百萬二次再熱超超臨界六缸六排汽機組技術研究

馬魁元

(大唐東北電力試驗研究所有限公司，吉林 長春 130012)

0 前言

2016年底，全國全口徑發電裝機容量16.5億kW，同比增長8.2%，其中可再生能源電力總裝機6.0億kW，占比36.4%。我國是以煤炭為主要一次能源的國家，煤電在電力生產中占主導地位。能源是人類賴以生存和發展的基礎，是國民經濟命脈[1]。隨著國民經濟的快速發展，我國發電設備的裝機容量也以較快的速度增長。但是，隨之而來的是會產生大量的排放污染，迫于環境保護方面的壓力，提高煤炭能源利用率降低污染排放，節能降耗創新技術發展迅速，節能是實現中國能源經濟可持續發展的關鍵[2]。節能減排是我國國民經濟和社會發展的一項長遠戰略方針，而火電廠是一次能源的消費大戶，同時也是節能減排的重點企業[3]。世界上許多國家都積極開發更高效率、更少排放的燃煤機組，大型化、高參數成為今后燃煤機組發展的趨勢。

自2006年國內首臺百萬超超臨界火電機組投產商業運行，標志著中國已掌握了當今世界最先進的火力發電技術。截止到2015年底，已經投產運行的百萬機組已達到82臺，在建機組10臺，成為世界范圍內百萬機組最多的國家之一。目前國內百萬機組多均為五缸四排汽型式，汽輪機的缸效率會直接影響到機組的經濟指標[4]，為了追求更高的汽輪機內效率，需要提高汽輪機進汽參數的同時降低排汽壓力，而在設計制造汽輪機的過程中，初參數的提高對合鋼材料的品質及工藝要求較高，受到了較大的發展限制。這就需要降低排汽壓力而提出降低汽輪機阻塞背壓的方法，降低阻塞背壓的方法有兩種：一是提高末級葉片的高度，但由于汽輪機轉速高，末級葉片高度很難進一步提高。二是增加低壓缸的數量，增加凝汽器排汽面積[5]。

本文通過增加低壓缸數量的方式達到六缸六排汽汽輪機組，分析其技術特性和技術指標。

1 六缸六排汽技術特性

1.1 總體方案

為順應世界范圍內大功率、高參數、低能耗汽輪機組的發展趨勢，提出了機組功率等級1 000 MW效率最優的汽輪機組的要求，本次研究的對象為1 000 MW超超臨界二次再熱六缸六排汽機組，為了使汽輪機背壓達到阻塞背壓以下，由原來的兩個低壓缸增加一個低壓缸，使汽輪機背壓設計為2.9 kPa，研制開發了百萬二次再熱超超臨界火力發電機組，型號為：31 MPa/600℃/620℃/620℃，擬采用六缸六排汽的單軸方案。汽輪機各缸順序依次為一個高壓缸、一個超高壓缸、一個中壓缸和三個低壓缸串聯的布置方式，如圖1所示。

圖1 六缸六排汽三維外觀圖

主蒸汽及高、低溫再熱蒸汽系統采用單元制系統。鍋爐主給水經過過熱器加熱后成為主蒸汽進入超高壓缸，超高壓缸做完功的乏汽為一次低溫再熱蒸汽，進入鍋爐再熱器加熱后成為一次高溫再熱蒸汽，一次高溫再熱蒸汽進入高壓缸做功，高壓缸做完功的乏汽為二次低溫再熱蒸汽，進入鍋爐再熱器加熱后成為二次高溫再熱蒸汽，二次高溫再熱蒸汽進入中壓缸做功，中壓缸做完功的乏汽進入低壓缸做功，最終低壓缸排汽進入凝汽器凝結冷卻進入凝結水系統，在經過除氧器除氧、給水泵加壓后進入高壓加熱器加熱，出口給水進入鍋爐加熱完成一次汽水循環。

1.2 軸系穩定特性

機組的振動水平是表征電廠穩定安全最重要的標志之一。過大的機組振動不僅引起機組動靜碰磨、加速零部件磨損、造成部件疲勞損傷等故障，嚴重時還會造成機組毀壞的特大事故[6]。

六缸六排汽方案與五缸四排汽方案相比，軸系明顯加長，軸系膨脹尺寸發生相應變化，軸系穩定性如何保證是值得關注的技術難題。為了解決軸系穩定性和低壓缸差脹過大問題，設計時將汽缸布置順序和膨脹死點進行了調整。五缸四排汽方案，缸體的布置順序是超高壓缸、高壓缸、中壓缸和兩個低壓缸，機組膨脹死點位于超高壓缸和高壓缸之間。六缸六排汽方案，缸體的布置順序是高壓缸、超高壓缸、中壓缸和三個低壓缸，膨脹死點在超高壓缸和中壓缸之間。在3號軸承座內裝有徑向推力聯合軸承。因此，整個軸系是以此為死點向兩頭膨脹；而高壓缸和中壓缸的貓爪在3號軸承座處也是固定的。因此，整個機組的動靜膨脹方向是相同的，解決了軸系膨脹不暢的問題。

圖2 六缸六排汽支撐點及軸系分布圖

汽輪發電機組軸系由八根轉子、十個軸承支承組成，其中，汽輪機部分由一根高壓轉子(HP)、一根超高壓轉子(VHP)、一根雙流中壓轉子(IP)及三根雙流低壓轉子(LP1、LP2、LP3)組成；發電機部分則由水氫氫發電機(GEN)及靜態勵磁機(EXC)轉子組成。其中，汽輪機轉子除高壓轉子外其他均采用單支承結構型式，發電機轉子為雙支撐結構，勵磁機轉子勵端由一個四塊可傾瓦軸承與發電機形成三支承結構。

通過計算八根轉子的一、二階阻尼臨界轉速見表1，能滿足避開額定轉速10%的要求(西門子標準)及國家標準15%的要求。

另外，通過計算軸系扭振頻率見下表，軸系的各階扭振頻率應避開45～55和95～105的范圍，滿足考核規范要求。

表1六缸六排汽轉子的臨界轉速計算表

轉子高壓轉子超高壓轉子中壓轉子低壓轉子1低壓轉子2低壓轉子3發電機轉子勵磁機轉子一階臨界轉速/r·min-11 7822 2021 5421 2961 2961 2907323 828二階臨界轉速/r·min-1>4 500>4 500>4 500>4 000>4 000>4 0002 172>4 500

表2六缸六排汽軸系扭振頻率計算表

階數12345678頻率/Hz10.9816.9819.4624.9434.8968.43129.84141.72

1.3 經濟指標分析

由于機組增加了一個低壓缸采用六缸六排汽方案，使低壓缸排汽面積增大，低壓缸通流能力提高，汽輪機背壓由原來的3.8 kPa降低至2.9 kPa，降低了汽輪機的末參數，提高了汽輪機循環熱效率。為了對比六缸六排汽在經濟方面具有什么樣的優勢，對六缸六排汽方案經過系統和冷端優化，提出兩種對比方案。方案一：六缸六排汽方案，設計排汽壓力為2.9 kPa，型號為N1000-30/600/620/620；方案二:五缸四排汽排汽方案，設計排汽壓力為3.8 kPa，型號為N1000-31/600/620/620。兩種方案的主要技術指標見表3。

表3六缸六排汽與五缸四排汽主要經濟指標對比表

參數六缸六排汽方案五缸四排汽方案機組出力/MW1 0001 000主蒸汽壓力/MPa3031主蒸汽溫度/℃600600主蒸汽流量/t·h-12 5412 771一次再熱蒸汽壓力/MPa1010.7一次再熱蒸汽溫度/℃620620二次再熱蒸汽壓力MPa3.33.2二次再熱蒸汽溫度/℃620620低壓缸排汽壓力/kPa2.93.8低壓缸排汽流量/t·h-11 3311 440給水泵驅動方式汽動汽動最終給水溫度/℃325328機組熱耗率/kJ·(kWh)-16 9497 024

通過表3可以看出，在設計工況下進行兩種方案的對比分析，五缸四排汽方案機組機組熱耗率為7 024 kJ/kWh，而優化后的六缸六排汽方案機組熱耗率為6 949 kJ/kWh， 明顯低于前一方案75 kJ/kWh，折合成供電煤耗約2.28 g/kWh。

1.4 設備制造周期

目前汽輪機廠家均采用先進的模塊化設計理念，機組采用六缸六排汽型式后，需要增加一個低壓缸模塊。由于低壓缸排汽壓力的變化，低壓缸的排汽容量發生根本變化，三個低壓缸整體做功能力發生了變化，對高壓缸、超高壓缸和中壓缸的做功也會產生影響，并不是簡單的由兩個低壓模塊增加為三個低壓模塊，汽輪機廠家需要通過優化末級葉片高度和葉型、優化軸系穩定性，最終提高低壓缸通流效率。而且還要對高壓缸、超高壓缸和中壓缸的做功能力進行核算，重新設計，勢必會增加生產制造周期，設計周期保守估計，六缸六排汽方案比五缸四排汽方案會增加4個月。

2 效益分析

2.1 初投資對比分析

六缸六排汽方案較五缸四排汽方案，一臺機組需要增加一個低壓缸，由于軸系增加，廠房需要額外增加土建工程，相應的輔助設備及泵組需要增加，另外還需要增加一部分循環水管道。具體增加的項目及投資見表4，總體而言，六缸六排汽方案較五缸四排汽方案需要增加投資為6 636萬元。

表4兩種設計方案的投資比較

方案低壓缸及附屬設備主廠房土建機務輔助設備水工機械及泵組循環水管六缸六排汽方案+5 500+680+120+163+173五缸四排汽方案00000

2.2 燃煤成本分析

在進行燃煤成本分析中，要確定在兩種方案的邊界條件及熱力系統一致的條件下。按照年發電利用小時數5 500 h，一臺發電機組年發電量為55億kWh計算，六缸六排汽每年可以節約標煤約1.254萬t，按照每t標煤500元計算，則每年可節約燃煤成本約627萬元,見表5。

表5兩種方案單臺機組熱耗率、煤耗、運行費用對比

設計方案年均發電熱耗率/kJ·(kWh)-1供電煤耗/g·(kWh)-1供電煤耗差值/g·(kWh)-1年均標煤耗量差值/萬t年均運行費用差值/萬元六缸六排汽方案6 949259.8基準00五缸四排汽方案7 024262.08+2.28+1.254627

2.3 綜合效益分析

對六缸六排汽和五缸四排汽兩種方案進行投資分析及燃煤成本分析后，采用最小年費用比較法[7-8]進行計算，公式如下

NF=i(1+i)n×K/((1+i)n-1)+C

式中NF——年費用/萬元；

K——投資的現值/萬元；

n——設備經濟運行年限，取25年；

C——折算的年運行費用(包括運行電費、維修費和管理費等，假設經濟運行期內每年的運行費是等額的)/萬元；

i——折現率。

表6兩種方案單臺機組年費用對比

設計方案燃料成本/萬元初投資/萬元年均費用差值/萬元六缸六排汽方案-6275 5000五缸四排汽方案基準基準基準

通過兩種方案按照最小年費用法進行計算可知見表6，六缸六排汽方案較五缸四排汽方案多投資約5 500萬元，但是六缸六排汽方案可每年節約燃煤成本約627萬元，則至少8.8年后可回收投資成本，從第9年開始盈利。

2.4 環保效益分析

從環境保護和節能降耗方面考慮，六缸六排汽方案也優于五缸四排汽方案。該工程六缸六排汽方案兩臺機組年節約標煤2.508萬t，相當于每年減排煙塵排放8 444 t，減排二氧化硫排放515 t，減排氮氧化物排放109 t，減排溫室氣體二氧化碳排放69 472 t。該工程六缸六排汽方案，改善了環境空氣質量，減少了溫室氣體二氧化碳，從而降低溫室效應，具有可觀的環境效益。

3 結論

(1)六缸六排汽方案較五缸四排汽方案增加一個低壓缸，軸系增長，軸系穩定性通過調整膨脹死點得到了有效解決。

(2)六缸六排汽方案在北方沿海地區應用后，通過優化低壓缸排汽參數，降低背壓至2.9 kPa，每年節約標煤約2.28 g/kWh，折合成標煤約1.254萬t，具有非常好的社會效益。

(3)從環境保護和節能降耗方面，六缸六排汽方案每年向大氣減少大量的污染物排放，對保護環境具有較高的效益。