余熱發電用低參數大功率汽輪機設計分析

張晗，吳夢，時小寶，張宏

（中信重工機械股份有限公司，河南洛陽 471039）

0 引言

在水泥、鋼鐵、玻璃等行業生產過程中，會產生大量無法回收利用的廢氣余熱。隨著國家節能減排形勢的日益緊迫，余熱合理高效利用已成為必然的發展方向。

量大面廣的低溫煙氣余熱，產生的主蒸汽溫度及壓力雖然參數低，但蒸汽量較大，現有的低參數汽輪機普遍功率偏小，相當多的余熱發電項目常常需配套多臺汽輪發電機組，這不僅增加項目建設成本，也使余熱發電系統的設計、操作及維護更加復雜。采用大功率的機組既可以提高機組效率、縮短建設周期、降低單位功率造價，還能增大單機功率、減少電站的占地面積及運行和檢修人員，進而降低運行費用。因此，需要開發合適的低參數大功率汽輪機。

1 余熱發電蒸汽參數及流量特點

余熱發電用蒸汽主要來自余熱鍋爐，余熱鍋爐的熱源為工業生產過程中的大量低品質煙氣余熱，其品位一般較低，以水泥行業為例，即使最先進的干法工藝仍有約占系統能耗35%的350℃低溫余熱被白白排放，單條5 000 t/d水泥熟料生產線煙氣余熱情況，窯頭：240 000 Nm3/h，340℃；窯尾：340 000 Nm3/h，350℃；窯頭、窯尾余熱鍋爐所產生主蒸汽流量約為45 t/h，壓力0.686～1.7 MPa，溫度280～320℃。隨著國家水泥行業熟料線大型化，單條水泥線生產規模越來越大，萬噸級熟料生產線開始建設并投入使用，10 000 t/d 水泥熟料生產線煙氣余熱情況，窯頭：540 000 Nm3/h，380℃；窯尾：686 000 Nm3/h，310℃；為了最大限度利用余熱，窯頭、窯尾余熱雙壓鍋爐所產生高壓蒸汽流量約為89 t/h，壓力1.7 MPa，溫度345℃；低壓蒸汽流量約為29 t/h，壓力0.35 MPa，溫度190℃。而且同一場地多條水泥熟料線建在一起同時運行，廠區內可利用的余熱蒸汽量更加巨大。隨著鋼鐵行業淘汰落后產能，小面積燒結機逐步更新改造為大面積燒結機，單個燒結礦余熱利用的蒸汽參數較低、但蒸汽量也較大。余熱鍋爐所產生的蒸汽為飽和或低過熱度蒸汽，壓力和溫度較低、濕度較大。與一般的電站蒸汽相比較，同樣質量的余熱蒸汽在汽輪機通流中焓降值僅為電站蒸汽的50%，所以相同功率的汽輪機組，余熱發電的蒸汽流量約為電站蒸汽的2 倍。

2 余熱發電低參數大功率汽輪機技術特點

與同功率的中溫中壓等高參數機組相比，低參數汽輪機主蒸汽進汽參數較低，相對內效率也比較低，主蒸汽的汽耗量、比容和體積等都會大得多，并且通流部分的絕大多數級處于濕蒸汽區。因此，為提高低參數大功率汽輪機運行的安全可靠性和經濟性，其設計、結構有較多不同于常規汽輪機的特點。

2.1 通流面積大

由于壓力、溫度都較低，單位功率所需的余熱發電蒸汽質量流量約為一般電站蒸汽的2 倍。蒸汽的壓力比較低，相同質量蒸汽容積更大。針對蒸汽容積流量大的特點，在設計汽輪機的每一級時，無論是高壓葉片還是汽輪機的末級葉片，在長度上較一般機組葉片更長。這樣就使汽輪機的通流面積合計較大，汽輪機的外形尺寸與一般電站汽輪機相比較大，汽輪機排汽面積會比同功率機組的排氣面積增加約50%。而且由于蒸汽的可用焓降小，不需要很多級來分配焓降，汽輪機的級數會較少。

為了解決低參數大功率汽輪機組通流尺寸過大的問題，主要有如下思路：

1）進汽口設置在低壓缸中部，采用對稱分流式排汽。不僅能夠減少機組尺寸，還能很好地平衡汽輪機轉子軸系的軸向推力。

2）通過增加排汽缸的數量也可以達到增加通流面積的目的。我們也需要考慮到在增加排汽缸的同時，也會增加機組軸向長度，對軸系穩定性不利，前輪機組軸系過長，設計維護不方便，而且不能保證機組的安全可靠運行。

3）開發長葉片，滿足排汽所需要的更大的通流。通過采用最佳速比、反動度和三元流計算方法，使徑向和軸向的流體分布更加合理，利用拉筋和圍帶或者類似的耦合件來增加剛性降低動應力，拉筋與葉片之間、圍帶與圍帶之間存在摩擦，可以吸收葉片振動的能量。同時為使拉筋在離心力作用下與所有的葉片緊密貼合，以得到良好的減振效果。

4）降低轉子轉速，汽輪機設計為半轉速。開發長度更大的末級葉片，受到很多因素限制，主要包括葉片所選材料的應力和強度。相比3 000 r/min 的全轉速，1 500 r/min的半轉速汽輪機轉速為全轉速汽輪機1/2，根據離心力的計算公式可知，一樣長度的葉片工作時，半轉速汽輪機的葉頂線速度為全轉速葉片的1/2，所受離心力是全轉速汽輪機的1/4。葉片材料一樣，其強度及所能承受的應力相同，半轉速汽輪機葉片的長度可以提高約4 倍。在保證葉片使用安全的前提下，半轉速汽輪機的通流面積設計可以比全轉速汽輪機更大，單級功率約能增加4 倍。而且排汽面積越大余速越低，余速損失越小，可以提高汽輪機組的熱效率。因此采用半轉速汽輪機能提高單級的極限功率，有利于降低葉片的設計難度。另外，轉速的降低，可以減小濕蒸汽對葉片的侵蝕。但是我們也需要考慮，一樣功率的汽輪機，半轉速汽輪機的體積會較大，整個機組重量會比全轉速汽輪機大很多，材料消耗量大約是全轉速汽輪機的2 倍。而且尺寸和重量差別較大的低壓模塊在加工制造、運輸安裝等方面都存在較大困難［1］。

2.2 機組效率低

低參數汽輪機由于蒸汽可用焓降小，機組排汽損失等所占比例大，使汽輪機組的效率很低。提高汽輪機的單級效率，合理分配汽輪機各級焓降，使汽輪機的通流設計具有較好的氣動特性等，都是解決汽輪機組效率低的可行方向。針對這一問題，可以從以下方面著手，提高汽輪機組效率。

1）減少葉頂漏汽損失。漏汽損失是導致汽輪機效率降低的重要因素，控制減小動靜部件之間的間隙能非常顯著地減小漏汽損失。研究數據顯示在所有透平級的損失中，漏汽損失的比例可以達到1/3，其中絕大部分損失為動葉頂部與汽缸上汽封之間的漏汽損失。為了減小動葉頂部的漏氣，我們需要開發設計新型高效的汽封結構，如雙齒汽封、階梯型或高—低齒型汽封、可調式新型迷宮汽封、刷子汽封等。已有使用了刷式汽封的機組顯示，該汽封能夠有效減小漏汽量，可使機組出力提高約1%［2］。

2）優化汽缸排汽口結構設計。汽缸排汽口指的是汽輪機末級葉片出口到冷凝器進口的蒸汽通道，其主要功能是通過設置在排汽口的擴壓器，利用汽輪機末級葉片出口具有一定余速的蒸汽的動能，轉化為蒸汽的內能，根據各地的氣象條件、冷卻水溫及考慮到凝汽器的投資，一般凝汽器的真空度是確定的。如果末級葉片出口處蒸汽壓力降低，蒸汽的可用焓降就能增大，機組的熱效率就能得到提高。在較大功率機組中，汽輪機低末級葉片出口的蒸汽余速損失可占蒸汽總焓降的約1.5%，通過采用最新的計算機流體力學進行數值模擬計算，優化排汽口結構的氣動特性，充分有效地減少和利用末級葉片出口蒸汽的余速損失，能提高機組熱效率約1%。所以說，優化設計汽缸排汽口結構的氣動性能是提高汽輪機效率有效措施之一。

3）全三維葉片優化設計。葉片是汽輪機通流部分中的關鍵部件，其葉型設計是影響氣動性能好壞的主要因素。氣動性能越好的葉片，汽輪機機組的效率越高。在葉型設計中，以計算氣動力學為主，完全三維設計的概念開始應用，其突出代表是彎扭聯合成型葉片的設計，與傳統葉片設計相比較，其渦流損失、二次流損失均有大幅度降低，可使汽輪機效率提高約1.5%甚至更多［3］。通流部分的葉片的全三維設計，使動、靜葉片匹配更加合理，調節級子午面收縮、高壓段采用分流葉柵、靜葉片采用后加載葉型、部分級采用彎扭葉片、采用自帶冠圍帶及通流進行子午面光順等設計，可使機組的效率進一步提高。

2.3 葉片水蝕嚴重

低參數汽輪機的進口蒸汽參數低，一般處于飽和狀態或者低過熱狀態，在機組運行的很多部位，甚至會存在一些微小的水滴。尤其是在汽輪機低壓模塊的最后幾級葉片，如果機組設計沒有對蒸汽進行中間再熱，低壓模塊的蒸汽濕度有可能高達15%。低壓缸的末級葉片，工作環境惡劣，蒸汽含水滴多，葉片圓周速度高，葉片水蝕現象十分嚴重，絕大多數汽輪機水蝕造成葉片斷裂事故都是發生在低壓缸末級。

為解決汽輪機末級葉片的水蝕問題，一方面，可以通過研究在汽輪機通流中產生水滴的過程及原因，考慮設計改進動靜葉型線，避免產生水滴，或者避免產生較大體積水滴；也可以特殊設計隔板結構，增加去濕設計，降低進入低壓模塊蒸汽的濕度，緩解末級葉片水蝕。另外一方面，使用現在汽輪機設計中廣泛使用的方法，采用防護措施，從葉片的材料及表面處理等方面著手，采取更好的材料、更先進的技術對葉片表面進行處理，增強葉片的抗水蝕性，從而達到減緩末級葉片水蝕速度的目的。

1）隔板靜葉片表面設計去濕槽。所謂去濕槽，就是在靜葉片表面上加工連續的、特定形狀的、深度一定的凹槽，同時在隔板外環上面加工一圈對應的溝槽，凹槽末端與此溝槽連接，隔板外環溝槽上開有疏水孔，同過連接疏水孔的疏水管將水滴排出，從而起到通流中蒸汽去濕的作用。在低參數機組通流中，蒸汽中的細小水滴會在慣性力的作用下堆積在靜葉片表面，在蒸汽流動過程中形成水膜。在靜葉進汽弧背面和出汽弧內側加工去濕槽，破壞靜葉片表面的水膜形成，并通過隔板外環上的疏水孔將水滴排出通流部分，避免了蒸汽中水滴對動葉片的沖擊腐蝕［4］。

2）動葉表面處理防止水蝕。汽輪機末級動葉上水蝕發生的主要原因就是汽流中水滴與高速旋轉動葉的液滴沖蝕。目前各大汽輪機廠普遍采用的方法均是通過采取一定的保護措施對葉片表面的進行處理，加強葉片的耐沖蝕性能，減緩動葉水蝕現象。對動葉表面的處理可以分為兩種，一種是添加一層耐沖蝕性能較好的材料層在葉片的表面，如通過鑲嵌、噴涂、激光熔覆等手段在動葉片進汽沖蝕部位形成一層合金保護層；還有一種方法是不增加新的材料，而是利用葉片金屬材料的特性，通過物理方法對葉片表面進行處理強化，如火焰淬火強化、高頻感應加熱淬火、激光表面淬火等［5］。動葉水蝕主要是從材料表面的微小缺陷開始的，隨著材料科學的發展進步，納米材料粒度細小，承受表面應力能力強，納米涂層如CNx/TN 涂層在動葉防水蝕上的研究已經開始進行。

3 結語

除了在鋼鐵、水泥、石油化工、玻璃等行業中產生的大量無法回收利用的低溫余熱，還有更大數量的可以利用的低溫熱能，如地熱能、低溫太陽能、海洋溫差能、液化天然氣（LNG）冷能等清潔型熱能資源，通過低溫熱能熱力發電系統的轉換可以為人類提供數量可觀的電能。這些低溫熱能數量巨大，低參數小功率的汽輪機已經不能滿足需要，因此，低參數大功率汽輪機的研究對利用這些余熱以及清潔型能源，推進余熱發電的進程、提高資源和能源的利用效率、維持資源的可持續發展具有很大意義。

［1］崔宏博，王小寧，等.全、半轉速核電汽輪機的比較［J］.東方電氣評論，2006，34（3）：9-13.

［2］張鴻雁.新型汽封在汽輪機上的實際應用［J］.中國新技術新產品，2009（14）：140.

［3］陳波，高學林，袁新.基于NURBS 的葉片全三維氣動優化設計［J］.工程熱物理學報，2006，27（5）：763-765.

［4］俞茂錚.汽輪機末級隔板中的水分沉積規律及去濕方法［J］.汽輪機技術，1988（5）：44-50.

［5］劉中華，宋思遠，徐志明，等.汽輪機末級葉片防水蝕技術研究發展［J］.東方電氣評論，2010，24（93）：11-14.