空冷式高參數(shù)汽輪機的技術特點和應用效果

史進淵， 王為民， 何阿平， 張宏濤， 潘家成， 王樹東陳洪溪， 黃慶華， 范小平， 祝海義， 范雪飛

(1. 上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240；2. 中國東方電氣集團有限公司， 成都 611731；3. 上海電氣電站設備有限公司，上海 200240；4. 哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046； 5. 東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川德陽 618000; 6. 國家電力投資集團有限公司， 北京 100033)

根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2017年中國火電裝機容量占中國總裝機容量的62.17%，火電機組發(fā)電量占總發(fā)電量的70.99%[1]。中國大功率火電機組全是煤電機組，煤電是中國電力的主要來源，以煤電為主導的局面在短期內(nèi)難以改變。中國煤炭資源主要分布在中國北方，山西、新疆、寧夏等6個省區(qū)煤炭儲量占全國煤炭儲量的87.50%[2]。

中國是一個水資源短缺的國家，人均水資源僅為世界人均水資源的25%，被聯(lián)合國列為13個貧水國之一。中國水資源與煤炭資源呈逆向分布，中國北方富煤地區(qū)水資源更少。在我國600多個城市中，400多個城市存在供水不足問題，其中比較嚴重缺水的城市達110個?；痣姍C組是工業(yè)用水大戶，中國火電機組取水總量約占中國工業(yè)取水總量的一半，耗水量占工業(yè)耗水量的20%以上。中國城市人均日生活用水約0.174 46 t[3]，2017年中國500 MW及以上煤電機組的負荷率為51.45%[1]，2臺濕冷1 000 MW火電機組的日耗水約71 131 t，相當于一個40.8萬人口城市的日常生活用水總量。在中國北方富煤地區(qū)嚴重缺水，建設火電廠面臨缺水的難題。

我國水資源開發(fā)的難度極大，節(jié)水涉及可持續(xù)發(fā)展。已有的高參數(shù)濕冷發(fā)電機組的煤耗率低，但耗水量大，在缺水地區(qū)無法使用；已有的亞臨界空冷發(fā)電機組，耗水量僅為濕冷機組的1/4，在缺水地區(qū)可以使用，但煤耗率較高。在缺水地區(qū)建設火電廠，需要發(fā)展煤耗率低的節(jié)水型機組，只能采用空冷式高參數(shù)煤電機組?？绽涫礁邊?shù)煤電機組是一種新型的煤電機組，鍋爐、發(fā)電機與空冷系統(tǒng)均是已有產(chǎn)品，只有空冷式高參數(shù)汽輪機是新裝備。空冷式高參數(shù)汽輪機把超超臨界濕冷汽輪機技術和亞臨界空冷汽輪機技術集成起來，汽輪機主蒸汽采用超超臨界蒸汽參數(shù)，汽輪機排汽采用直接空冷系統(tǒng)或間接空冷系統(tǒng)冷卻，具有熱耗率低、煤耗率低與節(jié)水的技術效果[4]。在中國北方富煤缺水地區(qū)建設火電廠，急需大量空冷式高參數(shù)汽輪機。

1 技術特點

1.1 參數(shù)與結(jié)構(gòu)

空冷式高參數(shù)(660～730 MW)汽輪機，一次再熱，三缸兩排汽或兩缸兩排汽，進汽蒸汽參數(shù)為25～28 MPa/600 ℃/600～620 ℃，高壓缸主蒸汽為超超臨界蒸汽參數(shù)，高壓缸和中壓缸有高中壓合缸與高中壓分缸兩種結(jié)構(gòu)，低壓缸的排汽采用直接空冷系統(tǒng)或間接空冷系統(tǒng)冷卻，背壓為10～15 kPa，低壓缸通常采用末級葉高為840～1 100 mm的兩排汽結(jié)構(gòu)。已經(jīng)投運的660 MW空冷機組，采用高壓缸和中壓缸分缸結(jié)構(gòu)的比較多。

空冷式高參數(shù)(1 000～1 200 MW)汽輪機，一次再熱，四缸四排汽，進汽蒸汽參數(shù)為25～28 MPa/600 ℃/600～620 ℃，高壓缸主蒸汽為超超臨界蒸汽參數(shù)，高壓缸和中壓缸采用分缸結(jié)構(gòu)，低壓缸的排汽采用直接空冷系統(tǒng)或間接空冷系統(tǒng)冷卻，背壓為10～15 kPa，低壓缸通常采用末級葉高為700～960 mm的四排汽結(jié)構(gòu)。

1.2 擴大的通流能力

空冷式高參數(shù)汽輪機的設計背壓為10～15 kPa，比濕冷超超臨界汽輪機的設計背壓(4～6 kPa)高，相同初參數(shù)汽輪機的有效焓降減小3%～5%。為了達到相同功率，汽輪機葉片通流能力要增加3%～5%[5]。汽輪機通流部分要重新設計，汽輪機通流能力需要在超臨界濕冷的基礎上適當放大。若功率再增加10%，高壓缸模塊、中壓缸模塊和低壓缸模塊的氣動性能、葉片強度振動與結(jié)構(gòu)尺寸都需要重新設計。特別是汽輪機進汽溫度升高后，高壓缸與中壓缸面臨蠕變、強度與壽命問題，還需要進行詳細的結(jié)構(gòu)強度與壽命的計算分析與優(yōu)化改進。某型號1 000 MW級空冷與濕冷汽輪機的部分參數(shù)的比較結(jié)果見表1，與濕冷1 000 MW汽輪機相比，空冷1 100 MW汽輪機的額定主蒸汽質(zhì)量流量增大13.9%。

表1 1 000 MW級空冷與濕冷汽輪機部分參數(shù)的比較

1.3 專用末級葉片

空冷式高參數(shù)汽輪機低壓缸排汽體積流量比同功率超超臨界濕冷汽輪機小，專用末級葉片的結(jié)構(gòu)特點是：葉片短，需要選擇氣動性能優(yōu)良的葉型，夏季葉片出口軸向馬赫數(shù)>0.25，級的根部反動度>20%，阻尼圍帶、阻尼拉筋、整圈連接結(jié)構(gòu)，葉根尺寸與濕冷汽輪機1 m級長葉片相同[6]。超臨界空冷汽輪機專用末級葉片的性能特點是變工況性能好、強度高、剛度大、阻尼大，國內(nèi)典型的空冷式高參數(shù)汽輪機與超超臨界濕冷汽輪機的末級葉片高度見表2。

表2 高參數(shù)汽輪機的末級葉高 mm

1.4 落地式軸承座

空冷式高參數(shù)汽輪機的背壓和排汽溫度的變化范圍大，低壓缸的變形也大，為了克服排汽溫度變化對軸承標高的影響，空冷式高參數(shù)汽輪機的低壓缸采用了落地式軸承座，以提高軸承的支撐剛度。低壓轉(zhuǎn)子的軸承座落地后，軸承座與低壓缸的變形不同步，將會引起轉(zhuǎn)子和端部軸封之間的間隙發(fā)生變化?？绽涫礁邊?shù)汽輪機采用落地式軸承座，端部軸封與汽缸的連接有兩種方法可以選擇：一種方法是與汽缸剛性連接，這種方法雖然簡單，但由于汽輪機在運行過程中，軸承座與低壓缸的標高變化不一致，必然引起轉(zhuǎn)子和端部軸封之間的間隙發(fā)生變化，為了避免動靜碰摩，必須增加端部軸封的初始間隙，這勢必影響汽輪機效率；另一種方法是端部軸封直接與低壓軸承座剛性連接，端部軸封與低壓缸通過波形膨脹節(jié)柔性連接(見圖1)。由于空冷式高參數(shù)汽輪機低壓缸變形(垂直位移)大于端部軸封的間隙，在采用端部軸封落地方案的同時，增加波形膨脹節(jié)連接端部軸封與低壓缸，既保證了低壓缸的真空嚴密性，又確保了端部軸封與轉(zhuǎn)子之間合適的動靜間隙。

圖1 端部軸封與汽缸通過波形膨脹節(jié)柔性連接示意圖

1.5 背壓保護

空冷式高參數(shù)汽輪機的設計背壓高，通常是濕冷機組的2～3倍；空冷式高參數(shù)汽輪機的背壓變化范圍大，通常是濕冷機組的3～5倍；超超臨界濕冷汽輪機背壓隨季節(jié)緩慢變化，空冷式高參數(shù)汽輪機的背壓隨每日大氣溫度頻繁變化，且變化幅度大。在高背壓低負荷時，由于排汽體積流量減小，低壓缸末兩級葉片產(chǎn)生大范圍脫流和倒流，易發(fā)生長葉片顫振，過高的背壓威脅空冷式高參數(shù)汽輪機的安全運行。同樣，在汽輪機啟動、低負荷、停機、抽汽供熱、甩負荷等小體積流量的惡劣工況下，過高的背壓會嚴重威脅空冷式高參數(shù)汽輪機的安全運行?？绽涫礁邊?shù)汽輪機的背壓監(jiān)視與保護，對于空冷式高參數(shù)汽輪機的安全運行十分重要[7]。某型號空冷式高參數(shù)1 000 MW汽輪機運行的背壓保護限制曲線見圖2，在20%負荷與額定負荷下，空冷式高參數(shù)與濕冷1 000 MW汽輪機的背壓保護數(shù)值見表3。

圖2 空冷式高參數(shù)汽輪機背壓保護曲線

參數(shù)空冷1 000MW級汽輪機濕冷1 000MW汽輪機設計背壓10.0～16.04.0～5.5背壓變化范圍6.0～35.04.0～12.0正常背壓12.04.975%負荷至額定負荷背壓報警值50.016.775%負荷至額定負荷背壓跳閘值65.034.70至20%負荷背壓報警值25.016.70至20%負荷背壓跳閘值65.034.7

在20%負荷至75%負荷，背壓保護跳閘值為65.0 kPa，報警背壓pka、安全運行背壓pko與機組負荷x的關系式分別為：

(1)

(2)

1.6 汽輪機熱耗率上限

(3)

不同容量等級與配置不同空冷系統(tǒng)的空冷式高參數(shù)汽輪機的熱耗率上限的計算結(jié)果見表4。根據(jù)已有信息，國內(nèi)三大動力集團生產(chǎn)的空冷式高參數(shù)汽輪機的設計熱耗率均低于表4給出的熱耗率上限，即采用空冷式高參數(shù)汽輪機，新建燃煤發(fā)電項目的供電煤耗率可以達到《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》的要求[8]。

表4 空冷式高參數(shù)汽輪機的熱耗率上限

2 典型產(chǎn)品

2.1 東方電氣集團

東方電氣集團東方汽輪機有限公司生產(chǎn)的空冷式高參數(shù)汽輪機已投運的典型產(chǎn)品主要有以下兩種：

(1) 空冷式高參數(shù)660 MW汽輪機。型號為NZK660-28/600/620，超超臨界進汽參數(shù)，一次中間再熱，單軸、三缸兩排汽，直接空冷凝汽式汽輪機，主蒸汽參數(shù)為28 MPa/600 ℃，再熱蒸汽溫度為620 ℃，設計背壓為11 kPa。高壓缸有12級，中壓缸有10級，低壓缸有2×4級，末級葉高為863 mm。

(2) 空冷式高參數(shù)1 000 MW汽輪機。型號為NZK1000-25/600/600，超超臨界進汽參數(shù)，一次中間再熱，單軸、四缸四排汽，直接空冷凝汽式汽輪機，主蒸汽參數(shù)為25 MPa/600 ℃，再熱蒸汽溫度為600 ℃，設計背壓為13 kPa。高壓缸有調(diào)節(jié)級加高壓8級，中壓缸有2×6級，低壓缸有2×2×5級，末級葉高為770 mm。

2.2 上海電氣集團

上海電氣電站設備有限公司上海汽輪機廠生產(chǎn)的空冷式高參數(shù)汽輪機已投運的典型產(chǎn)品主要有以下兩種：

(1) 空冷式高參數(shù)660 MW汽輪機。型號為NZK660-27/600/600，超超臨界進汽參數(shù)，一次中間再熱，單軸、三缸兩排汽，直接空冷凝汽式汽輪機，主蒸汽參數(shù)為25 MPa/600 ℃，再熱蒸汽溫度為600 ℃，設計背壓為12 kPa。高壓缸有17級，中壓缸有2×15級，低壓缸有2×5級，末級葉高為910 mm。

(2) 空冷式高參數(shù)1 000 MW汽輪機。型號為NJK1000-28/600/620，超超臨界進汽參數(shù)，一次中間再熱，單軸、四缸四排汽，間接空冷凝汽式汽輪機，主蒸汽參數(shù)為28 MPa/600 ℃，再熱蒸汽溫度為620 ℃，設計背壓為10 kPa。高壓缸有14級，中壓缸有2×13級，低壓缸有2×2×6級，末級葉高為820 mm。

2.3 哈爾濱電氣集團

哈爾濱汽輪機廠有限責任公司生產(chǎn)的空冷式高參數(shù)汽輪機已投運或正在生產(chǎn)的典型產(chǎn)品主要有以下兩種：

(1) 空冷式高參數(shù)660 MW汽輪機。型號為NJK660-28/600/620，超超臨界進汽參數(shù)，一次中間再熱，單軸、三缸兩排汽，間接空冷凝汽式汽輪機，主蒸汽參數(shù)為28 MPa/600 ℃，再熱蒸汽溫度為620 ℃，設計背壓為10.5 kPa。高壓缸有17級，中壓缸有2×16級，低壓缸有2×5級，末級葉高為1 100 mm。

(2) 空冷式高參數(shù)1 000 MW汽輪機。型號為NJK1000-28/600/620，超超臨界進汽參數(shù)，一次中間再熱，單軸、四缸四排汽，間接空冷凝汽式汽輪機，主蒸汽參數(shù)為28 MPa/600 ℃，再熱蒸汽溫度為620 ℃，設計背壓為12 kPa。高壓缸有15級，中壓缸有2×12級，低壓缸有2×2×5級，末級葉高為940 mm。

3 應用效果

3.1 機組投運業(yè)績

由東方電氣集團東方汽輪機有限公司生產(chǎn)的1 000 MW空冷式高參數(shù)汽輪機，蒸汽參數(shù)為25 MPa/600 ℃/600 ℃，2010年12月28日在華電寧夏靈武發(fā)電有限公司投運，四缸四排汽，配置直接空冷系統(tǒng)，末級葉高為770 mm。由東方電氣集團東方汽輪機有限公司生產(chǎn)的1 100 MW空冷式高參數(shù)汽輪機，蒸汽參數(shù)為25 MPa/600 ℃/600 ℃，2013年12月31日在新疆農(nóng)六師煤電有限公司投運，四缸四排汽，配置直接空冷系統(tǒng)，末級葉高為770 mm。由東方電氣集團東方汽輪機有限公司生產(chǎn)的660 MW空冷式高參數(shù)汽輪機，蒸汽參數(shù)為28 MPa/600 ℃/620 ℃，2016年12月24日在內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責任公司投運，三缸兩排汽，配置直接空冷系統(tǒng)，末級葉高為863 mm。

由上海電氣電站設備有限公司上海汽輪機廠生產(chǎn)的660 MW空冷式高參數(shù)汽輪機，蒸汽參數(shù)為27 MPa/600 ℃/600 ℃，2013年1月31日在國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司布連電廠投運，三缸兩排汽，配置直接空冷系統(tǒng)，末級葉高為910 mm。由上海電氣電站設備有限公司上海汽輪機廠生產(chǎn)的660 MW空冷式高參數(shù)汽輪機，蒸汽參數(shù)為27 MPa/600 ℃/610 ℃，2015年12月16日在國電哈密煤電開發(fā)有限公司投運，三缸兩排汽，配置間接空冷系統(tǒng)，末級葉高為910 mm。由上海電氣電站設備有限公司上海汽輪機廠生產(chǎn)的1 000 MW空冷式高參數(shù)汽輪機，蒸汽參數(shù)為28 MPa/600 ℃/620 ℃，2018年12月30日在陜能趙石畔煤電一體化項目雷龍灣電廠投運，配置間接空冷系統(tǒng)，末級葉高為820 mm。

由哈爾濱汽輪機廠有限責任公司生產(chǎn)的660 MW空冷式高參數(shù)汽輪機，蒸汽參數(shù)為25 MPa/600 ℃/600 ℃，末級葉高為940 mm，2015年12月30日在中電投西寧火電廠投運，兩缸兩排汽，配置間接空冷系統(tǒng)。由哈爾濱汽輪機廠有限責任公司生產(chǎn)的660 MW空冷式高參數(shù)汽輪機，蒸汽參數(shù)為 28 MPa/600 ℃/620 ℃，末級葉高為1 100 mm，2017年8月31日在寧夏國華寧東發(fā)電有限公司投運，三缸兩排汽，配置間接空冷系統(tǒng)。

3.2 節(jié)水效果

到2017年年底，中國已經(jīng)投運空冷式高參數(shù)汽輪機18臺，其中1 100 MW汽輪機2臺，1 040 MW汽輪機2臺，660 MW汽輪機14臺，裝機容量為13.52 GW。若大型循環(huán)超超臨界濕冷機組裝機容量的耗水率按0.8 m3/(s·GW)計算，空冷式高參數(shù)汽輪機的耗水量為濕冷機組的1/4，年利用小時按照2017年全國680臺500 MW及以上汽輪機的平均值4 507.43 h計算[1]，已經(jīng)投運18臺空冷式高參數(shù)汽輪機機組，每年節(jié)水量為131 631 379.8 t，相當于206.7萬城市人口年生活用水總量，節(jié)水效果十分顯著。

4 結(jié)語

(1) 中國北方富煤地區(qū)建設煤電站面臨缺水問題，采用空冷式高參數(shù)汽輪機是中國煤電節(jié)煤、節(jié)水的重要途徑之一，可以滿足《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》的要求[8]。

(2) 空冷式高參數(shù)汽輪機把超超臨界濕冷汽輪機技術和亞臨界空冷汽輪機技術集成起來，是一種新產(chǎn)品，主要技術特點采用了專用末級葉片、專用低壓缸、通流能力擴大的高參數(shù)高壓缸與中壓缸、落地式軸承座和背壓保護。

(3) 中國已經(jīng)成為空冷式高參數(shù)汽輪機投運臺數(shù)最多的國家，也是投運空冷式汽輪機參數(shù)最高、末級葉片最長、汽輪機熱耗率與機組供電煤耗率最低的國家，研制、生產(chǎn)和推廣應用空冷式高參數(shù)汽輪機，已經(jīng)為中國煤電節(jié)水與節(jié)能減排作出了重要貢獻。