燃煤發電廠超超臨界汽輪機研究

梁杰

（廣東粵電大埔發電有限公司 514265）

燃煤發電廠超超臨界汽輪機研究

梁杰

（廣東粵電大埔發電有限公司 514265）

煤電是我國最主要的電力生產方式，提高燃煤機組的效率，實現節能降耗是我國電力企業一直以來的發展目標。近年來我國不斷的引進國外先進的發電技術，并對我國的技術進行不斷的改進和完善，其中超臨界火電技術在經過了多年的改進和完善后，現在正逐漸朝著超超臨界的技術方向發展。超超臨界火電機組的運行更加靈活，利用率也比較高，并且還具有環保、節能、高效的優勢。本文主要對燃煤發電廠超超臨界汽輪機的關鍵部位結構設計、材料、高溫冷卻以及未來發展進行了具體的分析。

燃煤發電廠；超超臨界汽輪機；研究

1 超超臨界汽輪機關鍵部件結構設計

為了保證在超高溫下有足夠的強度，汽輪機轉子通常采用12Cr鋼制造。12Cr鋼由于含鉻量高，使軸頸的運轉特性很差，軸頸可能由于磨損而導致軸承故障。解決這一問題的方法是在轉子的軸頸和推力盤表面加焊低合金，以解決磨損問題。其優點是由于支持軸承溫度為常數，不會因低合金層與轉子材料間的線脹系數差造成熱疲勞；有一層較厚的低合金，支持軸承如果出現損傷可以返修；汽輪機設計人員可將推力軸承設置在能實現高壓部分最佳間隙的控制位置。超超臨界汽輪機的高壓部分一般為3層缸結構，以便盡量減少各種承壓部件所承受的熱應力及運行應力，承擔最高壓力和溫度的噴嘴室用12CrMoVCbN鋼鍛件制造。內缸采用10CrMoVCb鑄造，外缸不承受高溫，可以用傳統的CrMoV鋼制造。主蒸汽管與外缸之間采用焊接連接，焊接連接部分借助冷端再熱蒸汽將內壁溫度冷卻到550～565℃的水平。中壓缸部分采用雙層缸結構，內缸高溫部分采用10CrMoVCb材料鑄造，外缸和內缸的低溫部分則用傳統的CrMoV鋼制造。西門子的高壓缸則采用獨特的圓筒型結構，內裝隔板的具有水平中分面用螺栓連接的內缸，套裝在圓筒型鑄造外缸內，外缸避免采用水平中分面結構，使得結構緊湊。運行時汽缸不會發生不對稱變形，徑向通流間隙不會發生不均勻變化，由高蒸汽參數以及負荷的變化導致的熱應力小。而且蒸汽參數越高，這種圓筒型結構相對中分面結構的高壓缸更為優越。超超臨界汽輪機低壓部分主要的設計問題，是進汽溫度升高的問題。常規的NiCrMoV轉子材料在進汽溫度超過350～375°C時，有變脆的趨勢。解決這一問題的方法以前是采用冷卻技術，但當前則采用高純凈技術，盡量減少NiCrMoV材料中P、Sn、Mn及Si的含量，使低壓轉子在使用溫度下基本不變脆[1]。

2 超超臨界汽輪機的材料

以往在不超過566℃的蒸汽溫度下，汽輪機主要使用CrMoV低合金鋼。但對于采用593℃以上蒸汽溫度的超超臨界汽輪機，則需要使用高溫強度更好的材料。轉子和葉片運行時在高溫情況下承受持續的離心力，汽缸等靜止部分作為高溫高壓蒸汽的容器承受持續的高內壓應力。因此超超臨界汽輪機材料首先要求在高溫下具有很高的蠕變斷裂強度。超超臨界汽輪機如果要求具有調峰能力，則要適應頻繁的啟停。為防止汽輪機部件在啟停時由于蒸汽溫度變化而產生過大的熱應力，要求所用材料線脹系數小，在高溫下具有高屈服點及高低周疲勞強度。除此以外，從脹差、焊接性、脆性破壞強度等角度，還要求超超臨界汽輪機材料在確保強度的同時，確保最低限度的延展性和韌性。關于超超臨界汽輪機使用的材料，國外已經開發了9～12Cr系列材料以及連接螺栓用鎳基合金，并已成功地用于超超臨界火電機組[2]。國內研究機構對這些新材料性能及冶煉技術也進行了深入研究。

3 超超臨界汽輪機高溫部件的冷卻

由于超超臨界參數所伴隨的高溫蒸汽，高壓和中壓再熱部分承受高溫的第一級和第二級的部件一般需要進行冷卻。通常的設計是對于對流布置的高壓/中壓部分，冷卻的蒸汽是從高壓部分后面幾級抽出，從中跨汽封處引入。對于對流布置二次再熱的中壓第一級，冷卻蒸汽是從一次再熱的冷端蒸汽抽出，經過管道引入中壓再熱第一級葉輪空間。冷卻蒸汽從高壓缸的次末級前抽出，流經高壓內外缸之間的空間，一方面使外缸沿長度保持相對均勻的溫度，另一方面盡可能降低內缸法蘭面的溫度和缸壁溫差。在噴嘴室和內缸之間溫度最高的區域增設冷卻系統和熱屏蔽防止高溫蒸汽直接沖擊內缸，通過設置帶反動度的第一級葉片，可使冷卻蒸汽在該區域降低約30℃。第一級后抽取的內缸冷卻蒸汽同時對第一級葉輪的轉子和缸內軸封進行冷卻。中壓缸的冷卻蒸汽是利用高壓缸內軸封抽取的，經節流的蒸汽對第一級區域和軸封進行冷卻，從而使第一級動葉根部溫度降低20～25℃。當再熱蒸汽高于600℃時第二級葉輪也必須進行冷卻。

4 超超臨界汽輪機的發展

眾所周知，超超臨界（USC）機組的發展是建立在20世紀80年代以來，9～10%Cr先進鐵素體材料成功研制基礎上的。日本和歐洲以12%Cr材料為基礎，通過降低 Cr，以及對 Nb、B、Co、Mo、W、Al、N、Ni等微量元素的篩選，在尋求微觀組織平衡、強化性能穩定的新鋼種方面進行了大量的研究開發工作。通常按高溫持久強度鍛件和鑄件達到100MW和85MPa的溫度作為汽輪機材料分等的特征參數。近20年來先進鐵素體鋼的最終研發成果是形成了600e的10%Cr以及625e（也有稱630e）的9%Cr兩個溫度等級系列的鋼種。面對為提高抗氧化性能而增加Cr，與為提高強度穩定性，保證強化相而降低Cr的矛盾，除非在尋求新強化相或抗氧化元素方面取得突破，650e的鐵素體鋼近期內不會問世，625e可能是9～12%Cr鋼的使用溫度上限。

5 結語

長期以來，我國的電力生產都是以燃煤為主，因此不斷優化火力發電廠的結構、降低能源消耗以及減少環境污染是電力企業未來的發展方向。超超臨界火電機組的出現正可以使這些目標變成現實，發電廠應該抓住這個機遇，不斷研發超超臨界機組技術，使我國的發電設備可以邁上新的臺階。

[1]韓煒，何青，沈克偉，費立凱.1000MW超超臨界汽輪機轉子啟動過程的熱應力分析[J].華電技術，2013，02：27～32+84.

[2]霍文浩，晏鑫，李軍，豐鎮平.超超臨界汽輪機高壓缸旁路冷卻系統冷卻特性研究[J].西安交通大學學報，2013，05：24～30.

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2016-3-12