史進(jìn)淵， 王為民， 何阿平， 張宏濤， 潘家成， 王樹(shù)東陳洪溪， 黃慶華， 范小平， 祝海義， 范雪飛

(1. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240；2. 中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司， 成都 611731；3. 上海電氣電站設(shè)備有限公司，上海 200240；4. 哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046； 5. 東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng) 618000; 6. 國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司， 北京 100033)

根據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2017年中國(guó)火電裝機(jī)容量占中國(guó)總裝機(jī)容量的62.17%，火電機(jī)組發(fā)電量占總發(fā)電量的70.99%[1]。中國(guó)大功率火電機(jī)組全是煤電機(jī)組，煤電是中國(guó)電力的主要來(lái)源，以煤電為主導(dǎo)的局面在短期內(nèi)難以改變。中國(guó)煤炭資源主要分布在中國(guó)北方，山西、新疆、寧夏等6個(gè)省區(qū)煤炭?jī)?chǔ)量占全國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量的87.50%[2]。

中國(guó)是一個(gè)水資源短缺的國(guó)家，人均水資源僅為世界人均水資源的25%，被聯(lián)合國(guó)列為13個(gè)貧水國(guó)之一。中國(guó)水資源與煤炭資源呈逆向分布，中國(guó)北方富煤地區(qū)水資源更少。在我國(guó)600多個(gè)城市中，400多個(gè)城市存在供水不足問(wèn)題，其中比較嚴(yán)重缺水的城市達(dá)110個(gè)。火電機(jī)組是工業(yè)用水大戶，中國(guó)火電機(jī)組取水總量約占中國(guó)工業(yè)取水總量的一半，耗水量占工業(yè)耗水量的20%以上。中國(guó)城市人均日生活用水約0.174 46 t[3]，2017年中國(guó)500 MW及以上煤電機(jī)組的負(fù)荷率為51.45%[1]，2臺(tái)濕冷1 000 MW火電機(jī)組的日耗水約71 131 t，相當(dāng)于一個(gè)40.8萬(wàn)人口城市的日常生活用水總量。在中國(guó)北方富煤地區(qū)嚴(yán)重缺水，建設(shè)火電廠面臨缺水的難題。

我國(guó)水資源開(kāi)發(fā)的難度極大，節(jié)水涉及可持續(xù)發(fā)展。已有的高參數(shù)濕冷發(fā)電機(jī)組的煤耗率低，但耗水量大，在缺水地區(qū)無(wú)法使用；已有的亞臨界空冷發(fā)電機(jī)組，耗水量?jī)H為濕冷機(jī)組的1/4，在缺水地區(qū)可以使用，但煤耗率較高。在缺水地區(qū)建設(shè)火電廠，需要發(fā)展煤耗率低的節(jié)水型機(jī)組，只能采用空冷式高參數(shù)煤電機(jī)組?？绽涫礁邊?shù)煤電機(jī)組是一種新型的煤電機(jī)組，鍋爐、發(fā)電機(jī)與空冷系統(tǒng)均是已有產(chǎn)品，只有空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)是新裝備?？绽涫礁邊?shù)汽輪機(jī)把超超臨界濕冷汽輪機(jī)技術(shù)和亞臨界空冷汽輪機(jī)技術(shù)集成起來(lái)，汽輪機(jī)主蒸汽采用超超臨界蒸汽參數(shù)，汽輪機(jī)排汽采用直接空冷系統(tǒng)或間接空冷系統(tǒng)冷卻，具有熱耗率低、煤耗率低與節(jié)水的技術(shù)效果[4]。在中國(guó)北方富煤缺水地區(qū)建設(shè)火電廠，急需大量空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)。

1 技術(shù)特點(diǎn)

1.1 參數(shù)與結(jié)構(gòu)

空冷式高參數(shù)(660～730 MW)汽輪機(jī)，一次再熱，三缸兩排汽或兩缸兩排汽，進(jìn)汽蒸汽參數(shù)為25～28 MPa/600 ℃/600～620 ℃，高壓缸主蒸汽為超超臨界蒸汽參數(shù)，高壓缸和中壓缸有高中壓合缸與高中壓分缸兩種結(jié)構(gòu)，低壓缸的排汽采用直接空冷系統(tǒng)或間接空冷系統(tǒng)冷卻，背壓為10～15 kPa，低壓缸通常采用末級(jí)葉高為840～1 100 mm的兩排汽結(jié)構(gòu)。已經(jīng)投運(yùn)的660 MW空冷機(jī)組，采用高壓缸和中壓缸分缸結(jié)構(gòu)的比較多。

空冷式高參數(shù)(1 000～1 200 MW)汽輪機(jī)，一次再熱，四缸四排汽，進(jìn)汽蒸汽參數(shù)為25～28 MPa/600 ℃/600～620 ℃，高壓缸主蒸汽為超超臨界蒸汽參數(shù)，高壓缸和中壓缸采用分缸結(jié)構(gòu)，低壓缸的排汽采用直接空冷系統(tǒng)或間接空冷系統(tǒng)冷卻，背壓為10～15 kPa，低壓缸通常采用末級(jí)葉高為700～960 mm的四排汽結(jié)構(gòu)。

1.2 擴(kuò)大的通流能力

空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)背壓為10～15 kPa，比濕冷超超臨界汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)背壓(4～6 kPa)高，相同初參數(shù)汽輪機(jī)的有效焓降減小3%～5%。為了達(dá)到相同功率，汽輪機(jī)葉片通流能力要增加3%～5%[5]。汽輪機(jī)通流部分要重新設(shè)計(jì)，汽輪機(jī)通流能力需要在超臨界濕冷的基礎(chǔ)上適當(dāng)放大。若功率再增加10%，高壓缸模塊、中壓缸模塊和低壓缸模塊的氣動(dòng)性能、葉片強(qiáng)度振動(dòng)與結(jié)構(gòu)尺寸都需要重新設(shè)計(jì)。特別是汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度升高后，高壓缸與中壓缸面臨蠕變、強(qiáng)度與壽命問(wèn)題，還需要進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命的計(jì)算分析與優(yōu)化改進(jìn)。某型號(hào)1 000 MW級(jí)空冷與濕冷汽輪機(jī)的部分參數(shù)的比較結(jié)果見(jiàn)表1，與濕冷1 000 MW汽輪機(jī)相比，空冷1 100 MW汽輪機(jī)的額定主蒸汽質(zhì)量流量增大13.9%。

表1 1 000 MW級(jí)空冷與濕冷汽輪機(jī)部分參數(shù)的比較

1.3 專用末級(jí)葉片

空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)低壓缸排汽體積流量比同功率超超臨界濕冷汽輪機(jī)小，專用末級(jí)葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：葉片短，需要選擇氣動(dòng)性能優(yōu)良的葉型，夏季葉片出口軸向馬赫數(shù)>0.25，級(jí)的根部反動(dòng)度>20%，阻尼圍帶、阻尼拉筋、整圈連接結(jié)構(gòu)，葉根尺寸與濕冷汽輪機(jī)1 m級(jí)長(zhǎng)葉片相同[6]。超臨界空冷汽輪機(jī)專用末級(jí)葉片的性能特點(diǎn)是變工況性能好、強(qiáng)度高、剛度大、阻尼大，國(guó)內(nèi)典型的空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)與超超臨界濕冷汽輪機(jī)的末級(jí)葉片高度見(jiàn)表2。

表2 高參數(shù)汽輪機(jī)的末級(jí)葉高 mm

1.4 落地式軸承座

空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)的背壓和排汽溫度的變化范圍大，低壓缸的變形也大，為了克服排汽溫度變化對(duì)軸承標(biāo)高的影響，空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)的低壓缸采用了落地式軸承座，以提高軸承的支撐剛度。低壓轉(zhuǎn)子的軸承座落地后，軸承座與低壓缸的變形不同步，將會(huì)引起轉(zhuǎn)子和端部軸封之間的間隙發(fā)生變化。空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)采用落地式軸承座，端部軸封與汽缸的連接有兩種方法可以選擇：一種方法是與汽缸剛性連接，這種方法雖然簡(jiǎn)單，但由于汽輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，軸承座與低壓缸的標(biāo)高變化不一致，必然引起轉(zhuǎn)子和端部軸封之間的間隙發(fā)生變化，為了避免動(dòng)靜碰摩，必須增加端部軸封的初始間隙，這勢(shì)必影響汽輪機(jī)效率；另一種方法是端部軸封直接與低壓軸承座剛性連接，端部軸封與低壓缸通過(guò)波形膨脹節(jié)柔性連接(見(jiàn)圖1)。由于空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)低壓缸變形(垂直位移)大于端部軸封的間隙，在采用端部軸封落地方案的同時(shí)，增加波形膨脹節(jié)連接端部軸封與低壓缸，既保證了低壓缸的真空嚴(yán)密性，又確保了端部軸封與轉(zhuǎn)子之間合適的動(dòng)靜間隙。

圖1 端部軸封與汽缸通過(guò)波形膨脹節(jié)柔性連接示意圖

1.5 背壓保護(hù)

空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)背壓高，通常是濕冷機(jī)組的2～3倍；空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)的背壓變化范圍大，通常是濕冷機(jī)組的3～5倍；超超臨界濕冷汽輪機(jī)背壓隨季節(jié)緩慢變化，空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)的背壓隨每日大氣溫度頻繁變化，且變化幅度大。在高背壓低負(fù)荷時(shí)，由于排汽體積流量減小，低壓缸末兩級(jí)葉片產(chǎn)生大范圍脫流和倒流，易發(fā)生長(zhǎng)葉片顫振，過(guò)高的背壓威脅空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。同樣，在汽輪機(jī)啟動(dòng)、低負(fù)荷、停機(jī)、抽汽供熱、甩負(fù)荷等小體積流量的惡劣工況下，過(guò)高的背壓會(huì)嚴(yán)重威脅空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行?？绽涫礁邊?shù)汽輪機(jī)的背壓監(jiān)視與保護(hù)，對(duì)于空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行十分重要[7]。某型號(hào)空冷式高參數(shù)1 000 MW汽輪機(jī)運(yùn)行的背壓保護(hù)限制曲線見(jiàn)圖2，在20%負(fù)荷與額定負(fù)荷下，空冷式高參數(shù)與濕冷1 000 MW汽輪機(jī)的背壓保護(hù)數(shù)值見(jiàn)表3。

圖2 空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)背壓保護(hù)曲線

參數(shù)空冷1 000MW級(jí)汽輪機(jī)濕冷1 000MW汽輪機(jī)設(shè)計(jì)背壓10.0～16.04.0～5.5背壓變化范圍6.0～35.04.0～12.0正常背壓12.04.975%負(fù)荷至額定負(fù)荷背壓報(bào)警值50.016.775%負(fù)荷至額定負(fù)荷背壓跳閘值65.034.70至20%負(fù)荷背壓報(bào)警值25.016.70至20%負(fù)荷背壓跳閘值65.034.7

在20%負(fù)荷至75%負(fù)荷，背壓保護(hù)跳閘值為65.0 kPa，報(bào)警背壓pka、安全運(yùn)行背壓pko與機(jī)組負(fù)荷x的關(guān)系式分別為：

(1)

(2)

1.6 汽輪機(jī)熱耗率上限

(3)

不同容量等級(jí)與配置不同空冷系統(tǒng)的空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)的熱耗率上限的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)已有信息，國(guó)內(nèi)三大動(dòng)力集團(tuán)生產(chǎn)的空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)熱耗率均低于表4給出的熱耗率上限，即采用空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)，新建燃煤發(fā)電項(xiàng)目的供電煤耗率可以達(dá)到《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》的要求[8]。

表4 空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)的熱耗率上限

2 典型產(chǎn)品

2.1 東方電氣集團(tuán)

東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)已投運(yùn)的典型產(chǎn)品主要有以下兩種：

(1) 空冷式高參數(shù)660 MW汽輪機(jī)。型號(hào)為NZK660-28/600/620，超超臨界進(jìn)汽參數(shù)，一次中間再熱，單軸、三缸兩排汽，直接空冷凝汽式汽輪機(jī)，主蒸汽參數(shù)為28 MPa/600 ℃，再熱蒸汽溫度為620 ℃，設(shè)計(jì)背壓為11 kPa。高壓缸有12級(jí)，中壓缸有10級(jí)，低壓缸有2×4級(jí)，末級(jí)葉高為863 mm。

(2) 空冷式高參數(shù)1 000 MW汽輪機(jī)。型號(hào)為NZK1000-25/600/600，超超臨界進(jìn)汽參數(shù)，一次中間再熱，單軸、四缸四排汽，直接空冷凝汽式汽輪機(jī)，主蒸汽參數(shù)為25 MPa/600 ℃，再熱蒸汽溫度為600 ℃，設(shè)計(jì)背壓為13 kPa。高壓缸有調(diào)節(jié)級(jí)加高壓8級(jí)，中壓缸有2×6級(jí)，低壓缸有2×2×5級(jí)，末級(jí)葉高為770 mm。

2.2 上海電氣集團(tuán)

上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)已投運(yùn)的典型產(chǎn)品主要有以下兩種：

(1) 空冷式高參數(shù)660 MW汽輪機(jī)。型號(hào)為NZK660-27/600/600，超超臨界進(jìn)汽參數(shù)，一次中間再熱，單軸、三缸兩排汽，直接空冷凝汽式汽輪機(jī)，主蒸汽參數(shù)為25 MPa/600 ℃，再熱蒸汽溫度為600 ℃，設(shè)計(jì)背壓為12 kPa。高壓缸有17級(jí)，中壓缸有2×15級(jí)，低壓缸有2×5級(jí)，末級(jí)葉高為910 mm。

(2) 空冷式高參數(shù)1 000 MW汽輪機(jī)。型號(hào)為NJK1000-28/600/620，超超臨界進(jìn)汽參數(shù)，一次中間再熱，單軸、四缸四排汽，間接空冷凝汽式汽輪機(jī)，主蒸汽參數(shù)為28 MPa/600 ℃，再熱蒸汽溫度為620 ℃，設(shè)計(jì)背壓為10 kPa。高壓缸有14級(jí)，中壓缸有2×13級(jí)，低壓缸有2×2×6級(jí)，末級(jí)葉高為820 mm。

2.3 哈爾濱電氣集團(tuán)

哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)已投運(yùn)或正在生產(chǎn)的典型產(chǎn)品主要有以下兩種：

(1) 空冷式高參數(shù)660 MW汽輪機(jī)。型號(hào)為NJK660-28/600/620，超超臨界進(jìn)汽參數(shù)，一次中間再熱，單軸、三缸兩排汽，間接空冷凝汽式汽輪機(jī)，主蒸汽參數(shù)為28 MPa/600 ℃，再熱蒸汽溫度為620 ℃，設(shè)計(jì)背壓為10.5 kPa。高壓缸有17級(jí)，中壓缸有2×16級(jí)，低壓缸有2×5級(jí)，末級(jí)葉高為1 100 mm。

(2) 空冷式高參數(shù)1 000 MW汽輪機(jī)。型號(hào)為NJK1000-28/600/620，超超臨界進(jìn)汽參數(shù)，一次中間再熱，單軸、四缸四排汽，間接空冷凝汽式汽輪機(jī)，主蒸汽參數(shù)為28 MPa/600 ℃，再熱蒸汽溫度為620 ℃，設(shè)計(jì)背壓為12 kPa。高壓缸有15級(jí)，中壓缸有2×12級(jí)，低壓缸有2×2×5級(jí)，末級(jí)葉高為940 mm。

3 應(yīng)用效果

3.1 機(jī)組投運(yùn)業(yè)績(jī)

由東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的1 000 MW空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)，蒸汽參數(shù)為25 MPa/600 ℃/600 ℃，2010年12月28日在華電寧夏靈武發(fā)電有限公司投運(yùn)，四缸四排汽，配置直接空冷系統(tǒng)，末級(jí)葉高為770 mm。由東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的1 100 MW空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)，蒸汽參數(shù)為25 MPa/600 ℃/600 ℃，2013年12月31日在新疆農(nóng)六師煤電有限公司投運(yùn)，四缸四排汽，配置直接空冷系統(tǒng)，末級(jí)葉高為770 mm。由東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的660 MW空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)，蒸汽參數(shù)為28 MPa/600 ℃/620 ℃，2016年12月24日在內(nèi)蒙古大唐國(guó)際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司投運(yùn)，三缸兩排汽，配置直接空冷系統(tǒng)，末級(jí)葉高為863 mm。

由上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的660 MW空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)，蒸汽參數(shù)為27 MPa/600 ℃/600 ℃，2013年1月31日在國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司布連電廠投運(yùn)，三缸兩排汽，配置直接空冷系統(tǒng)，末級(jí)葉高為910 mm。由上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的660 MW空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)，蒸汽參數(shù)為27 MPa/600 ℃/610 ℃，2015年12月16日在國(guó)電哈密煤電開(kāi)發(fā)有限公司投運(yùn)，三缸兩排汽，配置間接空冷系統(tǒng)，末級(jí)葉高為910 mm。由上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的1 000 MW空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)，蒸汽參數(shù)為28 MPa/600 ℃/620 ℃，2018年12月30日在陜能趙石畔煤電一體化項(xiàng)目雷龍灣電廠投運(yùn)，配置間接空冷系統(tǒng)，末級(jí)葉高為820 mm。

由哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的660 MW空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)，蒸汽參數(shù)為25 MPa/600 ℃/600 ℃，末級(jí)葉高為940 mm，2015年12月30日在中電投西寧火電廠投運(yùn)，兩缸兩排汽，配置間接空冷系統(tǒng)。由哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的660 MW空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)，蒸汽參數(shù)為 28 MPa/600 ℃/620 ℃，末級(jí)葉高為1 100 mm，2017年8月31日在寧夏國(guó)華寧東發(fā)電有限公司投運(yùn)，三缸兩排汽，配置間接空冷系統(tǒng)。

3.2 節(jié)水效果

到2017年年底，中國(guó)已經(jīng)投運(yùn)空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)18臺(tái)，其中1 100 MW汽輪機(jī)2臺(tái)，1 040 MW汽輪機(jī)2臺(tái)，660 MW汽輪機(jī)14臺(tái)，裝機(jī)容量為13.52 GW。若大型循環(huán)超超臨界濕冷機(jī)組裝機(jī)容量的耗水率按0.8 m3/(s·GW)計(jì)算，空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)的耗水量為濕冷機(jī)組的1/4，年利用小時(shí)按照2017年全國(guó)680臺(tái)500 MW及以上汽輪機(jī)的平均值4 507.43 h計(jì)算[1]，已經(jīng)投運(yùn)18臺(tái)空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)機(jī)組，每年節(jié)水量為131 631 379.8 t，相當(dāng)于206.7萬(wàn)城市人口年生活用水總量，節(jié)水效果十分顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 中國(guó)北方富煤地區(qū)建設(shè)煤電站面臨缺水問(wèn)題，采用空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)是中國(guó)煤電節(jié)煤、節(jié)水的重要途徑之一，可以滿足《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》的要求[8]。

(2) 空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)把超超臨界濕冷汽輪機(jī)技術(shù)和亞臨界空冷汽輪機(jī)技術(shù)集成起來(lái)，是一種新產(chǎn)品，主要技術(shù)特點(diǎn)采用了專用末級(jí)葉片、專用低壓缸、通流能力擴(kuò)大的高參數(shù)高壓缸與中壓缸、落地式軸承座和背壓保護(hù)。

(3) 中國(guó)已經(jīng)成為空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)投運(yùn)臺(tái)數(shù)最多的國(guó)家，也是投運(yùn)空冷式汽輪機(jī)參數(shù)最高、末級(jí)葉片最長(zhǎng)、汽輪機(jī)熱耗率與機(jī)組供電煤耗率最低的國(guó)家，研制、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用空冷式高參數(shù)汽輪機(jī)，已經(jīng)為中國(guó)煤電節(jié)水與節(jié)能減排作出了重要貢獻(xiàn)。