惠坤龍 朱凱麗 張咪 胡術(shù)壯

摘 要：在治污減霾的巨大壓力下，目前國(guó)內(nèi)發(fā)電行業(yè)的汽輪機(jī)組正在向節(jié)能減排效果更好的高超超臨界汽輪機(jī)發(fā)展，本文就高超超臨界汽輪機(jī)的發(fā)展歷程及其節(jié)能降耗的改進(jìn)措施和效果進(jìn)行了分析研究。

關(guān)健詞：汽輪機(jī)；降耗效能；高超超臨界

中圖分類號(hào)：TK268 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 高超超臨界汽輪機(jī)的發(fā)展歷程

從汽輪機(jī)技術(shù)進(jìn)步的角度來看，經(jīng)濟(jì)性1%的提高就是重大的技術(shù)發(fā)展，因此，通常會(huì)將蒸汽參數(shù)等級(jí)作為汽輪機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品等級(jí)的標(biāo)志。在低壓、中壓到亞臨界、超臨界的發(fā)展過程中均以壓力參數(shù)作為特征標(biāo)志；而超超臨界則是以600℃溫度作為標(biāo)志；等到下一個(gè)階段新的高超超臨界則會(huì)以壓力提高到35MPa或者溫度700℃等級(jí)作為標(biāo)志。因?yàn)闇囟葘?duì)汽輪機(jī)的影響最大，并且與高溫材料有關(guān)，因此有三個(gè)里程碑式的發(fā)展：第一個(gè)里程碑是以高溫CrMoV及12Cr材料為基礎(chǔ)，其產(chǎn)品發(fā)展延續(xù)了近百年的歷史，最高溫度達(dá)到566℃，壓力最高達(dá)到超臨界 24.2 MPa；第二個(gè)里程碑是采用了先進(jìn)鐵素體材料的超超臨界參數(shù)，其溫度達(dá)到 600～625℃，壓力25～30MPa；第三個(gè)里程碑的參數(shù)定義為大于35MPa或溫度700℃/720℃，它所對(duì)應(yīng)的高溫材料的發(fā)展重點(diǎn)是Ni基合金，比起超臨界汽輪機(jī)，參數(shù)提高后的節(jié)能減排效益更加巨大。

雖然高超超臨界汽輪機(jī)的Ni基材料能夠參考現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)的材料，但還是必須要根據(jù)汽輪機(jī)的運(yùn)行條件來開展大量的研制和試驗(yàn)，需要巨大的人力和物力投入。比如材料的優(yōu)化及長(zhǎng)期的高溫性能試驗(yàn)和關(guān)鍵部件的運(yùn)行試驗(yàn)；大型的鑄鍛件工藝研究；焊接轉(zhuǎn)子工藝的研究工作。

技術(shù)改進(jìn)和科研不能一蹴而就，故700℃高超超臨界技術(shù)和產(chǎn)品分布發(fā)展也需要分階段進(jìn)行，第一階段提前實(shí)施與Ni材料無關(guān)的三個(gè)技術(shù)升級(jí)：開發(fā)和推出高壓、熱力循環(huán)優(yōu)化以及獨(dú)特的結(jié)構(gòu)模塊，再通過材料的升級(jí)，實(shí)現(xiàn)第二階段的700℃溫度。根據(jù)這個(gè)路線，第二階段700℃汽輪機(jī)的關(guān)鍵集中在與鎳基合金材料相關(guān)的高溫部件。

2 高超超臨界汽輪機(jī)效率的提升

對(duì)于汽輪機(jī)通流部分的設(shè)計(jì)，綜合高效率葉柵成型技術(shù)、計(jì)算機(jī)優(yōu)化技術(shù)，以及葉片制造的數(shù)字化這3個(gè)領(lǐng)域的最新技術(shù)成果，建立了一個(gè)先進(jìn)的通流葉片整體自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)可以按照熱力參數(shù)、給定的軸向尺寸限制，自動(dòng)地完成整個(gè)通流部分葉片級(jí)的設(shè)計(jì)，自動(dòng)形成所需的數(shù)據(jù)文件、制造圖和生產(chǎn)路線。結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化就在于沒有進(jìn)汽蒸汽管道，閥門直接和汽缸相連；全周進(jìn)汽的斜置靜葉，沒有蒸汽室；沒有法蘭外伸端的小直徑圓筒型高壓內(nèi)缸；也無水平中分面的圓筒型外缸，取消了傳統(tǒng)機(jī)型中強(qiáng)度處于極限狀況的水平中分面高溫螺栓結(jié)構(gòu)；而且高壓缸中間級(jí)的內(nèi)冷結(jié)構(gòu)起到了降低溫度和使內(nèi)外缸分別承擔(dān)壓差的作用，也能大幅度降低內(nèi)外汽缸的工作應(yīng)力。其具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的機(jī)型可以明顯的降低蒸汽從進(jìn)口到出口的每一段流動(dòng)過程中的流動(dòng)損失，提高汽輪機(jī)的效率。

冷端優(yōu)化技術(shù)雖然跟高溫高壓參數(shù)沒有直接的關(guān)系，但因?yàn)槠啓C(jī)的排汽損失占整個(gè)汽輪機(jī)出力的1.5%-3%，冷端的優(yōu)化還是決定汽輪機(jī)效率高低的關(guān)鍵技術(shù)之一。因?yàn)槔涠瞬簧婕鞍嘿F高溫材料的使用，因此高超超臨界機(jī)組的冷端優(yōu)化更偏向于選取較低的背壓；二次再熱使得總體增加一個(gè)再熱缸，在軸系總體缸數(shù)不變的條件下，使可以選配的低壓缸數(shù)減少一個(gè)。除此之外，采用盡可能多的使機(jī)組效率得到提高的先進(jìn)技術(shù)也是提高性價(jià)比的重要措施。例如外高橋第三發(fā)電廠2*1000MW機(jī)組是我國(guó)電力行業(yè)取得巨大節(jié)能減排效益的典型，這個(gè)電廠不僅選擇具有高效率獨(dú)特結(jié)構(gòu)的機(jī)型，而且還通過提高鍋爐效率、利用煙氣余熱、優(yōu)化冷端背壓、優(yōu)化給水泵系統(tǒng)，以及通過啟動(dòng)前采用旁路沖洗技術(shù)“防止對(duì)汽輪機(jī)的硬質(zhì)顆粒沖蝕以避免運(yùn)行效率的下降”十幾項(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和技術(shù)創(chuàng)新都取得了非常成功的節(jié)能效果，提高了機(jī)組的熱效率。

3 汽輪機(jī)節(jié)能的增效改造

3.1 汽輪機(jī)節(jié)能的增效措施

對(duì)于汽輪機(jī)組及其附屬系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存在的影響經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的問題，比如：汽輪機(jī)組熱耗高，汽輪機(jī)高、中、低壓缸運(yùn)行效率偏低；低壓缸排氣溫度偏高；凝汽器換熱效果差，真空度低，凝結(jié)水溶氧量偏高；帶有液力耦合器調(diào)速的轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備，工作效率偏低，廠用電耗高；真空泵在夏季運(yùn)行時(shí)出力低，容易發(fā)生汽蝕缺陷；循環(huán)水冷卻塔散熱效果不佳；機(jī)組各熱力系統(tǒng)普遍存在閥門內(nèi)漏的缺陷，熱能損失較嚴(yán)重等，分析原因之后可以得到如下解決方案：①將汽缸原梳齒式汽封換成其他更加科學(xué)、密封性效果更好的新型汽封（如：布萊登汽封、刷式汽封、側(cè)齒汽封），同時(shí)對(duì)各汽封間隙進(jìn)行合理調(diào)整，可以顯著提高汽輪機(jī)各汽缸的運(yùn)行效率。②在低壓缸排汽通道內(nèi)部合理位置和角度上安裝一定數(shù)量的“排汽導(dǎo)流板”，可有效降低機(jī)組低壓缸排汽通道汽場(chǎng)分布不均勻的程度，會(huì)干擾低壓缸排汽二次渦流場(chǎng)的形成，顯著增強(qiáng)低壓缸排汽擴(kuò)壓能力和凝汽器換熱效率，進(jìn)而提高汽輪機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。③用內(nèi)壁光滑的大型熱壓一體彎頭更換掉低壓缸導(dǎo)汽管原裝焊接“多節(jié)型”彎頭，是解決汽輪機(jī)低壓缸導(dǎo)汽管局部阻力大、蒸汽流動(dòng)損失大的有效手段。④需要定期對(duì)汽輪機(jī)組真空系統(tǒng)做嚴(yán)密性實(shí)驗(yàn)，積極查找“負(fù)壓”系統(tǒng)泄漏點(diǎn)并及時(shí)消漏；重新設(shè)計(jì)凝汽器的水封筒高度，能夠有效地減少凝汽器真空泄漏量，降低凝結(jié)水的溶氧量。⑤堅(jiān)持定期在凝汽器水側(cè)投放膠球，加強(qiáng)循環(huán)水質(zhì)監(jiān)督，在凝汽器循環(huán)水入口安裝“旋轉(zhuǎn)式二次濾網(wǎng)”裝置，都能有效避免其換熱管束的堵塞、結(jié)垢。⑥還要提高對(duì)閥門內(nèi)漏治理的重視程度。對(duì)汽輪機(jī)組各熱力系統(tǒng)普遍存在的閥門內(nèi)漏缺陷，應(yīng)該采取更換、研磨、涂鍍、堆焊、車削等手段，集中、有效地治理閥門內(nèi)漏，以提高機(jī)組熱能利用率[2]。

3.2 汽輪機(jī)節(jié)能的降耗效果

側(cè)齒式汽封結(jié)構(gòu)較先進(jìn)，密封效果好，節(jié)能效果顯著，運(yùn)行也安全可靠，加工制造工藝成熟，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)較普遍使用，并且改裝工藝簡(jiǎn)便，不用改變?cè)饨Y(jié)構(gòu)，投資少，見效快；刷式汽封是一種柔性密封，刷絲對(duì)轉(zhuǎn)子的摩擦振動(dòng)小，隨著轉(zhuǎn)子跳動(dòng)不改變密封間隙，密封效果好，最適合溫度和壓力較低的低壓缸使用。解決汽輪機(jī)組能耗高、效率低問題的2種主要方法：一是消除設(shè)備缺陷，以保持設(shè)備的良好出力，提高其運(yùn)行可靠性，減少因?yàn)樵O(shè)備缺陷造成的非停事故，降低因?yàn)槿毕菀鸬母鞣N能量損失；二是利用技術(shù)改造和技術(shù)革新來提高設(shè)備的能源利用效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]王攀，現(xiàn)役火力發(fā)電機(jī)組汽機(jī)側(cè)節(jié)能優(yōu)化研究，華北電力大學(xué)，2016（6）.

[2]夏榮海，火電廠汽輪機(jī)組節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用研究，華北電力大學(xué)，2016（6）.