國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型超超臨界參數(shù)1000 MW汽輪機(jī)組優(yōu)化、創(chuàng)新后經(jīng)濟(jì)指標(biāo)論述

楊 明，佟丹丹，聶 雨，王 野，趙偉光

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240)

2003年上海汽輪機(jī)廠與德國(guó)西門子公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型超超臨界參數(shù)1000 MW機(jī)組[1]。該型第1臺(tái)機(jī)組(N1000-26.25/600/600)自2006年投產(chǎn)以來(lái)，歷經(jīng)14年不斷優(yōu)化、創(chuàng)新，第Ⅲ代機(jī)型(N1000-28/600/620)已于2019年12月在國(guó)投南陽(yáng)電廠投產(chǎn)發(fā)電。同時(shí)具有世界先進(jìn)水平、首次采用高低位分軸布置的二次再熱1350 MW超超臨界參數(shù)燃煤發(fā)電機(jī)組(N1350-31.11/610/630/623)[2]，將在申能安徽平山電廠投產(chǎn)發(fā)電，該機(jī)組設(shè)計(jì)熱耗率為6882 kJ/kWh，供電煤耗為246.7 g/kWh，機(jī)組循環(huán)效率為49.8%，達(dá)到當(dāng)今世界最佳燃煤發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)、制造水平。引進(jìn)西門子技術(shù)1000 MW超超臨界參數(shù)汽輪機(jī)發(fā)展過(guò)程如圖1所示。

圖1 引進(jìn)型(西門子)1000 MW機(jī)組發(fā)展過(guò)程

1 第Ⅰ代引進(jìn)1000 MW汽輪機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

1.1 高壓缸

采用圓筒形、單流程、無(wú)調(diào)節(jié)級(jí)、多級(jí)反動(dòng)式高壓缸，缸效率遠(yuǎn)高于沖動(dòng)式和雙流程。由于前后圓筒軸向連接緊密、熱應(yīng)力低，成功解決了第1級(jí)葉片強(qiáng)度問(wèn)題；采用小直徑、小跨距、多級(jí)數(shù)的通流設(shè)計(jì)方式；單流程葉片端損失大幅度下降，設(shè)計(jì)壓力可達(dá)35 MPa。圓筒形、單流程高壓缸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 圓筒形、單流程高壓缸結(jié)構(gòu)

1.2 補(bǔ)汽閥技術(shù)

由于采用全周進(jìn)汽、滑壓運(yùn)行，保持額定負(fù)荷及低負(fù)荷下的高效率，同時(shí)為了增加電網(wǎng)快速一次調(diào)頻功能，在高壓缸前幾級(jí)后加裝補(bǔ)汽閥(相當(dāng)于主汽門后的第3個(gè)高負(fù)荷調(diào)節(jié)閥)，如圖3所示。

圖3 高壓缸補(bǔ)汽閥位置

1.3 中壓缸

中壓缸采用雙流切向進(jìn)汽達(dá)到切向旋渦冷卻，中壓內(nèi)外缸之間有遮熱板；中壓聯(lián)合汽門與缸體直接連接、切向全周進(jìn)汽，損失小、對(duì)汽缸附加作用力??；采用小網(wǎng)眼永久濾網(wǎng)，雙流，葉片小直徑，多級(jí)數(shù)，第1級(jí)采用斜置靜葉結(jié)構(gòu)，20%反動(dòng)度。中壓缸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 中壓缸外形結(jié)構(gòu)及斜置靜葉結(jié)構(gòu)

1.4 低壓缸

引進(jìn)西門子特大長(zhǎng)葉片技術(shù)，1146 mm自由葉片，圓周速度為660 m/s，排汽面積為110.96 m2，材料為7-4PH，整體自帶圍帶(ISB)葉片，低壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 低壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

1.5 軸系結(jié)構(gòu)

每個(gè)汽缸之間僅一個(gè)軸承，承壓比大，穩(wěn)定性較好，四缸五軸承，采用黏度較高的潤(rùn)滑油；汽輪機(jī)軸向?qū)挾缺绕渌问蕉?～10 m；軸承座全部支撐在基礎(chǔ)上，動(dòng)靜間隙變化小；單流程高壓缸軸向跨度小，轉(zhuǎn)子剛性好；全周進(jìn)汽的運(yùn)行模式消除了汽隙激振源；低壓內(nèi)缸以推拉裝置與中壓外缸連接，減少低壓的相對(duì)膨脹；各葉片級(jí)轉(zhuǎn)子均有多道汽封，管道接口少、動(dòng)靜相對(duì)膨脹小。軸系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 四缸五軸承汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)

1.6 模塊設(shè)計(jì)

單軸四缸四排汽機(jī)型分別由高、中、低壓缸積木塊組成，如圖7所示。

圖7 1000 MW汽輪機(jī)整體模塊圖

2 Ⅰ代汽輪機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

歷經(jīng)3年的引進(jìn)吸收、消化、設(shè)計(jì)、制造和安裝，我國(guó)第1臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)超超臨界參數(shù)燃煤機(jī)組于2006年10月13日在浙江華能玉環(huán)電廠投產(chǎn)發(fā)電。在隨后1年中，又相繼有3臺(tái)同類型機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，這就是國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型第Ⅰ代百萬(wàn)機(jī)組在華能玉環(huán)電廠投入商業(yè)運(yùn)行，主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 華能玉環(huán)電廠設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 性能試驗(yàn)結(jié)果

2007年進(jìn)行機(jī)組性能考核試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 華能玉環(huán)電廠性能考核試驗(yàn)結(jié)果

3 Ⅲ代百萬(wàn)機(jī)組主要技術(shù)數(shù)據(jù)

經(jīng)歷了Ⅰ代和Ⅱ代機(jī)組十幾年的實(shí)際運(yùn)行和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，隨著金屬材料和其他輔助技術(shù)創(chuàng)新，經(jīng)過(guò)參數(shù)和回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化，上汽Ⅲ代百萬(wàn)機(jī)組正式投產(chǎn)運(yùn)行。

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

國(guó)投南陽(yáng)電廠設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 國(guó)投南陽(yáng)電廠設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 性能試驗(yàn)結(jié)果

2020年進(jìn)行機(jī)組性能考核試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 國(guó)投南陽(yáng)電廠性能試驗(yàn)結(jié)果

4 Ⅰ代與Ⅲ代機(jī)組經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

4.1 兩代機(jī)組經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

a.主蒸汽壓力

Ⅲ代機(jī)組主蒸汽壓力為27.179 MPa，高于Ⅰ代機(jī)組26.25 MPa。

蒸汽理想焓降為[3]

(1)

式中:ΔHt為蒸汽理想焓降；T0為主蒸汽溫度；R為氣體常數(shù)；k為絕熱系數(shù)；Pz為汽輪機(jī)背壓。

在主蒸汽溫度和排汽壓力不變的情況下，隨著主蒸汽壓力升高，主蒸汽焓值減小，但汽輪機(jī)中焓降增加，循環(huán)熱效率提高。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，主蒸汽壓力增加0.929 MPa，使機(jī)組熱耗率降低23.15 kJ/kWh。

b.再熱溫度

Ⅲ代機(jī)組再熱溫度為620 ℃，比Ⅰ代機(jī)組再熱溫度600 ℃高20 ℃，用δη表示再熱循環(huán)引起的效率變化[3]：

(2)

由公式可知，當(dāng)附加循環(huán)熱效率ηΔ大于朗肯循環(huán)熱效率ηt時(shí)，采用中間再熱后經(jīng)濟(jì)效益才能提高。在其他參數(shù)不變情況下，提高再熱蒸汽溫度，使吸熱平均溫度升高，進(jìn)而使再熱附件循環(huán)熱效率提高。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，再熱溫度升高20 ℃，使機(jī)組熱耗率降低25.41 kJ/kWh。

c.給水溫度

Ⅲ代機(jī)組給水溫度為298.8 ℃，比Ⅰ代機(jī)組給水溫度292.5 ℃高6.1 ℃。給水溫度升高，相當(dāng)于最高級(jí)高壓加熱器端差減小，新蒸汽等效焓降升高：

ΔH=Δτzηz

(3)

循環(huán)吸熱量減少：

ΔQ=Δτz

(4)

機(jī)組效率增加：

(5)

式中:ηz為外置蒸汽冷卻器抽汽效率；τz為給水在蒸汽冷卻器中吸收的熱量。

經(jīng)計(jì)算可得，給水溫度升高6.1 ℃，使機(jī)組熱耗率降低11.22 kJ/kWh。

d.外置蒸汽冷卻器數(shù)量

增加1臺(tái)三抽外置蒸汽冷卻器，使給水溫度提高3.9 ℃。而蒸汽冷卻器的存在使三段抽汽流量增加，導(dǎo)致新蒸汽等效熱量降低：

ΔH=Δτ3η3+Δε3(η2-η3)

(6)

同時(shí)，循環(huán)吸熱量減少：

ΔQ=Δτ3

(7)

由此機(jī)組效率提高：

(8)

式中：τ3為給水在外置蒸汽冷卻器吸收熱；η3為3號(hào)高壓加熱器抽汽效率；η2為2號(hào)高壓加熱器抽汽效率；ηi為汽輪機(jī)效率。

Ⅲ代機(jī)組比Ⅰ代機(jī)組增加1臺(tái)三抽外置蒸汽冷卻器，使三段抽汽和給水的換熱溫差及換熱不可逆損失減少；同時(shí)使給水溫度提高，機(jī)組循環(huán)吸熱量減少。

e.回?zé)嵯到y(tǒng)加熱器數(shù)量

Ⅲ代機(jī)組比Ⅰ代機(jī)組增加1臺(tái)低壓加熱器，為9級(jí)回?zé)帷；責(zé)嵫h(huán)汽輪機(jī)絕對(duì)內(nèi)效率為

(9)

式中：hb為鍋爐給水焓值；hc為凝結(jié)水泵出口水焓值；q為蒸汽在加熱器中放熱量；z為加熱器數(shù)量。

由公式可知：ηi是z的遞增函數(shù)，隨著z增加，回?zé)嵫h(huán)熱效率ηi不斷提高。由朗肯循環(huán)原理可知：增加回?zé)峒訜崞鳎构べ|(zhì)平均吸熱溫度提高，汽輪機(jī)排汽冷源損失減少，故循環(huán)熱效率提高。對(duì)比Ⅲ代機(jī)組和Ⅰ代機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)可知：Ⅲ代機(jī)組增加1臺(tái)低壓加熱器，使原Ⅰ代機(jī)組的5號(hào)低壓加熱器進(jìn)汽流量減少，改為六段抽汽，減少了高位能抽汽做功不足的損失，增加了蒸汽的做功能力。

f.通流面積

通流面積較Ⅰ代機(jī)略有增加，3個(gè)缸效率(89.67%、93.04%、89.73%)基本持平。

綜合以上分析可得，Ⅲ代機(jī)組經(jīng)參數(shù)升級(jí)和回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化，設(shè)計(jì)熱耗率由7316 kJ/kWh降至7199 kJ/kWh，煤耗下降了4.25 g/kWh。

4.2 上汽1000 MW超超臨界參數(shù)汽輪機(jī)主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

上汽5個(gè)電廠超超臨界參數(shù)1000 MW汽輪機(jī)組性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 上汽5個(gè)電廠1000 MW汽輪機(jī)組性能試驗(yàn)結(jié)果

4.3 二次再熱超超臨界參數(shù)機(jī)組展望

引進(jìn)型超超臨界參數(shù)1000 MW汽輪機(jī)組經(jīng)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)，推出二次再熱超超臨界參數(shù)1030 MW機(jī)組(華能萊蕪電廠)，設(shè)計(jì)熱耗率為7051 kJ/kWh，其單軸五缸四排汽機(jī)型分別由高壓、次高壓、中壓、低壓缸積木塊組成[4]，如圖8所示。

圖8 超超臨界參數(shù)二次再熱1000 MW汽輪機(jī)整體模塊

現(xiàn)在又通過(guò)設(shè)計(jì)理念創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出高低位分軸布置、二次再熱、超超臨界參數(shù)1350 MW汽輪機(jī)組，熱耗率低于7000 kJ/kWh以下達(dá)到6882 kJ/kWh，煤耗比Ⅰ代機(jī)組降低了15.7 g/kWh。新材料研發(fā)成功，百萬(wàn)燃煤機(jī)組的進(jìn)汽參數(shù)為35 MPa和700 ℃時(shí)，汽輪機(jī)組熱耗率為6621 kJ/kWh，供電煤耗為231.8 g/kWh，裝置循環(huán)熱效率為52%。這將是火電機(jī)組節(jié)能減排的重要突破[5-6]。

5 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型超超臨界參數(shù)1000 MW機(jī)組，歷經(jīng)十幾年的參數(shù)和回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化，機(jī)組熱耗率從7316 kJ/kWh降至7199 kJ/kWh，下降值為117 kJ/kWh，折合煤耗下降4.24 g/kWh；通過(guò)科技創(chuàng)新推出二次再熱超超臨界參數(shù)1030 MW機(jī)組，熱耗率為7051 kJ/kWh?，F(xiàn)在又設(shè)計(jì)出高低位分軸布置、二次再熱、超超臨界參數(shù)1350 MW汽輪機(jī)組，熱耗率為6882 kJ/kWh,煤耗比Ⅰ代機(jī)組降低了15.7 g/kWh。未來(lái)，隨著金屬材料技術(shù)和其他輔助技術(shù)的突破，超高初參數(shù)機(jī)組設(shè)計(jì)應(yīng)用將成為可能。