國產引進型超超臨界參數1000 MW汽輪機組優化、創新后經濟指標論述

楊 明，佟丹丹，聶 雨，王 野，趙偉光

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.上海汽輪機廠有限公司，上海 200240)

2003年上海汽輪機廠與德國西門子公司聯合設計制造國產引進型超超臨界參數1000 MW機組[1]。該型第1臺機組(N1000-26.25/600/600)自2006年投產以來，歷經14年不斷優化、創新，第Ⅲ代機型(N1000-28/600/620)已于2019年12月在國投南陽電廠投產發電。同時具有世界先進水平、首次采用高低位分軸布置的二次再熱1350 MW超超臨界參數燃煤發電機組(N1350-31.11/610/630/623)[2]，將在申能安徽平山電廠投產發電，該機組設計熱耗率為6882 kJ/kWh，供電煤耗為246.7 g/kWh，機組循環效率為49.8%，達到當今世界最佳燃煤發電設備設計、制造水平。引進西門子技術1000 MW超超臨界參數汽輪機發展過程如圖1所示。

圖1 引進型(西門子)1000 MW機組發展過程

1 第Ⅰ代引進1000 MW汽輪機技術特點

1.1 高壓缸

采用圓筒形、單流程、無調節級、多級反動式高壓缸，缸效率遠高于沖動式和雙流程。由于前后圓筒軸向連接緊密、熱應力低，成功解決了第1級葉片強度問題；采用小直徑、小跨距、多級數的通流設計方式；單流程葉片端損失大幅度下降，設計壓力可達35 MPa。圓筒形、單流程高壓缸結構如圖2所示。

圖2 圓筒形、單流程高壓缸結構

1.2 補汽閥技術

由于采用全周進汽、滑壓運行，保持額定負荷及低負荷下的高效率，同時為了增加電網快速一次調頻功能，在高壓缸前幾級后加裝補汽閥(相當于主汽門后的第3個高負荷調節閥)，如圖3所示。

圖3 高壓缸補汽閥位置

1.3 中壓缸

中壓缸采用雙流切向進汽達到切向旋渦冷卻，中壓內外缸之間有遮熱板；中壓聯合汽門與缸體直接連接、切向全周進汽，損失小、對汽缸附加作用力小；采用小網眼永久濾網，雙流，葉片小直徑，多級數，第1級采用斜置靜葉結構，20%反動度。中壓缸結構如圖4所示。

圖4 中壓缸外形結構及斜置靜葉結構

1.4 低壓缸

引進西門子特大長葉片技術，1146 mm自由葉片，圓周速度為660 m/s，排汽面積為110.96 m2，材料為7-4PH，整體自帶圍帶(ISB)葉片，低壓轉子結構如圖5所示。

圖5 低壓轉子結構

1.5 軸系結構

每個汽缸之間僅一個軸承，承壓比大，穩定性較好，四缸五軸承，采用黏度較高的潤滑油；汽輪機軸向寬度比其他形式短8～10 m；軸承座全部支撐在基礎上，動靜間隙變化??；單流程高壓缸軸向跨度小，轉子剛性好；全周進汽的運行模式消除了汽隙激振源；低壓內缸以推拉裝置與中壓外缸連接，減少低壓的相對膨脹；各葉片級轉子均有多道汽封，管道接口少、動靜相對膨脹小。軸系結構如圖6所示。

圖6 四缸五軸承汽輪機結構

1.6 模塊設計

單軸四缸四排汽機型分別由高、中、低壓缸積木塊組成，如圖7所示。

圖7 1000 MW汽輪機整體模塊圖

2 Ⅰ代汽輪機主要技術數據

2.1 主要技術參數

歷經3年的引進吸收、消化、設計、制造和安裝，我國第1臺百萬千瓦級超超臨界參數燃煤機組于2006年10月13日在浙江華能玉環電廠投產發電。在隨后1年中，又相繼有3臺同類型機組投產發電，這就是國產引進型第Ⅰ代百萬機組在華能玉環電廠投入商業運行，主要經濟技術指標見表1。

表1 華能玉環電廠設計參數

2.2 性能試驗結果

2007年進行機組性能考核試驗，結果見表2。

表2 華能玉環電廠性能考核試驗結果

3 Ⅲ代百萬機組主要技術數據

經歷了Ⅰ代和Ⅱ代機組十幾年的實際運行和現場數據采集，隨著金屬材料和其他輔助技術創新，經過參數和回熱系統優化，上汽Ⅲ代百萬機組正式投產運行。

3.1 設計參數

國投南陽電廠設計參數見表3。

表3 國投南陽電廠設計參數

3.2 性能試驗結果

2020年進行機組性能考核試驗，結果見表4。

表4 國投南陽電廠性能試驗結果

4 Ⅰ代與Ⅲ代機組經濟性對比分析

4.1 兩代機組經濟性對比

a.主蒸汽壓力

Ⅲ代機組主蒸汽壓力為27.179 MPa，高于Ⅰ代機組26.25 MPa。

蒸汽理想焓降為[3]

(1)

式中:ΔHt為蒸汽理想焓降；T0為主蒸汽溫度；R為氣體常數；k為絕熱系數；Pz為汽輪機背壓。

在主蒸汽溫度和排汽壓力不變的情況下，隨著主蒸汽壓力升高，主蒸汽焓值減小，但汽輪機中焓降增加，循環熱效率提高。

經過計算可得，主蒸汽壓力增加0.929 MPa，使機組熱耗率降低23.15 kJ/kWh。

b.再熱溫度

Ⅲ代機組再熱溫度為620 ℃，比Ⅰ代機組再熱溫度600 ℃高20 ℃，用δη表示再熱循環引起的效率變化[3]：

(2)

由公式可知，當附加循環熱效率ηΔ大于朗肯循環熱效率ηt時，采用中間再熱后經濟效益才能提高。在其他參數不變情況下，提高再熱蒸汽溫度，使吸熱平均溫度升高，進而使再熱附件循環熱效率提高。

經過計算可得，再熱溫度升高20 ℃，使機組熱耗率降低25.41 kJ/kWh。

c.給水溫度

Ⅲ代機組給水溫度為298.8 ℃，比Ⅰ代機組給水溫度292.5 ℃高6.1 ℃。給水溫度升高，相當于最高級高壓加熱器端差減小，新蒸汽等效焓降升高：

ΔH=Δτzηz

(3)

循環吸熱量減少：

ΔQ=Δτz

(4)

機組效率增加：

(5)

式中:ηz為外置蒸汽冷卻器抽汽效率；τz為給水在蒸汽冷卻器中吸收的熱量。

經計算可得，給水溫度升高6.1 ℃，使機組熱耗率降低11.22 kJ/kWh。

d.外置蒸汽冷卻器數量

增加1臺三抽外置蒸汽冷卻器，使給水溫度提高3.9 ℃。而蒸汽冷卻器的存在使三段抽汽流量增加，導致新蒸汽等效熱量降低：

ΔH=Δτ3η3+Δε3(η2-η3)

(6)

同時，循環吸熱量減少：

ΔQ=Δτ3

(7)

由此機組效率提高：

(8)

式中：τ3為給水在外置蒸汽冷卻器吸收熱；η3為3號高壓加熱器抽汽效率；η2為2號高壓加熱器抽汽效率；ηi為汽輪機效率。

Ⅲ代機組比Ⅰ代機組增加1臺三抽外置蒸汽冷卻器，使三段抽汽和給水的換熱溫差及換熱不可逆損失減少；同時使給水溫度提高，機組循環吸熱量減少。

e.回熱系統加熱器數量

Ⅲ代機組比Ⅰ代機組增加1臺低壓加熱器，為9級回熱。回熱循環汽輪機絕對內效率為

(9)

式中：hb為鍋爐給水焓值；hc為凝結水泵出口水焓值；q為蒸汽在加熱器中放熱量；z為加熱器數量。

由公式可知：ηi是z的遞增函數，隨著z增加，回熱循環熱效率ηi不斷提高。由朗肯循環原理可知：增加回熱加熱器，使工質平均吸熱溫度提高，汽輪機排汽冷源損失減少，故循環熱效率提高。對比Ⅲ代機組和Ⅰ代機組回熱系統可知：Ⅲ代機組增加1臺低壓加熱器，使原Ⅰ代機組的5號低壓加熱器進汽流量減少，改為六段抽汽，減少了高位能抽汽做功不足的損失，增加了蒸汽的做功能力。

f.通流面積

通流面積較Ⅰ代機略有增加，3個缸效率(89.67%、93.04%、89.73%)基本持平。

綜合以上分析可得，Ⅲ代機組經參數升級和回熱系統優化，設計熱耗率由7316 kJ/kWh降至7199 kJ/kWh，煤耗下降了4.25 g/kWh。

4.2 上汽1000 MW超超臨界參數汽輪機主要經濟指標

上汽5個電廠超超臨界參數1000 MW汽輪機組性能試驗結果見表5。

表5 上汽5個電廠1000 MW汽輪機組性能試驗結果

4.3 二次再熱超超臨界參數機組展望

引進型超超臨界參數1000 MW汽輪機組經創新開發，推出二次再熱超超臨界參數1030 MW機組(華能萊蕪電廠)，設計熱耗率為7051 kJ/kWh，其單軸五缸四排汽機型分別由高壓、次高壓、中壓、低壓缸積木塊組成[4]，如圖8所示。

圖8 超超臨界參數二次再熱1000 MW汽輪機整體模塊

現在又通過設計理念創新，設計出高低位分軸布置、二次再熱、超超臨界參數1350 MW汽輪機組，熱耗率低于7000 kJ/kWh以下達到6882 kJ/kWh，煤耗比Ⅰ代機組降低了15.7 g/kWh。新材料研發成功，百萬燃煤機組的進汽參數為35 MPa和700 ℃時，汽輪機組熱耗率為6621 kJ/kWh，供電煤耗為231.8 g/kWh，裝置循環熱效率為52%。這將是火電機組節能減排的重要突破[5-6]。

5 結束語

國產引進型超超臨界參數1000 MW機組，歷經十幾年的參數和回熱系統優化，機組熱耗率從7316 kJ/kWh降至7199 kJ/kWh，下降值為117 kJ/kWh，折合煤耗下降4.24 g/kWh；通過科技創新推出二次再熱超超臨界參數1030 MW機組，熱耗率為7051 kJ/kWh?，F在又設計出高低位分軸布置、二次再熱、超超臨界參數1350 MW汽輪機組，熱耗率為6882 kJ/kWh,煤耗比Ⅰ代機組降低了15.7 g/kWh。未來，隨著金屬材料技術和其他輔助技術的突破，超高初參數機組設計應用將成為可能。