余熱發(fā)電用低參數(shù)大功率汽輪機(jī)設(shè)計(jì)分析

張晗，吳夢(mèng)，時(shí)小寶，張宏

（中信重工機(jī)械股份有限公司，河南洛陽(yáng) 471039）

0 引言

在水泥、鋼鐵、玻璃等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量無(wú)法回收利用的廢氣余熱。隨著國(guó)家節(jié)能減排形勢(shì)的日益緊迫，余熱合理高效利用已成為必然的發(fā)展方向。

量大面廣的低溫?zé)煔庥酂?，產(chǎn)生的主蒸汽溫度及壓力雖然參數(shù)低，但蒸汽量較大，現(xiàn)有的低參數(shù)汽輪機(jī)普遍功率偏小，相當(dāng)多的余熱發(fā)電項(xiàng)目常常需配套多臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組，這不僅增加項(xiàng)目建設(shè)成本，也使余熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、操作及維護(hù)更加復(fù)雜。采用大功率的機(jī)組既可以提高機(jī)組效率、縮短建設(shè)周期、降低單位功率造價(jià)，還能增大單機(jī)功率、減少電站的占地面積及運(yùn)行和檢修人員，進(jìn)而降低運(yùn)行費(fèi)用。因此，需要開(kāi)發(fā)合適的低參數(shù)大功率汽輪機(jī)。

1 余熱發(fā)電蒸汽參數(shù)及流量特點(diǎn)

余熱發(fā)電用蒸汽主要來(lái)自余熱鍋爐，余熱鍋爐的熱源為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的大量低品質(zhì)煙氣余熱，其品位一般較低，以水泥行業(yè)為例，即使最先進(jìn)的干法工藝仍有約占系統(tǒng)能耗35%的350℃低溫余熱被白白排放，單條5 000 t/d水泥熟料生產(chǎn)線煙氣余熱情況，窯頭：240 000 Nm3/h，340℃；窯尾：340 000 Nm3/h，350℃；窯頭、窯尾余熱鍋爐所產(chǎn)生主蒸汽流量約為45 t/h，壓力0.686～1.7 MPa，溫度280～320℃。隨著國(guó)家水泥行業(yè)熟料線大型化，單條水泥線生產(chǎn)規(guī)模越來(lái)越大，萬(wàn)噸級(jí)熟料生產(chǎn)線開(kāi)始建設(shè)并投入使用，10 000 t/d 水泥熟料生產(chǎn)線煙氣余熱情況，窯頭：540 000 Nm3/h，380℃；窯尾：686 000 Nm3/h，310℃；為了最大限度利用余熱，窯頭、窯尾余熱雙壓鍋爐所產(chǎn)生高壓蒸汽流量約為89 t/h，壓力1.7 MPa，溫度345℃；低壓蒸汽流量約為29 t/h，壓力0.35 MPa，溫度190℃。而且同一場(chǎng)地多條水泥熟料線建在一起同時(shí)運(yùn)行，廠區(qū)內(nèi)可利用的余熱蒸汽量更加巨大。隨著鋼鐵行業(yè)淘汰落后產(chǎn)能，小面積燒結(jié)機(jī)逐步更新改造為大面積燒結(jié)機(jī)，單個(gè)燒結(jié)礦余熱利用的蒸汽參數(shù)較低、但蒸汽量也較大。余熱鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽為飽和或低過(guò)熱度蒸汽，壓力和溫度較低、濕度較大。與一般的電站蒸汽相比較，同樣質(zhì)量的余熱蒸汽在汽輪機(jī)通流中焓降值僅為電站蒸汽的50%，所以相同功率的汽輪機(jī)組，余熱發(fā)電的蒸汽流量約為電站蒸汽的2 倍。

2 余熱發(fā)電低參數(shù)大功率汽輪機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

與同功率的中溫中壓等高參數(shù)機(jī)組相比，低參數(shù)汽輪機(jī)主蒸汽進(jìn)汽參數(shù)較低，相對(duì)內(nèi)效率也比較低，主蒸汽的汽耗量、比容和體積等都會(huì)大得多，并且通流部分的絕大多數(shù)級(jí)處于濕蒸汽區(qū)。因此，為提高低參數(shù)大功率汽輪機(jī)運(yùn)行的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性，其設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)有較多不同于常規(guī)汽輪機(jī)的特點(diǎn)。

2.1 通流面積大

由于壓力、溫度都較低，單位功率所需的余熱發(fā)電蒸汽質(zhì)量流量約為一般電站蒸汽的2 倍。蒸汽的壓力比較低，相同質(zhì)量蒸汽容積更大。針對(duì)蒸汽容積流量大的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)汽輪機(jī)的每一級(jí)時(shí)，無(wú)論是高壓葉片還是汽輪機(jī)的末級(jí)葉片，在長(zhǎng)度上較一般機(jī)組葉片更長(zhǎng)。這樣就使汽輪機(jī)的通流面積合計(jì)較大，汽輪機(jī)的外形尺寸與一般電站汽輪機(jī)相比較大，汽輪機(jī)排汽面積會(huì)比同功率機(jī)組的排氣面積增加約50%。而且由于蒸汽的可用焓降小，不需要很多級(jí)來(lái)分配焓降，汽輪機(jī)的級(jí)數(shù)會(huì)較少。

為了解決低參數(shù)大功率汽輪機(jī)組通流尺寸過(guò)大的問(wèn)題，主要有如下思路：

1）進(jìn)汽口設(shè)置在低壓缸中部，采用對(duì)稱分流式排汽。不僅能夠減少機(jī)組尺寸，還能很好地平衡汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的軸向推力。

2）通過(guò)增加排汽缸的數(shù)量也可以達(dá)到增加通流面積的目的。我們也需要考慮到在增加排汽缸的同時(shí)，也會(huì)增加機(jī)組軸向長(zhǎng)度，對(duì)軸系穩(wěn)定性不利，前輪機(jī)組軸系過(guò)長(zhǎng)，設(shè)計(jì)維護(hù)不方便，而且不能保證機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。

3）開(kāi)發(fā)長(zhǎng)葉片，滿足排汽所需要的更大的通流。通過(guò)采用最佳速比、反動(dòng)度和三元流計(jì)算方法，使徑向和軸向的流體分布更加合理，利用拉筋和圍帶或者類似的耦合件來(lái)增加剛性降低動(dòng)應(yīng)力，拉筋與葉片之間、圍帶與圍帶之間存在摩擦，可以吸收葉片振動(dòng)的能量。同時(shí)為使拉筋在離心力作用下與所有的葉片緊密貼合，以得到良好的減振效果。

4）降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)為半轉(zhuǎn)速。開(kāi)發(fā)長(zhǎng)度更大的末級(jí)葉片，受到很多因素限制，主要包括葉片所選材料的應(yīng)力和強(qiáng)度。相比3 000 r/min 的全轉(zhuǎn)速，1 500 r/min的半轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)1/2，根據(jù)離心力的計(jì)算公式可知，一樣長(zhǎng)度的葉片工作時(shí)，半轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)的葉頂線速度為全轉(zhuǎn)速葉片的1/2，所受離心力是全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)的1/4。葉片材料一樣，其強(qiáng)度及所能承受的應(yīng)力相同，半轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)葉片的長(zhǎng)度可以提高約4 倍。在保證葉片使用安全的前提下，半轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)的通流面積設(shè)計(jì)可以比全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)更大，單級(jí)功率約能增加4 倍。而且排汽面積越大余速越低，余速損失越小，可以提高汽輪機(jī)組的熱效率。因此采用半轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)能提高單級(jí)的極限功率，有利于降低葉片的設(shè)計(jì)難度。另外，轉(zhuǎn)速的降低，可以減小濕蒸汽對(duì)葉片的侵蝕。但是我們也需要考慮，一樣功率的汽輪機(jī)，半轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)的體積會(huì)較大，整個(gè)機(jī)組重量會(huì)比全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)大很多，材料消耗量大約是全轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)的2 倍。而且尺寸和重量差別較大的低壓模塊在加工制造、運(yùn)輸安裝等方面都存在較大困難［1］。

2.2 機(jī)組效率低

低參數(shù)汽輪機(jī)由于蒸汽可用焓降小，機(jī)組排汽損失等所占比例大，使汽輪機(jī)組的效率很低。提高汽輪機(jī)的單級(jí)效率，合理分配汽輪機(jī)各級(jí)焓降，使汽輪機(jī)的通流設(shè)計(jì)具有較好的氣動(dòng)特性等，都是解決汽輪機(jī)組效率低的可行方向。針對(duì)這一問(wèn)題，可以從以下方面著手，提高汽輪機(jī)組效率。

1）減少葉頂漏汽損失。漏汽損失是導(dǎo)致汽輪機(jī)效率降低的重要因素，控制減小動(dòng)靜部件之間的間隙能非常顯著地減小漏汽損失。研究數(shù)據(jù)顯示在所有透平級(jí)的損失中，漏汽損失的比例可以達(dá)到1/3，其中絕大部分損失為動(dòng)葉頂部與汽缸上汽封之間的漏汽損失。為了減小動(dòng)葉頂部的漏氣，我們需要開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新型高效的汽封結(jié)構(gòu)，如雙齒汽封、階梯型或高—低齒型汽封、可調(diào)式新型迷宮汽封、刷子汽封等。已有使用了刷式汽封的機(jī)組顯示，該汽封能夠有效減小漏汽量，可使機(jī)組出力提高約1%［2］。

2）優(yōu)化汽缸排汽口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。汽缸排汽口指的是汽輪機(jī)末級(jí)葉片出口到冷凝器進(jìn)口的蒸汽通道，其主要功能是通過(guò)設(shè)置在排汽口的擴(kuò)壓器，利用汽輪機(jī)末級(jí)葉片出口具有一定余速的蒸汽的動(dòng)能，轉(zhuǎn)化為蒸汽的內(nèi)能，根據(jù)各地的氣象條件、冷卻水溫及考慮到凝汽器的投資，一般凝汽器的真空度是確定的。如果末級(jí)葉片出口處蒸汽壓力降低，蒸汽的可用焓降就能增大，機(jī)組的熱效率就能得到提高。在較大功率機(jī)組中，汽輪機(jī)低末級(jí)葉片出口的蒸汽余速損失可占蒸汽總焓降的約1.5%，通過(guò)采用最新的計(jì)算機(jī)流體力學(xué)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，優(yōu)化排汽口結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)特性，充分有效地減少和利用末級(jí)葉片出口蒸汽的余速損失，能提高機(jī)組熱效率約1%。所以說(shuō)，優(yōu)化設(shè)計(jì)汽缸排汽口結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)性能是提高汽輪機(jī)效率有效措施之一。

3）全三維葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)。葉片是汽輪機(jī)通流部分中的關(guān)鍵部件，其葉型設(shè)計(jì)是影響氣動(dòng)性能好壞的主要因素。氣動(dòng)性能越好的葉片，汽輪機(jī)機(jī)組的效率越高。在葉型設(shè)計(jì)中，以計(jì)算氣動(dòng)力學(xué)為主，完全三維設(shè)計(jì)的概念開(kāi)始應(yīng)用，其突出代表是彎扭聯(lián)合成型葉片的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)葉片設(shè)計(jì)相比較，其渦流損失、二次流損失均有大幅度降低，可使汽輪機(jī)效率提高約1.5%甚至更多［3］。通流部分的葉片的全三維設(shè)計(jì)，使動(dòng)、靜葉片匹配更加合理，調(diào)節(jié)級(jí)子午面收縮、高壓段采用分流葉柵、靜葉片采用后加載葉型、部分級(jí)采用彎扭葉片、采用自帶冠圍帶及通流進(jìn)行子午面光順等設(shè)計(jì)，可使機(jī)組的效率進(jìn)一步提高。

2.3 葉片水蝕嚴(yán)重

低參數(shù)汽輪機(jī)的進(jìn)口蒸汽參數(shù)低，一般處于飽和狀態(tài)或者低過(guò)熱狀態(tài)，在機(jī)組運(yùn)行的很多部位，甚至?xí)嬖谝恍┪⑿〉乃?。尤其是在汽輪機(jī)低壓模塊的最后幾級(jí)葉片，如果機(jī)組設(shè)計(jì)沒(méi)有對(duì)蒸汽進(jìn)行中間再熱，低壓模塊的蒸汽濕度有可能高達(dá)15%。低壓缸的末級(jí)葉片，工作環(huán)境惡劣，蒸汽含水滴多，葉片圓周速度高，葉片水蝕現(xiàn)象十分嚴(yán)重，絕大多數(shù)汽輪機(jī)水蝕造成葉片斷裂事故都是發(fā)生在低壓缸末級(jí)。

為解決汽輪機(jī)末級(jí)葉片的水蝕問(wèn)題，一方面，可以通過(guò)研究在汽輪機(jī)通流中產(chǎn)生水滴的過(guò)程及原因，考慮設(shè)計(jì)改進(jìn)動(dòng)靜葉型線，避免產(chǎn)生水滴，或者避免產(chǎn)生較大體積水滴；也可以特殊設(shè)計(jì)隔板結(jié)構(gòu)，增加去濕設(shè)計(jì)，降低進(jìn)入低壓模塊蒸汽的濕度，緩解末級(jí)葉片水蝕。另外一方面，使用現(xiàn)在汽輪機(jī)設(shè)計(jì)中廣泛使用的方法，采用防護(hù)措施，從葉片的材料及表面處理等方面著手，采取更好的材料、更先進(jìn)的技術(shù)對(duì)葉片表面進(jìn)行處理，增強(qiáng)葉片的抗水蝕性，從而達(dá)到減緩末級(jí)葉片水蝕速度的目的。

1）隔板靜葉片表面設(shè)計(jì)去濕槽。所謂去濕槽，就是在靜葉片表面上加工連續(xù)的、特定形狀的、深度一定的凹槽，同時(shí)在隔板外環(huán)上面加工一圈對(duì)應(yīng)的溝槽，凹槽末端與此溝槽連接，隔板外環(huán)溝槽上開(kāi)有疏水孔，同過(guò)連接疏水孔的疏水管將水滴排出，從而起到通流中蒸汽去濕的作用。在低參數(shù)機(jī)組通流中，蒸汽中的細(xì)小水滴會(huì)在慣性力的作用下堆積在靜葉片表面，在蒸汽流動(dòng)過(guò)程中形成水膜。在靜葉進(jìn)汽弧背面和出汽弧內(nèi)側(cè)加工去濕槽，破壞靜葉片表面的水膜形成，并通過(guò)隔板外環(huán)上的疏水孔將水滴排出通流部分，避免了蒸汽中水滴對(duì)動(dòng)葉片的沖擊腐蝕［4］。

2）動(dòng)葉表面處理防止水蝕。汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉上水蝕發(fā)生的主要原因就是汽流中水滴與高速旋轉(zhuǎn)動(dòng)葉的液滴沖蝕。目前各大汽輪機(jī)廠普遍采用的方法均是通過(guò)采取一定的保護(hù)措施對(duì)葉片表面的進(jìn)行處理，加強(qiáng)葉片的耐沖蝕性能，減緩動(dòng)葉水蝕現(xiàn)象。對(duì)動(dòng)葉表面的處理可以分為兩種，一種是添加一層耐沖蝕性能較好的材料層在葉片的表面，如通過(guò)鑲嵌、噴涂、激光熔覆等手段在動(dòng)葉片進(jìn)汽沖蝕部位形成一層合金保護(hù)層；還有一種方法是不增加新的材料，而是利用葉片金屬材料的特性，通過(guò)物理方法對(duì)葉片表面進(jìn)行處理強(qiáng)化，如火焰淬火強(qiáng)化、高頻感應(yīng)加熱淬火、激光表面淬火等［5］。動(dòng)葉水蝕主要是從材料表面的微小缺陷開(kāi)始的，隨著材料科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，納米材料粒度細(xì)小，承受表面應(yīng)力能力強(qiáng)，納米涂層如CNx/TN 涂層在動(dòng)葉防水蝕上的研究已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

除了在鋼鐵、水泥、石油化工、玻璃等行業(yè)中產(chǎn)生的大量無(wú)法回收利用的低溫余熱，還有更大數(shù)量的可以利用的低溫?zé)崮?，如地?zé)崮堋⒌蜏靥?yáng)能、海洋溫差能、液化天然氣（LNG）冷能等清潔型熱能資源，通過(guò)低溫?zé)崮軣崃Πl(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換可以為人類提供數(shù)量可觀的電能。這些低溫?zé)崮軘?shù)量巨大，低參數(shù)小功率的汽輪機(jī)已經(jīng)不能滿足需要，因此，低參數(shù)大功率汽輪機(jī)的研究對(duì)利用這些余熱以及清潔型能源，推進(jìn)余熱發(fā)電的進(jìn)程、提高資源和能源的利用效率、維持資源的可持續(xù)發(fā)展具有很大意義。

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