高超超临界汽轮机节能降耗效能浅析

摘 要：在治污减霾的巨大压力下，目前国内发电行业的汽轮机组正在向节能减排效果更好的高超超临界汽轮机发展，本文就高超超临界汽轮机的发展历程及其节能降耗的改进措施和效果进行了分析研究。

關健词：汽轮机；降耗效能；高超超临界

中图分类号：TK268 文献标识码：A

1 高超超临界汽轮机的发展历程

从汽轮机技术进步的角度来看，经济性1%的提高就是重大的技术发展，因此，通常会将蒸汽参数等级作为汽轮机技术和产品等级的标志。在低压、中压到亚临界、超临界的发展过程中均以压力参数作为特征标志；而超超临界则是以600℃温度作为标志；等到下一个阶段新的高超超临界则会以压力提高到35MPa或者温度700℃等级作为标志。因为温度对汽轮机的影响最大，并且与高温材料有关，因此有三个里程碑式的发展：第一个里程碑是以高温CrMoV及12Cr材料为基础，其产品发展延续了近百年的历史，最高温度达到566℃，压力最高达到超临界 24.2 MPa；第二个里程碑是采用了先进铁素体材料的超超临界参数，其温度达到 600～625℃，压力25～30MPa；第三个里程碑的参数定义为大于35MPa或温度700℃/720℃，它所对应的高温材料的发展重点是Ni基合金，比起超临界汽轮机，参数提高后的节能减排效益更加巨大。

虽然高超超临界汽轮机的Ni基材料能够参考现有燃气轮机的材料，但还是必须要根据汽轮机的运行条件来开展大量的研制和试验，需要巨大的人力和物力投入。比如材料的优化及长期的高温性能试验和关键部件的运行试验；大型的铸锻件工艺研究；焊接转子工艺的研究工作。

技术改进和科研不能一蹴而就，故700℃高超超临界技术和产品分布发展也需要分阶段进行，第一阶段提前实施与Ni材料无关的三个技术升级：开发和推出高压、热力循环优化以及独特的结构模块，再通过材料的升级，实现第二阶段的700℃温度。根据这个路线，第二阶段700℃汽轮机的关键集中在与镍基合金材料相关的高温部件。

2 高超超临界汽轮机效率的提升

对于汽轮机通流部分的设计，综合高效率叶栅成型技术、计算机优化技术，以及叶片制造的数字化这3个领域的最新技术成果，建立了一个先进的通流叶片整体自动优化设计系统。这个系统可以按照热力参数、给定的轴向尺寸限制，自动地完成整个通流部分叶片级的设计，自动形成所需的数据文件、制造图和生产路线。结构上的优化就在于没有进汽蒸汽管道，阀门直接和汽缸相连；全周进汽的斜置静叶，没有蒸汽室；没有法兰外伸端的小直径圆筒型高压内缸；也无水平中分面的圆筒型外缸，取消了传统机型中强度处于极限状况的水平中分面高温螺栓结构；而且高压缸中间级的内冷结构起到了降低温度和使内外缸分别承担压差的作用，也能大幅度降低内外汽缸的工作应力。其具有独特结构的机型可以明显的降低蒸汽从进口到出口的每一段流动过程中的流动损失，提高汽轮机的效率。

冷端优化技术虽然跟高温高压参数没有直接的关系，但因为汽轮机的排汽损失占整个汽轮机出力的1.5%-3%，冷端的优化还是决定汽轮机效率高低的关键技术之一。因为冷端不涉及昂贵高温材料的使用，因此高超超临界机组的冷端优化更偏向于选取较低的背压；二次再热使得总体增加一个再热缸，在轴系总体缸数不变的条件下，使可以选配的低压缸数减少一个。除此之外，采用尽可能多的使机组效率得到提高的先进技术也是提高性价比的重要措施。例如外高桥第三发电厂2*1000MW机组是我国电力行业取得巨大节能减排效益的典型，这个电厂不仅选择具有高效率独特结构的机型，而且还通过提高锅炉效率、利用烟气余热、优化冷端背压、优化给水泵系统，以及通过启动前采用旁路冲洗技术“防止对汽轮机的硬质颗粒冲蚀以避免运行效率的下降”十几项优化设计和技术创新都取得了非常成功的节能效果，提高了机组的热效率。

3 汽轮机节能的增效改造

3.1 汽轮机节能的增效措施

对于汽轮机组及其附属系统运行时存在的影响经济性和稳定性的问题，比如：汽轮机组热耗高，汽轮机高、中、低压缸运行效率偏低；低压缸排气温度偏高；凝汽器换热效果差，真空度低，凝结水溶氧量偏高；带有液力耦合器调速的转机设备，工作效率偏低，厂用电耗高；真空泵在夏季运行时出力低，容易发生汽蚀缺陷；循环水冷却塔散热效果不佳；机组各热力系统普遍存在阀门内漏的缺陷，热能损失较严重等，分析原因之后可以得到如下解决方案：①将汽缸原梳齿式汽封换成其他更加科学、密封性效果更好的新型汽封（如：布莱登汽封、刷式汽封、侧齿汽封），同时对各汽封间隙进行合理调整，可以显著提高汽轮机各汽缸的运行效率。②在低压缸排汽通道内部合理位置和角度上安装一定数量的“排汽导流板”，可有效降低机组低压缸排汽通道汽场分布不均匀的程度，会干扰低压缸排汽二次涡流场的形成，显著增强低压缸排汽扩压能力和凝汽器换热效率，进而提高汽轮机组的运行经济性。③用内壁光滑的大型热压一体弯头更换掉低压缸导汽管原装焊接“多节型”弯头，是解决汽轮机低压缸导汽管局部阻力大、蒸汽流动损失大的有效手段。④需要定期对汽轮机组真空系统做严密性实验，积极查找“负压”系统泄漏点并及时消漏；重新设计凝汽器的水封筒高度，能够有效地减少凝汽器真空泄漏量，降低凝结水的溶氧量。⑤坚持定期在凝汽器水侧投放胶球，加强循环水质监督，在凝汽器循环水入口安装“旋转式二次滤网”装置，都能有效避免其换热管束的堵塞、结垢。⑥还要提高对阀门内漏治理的重视程度。对汽轮机组各热力系统普遍存在的阀门内漏缺陷，应该采取更换、研磨、涂镀、堆焊、车削等手段，集中、有效地治理阀门内漏，以提高机组热能利用率[2]。

3.2 汽轮机节能的降耗效果

侧齿式汽封结构较先进，密封效果好，节能效果显著，运行也安全可靠，加工制造工艺成熟，在国内已经较普遍使用，并且改装工艺简便，不用改变原汽封结构，投资少，见效快；刷式汽封是一种柔性密封，刷丝对转子的摩擦振动小，随着转子跳动不改变密封间隙，密封效果好，最适合温度和压力较低的低压缸使用。解决汽轮机组能耗高、效率低问题的2种主要方法：一是消除设备缺陷，以保持设备的良好出力，提高其运行可靠性，减少因为设备缺陷造成的非停事故，降低因为缺陷引起的各种能量损失；二是利用技术改造和技术革新来提高设备的能源利用效率。

参考文献：

[1]王攀，现役火力发电机组汽机侧节能优化研究，华北电力大学，2016（6）.

[2]夏荣海，火电厂汽轮机组节能技术的应用研究，华北电力大学，2016（6）.