高溫燃?xì)廨啓C(jī)的概念設(shè)計(jì)和冷卻葉片開發(fā)

李海濤，曹利峰，顏明宏

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

由于溫室效應(yīng)的不良影響，通過改進(jìn)發(fā)電設(shè)備的熱熱效率來減少CO2的排放量成為全世界的強(qiáng)烈需求。目標(biāo)是開發(fā)熱效率超過60%的500MW 級(jí)火電設(shè)備，其中以甲烷（CH4）燃料替代項(xiàng)目中的氫氣（H2）并且通過回收排氣中的CO2，實(shí)現(xiàn)CO2的零排放。這個(gè)新項(xiàng)目的意圖是通過采用更為普通的實(shí)用的燃料CH4，來促進(jìn)近期實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電設(shè)備。

本文介紹了1700℃級(jí)高溫燃?xì)廨啓C(jī)的概念設(shè)計(jì)和冷卻葉片開發(fā)研究。

1 高溫透平的系統(tǒng)和概念設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由1 個(gè)燃燒的閉式循環(huán)和1 個(gè)利用循環(huán)廢熱的循環(huán)組成。循環(huán)中有1 個(gè)低壓壓氣機(jī)，1 個(gè)高壓壓氣機(jī)，1 個(gè)燃燒室和2 個(gè)高溫透平（HP1，HP2）。為HP1選擇的進(jìn)口溫度和壓力分別為1700℃和4.51MPa。循環(huán)的工作液體為CH4和O2燃燒所產(chǎn)生的H2O 和CO2混合物。HP2 的排氣與來自高壓壓氣機(jī)的高壓蒸汽在回?zé)崞髦薪粨Q熱量，然后在余熱鍋爐內(nèi)加熱來自冷凝器的給水。該蒸汽被引入高壓透平。余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽的參數(shù)為543℃/31MPa，該蒸汽被引入高壓透平。高壓透平的出口蒸汽作為HP1 和HP2 的冷卻介質(zhì)，最終進(jìn)入一個(gè)燃燒室。余熱鍋爐的排氣分成兩部分，一部分進(jìn)入低壓透平；另外一部分進(jìn)入低壓壓氣機(jī)。在低壓透平中膨脹后的部分燃?xì)獗灰肜淠?。因?yàn)榇藭r(shí)CO2不會(huì)液化，因此它在冷凝器中與CO2分離，并且通過CO2壓縮機(jī)作為純CO2排出。

除了透平以外，還有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是HT1 和HT2 之間的大型高溫連接通道的制造可行性。該連接通道的冷卻系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取決于HT1 的負(fù)荷，也就是取決于HT1的出口溫度。燃?xì)鉁囟仍礁?，冷卻需求就越大。由于連接通道的表面積相對(duì)較大，必須消耗大量的冷卻介質(zhì)，這樣就直接導(dǎo)致熱效率下降，因此，HT1 的級(jí)數(shù)應(yīng)較多，以降低HT1 的出口溫度。

2 高溫透平冷卻系統(tǒng)

透平轉(zhuǎn)子包括3 個(gè)葉輪、2 個(gè)中間輪、以及前后端軸。這些部件均通過螺栓連接在一起。在氣缸側(cè)單獨(dú)供給的蒸汽用于冷卻靜葉。而由后端軸的中心孔供給的冷卻蒸汽用來冷卻轉(zhuǎn)子。后端軸和1/2 級(jí)的中間輪帶有多徑向通道，向位于葉根正下方的環(huán)形腔室供給冷卻介質(zhì)。從內(nèi)側(cè)對(duì)葉片進(jìn)行冷卻后，這些蒸汽匯聚在回收腔室內(nèi)，然后進(jìn)入燃燒室。這些冷卻蒸汽還能將轉(zhuǎn)子和中間輪冷卻到足夠低的溫度。最后，有較少的一部分蒸汽用于作為葉輪之間間隙的高溫燃?xì)鈿夥狻?/p>

3 HT1 的第1 級(jí)葉片的設(shè)計(jì)

1）第1 級(jí)動(dòng)靜葉的冷卻系統(tǒng)。這些葉片為精鑄葉片，靜葉內(nèi)冷通道內(nèi)設(shè)置了龍骨，以實(shí)現(xiàn)沖擊冷卻。

2）動(dòng)靜葉的冷卻效率和冷卻介質(zhì)耗量。冷卻介質(zhì)耗量的減少可使葉片的進(jìn)口溫度提高大約30℃。

3）靜葉和葉片結(jié)構(gòu)的完整性。最后，利用3 維結(jié)構(gòu)有限元分析對(duì)靜葉和葉片結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)行了評(píng)定。

4 結(jié)論

對(duì)閉式循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)采用的1700℃級(jí)高溫燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)和葉片開發(fā)。

1）對(duì)高溫燃?xì)廨啓C(jī)的軸系配置和燃?xì)馔ǖ肋M(jìn)行了設(shè)計(jì)。在考慮氣動(dòng)效率和可制造性分析結(jié)果的情況下對(duì)雙軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，其中HT1 和HT2 的轉(zhuǎn)速和級(jí)數(shù)分別為9 500 r/min 級(jí)和3 000 r/min（4 級(jí)）。

2）利用熱色液晶技術(shù)在低壓風(fēng)洞中對(duì)葉片表面的熱傳遞進(jìn)行測試，并且對(duì)利用三維數(shù)值模擬的計(jì)算程序所進(jìn)行的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)定。結(jié)果顯示，數(shù)值預(yù)測對(duì)熱傳遞分析局部有效。

3）對(duì)不連續(xù)紊流促進(jìn)短柱的熱傳遞和壓損進(jìn)行了測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不連續(xù)短柱的熱傳遞能力（包括壁面和短柱表面在內(nèi)）比連續(xù)短柱高出5%左右。增加熱傳遞的原因是短柱表面的熱傳遞增加了2～3 倍，因此，冷卻設(shè)計(jì)中采用了不連續(xù)短柱。

4）通過模型試驗(yàn)對(duì)轉(zhuǎn)子中心孔以及徑向分布通道的壓損進(jìn)行了評(píng)定。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)流量分布和冷卻介質(zhì)供給壓力進(jìn)行了重新配置。

5）重新設(shè)計(jì)了混合冷卻式第1 級(jí)靜葉和動(dòng)葉，使冷卻介質(zhì)耗量與項(xiàng)目中1 700 ℃級(jí)相比降低了40%。特別是第1 級(jí)靜葉的噴射冷卻介質(zhì)耗量減少了50%，能夠使進(jìn)口燃?xì)鉁囟壬呒s30℃。從而提高了機(jī)組的熱效率。

6）通過結(jié)構(gòu)有限元熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分析，對(duì)第1級(jí)靜葉和動(dòng)葉的結(jié)構(gòu)完整進(jìn)行了評(píng)定，并且確認(rèn)有效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基材金屬的0.2%屈服點(diǎn)。

項(xiàng)目的理念設(shè)計(jì)階段已經(jīng)結(jié)束。但是，復(fù)雜的閉式循環(huán)系統(tǒng)的確認(rèn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，以及新采用材料的長期壽命試驗(yàn)都必需實(shí)施。