超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)研究的新進(jìn)展

鄧盛泓

（廣東粵電大埔發(fā)電有限公司 514265）

超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)研究的新進(jìn)展

鄧盛泓

（廣東粵電大埔發(fā)電有限公司 514265）

隨著汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，汽輪機(jī)發(fā)電已經(jīng)開始朝著超超臨界汽輪機(jī)發(fā)電方向發(fā)展，這種技術(shù)工作效率更高效、排放量更少。由于這種技術(shù)的蒸汽溫度和壓力比傳統(tǒng)超臨界電廠高，因此這就給汽輪機(jī)組提出了新的要求。本文主要對超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和先進(jìn)的汽輪機(jī)技術(shù)進(jìn)行了具體的分析。

超超臨界；汽輪機(jī)技術(shù)；研究進(jìn)展

1 超超臨界設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 汽輪機(jī)設(shè)計(jì)

超超臨界應(yīng)用中的汽輪機(jī)設(shè)備取決于所選擇的再熱級數(shù)、機(jī)組額定功率和現(xiàn)場背壓特性。對于1個一次再熱和功率輸出在800～1000MW范圍，典型的汽輪機(jī)組將建成3個分開的汽輪機(jī)部件，在不同的壓力和溫度水平下運(yùn)行。這些部件是高壓缸（HP）、中壓缸（IP）和2個低壓缸（LP）。發(fā)電機(jī)與最后的低壓缸直接相聯(lián)。應(yīng)用現(xiàn)代化的材料研究成果，這種設(shè)計(jì)允許蒸汽溫度在600℃和620℃左右[1]。

將蒸汽參數(shù)進(jìn)一步提高到約650℃左右，就需要在設(shè)計(jì)上采取新的措施，如高溫部件的主動冷卻和新型材料的引用。把蒸汽溫度提到更高的700℃將會使電廠整體凈效率超過50%。這可以通過改變設(shè)計(jì)原理和對高壓缸及低壓缸所有高溫部件采用超耐熱合金加以實(shí)現(xiàn)。

1.2 高壓缸

能夠應(yīng)付超超臨界主蒸汽工況的高壓缸的基本設(shè)計(jì)原理是圓筒型外缸設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)能夠達(dá)到蒸汽工況30MPa和600℃。高溫部件如進(jìn)汽室、轉(zhuǎn)子和內(nèi)缸用9～12%的CrMoV鋼制造。圓筒型外缸有1個軸向汽缸中分面，缸壁的厚度能承受最高的壓力負(fù)載。由于沒有水平法蘭，它具有最佳的熱變形特性，使內(nèi)缸和葉片之間的徑向間隙很小，這就意味著可以獲得最好的缸效。

1.3 中壓缸

中壓缸設(shè)計(jì)接受再熱蒸汽的工況為620℃。轉(zhuǎn)子和內(nèi)缸由9～12%CrMoV鋼制造而成。用渦流冷卻法降低轉(zhuǎn)子表面的溫度，就可以承受高溫蒸汽。這種冷卻方法的原理是通過降低轉(zhuǎn)子表面相應(yīng)的蒸汽速度而降低其溫度。除了降低轉(zhuǎn)子表面溫度外，第1葉片級由鎳基合金鋼制成，以承受高溫的離心負(fù)載。

1.4 低壓缸

低壓缸由具有水平中分面汽缸的雙流道組成。中壓缸排汽通過一根聯(lián)通管進(jìn)入低壓缸。典型的蒸汽工況在1MPa和300℃左右。蒸汽將膨脹進(jìn)入凝汽器，凝汽器壓力范圍在0.003～0.010MPa。由于容積流量較高，所以要特別考慮適當(dāng)安排低壓缸的排汽區(qū)域。最優(yōu)末級葉片族和長末級葉片的發(fā)展可以使排汽區(qū)域更合理，因?yàn)樗梢詼p少排汽損失。

2 先進(jìn)的汽輪機(jī)技術(shù)

2.1 材料

近10年來，歐洲一直在進(jìn)行不同的復(fù)合材料研究，集中在9～12%CrMoV鋼的材料等級上，這是因?yàn)樗鼈儍?yōu)良的性能特點(diǎn)，如硬度高、均勻性好、可加工性以及焊接性?，F(xiàn)在大型轉(zhuǎn)子鍛件、鑄件和閥門可使用9～10%CrMoV鋼，其可承受的溫度可達(dá)610℃，這些材料已在火電廠中得到了應(yīng)用。目前的研發(fā)活動還包括面向未來的700℃汽輪機(jī)材料的工作部件[2]。通過在汽輪機(jī)中使用超耐熱合金級材料，已經(jīng)看到了成功的希望。與已知的汽輪機(jī)材料相比，新材料有更強(qiáng)的尺寸限制和更好的材料性能。超耐熱合金材料能夠更好地滿足汽輪機(jī)所需要的性能，同時比奧氏體鋼有更高的蠕變強(qiáng)度。

2.2 葉片裝配工藝和葉片通道設(shè)計(jì)

2.2.1 葉片制造裝配工藝

高度靈活性和可靠性是葉片通道制造的嚴(yán)格模塊化概念，如葉身、葉根、溝槽、圍帶、抽汽、鎖緊裝置等。對于每個元件，不同的應(yīng)用有不同的類型，就性能、機(jī)械結(jié)構(gòu)和成本而言，每種類型有其優(yōu)點(diǎn)和局限。在模塊化設(shè)計(jì)概念中，所有這些不同的類型可被隨意地組合在一起，根據(jù)特定的設(shè)計(jì)邊界條件（如氣動力學(xué)、壓力、材料和溫度）制造出最佳的葉片。直的、扭曲式的或彎的葉型能夠和任何葉根或圍帶組合。就效率和成本而言，這種非常靈活的概念就為向用戶提供具有高效而節(jié)省投資的特殊解決方案提供了可能性。

2.2.2 先進(jìn)的葉型設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)葉片機(jī)翼的設(shè)計(jì)是和損失源的確認(rèn)及對機(jī)械損失的理解聯(lián)系起來的。汽輪機(jī)葉片總體空氣動力損失可大致分為葉型損失、環(huán)周流動損失、二次流損失和漏汽損失。它們對總體損失的影響主要取決于幾何形狀、葉片負(fù)荷和流動折向。對于超臨界發(fā)電廠，通過觀察高壓缸和中壓缸部件不同區(qū)域上相對流動損失，葉型損失在整個汽輪機(jī)中被認(rèn)為是最大的單獨(dú)損失來源。這清楚地表明，通過減少整個汽輪機(jī)中的葉型損失，可以極其容易地減少總體損失。二次流損失在以低展弦比（葉高與葉弦之比）為特征的級上具有明顯性，即高壓和中壓缸部件的前級。漏汽損失在高壓和中壓缸的進(jìn)汽區(qū)域相對高一些。總的來說，在一定程度上，汽輪機(jī)中的流場是以完全三維為特點(diǎn)的。這對低展弦比汽輪機(jī)特別正確，在那里接近后缸壁所產(chǎn)生的二次流能夠影響整個流場。因此由這些二次流產(chǎn)生的損失對總體空氣動力學(xué)損失貢獻(xiàn)明顯，特別是在高壓和中壓缸部件的前面的各級。為實(shí)現(xiàn)當(dāng)今所需的高效率，就必須對二次流加以注意，這就是三維葉片設(shè)計(jì)起作用的理由。

2.3 先進(jìn)的低壓缸葉片

高效率和低成本的先進(jìn)電廠解決方案也和低壓部分產(chǎn)品的組合有關(guān)。排汽面積為16m2（50Hz）和11.1m2（60Hz）的先進(jìn)的第2代鈦合金葉片是低壓部分產(chǎn)品組合的另一個里程碑。該項(xiàng)開發(fā)的主要目標(biāo)是：①為最小化排汽損失增加排汽面積；②為所有汽輪機(jī)組提高性能和增加動力輸出；③把工藝和設(shè)計(jì)知識加以轉(zhuǎn)換與集成以在效率和產(chǎn)品成本上設(shè)置基準(zhǔn)。通過仔細(xì)的通流和準(zhǔn)三維最佳化，借助機(jī)械學(xué)和氣動力學(xué)之間的全三維跨學(xué)科的葉片設(shè)計(jì)優(yōu)化加以補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)了氣動力學(xué)設(shè)計(jì)的主要進(jìn)展。在縮-放型葉型部分，通過彎扭結(jié)合的靜葉片設(shè)計(jì)與發(fā)展實(shí)現(xiàn)了主要的改進(jìn)。

3 結(jié)語

超超臨界機(jī)組技術(shù)的主要作用是增加電廠效率、保護(hù)環(huán)境和節(jié)約礦物資源，要達(dá)到電廠水循環(huán)最佳熱效率還需要提高蒸汽溫度和壓力。本文主要分析了超超臨界機(jī)汽輪機(jī)機(jī)組的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并分析了幾種先進(jìn)的汽輪機(jī)技術(shù)，希望可以給當(dāng)前的汽輪機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

[1]史進(jìn)淵，楊宇，孫慶，崔琦，張兆鶴.超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)研究的新進(jìn)展[J].動力工程，2003，02：2252～2257.

[2]馬力博.超臨界與超超臨界汽輪機(jī)耐熱鋼的研究進(jìn)展[J].電子制作，2015，06：38.

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2016-8-23