超超臨界汽輪機技術研究的新進展

鄧盛泓

（廣東粵電大埔發電有限公司 514265）

超超臨界汽輪機技術研究的新進展

鄧盛泓

（廣東粵電大埔發電有限公司 514265）

隨著汽輪機技術的發展和進步，汽輪機發電已經開始朝著超超臨界汽輪機發電方向發展，這種技術工作效率更高效、排放量更少。由于這種技術的蒸汽溫度和壓力比傳統超臨界電廠高，因此這就給汽輪機組提出了新的要求。本文主要對超超臨界汽輪機技術的設計特點和先進的汽輪機技術進行了具體的分析。

超超臨界；汽輪機技術；研究進展

1 超超臨界設計特點

1.1 汽輪機設計

超超臨界應用中的汽輪機設備取決于所選擇的再熱級數、機組額定功率和現場背壓特性。對于1個一次再熱和功率輸出在800～1000MW范圍，典型的汽輪機組將建成3個分開的汽輪機部件，在不同的壓力和溫度水平下運行。這些部件是高壓缸（HP）、中壓缸（IP）和2個低壓缸（LP）。發電機與最后的低壓缸直接相聯。應用現代化的材料研究成果，這種設計允許蒸汽溫度在600℃和620℃左右[1]。

將蒸汽參數進一步提高到約650℃左右，就需要在設計上采取新的措施，如高溫部件的主動冷卻和新型材料的引用。把蒸汽溫度提到更高的700℃將會使電廠整體凈效率超過50%。這可以通過改變設計原理和對高壓缸及低壓缸所有高溫部件采用超耐熱合金加以實現。

1.2 高壓缸

能夠應付超超臨界主蒸汽工況的高壓缸的基本設計原理是圓筒型外缸設計。這種設計能夠達到蒸汽工況30MPa和600℃。高溫部件如進汽室、轉子和內缸用9～12%的CrMoV鋼制造。圓筒型外缸有1個軸向汽缸中分面，缸壁的厚度能承受最高的壓力負載。由于沒有水平法蘭，它具有最佳的熱變形特性，使內缸和葉片之間的徑向間隙很小，這就意味著可以獲得最好的缸效。

1.3 中壓缸

中壓缸設計接受再熱蒸汽的工況為620℃。轉子和內缸由9～12%CrMoV鋼制造而成。用渦流冷卻法降低轉子表面的溫度，就可以承受高溫蒸汽。這種冷卻方法的原理是通過降低轉子表面相應的蒸汽速度而降低其溫度。除了降低轉子表面溫度外，第1葉片級由鎳基合金鋼制成，以承受高溫的離心負載。

1.4 低壓缸

低壓缸由具有水平中分面汽缸的雙流道組成。中壓缸排汽通過一根聯通管進入低壓缸。典型的蒸汽工況在1MPa和300℃左右。蒸汽將膨脹進入凝汽器，凝汽器壓力范圍在0.003～0.010MPa。由于容積流量較高，所以要特別考慮適當安排低壓缸的排汽區域。最優末級葉片族和長末級葉片的發展可以使排汽區域更合理，因為它可以減少排汽損失。

2 先進的汽輪機技術

2.1 材料

近10年來，歐洲一直在進行不同的復合材料研究，集中在9～12%CrMoV鋼的材料等級上，這是因為它們優良的性能特點，如硬度高、均勻性好、可加工性以及焊接性。現在大型轉子鍛件、鑄件和閥門可使用9～10%CrMoV鋼，其可承受的溫度可達610℃，這些材料已在火電廠中得到了應用。目前的研發活動還包括面向未來的700℃汽輪機材料的工作部件[2]。通過在汽輪機中使用超耐熱合金級材料，已經看到了成功的希望。與已知的汽輪機材料相比，新材料有更強的尺寸限制和更好的材料性能。超耐熱合金材料能夠更好地滿足汽輪機所需要的性能，同時比奧氏體鋼有更高的蠕變強度。

2.2 葉片裝配工藝和葉片通道設計

2.2.1 葉片制造裝配工藝

高度靈活性和可靠性是葉片通道制造的嚴格模塊化概念，如葉身、葉根、溝槽、圍帶、抽汽、鎖緊裝置等。對于每個元件，不同的應用有不同的類型，就性能、機械結構和成本而言，每種類型有其優點和局限。在模塊化設計概念中，所有這些不同的類型可被隨意地組合在一起，根據特定的設計邊界條件（如氣動力學、壓力、材料和溫度）制造出最佳的葉片。直的、扭曲式的或彎的葉型能夠和任何葉根或圍帶組合。就效率和成本而言，這種非常靈活的概念就為向用戶提供具有高效而節省投資的特殊解決方案提供了可能性。

2.2.2 先進的葉型設計

汽輪機葉片機翼的設計是和損失源的確認及對機械損失的理解聯系起來的。汽輪機葉片總體空氣動力損失可大致分為葉型損失、環周流動損失、二次流損失和漏汽損失。它們對總體損失的影響主要取決于幾何形狀、葉片負荷和流動折向。對于超臨界發電廠，通過觀察高壓缸和中壓缸部件不同區域上相對流動損失，葉型損失在整個汽輪機中被認為是最大的單獨損失來源。這清楚地表明，通過減少整個汽輪機中的葉型損失，可以極其容易地減少總體損失。二次流損失在以低展弦比（葉高與葉弦之比）為特征的級上具有明顯性，即高壓和中壓缸部件的前級。漏汽損失在高壓和中壓缸的進汽區域相對高一些。總的來說，在一定程度上，汽輪機中的流場是以完全三維為特點的。這對低展弦比汽輪機特別正確，在那里接近后缸壁所產生的二次流能夠影響整個流場。因此由這些二次流產生的損失對總體空氣動力學損失貢獻明顯，特別是在高壓和中壓缸部件的前面的各級。為實現當今所需的高效率，就必須對二次流加以注意，這就是三維葉片設計起作用的理由。

2.3 先進的低壓缸葉片

高效率和低成本的先進電廠解決方案也和低壓部分產品的組合有關。排汽面積為16m2（50Hz）和11.1m2（60Hz）的先進的第2代鈦合金葉片是低壓部分產品組合的另一個里程碑。該項開發的主要目標是：①為最小化排汽損失增加排汽面積；②為所有汽輪機組提高性能和增加動力輸出；③把工藝和設計知識加以轉換與集成以在效率和產品成本上設置基準。通過仔細的通流和準三維最佳化，借助機械學和氣動力學之間的全三維跨學科的葉片設計優化加以補充，實現了氣動力學設計的主要進展。在縮-放型葉型部分，通過彎扭結合的靜葉片設計與發展實現了主要的改進。

3 結語

超超臨界機組技術的主要作用是增加電廠效率、保護環境和節約礦物資源，要達到電廠水循環最佳熱效率還需要提高蒸汽溫度和壓力。本文主要分析了超超臨界機汽輪機機組的設計特點，并分析了幾種先進的汽輪機技術，希望可以給當前的汽輪機設計提供參考。

[1]史進淵，楊宇，孫慶，崔琦，張兆鶴.超超臨界汽輪機技術研究的新進展[J].動力工程，2003，02：2252～2257.

[2]馬力博.超臨界與超超臨界汽輪機耐熱鋼的研究進展[J].電子制作，2015，06：38.

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1004-7344（2016）25-0227-01

2016-8-23