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(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)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(shè)備有限公司，上海 200240；4. 哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)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(dǎo)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(dāng)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(shè)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(shè)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?？绽涫礁邊?shù)汽輪機把超超臨界濕冷汽輪機技術(shù)和亞臨界空冷汽輪機技術(shù)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(shù)效果[4]。在中國北方富煤缺水地區(qū)建設(shè)火電廠，急需大量空冷式高參數(shù)汽輪機。

1 技術(shù)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(shè)計背壓為10～15 kPa，比濕冷超超臨界汽輪機的設(shè)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(shè)計，汽輪機通流能力需要在超臨界濕冷的基礎(chǔ)上適當(dāng)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(shè)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。空冷式高參數(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(shè)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。空冷式高參數(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(shè)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(guān)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(zé)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(shè)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(shè)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(yīng)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(zé)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(shè)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(shè)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(shè)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(zé)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(zé)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(dāng)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(shè)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(shù)和亞臨界空冷汽輪機技術(shù)集成起來，是一種新產(chǎn)品，主要技術(shù)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(yīng)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。