覃小文 廖茹霞 魏小龍 袁曉旭 張小波 王 姍

(1.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000；2.東方電氣風(fēng)電有限公司，四川618000)

太陽能光熱發(fā)電是太陽能高溫利用的主要技術(shù)形式，是太陽能利用的重要領(lǐng)域?，F(xiàn)已有20個示范項目的建成、投產(chǎn)，可以預(yù)見，光熱發(fā)電將成為繼風(fēng)電、光伏之后的又一可再生能源的重要應(yīng)用領(lǐng)域，并成為推進(jìn)能源供應(yīng)轉(zhuǎn)型的重要力量。因此，對動力循環(huán)的核心設(shè)備(汽輪機(jī))的發(fā)展及技術(shù)特點進(jìn)行研究具有重要現(xiàn)實意義。

1 太陽能熱發(fā)電技術(shù)簡介

按照聚光集熱方式的不同，太陽能熱發(fā)電可以分為槽式、塔式、線性菲涅爾式以及蝶式—斯特林發(fā)動機(jī)等幾種型式，如圖1所示。目前已商業(yè)化的太陽能熱發(fā)電動力裝置絕大部分都是蒸汽輪機(jī)。

圖1 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

2 太陽能熱發(fā)電汽輪機(jī)的技術(shù)特點

2.1 太陽能熱發(fā)電對汽輪機(jī)的要求

為了適應(yīng)氣候多變及晝夜變化，要求光熱汽輪機(jī)具備以下能力：

(1)快速啟動能力；

(2)適應(yīng)頻繁啟停和快速變負(fù)荷的能力；

(3)低負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行的能力；

(4)高效率、長壽命、高安全可靠性；

(5)運(yùn)行控制方便靈活等特點。

2.2 太陽能熱發(fā)電汽輪機(jī)技術(shù)特點

2.2.1 機(jī)組結(jié)構(gòu)布置

以50 MW蒸汽輪機(jī)為例，煤電汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)一般為9 MPa、550℃，而太陽能熱發(fā)電汽輪機(jī)(槽式)進(jìn)汽參數(shù)大約在10 MPa、385℃[1]，如圖2(a)所示。為了提高效率，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速通常采用高轉(zhuǎn)速(一般采用6000 r/min左右，常規(guī)為3000 r/min)，需要在高、中壓轉(zhuǎn)子之間設(shè)置變速箱。

圖2 不同等級汽輪機(jī)組布置圖

實際工程應(yīng)用中，當(dāng)機(jī)組容量大幅度增加或者蒸汽溫度顯著提高后，可采用常規(guī)單軸一次中間再熱，高低壓轉(zhuǎn)子同轉(zhuǎn)速[2]。100 MW及以上功率等級的光熱汽輪機(jī)，主蒸汽流量顯著增加，相對葉高增加，端部二次流損失顯著降低，采用3000 r/min設(shè)計方案能保證高壓模塊的高效運(yùn)行，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和成本，100 MW及以上等級光熱汽輪機(jī)，采用3000 r/min(或3600 r/min)單轉(zhuǎn)速設(shè)計，不采用變速箱結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。

2.2.2 軸向排汽

汽輪機(jī)的排汽形式一般有：向下排汽、向上排汽、軸向排汽、側(cè)向排汽，向下排汽使用最廣泛，而軸向排汽逐漸呈現(xiàn)其優(yōu)勢。對向下排汽和軸向排汽進(jìn)行比較，其機(jī)組的布置形式如圖3所示。

圖3 兩種排汽方式機(jī)組的布置形式

通過計算，汽輪機(jī)排汽缸的常規(guī)向下排汽靜壓恢復(fù)系數(shù)大約在0.05左右；采用軸向排汽的后汽缸，在排汽口面積相同情況下，由于汽流減少了由軸向向徑向的90°折轉(zhuǎn)，能量損失減少，靜壓恢復(fù)系數(shù)約為0.15左右。排汽缸靜壓恢復(fù)系數(shù)提高，汽輪機(jī)效率有效提高。且軸向排汽布置方式的最大好處是電廠廠房基礎(chǔ)布置簡單，減少了土建周期和成本。

2.2.3 負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)

槽式導(dǎo)熱油汽輪機(jī)采用滑壓運(yùn)行方式，槽式熔鹽和塔式熔鹽汽輪機(jī)采用定滑壓運(yùn)行方式，30%負(fù)荷以下定壓6.5 MPa運(yùn)行，30%負(fù)荷以上滑壓運(yùn)行。光熱汽輪機(jī)的最低連續(xù)運(yùn)行負(fù)荷為15%，最低不連續(xù)運(yùn)行負(fù)荷5%(甩負(fù)荷后帶廠用電不允許超過10次，每次不允許超過15 min。機(jī)組空負(fù)荷每次不允許超過30 min)。

我公司光熱發(fā)電汽輪機(jī)組的潤滑油系統(tǒng)采用全電泵系統(tǒng)，系統(tǒng)簡單可靠，啟停靈活，能夠滿足機(jī)組頻繁的啟停要求；根據(jù)機(jī)組軸端密封的需求，軸封系統(tǒng)采用兩段或三段式供汽，以匹配不同軸端對密封蒸汽溫度的要求；同時，由于機(jī)組的頻繁啟停，對疏水系統(tǒng)的耐沖蝕要求更高，采用獨立的罐式疏擴(kuò)，適當(dāng)提高疏擴(kuò)內(nèi)壓力，有利于緩解汽液兩相流對設(shè)備的沖蝕。

2.2.4 模塊化結(jié)構(gòu)

機(jī)組總體方案和主要結(jié)構(gòu)特點充分借鑒火電中小功率再熱機(jī)組和聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的成功經(jīng)驗。50 MW光熱汽輪機(jī)采用雙缸雙轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)中置，軸排低位布置結(jié)構(gòu)，見圖4(a)；100 ～150 MW等級光熱汽輪機(jī)為單軸、兩缸單排汽結(jié)構(gòu)，高壓模塊和中低壓模塊均可整體發(fā)貨，見圖4(b)。

圖4 光熱汽輪機(jī)整體布置圖

2.2.5 機(jī)組快速啟停及壽命保證措施

為了保證汽輪機(jī)具有快速啟動、頻繁啟停能力，保證機(jī)組的壽命，我公司在技術(shù)方案上作了如下調(diào)整：

(1)汽缸采用對稱結(jié)構(gòu)，提高機(jī)組的對稱性。并且汽缸設(shè)計成等強(qiáng)度壁厚，減小汽缸壁厚，主汽閥、調(diào)節(jié)閥對沖切向布置。

(2)機(jī)組采用分缸結(jié)構(gòu)，由高壓缸和中低壓缸組成，單個汽缸的熱容量減小，汽缸溫度變化，遲滯率降低，利于機(jī)組的快速啟動和負(fù)荷變化。

(3)高壓內(nèi)缸采用筒形結(jié)構(gòu)，高壓模塊采用雙層汽缸結(jié)構(gòu)，內(nèi)缸采用耐高壓紅套環(huán)筒形汽缸結(jié)構(gòu)，通過紅套環(huán)過盈密封，取消中分面法蘭和螺栓結(jié)構(gòu)。內(nèi)缸形狀簡單，結(jié)構(gòu)對稱，熱變形小，對汽輪機(jī)快速啟停和變負(fù)荷工況適應(yīng)性好。

(4)減少機(jī)組部套的應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)。接近高溫區(qū)的轉(zhuǎn)子直徑小，保證機(jī)組啟停時，關(guān)鍵部位的熱應(yīng)力最小。轉(zhuǎn)子輪盤、轉(zhuǎn)子過渡連接處、轉(zhuǎn)子各級葉輪根部、汽封和軸封處的圓角均大圓角處理，從而降低應(yīng)力集中。

(5)合理選擇轉(zhuǎn)子材料及形式。高壓缸轉(zhuǎn)子采用整鍛轉(zhuǎn)子，避免采用套裝轉(zhuǎn)子。葉輪紅套于主軸上，當(dāng)機(jī)組快速啟動時，采用套裝結(jié)構(gòu)的葉輪會因機(jī)組溫升過快而使過盈量減少乃至消失，從而誘發(fā)機(jī)組振動。中低壓缸轉(zhuǎn)子采用焊接轉(zhuǎn)子。進(jìn)汽高溫段采用高溫性能優(yōu)良的材料，低溫部分采用低溫強(qiáng)度高、脆性轉(zhuǎn)變溫度低的材料，通過焊接工藝滿足低壓轉(zhuǎn)子的各項要求。

(6)控制汽輪機(jī)冷卻速率。采取加厚機(jī)組保溫層，停機(jī)時提供機(jī)組伴熱等措施控制機(jī)組冷卻速率，使機(jī)組停機(jī)后金屬溫度下降速度緩慢，利于提高機(jī)組啟動速度。

2.2.6 安裝、調(diào)試、檢修維護(hù)

我公司50 MW光熱汽輪機(jī)采用雙缸雙轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)中置，軸排低位布置結(jié)構(gòu)，高、中低壓模塊均能整體發(fā)貨，減少用戶工作量；100～150 MW等級光熱汽輪機(jī)為單軸、兩缸單排汽結(jié)構(gòu)，高壓模塊可以整體發(fā)貨，中低壓模塊整體發(fā)貨設(shè)計。光熱汽輪機(jī)高壓采用反動式單流技術(shù)方案，中低壓合缸單流方案，機(jī)組閥門布置于機(jī)組兩側(cè)，結(jié)構(gòu)緊湊，效率高。100～150 MW機(jī)組排汽可采用軸向排汽、下排汽、側(cè)排汽等多種形式。光熱汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸設(shè)計為筒形結(jié)構(gòu)，熱變形小，對汽輪機(jī)快速啟動和變負(fù)荷工況適應(yīng)性好，拆裝方便；中低壓合缸模塊采用單層汽缸結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，利于機(jī)組快速啟停，提高經(jīng)濟(jì)性，汽缸內(nèi)外壁溫差小，汽缸轉(zhuǎn)子溫度場同步變化，動靜脹差一致性強(qiáng)。軸排汽缸軸承箱設(shè)計為座缸結(jié)構(gòu)，可不開缸進(jìn)行軸承檢修。

3 光熱發(fā)電汽輪機(jī)選型分析

汽輪機(jī)設(shè)備選型應(yīng)符合GB/T 5578—2007《固定式發(fā)電用汽輪機(jī)規(guī)范》以及DL/T 892—2004《電站汽輪機(jī)技術(shù)條件》的有關(guān)規(guī)定。汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)選擇應(yīng)滿足光熱機(jī)組換熱介質(zhì)的特點，并符合汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)要求，最大限度地提高電廠整體熱經(jīng)濟(jì)性。換熱介質(zhì)的特點決定汽輪機(jī)主蒸汽最高溫度，換熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油或熔融鹽會使主蒸汽最高溫度差別很大。汽輪機(jī)主蒸汽的溫度和壓力以及再熱溫度和壓力選擇需匹配，應(yīng)適應(yīng)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，在保證汽輪機(jī)運(yùn)行安全的前提下，提高機(jī)組參數(shù)。也可提高汽輪機(jī)效率，但同時會影響蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的熱利用效率以及投資，汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)選擇應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，以提高電廠整體熱經(jīng)濟(jì)性。

由于太陽能光熱發(fā)電站起停和負(fù)荷變化頻繁，且滿足機(jī)組深度調(diào)峰要求，易造成金屬疲勞，影響工藝系統(tǒng)設(shè)備、管道的使用壽命，電站工藝系統(tǒng)的設(shè)計壽命應(yīng)不小于25年?？紤]太陽能熱發(fā)電廠集熱、傳熱、儲熱系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計壽命一致，故設(shè)計汽輪機(jī)及其輔助系統(tǒng)壽命按不小于25年。

在外部條件允許情況下，汽輪發(fā)電機(jī)組應(yīng)優(yōu)先選擇大容量機(jī)組。常規(guī)火電機(jī)組先確定汽輪機(jī)的進(jìn)口參數(shù)，再根據(jù)相應(yīng)管道溫降和壓降確定鍋爐參數(shù)，而光熱機(jī)組由于不同換熱介質(zhì)的特性，過熱器出口處蒸汽參數(shù)在一定范圍內(nèi)，汽輪機(jī)進(jìn)口參數(shù)應(yīng)結(jié)合汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)特點以及管道溫降和壓降在相應(yīng)范圍內(nèi)優(yōu)化選取。在滿足換熱工質(zhì)安全運(yùn)行的情況下，汽輪機(jī)進(jìn)口參數(shù)應(yīng)優(yōu)先選擇高參數(shù)。

4 變工況適應(yīng)能力

4.1 配汽方式

光熱汽輪機(jī)宜采用節(jié)流配汽，實現(xiàn)全周進(jìn)汽，熱應(yīng)力小，利于快速啟動。同時機(jī)組采用滑參數(shù)運(yùn)行，在整個運(yùn)行過程中閥門全開，為保證在設(shè)計點經(jīng)濟(jì)性最高，不考慮整個通流閥門全開時的余量。隨著負(fù)荷降低，保持機(jī)組進(jìn)汽溫度不變，進(jìn)汽壓力降低的方式，保證在各工況下閥門全開，節(jié)流損失最小，閥門閥桿零漏汽，從而保證機(jī)組效率較常規(guī)節(jié)流配汽機(jī)組高。在最大負(fù)荷時，考慮機(jī)組的超壓運(yùn)行能力，進(jìn)汽壓力高于額定壓力運(yùn)行，保證機(jī)組的能力工況，從而保證機(jī)組長期安全高效運(yùn)行[3]。故采用滑參數(shù)運(yùn)行的節(jié)流配汽，保證各工況下經(jīng)濟(jì)性高，克服節(jié)流配汽部分負(fù)荷效率低的特點。

4.2 葉型設(shè)計

采用先進(jìn)的通流技術(shù)，保證機(jī)組性能，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。高壓缸模塊使用反動式葉型，中低壓缸模塊使用優(yōu)化的大速比、高反動度的DAPL3葉型。DAPL3葉型是我公司自主研發(fā)的新型沖動式系列型線，該型線具有寬負(fù)荷、變工況性能良好的特點。

針對光熱機(jī)組變工況運(yùn)行頻繁的工作條件，對末級葉片進(jìn)行優(yōu)化。隨著容積流量的減少，末級葉片逐漸出現(xiàn)脫流。由于汽輪機(jī)在小容積流量下運(yùn)行時，低壓末級甚至次末級內(nèi)可能出現(xiàn)嚴(yán)重的分離流動。分離流動會導(dǎo)致汽流在葉片根部或頂部形成很大漩渦，容易引起葉片失速顫振，降低運(yùn)行效率，甚至還會導(dǎo)致嚴(yán)重事故[4]。

為了避免此極端流場的出現(xiàn)，需控制末級葉片根部的反動度和排汽速度，要求末級葉片高度不能太高。而機(jī)組經(jīng)濟(jì)性要求降低排汽損失，因此末級葉片高度也不能太低。此外，從汽輪機(jī)實際運(yùn)行角度出發(fā)，末級軸向排汽工況應(yīng)平衡其它工況的效率要求。分析評估，在常規(guī)火電低壓模塊基礎(chǔ)上，對排汽角度進(jìn)行優(yōu)化，控制排汽速度和末級葉片根部反動度。

圖5是低壓末六級延長出口條件下在不同工況時末級模塊三維數(shù)值模擬的子午平面流線圖。數(shù)值模擬顯示隨著容積流量不斷降低，末級動葉下游逐漸形成渦旋，尺寸逐漸變大，影響范圍向上游蔓延。設(shè)計有效控制了末級動葉下游旋渦的尺寸和分布范圍，在長期穩(wěn)定運(yùn)行最小容積流量下(15%THA)末級葉片后部的汽流旋渦不會進(jìn)入到動葉根部區(qū)域，降低了葉片顫振的可能，提升了機(jī)組的穩(wěn)定性和完全性。

圖5 低壓延長出口變工況子午面平均流線

圖6顯示汽輪機(jī)低壓末級在75%～100%THA工況間都保持較高的總靜效率，而在50%～75%THA工況之間總靜效率相對于最佳值降低幅度較小。

圖6 低壓總靜效率在不同工況下與容積流量比例的關(guān)系曲線

4.3 低負(fù)荷運(yùn)行通流保護(hù)措施

低負(fù)荷時，為避免低壓缸排汽溫度高，引起軸系中心標(biāo)高變化，采用高效噴水減溫裝置。該裝置具有嚴(yán)密性好，停開方便，靈敏精確；霧化效果好，無大粒水或水柱；噴射方向安裝正確，保證順流，避開末級葉片，使水蝕減少到最低限度。

為避免高壓缸低負(fù)荷排汽端通流部分出現(xiàn)鼓風(fēng)，引起排汽超溫，在汽輪機(jī)高壓缸配高排通風(fēng)閥與空冷島連接，在小容積流量下，保護(hù)高壓排汽端通流部分不發(fā)生鼓風(fēng)損失。在啟動和低負(fù)荷時，按高排溫度，自動調(diào)整高壓調(diào)閥和再熱調(diào)閥開度，分配高壓缸、中低壓缸的進(jìn)汽流量，保護(hù)機(jī)組安全可靠。

4.4 末級葉片安全性保障措施

光熱汽輪機(jī)采用的末級葉片必須具有下述特性：

(1)要具有寬負(fù)荷變工況安全運(yùn)行的能力；

(2)要具有低荷抗顫振安全運(yùn)行的能力；

(3)要具有滿足二班制安全運(yùn)行的充足的低周疲勞壽命；

(4)要具有高的葉片效率，保持寬負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)性。

葉根采用具有大承載能力的設(shè)計，承載能力優(yōu)異；葉片連接件結(jié)構(gòu)采用具有較大阻尼的整體圍帶結(jié)構(gòu)型式，見圖7。通過在額定轉(zhuǎn)速下葉片的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)實現(xiàn)葉片與葉片之間的制約機(jī)制，形成整圈聯(lián)接結(jié)構(gòu)(CCB)，增加葉片的阻尼，大大降低了動應(yīng)力水平。

圖7 大承載叉型葉根、高阻尼圍帶拉金結(jié)構(gòu)

根據(jù)光熱機(jī)組運(yùn)行特點，光熱汽輪機(jī)末葉低周疲勞壽命評判指標(biāo)大幅提高，使末葉疲勞壽命遠(yuǎn)超設(shè)計指標(biāo)，確保光熱汽輪機(jī)組的運(yùn)行年限要求。采用三維CAE分析手段，對末葉各工況下的動力響應(yīng)進(jìn)行分析，并開展高周疲勞壽命評估，見圖8。

圖8 疲勞壽命評估

5 結(jié)論

在融合50 MW光熱汽輪機(jī)研制經(jīng)驗、聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)技術(shù)、中小功率火電汽輪機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上研制而成的大功率光熱汽輪機(jī)，采用雙缸、單軸、單排汽汽輪機(jī)。機(jī)組采用成熟的熱力系統(tǒng)、先進(jìn)通流技術(shù)、切向進(jìn)汽技術(shù)、汽封技術(shù)、軸向排汽技術(shù)以及高效寬負(fù)荷技術(shù)，保證機(jī)組全天候高效運(yùn)行。機(jī)組采用的紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸、中低壓單層缸技術(shù)、成熟末級葉片、優(yōu)化零部件應(yīng)力設(shè)計，可有效保障機(jī)組快速啟動、頻繁啟停。采用模塊化設(shè)計技術(shù)、整體運(yùn)輸安裝技術(shù)、自動-智能化控制技術(shù)，提升用戶體驗。