要需要考慮整體循環效率、排汽濕度、中壓缸排汽壓力和溫度等因素的影響。二次再熱蒸汽壓力過高，高壓缸排汽溫度偏高，二次再熱器進口溫度偏高；同時，二次再熱蒸汽吸熱量占總吸熱量的比例下降，整體循環效率下降。二次再熱蒸汽壓力過低，整體循環效率降低，同時會導致中壓缸排汽溫度偏高或者必須選取較低的中壓缸排汽壓力，進而對汽輪機連通管及低壓模塊的設計造成不利影響。

1 350 MW機組在9.5 kPa背壓下，二次再熱蒸汽壓力對熱耗率和排汽濕度的影響見圖8。由圖8可得：二次再熱蒸汽壓力與主蒸汽壓力的比在9%～11%時，熱耗率最低，對應排汽濕度為4.5%～5.7%。

圖8 二次再熱蒸汽壓力對熱耗率和排汽濕度的影響

3.4 中壓缸排汽壓力的選擇

1 350 MW二次再熱機組中壓缸排汽質量流量一般比相同主蒸汽參數下常規1 000 MW一次再熱機組中壓缸排汽質量流量高約30%，因此中壓缸排汽壓力的選擇對于機組設計尤為重要。中壓缸排汽壓力選取過高，中壓缸排汽溫度偏高，中壓缸焓降小，效率會降低；低壓缸進口溫度高易造成低壓缸變形。中壓缸排汽壓力選取過低，中壓缸排汽容積流量大，對于中壓缸通流部分設計要求較高。

一般將1 350 MW機組中壓缸排汽壓力選擇在0.5 MPa左右，以保證更高的中壓缸效率，這種參數選擇對于汽輪機制造來說是成熟可靠的。660 MW超超臨界機組汽輪機中壓缸采用單通流設計，中壓缸末級長葉片的設計經驗豐富。660 MW超超臨界機組汽輪機單通流中壓缸效率見圖9。1 350 MW機組中壓缸采用雙分流設計，可在660 MW超超臨界機組汽輪機單通流的基礎上進行改型設計。

圖9 660 MW超超臨界機組汽輪機單通流中壓缸效率

4 結 語

針對采用高參數設計的二次再熱空冷機組汽輪機，結合高效的汽輪機新一代通流技術，汽輪機效率提高0.5～1.0百分點，熱耗率降低約70 kJ/( kW·h)。

經研究表明，汽輪機通過選取合適的主蒸汽參數、一次/二次再熱蒸汽參數、中壓缸排汽壓力等參數，并且與新一代通流技術結合，可以使汽輪機熱力性能得到一定優化，同時可以改善整體循環效率和機組熱耗率等熱力性能指標。