哈電發(fā)電設備國家工程研究中心有限公司天然氣余壓透平發(fā)電機組獲“電力行業(yè)設備管理創(chuàng)新成果”

一、電力行業(yè)設備管理創(chuàng)新成果概況

天然氣余壓透平發(fā)電機組，在天然氣管道上替代調(diào)壓閥，回收管道中天然氣的壓力能，將壓力能轉(zhuǎn)化為機械能對外輸出，帶動發(fā)電機發(fā)電，天然氣在膨脹過程中產(chǎn)生的冷能可供電廠使用。本項目透平發(fā)電機組采用可調(diào)噴嘴結(jié)構(gòu)的徑向透平，整機采用撬裝結(jié)構(gòu)，布置緊湊、安裝便捷；額定發(fā)電功率2500kW，額定效率不低于89%，功率范圍500～5600kW，流量范圍50%～140%，性能指標達到國際先進水平。系統(tǒng)由透平膨脹機、齒輪箱和發(fā)電機以及輔助系統(tǒng)構(gòu)成，輔助系統(tǒng)包含控制系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、干氣密封系統(tǒng)等。

天然氣余壓透平發(fā)電機組是天然氣余壓綜合利用系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，屬于能量回收裝置，有助于實現(xiàn)節(jié)能減排和能源綜合利用；具有投資回收期短、運行維護成本低廉等優(yōu)點，擁有廣闊的市場應用前景。本項目完成了國產(chǎn)化研制工作，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的天然氣余壓透平發(fā)電機組設計、制造、試驗和運維技術(shù)，能夠為電廠、門站等提供節(jié)能減排的系統(tǒng)解決方案。項目打破了國外該產(chǎn)品在國內(nèi)的壟斷局面，實現(xiàn)了天然氣余壓節(jié)能設備的國產(chǎn)化替代，助力國家雙碳政策的實施。

二、電力行業(yè)設備管理創(chuàng)新成果主要做法

項目進行了兆瓦級的天然氣余壓透平發(fā)電機組的設計，開展的工作有：

（1）突破高效寬負荷氣動設計

通過進行徑向透平熱力設計計算、氣動計算分析、設計點性能分析、優(yōu)化葉型和通流部分幾何尺寸，達到設計點效率不低于89%的性能要求，同時采用可調(diào)噴嘴設計，適應在不同壓力和流量下的寬范圍高效率運行。

（2）一體化系統(tǒng)優(yōu)化設計

采用葉輪與齒輪箱高速軸同軸設計，同時采用干氣密封固定在高速軸上，執(zhí)行機構(gòu)采用氣動執(zhí)行機構(gòu)，底座與油系統(tǒng)集成，整體采用一體化撬裝結(jié)構(gòu)設計。齒輪箱作為傳遞動力的部件，在運行期間同時承受動、靜載荷,其動載荷部分取決于透平膨脹機、發(fā)電機的特性和傳動軸、聯(lián)軸器的質(zhì)量、剛度、阻尼值以及發(fā)電機的外部工作條件,建立整個機組的動態(tài)仿真模型，對啟動、運行、空轉(zhuǎn)、停機和緊急剎車等各種工況進行模擬，針對不同的入口氣流條件得出相應的動態(tài)功率曲線。

（3）整機制造

依據(jù)相關(guān)標準和規(guī)定編制完成《兆瓦級天然氣徑向透平零部件制造過程質(zhì)量驗收檢驗大綱》，加工按照此大綱執(zhí)行，保證加工質(zhì)量，加工過程中開展噴嘴調(diào)節(jié)試驗、蝸殼水壓試驗、執(zhí)行機構(gòu)氣密性試驗、干氣密封試驗及高速軸動平衡試驗等。

（4）整機性能試驗

在試驗條件下，以壓縮空氣為介質(zhì)開展天然氣徑流透平整機模化試驗，完成了以下試驗驗證：恒轉(zhuǎn)速試驗、轉(zhuǎn)速控制試驗、負荷控制試驗、壓力控制試驗、流量控制試驗、瞬間甩負荷控制試驗、超速跳機保護試驗、超速控制試驗等。

三、電力行業(yè)設備管理創(chuàng)新成果亮點

（1）高效寬負荷設計。通常燃氣輪機電廠調(diào)峰和城市門站用氣量隨時變化，為了適應流量和壓力的變化，采用可調(diào)噴嘴設計結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整葉片頭部型線和喉部位置達到設計范圍內(nèi)的高效運行。可調(diào)噴嘴的結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：良好的密封性能；旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)的高靈敏性、高精確性和同步性。

（2） HIRTH同軸設計。葉輪與齒輪箱高速軸同軸設計，采用HIRTH齒配合中心拉桿連接，簡化透平膨脹機整體結(jié)構(gòu)，降低組裝的難度，保證軸系具有良好的動力學特性，降低氣流流出透平時的阻力，減少工質(zhì)做功流動損失，提高機組效率。

（3）撬裝緊湊一體化設計。機組采用油系統(tǒng)為底座的撬裝設計，便于運輸和現(xiàn)場組裝，占地面積小，密封形式采用干氣密封，固定在高速軸上，整體設計結(jié)構(gòu)緊湊。

（4）無人值守。預設控制邏輯，自動調(diào)節(jié)適應流量和壓力變化，操作簡單，自動并網(wǎng)及保護。