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[行业技术文章]百万千瓦级汽轮机选型研究
更新时间:2013-02-22 发布:www.1024sj.com

      0概述

      一次能源结构决议了我国在较长一段时期内,电力是以燃煤发电为主。燃煤在提供庞大动力的同时,也发生了年夜量污染物。因而,起劲经由过程技术前进下降燃煤发电对情况的污染,是今朝电力成长面临的重年夜课题。在诸多洁净煤发电技术中,超超临界发电技术配之以高效烟气净化技术是最具有继续性、最具有条件在短时间内实现规模化生产的重要技术标的目的,对优化火电结构,提高资本哄骗率具有重年夜的现实意义。积极引进和建设低煤耗、年夜容量的超临界年夜型火机电组势在必行,现实上已于近年周全展开。超临界发电技术的经济性与单机容量慎密相关,出格是超临界汽轮机的容量、型式、调理方式、参数和旁路系统的选择将直接关系到技术引进的成败。凭据超临界机组的特点,科学合理地选择超临界汽轮机,将对我们引进消化国外进步前辈技术起到事半功倍的效果。

      1超临界汽轮机单机容量的选择

      超临界汽轮机单机容量的增年夜,不仅对下降单元千瓦的造价年夜有益处,而且可以响应提高机组的运行效率。汽轮机进汽量随单机容量的增年夜而增加,使轴端泄漏损失所占比重减小,和由于通流面积的增年夜,通流部门漏汽损失也相对减小。可是机组容量的增年夜,其相对应的最好设计参数也随之提高,其所需的装备制造材料的品级也随之提高,装备造价年夜幅提高。另外,汽轮机进汽初压的提高对热耗影响的年夜小与机组容量的年夜小和初压变化幅度有关,机组容量愈年夜,汽轮机最好进汽压力也响应提高。凭据汽轮机设计参数对热耗的影响和我国电网容量的年夜小,及我国现有超临界机组容量的年夜小(我国已投产600MW/800MW/900MW等多台超临界机组),并连系国际上的进步前辈技术,应年夜规模建造1000MW级的超临界机组。

      2超临界汽轮机轴系的选择

      2.1超临界汽轮机单轴与双轴的选择

      超临界汽轮机为削减轴系长度,凡是采用双轴安插。现役年夜机组既有单轴安插的也有双轴安插的。不管何种安插方式,都是为了知足排汽面积。当末级长叶片的制造加工可以知足需要,且汽轮发机电组在统一直线安插,其轴系的稳定性可以保证时,应首选单轴机组。汽轮发机电组的运行实践证实,不异容量的机组单轴机组较双轴机组具有更好的“经济型规模”,且易于安插、下降造价、勤俭材料、缩短建设工期。

     2.2超临界汽轮机高、中压通流的选择 

     超临界机组由于进汽参数高,汽轮机的高、中压汽缸、主蒸汽管道等金属部件较为厚重,蒸汽参数的变化会引发高、中压汽缸、转子、喷嘴室及主蒸汽管道等金属部件有较年夜的交变应力,而影响机组变负荷运行能力及灵活性。为此,在结构设计上凡是措施除采用多层汽缸结构,以下降每层汽缸的内外压差、温差,削减壁厚外,BBC公司还采用两半圆筒式无中分面法兰的套嵌式内缸,西门子公司采用过整体圆筒式无水平中分面轴向装配式汽缸。这两种结构对下降汽缸热应力和热变形是有益的,但检修工艺复杂。另外一种传统结构是采用尽量窄的水平中分面法兰。实践证实:采用高窄水平中分面法兰既能知足机组变负荷运行的需要,又便于安装检修。

      2.3超临界汽轮机低压通流的选择

      现役的1000MW级超临界汽轮机基本上皆为5缸6排汽安插,技术已很是成熟。随着冶金和机械加工技术的成长,加工制造43英寸以上长度的低压末级叶片技术已十分成熟,是以设计制造4缸4排汽的1000MW级超临界单轴汽轮机在技术和工艺上是完全可行的。设计制造4缸4排汽的汽轮发机电组,既可以缩短汽轮机轴系长度,勤俭材料,又可以增加轴系的稳定性,提高机组整体运行靠得住性。另外,在选择4缸4排汽的1000MW级超临界单轴汽轮机时,应尽量选用单轴瓦结构,若是选用双轴瓦,则轴系太长,汽轮机轴系的稳定性难以保证。

      3超临界机组调理方式的选择

      超临界机组进汽参数高、进汽密度年夜,出格是在低负荷时,若采用定压喷嘴调理,调理级叶片负荷出格年夜,会发生庞大的应力。不管在叶片结构上接纳何种措施,调理级叶片应力对机组的运行平安都是一个潜在的威胁。若是采用滑压运行、全周进汽方式,不仅能削减汽缸及转子的热应力交变轮回,而且有益于快速启停和提高机组负荷顺应性。在机组滑压运行时,汽轮机进汽容积流量不变,调理汽阀呈全开状态,喷嘴面积不变,此时汽轮机进汽压力和汽锅出口汽压均随电负荷的变化而变化,它是由机、炉、电统一控制来实现的。由于调理汽阀呈全开状态,无节省损失,部门负荷下汽轮机内效率可基本连结与设计工况一样。在部门负荷下,汽锅出口汽压下降了,是以给水压力也可响应下降,这样可以削减给水泵的功耗,以提高部门负荷下的热经济性。由于在分歧负荷时,高压缸的压比不变,而且负荷变化时,温度的相对变化幅度小,是以,不仅能连结汽轮机在部门负荷下有较高的内效率,而且由于温度变化小,削减了汽轮机重要部件汽缸、转子的热应力交变轮回,有益于快速启停和提高机组负荷顺应性。此外,采用滑压运行,汽锅、汽轮机、管道等有关部门在部门负荷时其工作压力下降,也提高了这些部门主要零部件的工作寿命。总之,滑压调理方式既可知足机组调峰的需要,又可确保机组的靠得住性和经济性,优势十分突出。

      4超临界汽轮机参数的选择

      年夜型汽轮机为了提高机组效率,下降机组热耗,凡是用提高进汽参数的法子来实现,并已取得了显著成效。当机组由亚临界参数向超临界参数转变时,汽轮机相对内效率的提高很是较着。但当进汽参数在25.0MPa/600℃/600℃的根蒂根基上再提高进汽参数到30.0MPa/600℃/600℃时,相对内效率的变化仅为0.5(见图1)。而为了提高这一参数所消耗在金属上的价格却很是昂贵,得不偿失。对于再热蒸汽(中压缸进汽)参数的选择应出格看待,对超临界年夜型汽轮机,由于再热蒸汽的压力也响应提高,但其尽对值较小,通常是主蒸汽压力的18-23。在选择再热蒸汽压力与温度时,应优先选择提高再热蒸汽的温度,由于提高温度比提高压力的投进小,而且在运行中可以下降给水泵的功耗,机组热耗下降较着(再热蒸汽温度每提高10℃,热耗可下降约0.3)。另外,提高再热蒸汽温度还可下降低压缸排汽湿度,改善汽轮机低压缸末几级长叶片的工作情况,延长末级叶片寿命。适当提高再热蒸汽温度,还可以较充实地阐扬超临界技术下降机组热耗的优越性,所以选择再热蒸汽参数时应优先选择再热蒸汽温度较主蒸汽温度稍高的参数。

      在一定范围内,汽轮机的新蒸汽温度或再热蒸汽温度每提高10℃,机组热耗一般下降0.25-0.3。若进汽温度及再热温度同时提高30℃,机组热耗可下降1.5-1.8。而采用二次再热可进一步提高机组运行的热经济性(一般二次再热比一次再热可进一步下降机组热耗1.5-2),但管道安插及控制、庇护系统较复杂,机组造价增加,是以,只有在工作于燃料价格出格昂贵地域的带基本负荷的年夜机组才斟酌采用二次再热。因而可知,二次再热短时间内不顺应国中国国情,技术引进时暂不斟酌。由于日本近年来在超临界技术一直处于国际领先水平,为了获取机组的最好热耗,可参照日本1997年以后投运的700MW以上的年夜型火机电组的新蒸汽温度和再热蒸汽温度(见表1),拔取既平安可行又处于国际领先地位的蒸汽参数25.0MPa/600℃/600℃。

      5超临界汽轮机旁路的选择

       机组旁路系统作为机组的重要辅助系统,其设置装备摆设的优劣直接影响机组的平安性和经济性。而旁路系统的形式有多种,年夜致可分为单机(整机)年夜旁路系统、两级串联旁路系统、三级旁路系统和三用阀旁路系统4种形式。

       单机年夜旁路系统简单,投资省,便于操作,可知足机组启动、停机进程中收受接管工质并加速启动速度的要求,错误谬误是再热系统的热管升温遭到限制,对机组的热启动晦气。蒸汽未流经再热器系统,使汽锅再热系统的材质、安插及再热器区的烟气温度遭到限制,对再热器不能起到庇护作用。在运行中旁路系统调理灵活性不高,负荷顺应性较差,不能完全起到旁路系统应有的作用。

       两级串联旁路系统的特点是在机组启动和甩负荷时庇护再热器,避免其干烧损坏。能够知足机组热态启动时蒸汽温度与汽缸金属壁温的匹配要求,缩短机组在各类工况下的启动时间,知足机组带中心负荷及调峰的需要。此系统的顺应性强,是今朝国内年夜容量机组普遍采用的一种旁路形式。

      三级旁路系统顺应性强,运行灵活,知足机组的各类运行工况兼有年夜旁路系统和两级串联旁路系统的优点,但系统复杂,钢材耗量年夜,现在基本上已不再采用。

      三用阀旁路系统的特点是,高压旁路阀兼有启动调理阀、减压阀和平安阀的作用,故称为三用阀系统,亦是由高、低压旁路系统组成的两级串联旁路系统,但其容量设置装备摆设较年夜,一般推荐采用100容量的高压旁路,60-70容量的低压旁路,并设置带有附加控制的再热器平安阀。三用阀是可控的,能实现快速自动跟踪超压庇护,省往了汽锅过热器平安阀。经由过程调理控制汽压以顺应机组分歧工况的滑参数启停和运行,机组甩负荷后汽锅不立即熄火,能带厂用电运行,事故破除后即可重新投进,既削减汽锅启停次数,又减轻了对汽轮机的热冲击,缩短恢复时间。三用阀的结构尺寸小,便于安插和检修。由于三用阀具有多种功能,对热控和调理系统等方面的要求高,液压控制难度年夜,功耗较高,全容量旁路系统的管道尺寸增加,使其投资昂贵。

      选择旁路系统型式时应斟酌机组在电网中承当的使命、运行方式、事故处置方式和再热器的位置安插等身分。

      基本负荷机组运行稳定,启停次数少,一般可选用系统简单的旁路系统。 

      对于调峰机组,负荷变化幅度较年夜,启停频仍,尤其是两班制运行的机组,天天需要热态启动,应选用启停损失小,便于调理的旁路系统,如两级串联旁路系统。对于电网要求在机组甩负荷时,要求停机不停炉、汽轮机空转或带厂用电运行,则应选择汽水能收受接管,又能庇护汽锅等各部门的旁路系统。

      对于三用阀旁路系统,因其对热控和调理系统等方面的要求高,控制难度年夜,全容量旁路系统的管道尺寸增加,其投资昂贵,而且这类设计背反国家有关规程划定,其设计虽然在元宝山电厂和石洞口二厂运用的很是成功,但在1000MW级超临界机组上应尽量避免使用。

       综合各类旁路系统的特点,并斟酌随着年夜容量超临界机组数目的日益增多和我国用电峰谷差的不竭增年夜,超临界机组势必介入调峰。超临界机组应具有高的灵活性和平安性,1000MW级超临界机组的旁路系统以设置装备摆设两级串联旁路系统为好。

      6竣事语

      凭据国内外成熟、进步前辈的超临界汽轮机设计制造技术和运行经管经验,连系我国厂网分隔、竞价上网的现实情况,选择单轴、5缸6排汽或4缸4排汽,参数为25.0MPa/600℃/600℃或25.0MPa/600℃/620℃滑压运行、全周进汽的1000MW级超临界汽轮机,并凭据主蒸汽和再热蒸汽参数合理选择经济靠得住的高、中压通流的制造材料,设置装备摆设两级串联旁路系统,在技术上完全可行,且有着广漠的成长前景,势必有力促进我国重年夜电力装备建造和运行的前进。

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