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        超高溫亞臨界135MW汽輪機熱力系統(tǒng)設計

        2020-08-31 05:42:24宋放放謝林貴張文祥唐麗麗賴強劉曉燕
        機電信息 2020年20期
        關鍵詞:汽輪機

        宋放放 謝林貴 張文祥 唐麗麗 賴強 劉曉燕

        摘要:為了適應煤氣發(fā)電技術不斷向高參數方向發(fā)展的需求,東方汽輪機廠研發(fā)了超高溫亞臨界135 MW等級的汽輪機。對該機型的熱力系統(tǒng)設計特點進行了介紹,分析了機組的配汽方式、回熱系統(tǒng)設計、末級葉片選型等方面內容,為后續(xù)機組開發(fā)提供了參考。

        關鍵詞:超高溫亞臨界;汽輪機;熱力系統(tǒng)

        0 引言

        鋼鐵生產中會伴隨產生大量煤氣、余熱,鋼廠通過系統(tǒng)性利用余熱,開展全面節(jié)約熱能的工作,保障煤氣滿足鋼鐵生產工藝自用后,尚有大量煤氣可供電廠燃用,減少了大量煤氣(含CO2、CH4等)、高溫熱氣向空氣中排放,避免了廢氣、熱源等物質污染大氣,改善了鋼廠周邊環(huán)境,提高了鋼廠所在區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展水平。

        隨著技術的不斷進步,鋼廠煤氣發(fā)電機組的初參數不斷提高,大體可以分為以下幾個階段:

        (1)第一代中溫中壓煤氣發(fā)電技術,主要以3.43 MPa、435 ℃或者更低參數的機組為主,全廠發(fā)電效率≤25%,典型項目有湘鋼25 MW煤氣發(fā)電機組項目。

        (2)第二代高溫高壓煤氣發(fā)電技術,2002年開始煤氣發(fā)電機組初參數提高至8.83 MPa、535 ℃,全廠發(fā)電效率提高至29%~31%,典型項目有沙鋼4×50 MW、南鋼3×50 MW煤氣發(fā)電機組項目。

        (3)第三代高溫超高壓、一次再熱煤氣發(fā)電技術,2011年開始煤氣發(fā)電機組初參數提高至13.24 MPa、535 ℃、535 ℃,隨著機組參數的提高以及采用中間再熱方式,全廠發(fā)電效率提高至35%~38%,典型項目有九江線材2×65 MW、五礦營口135 MW煤氣發(fā)電機組項目。

        (4)第四代超高溫亞臨界、一次再熱煤氣發(fā)電技術,在2016年部分機組采用超高溫超高壓參數13.24 MPa、566 ℃、566 ℃,但為了進一步降低機組能耗,超高溫亞臨界參數被提出并得到了迅速推廣應用,初參數為16.67 MPa、566 ℃、566 ℃,全廠發(fā)電效率約為42%,典型項目有日照鋼鐵2×135 MW、湛江鋼鐵2×135 MW煤氣發(fā)電機組項目。

        一次再熱超高溫亞臨界參數是目前煤氣發(fā)電領域內最高的主汽參數,針對目前機組經濟性要求高、兼顧靈活運行的特點,東方汽輪機廠(以下簡稱東汽廠)開發(fā)了超高溫亞臨界135 MW機型,在東汽廠已有投運的高溫超高壓機型基礎上,沿用兩缸單排汽、中低壓合缸的結構設計方案,具有結構緊湊、軸向跨距短、運行靈活性的特點,同時對機組的熱力系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計,以提高機組運行經濟性。

        本文對該型汽輪機的熱力系統(tǒng)設計方案進行了介紹,詳細分析了機組的配汽方式、回熱系統(tǒng)設計、末級葉片選型等方面的內容。

        1 總體方案

        該機組為N135-16.7/566/566型超高溫亞臨界、一次中間再熱、兩缸單排汽、濕冷凝汽式汽輪機。該機組由一個高壓模塊及一個單流低壓模塊組成,高壓模塊和低壓模塊反向布置,共8級回熱,由3個高壓加熱器+1個除氧器+4個低壓加熱器組成,末級葉片采用成熟的909 mm末葉。汽輪機主要設計參數如表1所示。

        2 配汽方式

        本機型采用旁通配汽方式,取消調節(jié)級,全周進汽帶補汽閥的配置,該種配汽方式具有設計效率高、安全可靠性高的特點。

        旁通配汽機組正常運行時,補汽閥全開無節(jié)流損失,當機組進行一次調頻時,可以通過快速開啟補汽閥及時響應,滿足電網調頻需要的同時減少鍋爐運行波動。當汽輪機處于THA工況以下負荷時,高壓閥組處于調節(jié)閥全開、補汽閥全關的狀態(tài),補汽閥處于熱備用狀態(tài),當電網發(fā)出一次調頻指令時開啟,當機組功率從額定功率增大時(具有一定功率裕度),補汽閥開啟,蒸汽補進通流中,以滿足流量增加的要求;當汽輪機處于THA工況以上負荷時,補汽閥處于開啟狀態(tài)。

        旁通配汽與節(jié)流配汽主汽壓力與負荷率的關系曲線如圖1所示。從圖1中可以看出,旁通配汽各工況的主汽壓力明顯高于節(jié)流配汽方式,機組循環(huán)效率更高,經濟性更好。

        考慮對結構和主流的影響,該機型補汽點設在高壓10級后,補汽閥位置處壓力及流場分布示意圖如圖2所示。

        從圖2中可以看出,下游葉片入口處的流場(壓力、速度矢量等)均勻,說明補汽閥結構尺寸較為合適,對下游葉片的氣動性能影響較小;主流與補汽閥進入的汽流摻混區(qū)域距離轉子表面尚遠,兩股汽流混合產生的非定常效應不斷衰減,因此轉子的激振程度受影響非常小。采用環(huán)形進汽腔室,能夠在補汽閥開啟時產生很好的均壓作用,對主流的影響很小,軸系振動情況良好。

        3 回熱系統(tǒng)設計

        隨著電廠節(jié)能減排工作的不斷推進,火力發(fā)電設備的經濟性要求越來越高。在機組進、排汽參數確定時,通過優(yōu)化回熱系統(tǒng)設計,能夠進一步改善機組的熱耗水平。

        3.1? ? 給水溫度選擇

        最終給水溫度升高有以下影響:其一,隨著給水溫度的提高,機組平均吸熱溫度升高,循環(huán)效率提高,但在給水溫度升高達到一定值后,汽輪機熱耗變化趨勢變緩;其二,鍋爐效率隨排煙溫度升高逐漸降低。

        綜合考慮給水溫度對汽輪機熱耗和機組進汽量的影響,推薦給水溫度約為300 ℃,較早期亞臨界機型升高約10 ℃,汽輪機的熱耗降低約14 kJ/kWh。

        3.2? ? 再熱壓力選擇

        對于中間再熱機組而言,再熱壓力的確定應綜合考慮排汽濕度、循環(huán)效率、高排蒸汽壓力、溫度等方面的影響。如果一次中間再熱壓力設計偏高,相應的高壓缸排汽壓力、溫度偏高,鍋爐再熱器進口溫度偏高,對其設計造成不利影響,同時,再熱循環(huán)所占份額下降,整體循環(huán)效率下降。反之,如果一次中間再熱壓力設計偏低,后續(xù)循環(huán)效率下降,導致整體循環(huán)效率降低,同時會導致排汽濕度降低。因此,存在一個最佳再熱壓力,在保證允許的排汽干度情況下,再熱循環(huán)效率達到最佳值。

        經核算,針對超高溫亞臨界參數機組,當再熱壓力/主汽壓力在19%~21%內,機組熱耗最佳。本項目再熱壓力/主汽壓力為20.8%,在最佳再熱壓力范圍內。

        3.3? ? 回熱級數

        根據熱力學原理,隨著回熱抽汽級數增多,回熱系統(tǒng)平均換熱溫差減少,換熱不可逆損失越小,能量達到梯級利用的效果,從而提高機組運行經濟性。

        隨著回熱級數變多,機組熱耗收益不斷增加,但收益增加變小,考慮到機組抽口和加熱器布置,該機型采用8級回熱方案,相對7級回熱方案有26 kJ/kWh熱耗收益。

        4 末級葉片選型

        根據汽輪機變工況原理,中間級的蒸汽壓力與級流量變化成正比,在變工況時級壓比、速比和級效率等參數與設計工況相比基本相同。而對于末級長葉片而言,當外部冷端條件發(fā)生變化時,其排汽壓力產生很大變化,級各特性參數相應隨著流量、排汽壓力等的變化而較大幅度變化。因此,末葉選型與汽輪機變工況下的經濟性密切相關。

        在135 MW等級濕冷機組上,針對5.88 kPa背壓,有909 mm、800 mm末葉低壓模塊,用以適應機組的冷端條件,以使機組性能達到最佳,兩個末葉在不同負荷下的熱耗變化曲線如圖3所示。

        計算表明,在50%負荷率以上時,909 mm末葉方案優(yōu)于800 mm末葉方案。考慮到機組全年平均負荷率一般在50%以上,909 mm末葉的低壓模塊經濟性更優(yōu)。

        5 結語

        當前鋼廠煤氣發(fā)電技術不斷向高參數方向發(fā)展,目前超高溫亞臨界機組已成為必然趨勢。東汽廠開發(fā)的135 MW兩缸單排汽機型充分考慮了機組經濟性和成本,擁有更加優(yōu)越的運行經濟性和變負荷性能。

        (1)采用旁通配汽,全周進汽+補汽閥的方式,保證機組在30%~90%負荷范圍內經濟性更優(yōu),同時安全可靠性高;

        (2)采用8級回熱方案,對回熱系統(tǒng)進行優(yōu)化,合理選取機組給水溫度、再熱壓力、回熱級數,保證機組運行經濟性,同時兼顧系統(tǒng)的簡單、可靠運行需求;

        (3)采用909 mm末葉葉片,確保機組額定負荷的運行經濟性好,同時具有良好的變工況運行性能。

        [參考文獻]

        [1] 蔡頤年.蒸汽輪機裝置[M].北京:機械工業(yè)出版社,1982.

        [2] 王毅,李斌,杜文亞,等.亞臨界超高溫煤氣發(fā)電技術應用和研究[J].冶金動力,2018(4):29-31.

        [3] 楊靈,胥睿.東方第三代135 MW等級汽輪機的設計開發(fā)[J].東方汽輪機,2018(3):20-23.

        收稿日期:2020-06-10

        作者簡介:宋放放(1988—),男,山東濟寧人,碩士,工程師,主要從事汽輪機熱力系統(tǒng)設計工作。

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