光熱發(fā)電中汽輪機運行優(yōu)化措施研究

蔣冀猛

摘 ?要：文章以敦煌大成聚光熱電有限公司在實際生產(chǎn)中使用的50MW東汽機組為例，從汽輪機組結(jié)構(gòu)優(yōu)化、運行優(yōu)化這兩方面入手，提出并闡述了光熱發(fā)電中汽輪機的調(diào)整與運行完善方案，以供參考。

關(guān)鍵詞：光熱發(fā)電;汽輪機;運行優(yōu)化

引言：汽輪機是光熱發(fā)電中需要使用的重要機械設(shè)備，其運行情況直接關(guān)系著光熱發(fā)電生產(chǎn)的效率與質(zhì)量?；谶@樣的情況，出于對促進光熱發(fā)電生產(chǎn)升級的考量，對相應(yīng)汽輪機組展開優(yōu)化調(diào)整是必然選擇，值得重點探究。

一、光熱發(fā)電中汽輪機優(yōu)化項目的背景概述

（一）光熱發(fā)電中汽輪機優(yōu)化的現(xiàn)實價值分析

對于光熱發(fā)電（太陽能光熱發(fā)電）來說，其屬于太陽能新能源利用的重要方向，在當前的生產(chǎn)實踐中，其需要著汽輪機提供主要動力。相比于傳統(tǒng)的太陽能光伏發(fā)電技術(shù)而言，太陽能光熱發(fā)電技術(shù)具有一定的特殊性，在實際生產(chǎn)過程中，主要依托太陽島落實對太陽光能光熱的收集，結(jié)合換熱裝置的應(yīng)用，將其轉(zhuǎn)換為用于蒸汽加熱的熱能;將蒸汽引入汽輪機內(nèi)，展開能量轉(zhuǎn)換做功，從而完成太陽能發(fā)電。通過應(yīng)用太陽能光熱發(fā)電，結(jié)合光熱發(fā)電結(jié)合熔鹽儲熱技術(shù)的使用，促使24小時發(fā)電成為現(xiàn)實，且能夠完成快速調(diào)峰功能，建造、投運過程中不造成環(huán)境污染[1];從規(guī)?；矫鎭砜矗涑杀灸軌蚪档椭凉夥l(fā)電成本之下，有著極為理想的應(yīng)用發(fā)展前景?；谶@樣的情況，出于對提升太陽能發(fā)電成效的考量，大力發(fā)展光熱發(fā)電、優(yōu)化其中的汽輪機結(jié)構(gòu)與運行條件具有極高的現(xiàn)實價值。

（二）光熱發(fā)電中汽輪機的簡介

敦煌大成聚光熱電有限公司在實際生產(chǎn)中使用的汽輪機組型號為NZK50-12.2/538/538型;型式為超高壓、雙缸、一次再熱、凝汽式空冷汽輪機;額定功率（銘牌功率或保證功率）為50MW;主機重量約為232噸（包括閥門、基架和墊鐵）;機組外形尺寸為長×寬×高=4800毫米×4200毫米×3400毫米 （高壓模塊）、長×寬×高=8600毫米×5400毫米×4800毫米（低壓模塊）。

在熱耗率驗收工況（額定出力工況）條件下，該汽輪機的各種主要參數(shù)如下：主汽門前新蒸汽（高壓主汽閥前）為12.2MPa/538℃;再熱蒸汽（中壓主汽閥前）為2.272MPa/538℃;背壓為8kPa（額定工況）/16kPa（夏季工況）。同時，該汽輪機組的額定工況（THA）主蒸汽流量為每小時149噸;最大工況（VWO）（功率53.771MW）主蒸汽流量為每小時161噸;夏季工況（TRL）（功率50.039MW）主蒸汽流量為每小時155.8噸;轉(zhuǎn)向為高壓缸和低壓缸均為逆時針（均為由進汽端向排汽端看）;額定轉(zhuǎn)速為每分鐘6070轉(zhuǎn)（高壓缸）、每分鐘3000轉(zhuǎn)（低壓缸）。

該汽輪機的軸系臨界轉(zhuǎn)速（計算值）具體有：高壓轉(zhuǎn)子一階為每分鐘 2481.7轉(zhuǎn);高壓轉(zhuǎn)子二階為每分鐘 7086.8轉(zhuǎn);低壓轉(zhuǎn)子一階為每分鐘 1748.3轉(zhuǎn);電機轉(zhuǎn)子一階為每分鐘*1606.3轉(zhuǎn);電機轉(zhuǎn)子二階為每分鐘*3987.6轉(zhuǎn)（*發(fā)電機臨界轉(zhuǎn)速值以電機廠提供數(shù)值為準）。汽輪機組的通流級數(shù)共50級，其中有高壓28級、低壓22級;回?zé)嵯到y(tǒng)為3高加+1除氧+4低加;汽封系統(tǒng)為自密封系統(tǒng);末級動葉片高度為485毫米;末級動葉片環(huán)形排汽面積為2.8112平方米;抽汽點為第21、28 、32、36、41、44、46、48級后。

二、光熱發(fā)電中汽輪機的具體優(yōu)化路徑探究

（一）光熱發(fā)電中汽輪機設(shè)計的優(yōu)化

第一，在閥門設(shè)計方面，主要在光熱發(fā)電汽輪機組內(nèi)引入中壓閥與高壓閥，為水平切向進汽布置結(jié)構(gòu);在螺栓的支持下，在汽缸上固定安裝閥門，以此避免生成更高的壓損（維持在不超過2%的水平）。針對汽缸的進汽部位，要求始終保持溫度場均勻分布;選用主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合組閥作為中壓閥，以此達到提高光熱發(fā)電汽輪機組調(diào)節(jié)性能的效果。將錐形密封面引入主閥桿、調(diào)節(jié)閥與套筒之內(nèi)，保證汽輪機正常運行條件下不會發(fā)生主閥桿泄露的問題，且促使調(diào)節(jié)閥全開情況下調(diào)節(jié)閥桿做到零泄漏[2]。選擇三支點浮動支撐作為閥門支架，充分發(fā)揮出其中彈簧結(jié)構(gòu)的變形作用，實現(xiàn)對閥門與基礎(chǔ)的脹差的有效吸收。第二，在氣缸設(shè)計方面，應(yīng)用中分法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)定高壓外缸，針對前部高壓內(nèi)缸，選用筒形缸套環(huán)結(jié)構(gòu)，并加設(shè)隔熱罩;針對后部高壓內(nèi)缸，引入隔板套，以此促使內(nèi)外缸的熱應(yīng)力呈現(xiàn)出減小的趨勢，保證換熱的充分性[3]。同時，結(jié)合在高壓缸內(nèi)加設(shè)倒暖裝置的落實，能夠達到進一步縮減汽輪機組啟動時間的效果，促使光熱發(fā)電汽輪機組的快速啟動成為現(xiàn)實。應(yīng)用單層缸結(jié)構(gòu)設(shè)定中低壓缸，出于對提升中低壓缸升溫速度的考量，需要引入窄高法蘭，為光熱發(fā)電汽輪機組快速啟停的實現(xiàn)提供支持。第三，在轉(zhuǎn)子設(shè)計方面，針對進汽高溫段，選用高溫性能良好的材料;針對低溫段，選用脆性轉(zhuǎn)變溫度偏低且強度更為理想的材料，結(jié)合焊接以及熱處理的落實，切實滿足中低壓缸正常運行過程中對于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)提出的更多要求。另外，需要進一步實施對圓角結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，促使中低壓缸轉(zhuǎn)子快速啟停過程中所面對著的阻礙與風(fēng)險降低。

（二）光熱發(fā)電中汽輪機運行的優(yōu)化

在本次研究中，主要從汽輪機冷啟動過程方面入手展開運行優(yōu)化。結(jié)合對汽輪機轉(zhuǎn)子關(guān)鍵部位的應(yīng)力變化進行觀察，能夠了解到，由于在沖轉(zhuǎn)時刻存在劇烈熱沖擊，因此轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力上升。在啟動初期，入口蒸汽溫度保持恒定的時間相對較長，并不能夠達到理想的降低轉(zhuǎn)子最大應(yīng)力的效果，反而會使得汽輪機實際的啟動時間延長。

實踐中，應(yīng)當對汽輪機啟動初期的蒸汽溫度保持恒定的時間進行適當縮短，實施提前并網(wǎng)，促使并網(wǎng)后的溫升率提升，縮減汽輪機的啟動時長，并以此達到減小汽輪機轉(zhuǎn)子關(guān)鍵部位熱應(yīng)力值的效果。出于對維護光熱發(fā)電汽輪機組運行安全穩(wěn)定性的考量，并在實現(xiàn)快速啟動、滿足負荷迅速變化現(xiàn)實需求的同時，降低啟動應(yīng)力以及汽輪機實際啟動過程中疲勞壽命損耗，需要切實參考啟動方式的特點、啟動方式對汽輪機各部件啟動參數(shù)的影響，完成對最優(yōu)啟動方案的制定，在縮減汽輪機啟動時間的同時節(jié)約能源，促使光熱發(fā)電汽輪機組的冷態(tài)啟動時間縮短。對于光熱發(fā)電汽輪機而言，在不承擔(dān)負荷進行暖機的過程中，蒸汽流量、壓力、轉(zhuǎn)子表面換熱系數(shù)等均處于較低水平，轉(zhuǎn)機金屬與氣缸溫度呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢，暖機效果并不理想?；谶@樣的情況，可以在兼顧縮減啟動時間、降低轉(zhuǎn)子熱機械應(yīng)力的條件下，對該階段沖轉(zhuǎn)暖機的時間進行適當性縮減，并在動靜部分未發(fā)生碰撞磨損的基礎(chǔ)上，對汽輪機轉(zhuǎn)子實施增速處理，促使其在中低速情況下展開暖機的時間呈現(xiàn)出縮短的趨勢。對光熱發(fā)電汽輪機組并網(wǎng)后的低負荷暖機時間長度展開適當增加，相比于不承擔(dān)負荷進行暖機操作，這種低負荷暖機操作的落實可以收獲更高的蒸汽流量，推動著主蒸汽溫度、沖轉(zhuǎn)參數(shù)升高，實現(xiàn)對更為理想的暖機效果的獲取，明顯降低汽輪機組啟動前期所面對的熱機械應(yīng)力值，以此達到進一步延長對應(yīng)光熱發(fā)電汽輪機組實際使用年限的成效。

總結(jié)：綜上所述，出于對提升太陽能發(fā)電成效的考量，大力發(fā)展光熱發(fā)電、優(yōu)化其中的汽輪機結(jié)構(gòu)與運行條件具有極高的現(xiàn)實價值。在對光熱發(fā)電汽輪機組的閥門結(jié)構(gòu)、汽缸結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)展開優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合對汽輪機啟動初期的蒸汽溫度保持恒定的時間進行適當縮短，實施提前并網(wǎng);在兼顧縮減啟動時間、降低轉(zhuǎn)子熱機械應(yīng)力的條件下，對該階段沖轉(zhuǎn)暖機的時間進行適當性縮減;在動靜部分未發(fā)生碰撞磨損的基礎(chǔ)上，對汽輪機轉(zhuǎn)子實施增速處理等一系列運行優(yōu)化措施的落實，縮減了汽輪機的啟動時長，達到了降低汽輪機轉(zhuǎn)子關(guān)鍵部位熱應(yīng)力值的效果，延長了光熱發(fā)電汽輪機組的實際使用年限。

參考文獻：

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[2]尹剛，范小平，吳方松，等.槽式光熱發(fā)電汽輪機經(jīng)濟性關(guān)鍵技術(shù)研究[J].東方汽輪機，2021（01）：29-32.

[3]焦玉雪，徐自力，尹剛，等.太陽能光熱發(fā)電汽輪機轉(zhuǎn)子熱機械應(yīng)力分析及啟動優(yōu)化[J].汽輪機技術(shù)，2020，62（06）：417-420+429.