燃煤發(fā)電廠超超臨界汽輪機(jī)研究

梁杰

（廣東粵電大埔發(fā)電有限公司 514265）

燃煤發(fā)電廠超超臨界汽輪機(jī)研究

梁杰

（廣東粵電大埔發(fā)電有限公司 514265）

煤電是我國(guó)最主要的電力生產(chǎn)方式，提高燃煤機(jī)組的效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗是我國(guó)電力企業(yè)一直以來(lái)的發(fā)展目標(biāo)。近年來(lái)我國(guó)不斷的引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的發(fā)電技術(shù)，并對(duì)我國(guó)的技術(shù)進(jìn)行不斷的改進(jìn)和完善，其中超臨界火電技術(shù)在經(jīng)過(guò)了多年的改進(jìn)和完善后，現(xiàn)在正逐漸朝著超超臨界的技術(shù)方向發(fā)展。超超臨界火電機(jī)組的運(yùn)行更加靈活，利用率也比較高，并且還具有環(huán)保、節(jié)能、高效的優(yōu)勢(shì)。本文主要對(duì)燃煤發(fā)電廠超超臨界汽輪機(jī)的關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、高溫冷卻以及未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了具體的分析。

燃煤發(fā)電廠；超超臨界汽輪機(jī)；研究

1 超超臨界汽輪機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證在超高溫下有足夠的強(qiáng)度，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子通常采用12Cr鋼制造。12Cr鋼由于含鉻量高，使軸頸的運(yùn)轉(zhuǎn)特性很差，軸頸可能由于磨損而導(dǎo)致軸承故障。解決這一問(wèn)題的方法是在轉(zhuǎn)子的軸頸和推力盤表面加焊低合金，以解決磨損問(wèn)題。其優(yōu)點(diǎn)是由于支持軸承溫度為常數(shù)，不會(huì)因低合金層與轉(zhuǎn)子材料間的線脹系數(shù)差造成熱疲勞；有一層較厚的低合金，支持軸承如果出現(xiàn)損傷可以返修；汽輪機(jī)設(shè)計(jì)人員可將推力軸承設(shè)置在能實(shí)現(xiàn)高壓部分最佳間隙的控制位置。超超臨界汽輪機(jī)的高壓部分一般為3層缸結(jié)構(gòu)，以便盡量減少各種承壓部件所承受的熱應(yīng)力及運(yùn)行應(yīng)力，承擔(dān)最高壓力和溫度的噴嘴室用12CrMoVCbN鋼鍛件制造。內(nèi)缸采用10CrMoVCb鑄造，外缸不承受高溫，可以用傳統(tǒng)的CrMoV鋼制造。主蒸汽管與外缸之間采用焊接連接，焊接連接部分借助冷端再熱蒸汽將內(nèi)壁溫度冷卻到550～565℃的水平。中壓缸部分采用雙層缸結(jié)構(gòu)，內(nèi)缸高溫部分采用10CrMoVCb材料鑄造，外缸和內(nèi)缸的低溫部分則用傳統(tǒng)的CrMoV鋼制造。西門子的高壓缸則采用獨(dú)特的圓筒型結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝隔板的具有水平中分面用螺栓連接的內(nèi)缸，套裝在圓筒型鑄造外缸內(nèi)，外缸避免采用水平中分面結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)緊湊。運(yùn)行時(shí)汽缸不會(huì)發(fā)生不對(duì)稱變形，徑向通流間隙不會(huì)發(fā)生不均勻變化，由高蒸汽參數(shù)以及負(fù)荷的變化導(dǎo)致的熱應(yīng)力小。而且蒸汽參數(shù)越高，這種圓筒型結(jié)構(gòu)相對(duì)中分面結(jié)構(gòu)的高壓缸更為優(yōu)越。超超臨界汽輪機(jī)低壓部分主要的設(shè)計(jì)問(wèn)題，是進(jìn)汽溫度升高的問(wèn)題。常規(guī)的NiCrMoV轉(zhuǎn)子材料在進(jìn)汽溫度超過(guò)350～375°C時(shí)，有變脆的趨勢(shì)。解決這一問(wèn)題的方法以前是采用冷卻技術(shù)，但當(dāng)前則采用高純凈技術(shù)，盡量減少NiCrMoV材料中P、Sn、Mn及Si的含量，使低壓轉(zhuǎn)子在使用溫度下基本不變脆[1]。

2 超超臨界汽輪機(jī)的材料

以往在不超過(guò)566℃的蒸汽溫度下，汽輪機(jī)主要使用CrMoV低合金鋼。但對(duì)于采用593℃以上蒸汽溫度的超超臨界汽輪機(jī)，則需要使用高溫強(qiáng)度更好的材料。轉(zhuǎn)子和葉片運(yùn)行時(shí)在高溫情況下承受持續(xù)的離心力，汽缸等靜止部分作為高溫高壓蒸汽的容器承受持續(xù)的高內(nèi)壓應(yīng)力。因此超超臨界汽輪機(jī)材料首先要求在高溫下具有很高的蠕變斷裂強(qiáng)度。超超臨界汽輪機(jī)如果要求具有調(diào)峰能力，則要適應(yīng)頻繁的啟停。為防止汽輪機(jī)部件在啟停時(shí)由于蒸汽溫度變化而產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力，要求所用材料線脹系數(shù)小，在高溫下具有高屈服點(diǎn)及高低周疲勞強(qiáng)度。除此以外，從脹差、焊接性、脆性破壞強(qiáng)度等角度，還要求超超臨界汽輪機(jī)材料在確保強(qiáng)度的同時(shí)，確保最低限度的延展性和韌性。關(guān)于超超臨界汽輪機(jī)使用的材料，國(guó)外已經(jīng)開發(fā)了9～12Cr系列材料以及連接螺栓用鎳基合金，并已成功地用于超超臨界火電機(jī)組[2]。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)這些新材料性能及冶煉技術(shù)也進(jìn)行了深入研究。

3 超超臨界汽輪機(jī)高溫部件的冷卻

由于超超臨界參數(shù)所伴隨的高溫蒸汽，高壓和中壓再熱部分承受高溫的第一級(jí)和第二級(jí)的部件一般需要進(jìn)行冷卻。通常的設(shè)計(jì)是對(duì)于對(duì)流布置的高壓/中壓部分，冷卻的蒸汽是從高壓部分后面幾級(jí)抽出，從中跨汽封處引入。對(duì)于對(duì)流布置二次再熱的中壓第一級(jí)，冷卻蒸汽是從一次再熱的冷端蒸汽抽出，經(jīng)過(guò)管道引入中壓再熱第一級(jí)葉輪空間。冷卻蒸汽從高壓缸的次末級(jí)前抽出，流經(jīng)高壓內(nèi)外缸之間的空間，一方面使外缸沿長(zhǎng)度保持相對(duì)均勻的溫度，另一方面盡可能降低內(nèi)缸法蘭面的溫度和缸壁溫差。在噴嘴室和內(nèi)缸之間溫度最高的區(qū)域增設(shè)冷卻系統(tǒng)和熱屏蔽防止高溫蒸汽直接沖擊內(nèi)缸，通過(guò)設(shè)置帶反動(dòng)度的第一級(jí)葉片，可使冷卻蒸汽在該區(qū)域降低約30℃。第一級(jí)后抽取的內(nèi)缸冷卻蒸汽同時(shí)對(duì)第一級(jí)葉輪的轉(zhuǎn)子和缸內(nèi)軸封進(jìn)行冷卻。中壓缸的冷卻蒸汽是利用高壓缸內(nèi)軸封抽取的，經(jīng)節(jié)流的蒸汽對(duì)第一級(jí)區(qū)域和軸封進(jìn)行冷卻，從而使第一級(jí)動(dòng)葉根部溫度降低20～25℃。當(dāng)再熱蒸汽高于600℃時(shí)第二級(jí)葉輪也必須進(jìn)行冷卻。

4 超超臨界汽輪機(jī)的發(fā)展

眾所周知，超超臨界（USC）機(jī)組的發(fā)展是建立在20世紀(jì)80年代以來(lái)，9～10%Cr先進(jìn)鐵素體材料成功研制基礎(chǔ)上的。日本和歐洲以12%Cr材料為基礎(chǔ)，通過(guò)降低 Cr，以及對(duì) Nb、B、Co、Mo、W、Al、N、Ni等微量元素的篩選，在尋求微觀組織平衡、強(qiáng)化性能穩(wěn)定的新鋼種方面進(jìn)行了大量的研究開發(fā)工作。通常按高溫持久強(qiáng)度鍛件和鑄件達(dá)到100MW和85MPa的溫度作為汽輪機(jī)材料分等的特征參數(shù)。近20年來(lái)先進(jìn)鐵素體鋼的最終研發(fā)成果是形成了600e的10%Cr以及625e（也有稱630e）的9%Cr兩個(gè)溫度等級(jí)系列的鋼種。面對(duì)為提高抗氧化性能而增加Cr，與為提高強(qiáng)度穩(wěn)定性，保證強(qiáng)化相而降低Cr的矛盾，除非在尋求新強(qiáng)化相或抗氧化元素方面取得突破，650e的鐵素體鋼近期內(nèi)不會(huì)問(wèn)世，625e可能是9～12%Cr鋼的使用溫度上限。

5 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的電力生產(chǎn)都是以燃煤為主，因此不斷優(yōu)化火力發(fā)電廠的結(jié)構(gòu)、降低能源消耗以及減少環(huán)境污染是電力企業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向。超超臨界火電機(jī)組的出現(xiàn)正可以使這些目標(biāo)變成現(xiàn)實(shí)，發(fā)電廠應(yīng)該抓住這個(gè)機(jī)遇，不斷研發(fā)超超臨界機(jī)組技術(shù)，使我國(guó)的發(fā)電設(shè)備可以邁上新的臺(tái)階。

[1]韓煒，何青，沈克偉，費(fèi)立凱.1000MW超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子啟動(dòng)過(guò)程的熱應(yīng)力分析[J].華電技術(shù)，2013，02：27～32+84.

[2]霍文浩，晏鑫，李軍，豐鎮(zhèn)平.超超臨界汽輪機(jī)高壓缸旁路冷卻系統(tǒng)冷卻特性研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，05：24～30.

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