朱 奇，張 星，舒 樂，姚 季

(上海汽輪機廠有限公司，上海201100)

精對苯二甲酸(PTA)主要用于生產(chǎn)聚酯纖維、樹脂和薄膜等，上游產(chǎn)業(yè)是石油、化工行業(yè)，下游產(chǎn)業(yè)包括化纖、紡織等行業(yè)，是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域完整產(chǎn)業(yè)鏈中不可缺少的一部分。PTA的生產(chǎn)原料是二甲苯，二甲苯經(jīng)過空氣氧化，生成粗對苯二甲酸，再通過加氫精制和結(jié)晶分離干燥，得到精對苯二甲酸。

二甲苯氧化反應過程中會產(chǎn)生大量低參數(shù)飽和蒸汽。利用汽輪機裝置來回收這部分飽和蒸汽，配合尾氣透平來共同驅(qū)動空壓機，可以有效降低裝置能耗。整套裝置即典型的汽輪機、空壓機和尾氣透平三機配置。隨著PTA裝置的不斷大型化[1-2]，以及PTA工藝的不斷進步，氧化反應的溫度和壓力不斷提高，逐步由低溫低壓向中溫中壓，甚至向高溫高壓發(fā)展。PTA氧化過程產(chǎn)生的余熱量不斷增大，汽輪機和尾氣透平除了驅(qū)動空壓機外，還有功率富余，可以額外驅(qū)動發(fā)電機來對外發(fā)電，提高裝置經(jīng)濟性，因此形成了汽輪機、空壓機、尾氣透平和發(fā)電機的四機組配置方案。由于要兼顧發(fā)電機轉(zhuǎn)速，空壓機的調(diào)節(jié)性能、效率會受到影響[3-4]。

目前國內(nèi)PTA余熱利用汽輪機最多僅能回收3段副產(chǎn)蒸汽，汽輪機進汽為一路主汽兩路補汽，仍有大量低溫余熱被直接排放，造成能源浪費。由于目前PTA市場并不景氣，PTA企業(yè)盈利狀況不佳。為了響應國家節(jié)能減排的倡議，盡量降低裝置能耗，提高企業(yè)競爭力，近年來國內(nèi)研究人員對于PTA余熱回收方式進行了多樣化研究。除了上述PTA余熱利用方式，楊軍等[5]提出了利用有機朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle， ORC)或者溴化鋰熱泵制取蒸汽的方案來回收PTA裝置精制單元的常壓余熱蒸汽，邱永寧等[6]提出了利用多級閃蒸塔結(jié)合第二類吸收式熱泵技術(shù)對PTA母液熱量進行回收的方案。

上海汽輪機廠有限公司(以下簡稱STWC)為某公司PTA項目研發(fā)的51.5 MW低溫余熱發(fā)電汽輪機，具有1路主汽3路補汽，可最大化利用PTA裝置的余熱，將低溫熱源轉(zhuǎn)化為電能。汽輪機、發(fā)電機的兩機配置相比于四機組配置，具有效率更高、運行更靈活的優(yōu)勢。相比于國內(nèi)其他一主兩補、功率等級低于25 MW的PTA余熱利用汽輪機[4，7-8]，該汽輪機增加了一路補汽，且由于蒸汽量大，功率等級增大了一倍。

本項目汽輪機機型為NZ52-0.59/0.33/0.163/ 0.105，額定功率為51.5 MW。本項目汽輪機為單軸、單缸、全周進汽、單排汽汽輪機，無再熱或回熱，軸向排汽，是全三維反動式補汽凝汽式汽輪機，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

該機組于2018年7月順利投運，滿負荷運行，性能優(yōu)異，運行效果超過設(shè)計預期，是目前國內(nèi)單機功率最大的PTA余熱利用汽輪機。本文將介紹該汽輪機的設(shè)計難點，重點介紹通流部分精細化設(shè)計過程。

1 采用的先進技術(shù)

該機組為低溫低壓、多路補汽凝汽式汽輪機。4路汽源均為飽和濕蒸汽，汽輪機整體處于濕蒸汽狀態(tài)，排汽量大，功率等級高。由于該項目是國際競標，性能要求極高。設(shè)計工況進排汽參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計工況汽輪機進排汽參數(shù)

依據(jù)以上參數(shù)設(shè)計的汽輪機相當于大型火電汽輪機的低壓缸部分，沒有回熱抽汽，并且有大量的補汽匯入。設(shè)計工況下4路汽源的流量比例為1∶1.5∶0.8∶0.5，汽輪機排汽量是主汽量的3.8倍。伴隨通流壓力的降低，通流部分的容積流量劇增，設(shè)計工況各段的容積流量比為1∶4.4∶10.9∶19.1∶160.4，這使得機組的總體結(jié)構(gòu)具有進汽通流尺寸小，排汽通流尺寸大，各段通流之間臺階大的特點。

該機組飽和蒸汽參數(shù)低及多路大量補汽的特點，以及用戶對極致性能的追求，使得本機組的通流部分設(shè)計難度很大。各通流部分考慮的問題有：進汽、補汽閥門的配置，葉片通流部分效率，末2級長葉片的合理選型及動靜葉匹配，進汽、補汽腔室壓損，排汽渦殼的壓力回收，等等。通流部分的設(shè)計需要采用精細化的設(shè)計技術(shù)，使得機組氣動性能最佳，整體效率最高。

該機組是STWC首次開發(fā)的大功率低參數(shù)飽和蒸汽一主三補軸排凝汽式汽輪機，無母型。該機組的設(shè)計制造過程依賴于STWC 60多年的經(jīng)驗所積累的先進汽輪機設(shè)計制造技術(shù)，具備完整自主的知識產(chǎn)權(quán)。主要的先進技術(shù)有：

1)國內(nèi)首例創(chuàng)新的低參數(shù)小焓降一主三補汽輪機總體技術(shù)，能夠最大限度地利用PTA余熱。針對多路補汽的特點，采取精細化設(shè)計技術(shù)，機組性能達到國際領(lǐng)先水平。

2)4路進汽閥門的選型及配置技術(shù)，降低了進汽閥門壓損。

3)世界先進的整體通流葉片技術(shù)(Advanced Integral Blade Technology，AIBT)，采用全三維反動式彎扭葉片，葉片通流效率極佳。

4)大排量單流軸排1 m等級長葉片的選型，合理的次末級動靜葉優(yōu)化匹配，提高了機組性能；采用雙流設(shè)計方案，性價比高。

5)特殊的環(huán)形進補汽腔室設(shè)計及性能設(shè)計技術(shù)，降低了進補汽壓損，提高了機組性能，同時避免了補汽沖擊轉(zhuǎn)子帶來的軸系振動問題。

6)大排汽量軸排蝸殼氣動分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，降低了排汽壓損，提高了靜壓恢復因數(shù)，有效回收了排汽余速，提高了機組性能。

7)一主三補汽輪機啟停邏輯及壓力控制技術(shù)。

8)大流量多路補汽軸系穩(wěn)定分析技術(shù)，確保了機組在任意工況、任意補汽方案下的安全穩(wěn)定運行。

9)飽和蒸汽的防水蝕技術(shù)，保證了機組在整機濕蒸汽環(huán)境內(nèi)的安全穩(wěn)定運行。

10)全新的PTA整體機島系統(tǒng)設(shè)計，即4路蒸汽進汽系統(tǒng)、4路旁路蒸汽系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)等，設(shè)計范圍遠超常規(guī)機組，確保了機組乃至全工廠的安全穩(wěn)定運行。

2 機組通流部分精細化設(shè)計

為了充分利用一主三補各路汽源，使機組性能最優(yōu)，該汽輪機必須進行精細化設(shè)計。本章節(jié)將詳細介紹汽輪機性能的設(shè)計過程。為了使各級組進出口壓力與各路蒸汽壓力完全匹配，必須合理評估葉片通流加工偏差、各進汽管線壓損、各進補汽腔室壓損等。在盡量提高葉片通流效率、降低蒸汽管線壓損、降低進補汽腔室壓損的同時，葉片通流面積不能過大或過小，否則都會造成汽輪機出力降低。通流面積過大，會造成進汽節(jié)流壓損大；通流面積過小，會造成通流能力降低，汽源不能完全進入汽輪機做功。

2.1 進汽方式

汽輪機各路汽源均為濕蒸汽，在各路進汽管線上均設(shè)置了汽水分離器，以提高進汽干度，使其接近飽和蒸汽。為了保證PTA工藝流程的穩(wěn)定性，4路蒸汽管道上分別單獨設(shè)有調(diào)節(jié)閥，其中主蒸汽管路上的調(diào)節(jié)閥還具有汽輪機轉(zhuǎn)速控制功能。合理選擇進汽、補汽閥門，可以降低閥門流動損失。各路閥門配置如表2所示。

表2 汽輪機進汽、補汽閥門配置

汽輪機各路蒸汽允許有10%超壓。為了提高汽輪機設(shè)計工況效率，將設(shè)計工況作為閥門全開工況，汽輪機各路蒸汽壓力超壓5%作為最大工況，即超發(fā)工況。汽輪機發(fā)電量并入大網(wǎng)，無需調(diào)節(jié)負荷，僅需滿足PTA裝置余熱利用的要求即可，因此汽輪機進口采用全周進汽，無調(diào)節(jié)級設(shè)計。

2.2 通流葉片設(shè)計

汽輪機通流共分為4個級組，前3個級組為壓力級，最后一個級組屬于長葉片范疇。

前3級壓力級采用STWC的 AIBT平臺進行設(shè)計，采用全三維反動式彎扭葉片，以最佳葉片通流效率為目標，對葉片尺寸、葉片級數(shù)進行自動優(yōu)化設(shè)計[9]。大量的實例驗證保證了該技術(shù)的成熟度，機組運行后的性能均能達到甚至超過設(shè)計保證值。

AIBT的先進之處在于每級的葉型與其流動汽流角完全匹配，可以減小進汽邊沖角損失、出汽邊尾跡損失及葉片中的流動損失，顯著提高葉片通流效率。同時每級葉型的進汽邊具有良好的變沖角適應性，能夠有效提高機組變工況性能。

漏汽損失是汽輪機葉片通流部分的主要損失之一。該機組設(shè)計時通過精確計算各級的軸向差脹、徑向差脹，采用多齒、小間隙的布置方式，有效減小漏汽損失。

通過優(yōu)化級數(shù)以及合理選取通流面積，機組出力可提高約0.6%。

最后一個級組段采用長葉片設(shè)計體系。設(shè)計工況熱力過程膨脹線如圖1所示，各級組功率、焓降占比如表3所示。本項目由于補汽流量較大，前3個級組功率占比相對較小，第4級組流量最大，焓降最高，級組功率占比達到63%，其效率對整機出力影響非?？捎^。

表3 各級組功率、焓降占比

圖1 設(shè)計工況熱力過程膨脹線

根據(jù)本項目的排汽容積流量，末葉片采用1 m等級濕冷長葉片。該葉片已廣泛應用在600 MW等級超臨界、超超臨界火電機組上[10]，對于本項目而言具有最低的排汽損失，以及較高的氣動效率、良好的變工況性能。為保證機組在變工況激振力作用下的安全運行，按濕冷機組的最高端負荷進行安全性設(shè)計，確保葉片安全可靠。

與常規(guī)火電項目通用末2級或末3級標準模塊不同，本項目為了追求極致性能，對次末級動靜葉進行了優(yōu)化設(shè)計，使次末級級前壓力與第3路補汽壓力匹配。這樣降低了補汽壓損，提高了末2級通流效率，使機組出力提高了2.1%左右。

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，汽輪機總級數(shù)為8級(3+2+1+2)，縱剖圖如圖2所示。

圖2 汽輪機縱剖圖

2.3 進補汽腔室設(shè)計

為了進一步提高機組性能，挖掘潛能，利用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)對汽輪機內(nèi)葉片通流以外的流道進行流場分析，并對進汽腔室、各路補汽腔室、排汽腔室等不斷進行改型設(shè)計，計算模型如圖3所示。

圖3 各進汽、補汽、排汽腔室模型

該機組具有1路主汽3路補汽，且補汽量大，尤其是1路補汽量超過了主蒸汽量的150%。補汽腔室對機組性能影響巨大[11]，各腔室設(shè)計時，盡量使補汽和主流均勻混合，降低摻混損失，同時使補汽腔室流道光順，避免流道內(nèi)出現(xiàn)局部分離現(xiàn)象。每一路補汽均采用切向進汽和導流型線進汽結(jié)構(gòu)。

由于3段補汽導致通流級組間的臺階巨大，各腔室計算均考慮了流道上下游葉片級的影響。為了使級組間光滑過渡，減少損失，將軸向距離拉長，并優(yōu)化轉(zhuǎn)子擴張度，以提高汽輪機通流效率。

新型進補汽腔室的設(shè)計可以有效降低腔室進汽壓損，提高機組性能水平，降低補汽對機組的沖擊。

2.4 排汽蝸殼設(shè)計

該機組采用軸向排汽方式，單層布置，相比徑向排汽方式，有助于降低廠房高度，降低廠房建設(shè)成本。而且由于軸向排汽缸內(nèi)部流動簡單，流動損失相比于徑向排汽方式小，有利于機組整體性能的提升。

設(shè)計人員通過CFD技術(shù)對排汽蝸殼進行了數(shù)值模擬分析，并不斷進行改型設(shè)計，以降低排汽蝸殼壓損，提高靜壓恢復因數(shù)，使回收的排汽余速最大化。計算時充分考慮了末級葉片對排汽腔室的流動影響，采取末級葉片與排汽蝸殼耦合的計算方法[12]，計算模型如圖4所示。

靜壓恢復因數(shù)計算公式如下：

圖4 排汽腔室計算模型圖

蝸殼靜壓恢復因數(shù)為0.33，機組出力能夠因此提高2%左右，蝸殼對排汽余速的回收非?？捎^。

2.5 去濕措施應用

本項目汽輪機4路進汽均為低壓飽和濕蒸汽，各蒸汽管線上均布置了汽水分離器。常規(guī)機組一般只有末幾級處在濕蒸汽區(qū)，而本項目機組基本上所有級都處在濕蒸汽區(qū)甚至過渡區(qū)，機組工作環(huán)境惡劣。

為了減少濕蒸汽對機組的水蝕，根據(jù)各級的濕度情況，設(shè)計人員合理采用去濕措施，保證汽輪機各部套能長期安全穩(wěn)定運行。同時去濕措施也可以降低葉片濕汽損失，進一步提高機組性能。根據(jù)計算，本項目各工況的末級排汽濕度都小于13%。

本項目采用的防水蝕措施包括主動式和被動式。主動式主要有以下幾種措施：

1)葉片級采用去濕鉤；

2)末級葉片采用空心靜葉；

3)增大動靜葉間隙，使水滴霧化，減少水蝕；

4)汽缸內(nèi)低位設(shè)置常疏水點，防止缸內(nèi)積水。

為避免濕蒸汽對機組的腐蝕和沖刷，合理選用各部套材料，機組采用被動式防水蝕，主要有以下幾種措施：

1)進汽閥門、管道均采用防水蝕材料；

2)葉片通流部分按照更嚴格的過渡區(qū)標準進行考核，葉片表面進行特殊處理；

3)汽缸內(nèi)通流以外的部套材料按照核電標準選取。

2.6 小 結(jié)

各通流部分進行精細化設(shè)計后，汽輪機功率可提高6.1%，達到53.3 MW，比性能保證值51.5 MW高3.5%。各通流部分優(yōu)化對機組收益貢獻的匯總?cè)绫?所示。

表4 性能收益

3 性能驗收試驗

該機組于2018年7月正式投入運行，并于同年10月底完成熱力性能驗收試驗。性能驗收試驗采用了大量精密校準的測量儀表，具有最小不確定度，并且試驗考慮了多個不同時段，可以準確反映新投運機組的真實熱力性能水平。

試驗階段，發(fā)電機功率平均值為56 448 kW，考慮各段補汽焓值、流量、背壓對功率的修正，修正后發(fā)電機功率為53 115.9 kW，比性能保證值51 510 kW高3.1%，可見該機組實際性能遠遠超過設(shè)計預期。

4 結(jié) 論

本文介紹了某大型PTA裝置余熱利用汽輪機的設(shè)計難點，重點突出了該機組通流部分精細化設(shè)計過程，并通過性能驗收試驗驗證了該機組的優(yōu)異性能。該機組為國內(nèi)首臺一主三補的PTA余熱利用汽輪機，具有以下特點和優(yōu)勢：

1)3路補汽設(shè)計為國內(nèi)首創(chuàng)，具有目前國內(nèi)最大的單機功率；

2)實際發(fā)電功率比保證值高3.1%，達到了國際領(lǐng)先水平。

該機組的設(shè)計和投運推動了國內(nèi)PTA余熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，在余熱利用發(fā)電行業(yè)中引起了廣泛關(guān)注。