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        國產(chǎn)引進(jìn)型超超臨界參數(shù)1000 MW汽輪機(jī)組優(yōu)化、創(chuàng)新后經(jīng)濟(jì)指標(biāo)論述

        2021-04-08 02:08:14佟丹丹趙偉光
        東北電力技術(shù) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:熱耗率加熱器超臨界

        楊 明,佟丹丹,聶 雨,王 野,趙偉光

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

        2003年上海汽輪機(jī)廠與德國西門子公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造國產(chǎn)引進(jìn)型超超臨界參數(shù)1000 MW機(jī)組[1]。該型第1臺機(jī)組(N1000-26.25/600/600)自2006年投產(chǎn)以來,歷經(jīng)14年不斷優(yōu)化、創(chuàng)新,第Ⅲ代機(jī)型(N1000-28/600/620)已于2019年12月在國投南陽電廠投產(chǎn)發(fā)電。同時(shí)具有世界先進(jìn)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(shù)燃煤發(fā)電機(jī)組(N1350-31.11/610/630/623)[2],將在申能安徽平山電廠投產(chǎn)發(fā)電,該機(jī)組設(shè)計(jì)熱耗率為6882 kJ/kWh,供電煤耗為246.7 g/kWh,機(jī)組循環(huán)效率為49.8%,達(dá)到當(dāng)今世界最佳燃煤發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)、制造水平。引進(jìn)西門子技術(shù)1000 MW超超臨界參數(shù)汽輪機(jī)發(fā)展過程如圖1所示。

        圖1 引進(jìn)型(西門子)1000 MW機(jī)組發(fā)展過程

        1 第Ⅰ代引進(jìn)1000 MW汽輪機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

        1.1 高壓缸

        采用圓筒形、單流程、無調(diào)節(jié)級、多級反動(dòng)式高壓缸,缸效率遠(yuǎn)高于沖動(dòng)式和雙流程。由于前后圓筒軸向連接緊密、熱應(yīng)力低,成功解決了第1級葉片強(qiáng)度問題;采用小直徑、小跨距、多級數(shù)的通流設(shè)計(jì)方式;單流程葉片端損失大幅度下降,設(shè)計(jì)壓力可達(dá)35 MPa。圓筒形、單流程高壓缸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 圓筒形、單流程高壓缸結(jié)構(gòu)

        1.2 補(bǔ)汽閥技術(shù)

        由于采用全周進(jìn)汽、滑壓運(yùn)行,保持額定負(fù)荷及低負(fù)荷下的高效率,同時(shí)為了增加電網(wǎng)快速一次調(diào)頻功能,在高壓缸前幾級后加裝補(bǔ)汽閥(相當(dāng)于主汽門后的第3個(gè)高負(fù)荷調(diào)節(jié)閥),如圖3所示。

        圖3 高壓缸補(bǔ)汽閥位置

        1.3 中壓缸

        中壓缸采用雙流切向進(jìn)汽達(dá)到切向旋渦冷卻,中壓內(nèi)外缸之間有遮熱板;中壓聯(lián)合汽門與缸體直接連接、切向全周進(jìn)汽,損失小、對汽缸附加作用力??;采用小網(wǎng)眼永久濾網(wǎng),雙流,葉片小直徑,多級數(shù),第1級采用斜置靜葉結(jié)構(gòu),20%反動(dòng)度。中壓缸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4 中壓缸外形結(jié)構(gòu)及斜置靜葉結(jié)構(gòu)

        1.4 低壓缸

        引進(jìn)西門子特大長葉片技術(shù),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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖5所示。

        圖5 低壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

        1.5 軸系結(jié)構(gòu)

        每個(gè)汽缸之間僅一個(gè)軸承,承壓比大,穩(wěn)定性較好,四缸五軸承,采用黏度較高的潤滑油;汽輪機(jī)軸向?qū)挾缺绕渌问蕉?~10 m;軸承座全部支撐在基礎(chǔ)上,動(dòng)靜間隙變化??;單流程高壓缸軸向跨度小,轉(zhuǎn)子剛性好;全周進(jìn)汽的運(yùn)行模式消除了汽隙激振源;低壓內(nèi)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(zhuǎn)子均有多道汽封,管道接口少、動(dòng)靜相對膨脹小。軸系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

        圖6 四缸五軸承汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)

        1.6 模塊設(shè)計(jì)

        單軸四缸四排汽機(jī)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(jī)整體模塊圖

        2 Ⅰ代汽輪機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)

        2.1 主要技術(shù)參數(shù)

        歷經(jīng)3年的引進(jìn)吸收、消化、設(shè)計(jì)、制造和安裝,我國第1臺百萬千瓦級超超臨界參數(shù)燃煤機(jī)組于2006年10月13日在浙江華能玉環(huán)電廠投產(chǎn)發(fā)電。在隨后1年中,又相繼有3臺同類型機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電,這就是國產(chǎn)引進(jìn)型第Ⅰ代百萬機(jī)組在華能玉環(huán)電廠投入商業(yè)運(yùn)行,主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見表1。

        表1 華能玉環(huán)電廠設(shè)計(jì)參數(shù)

        2.2 性能試驗(yàn)結(jié)果

        2007年進(jìn)行機(jī)組性能考核試驗(yàn),結(jié)果見表2。

        表2 華能玉環(huán)電廠性能考核試驗(yàn)結(jié)果

        3 Ⅲ代百萬機(jī)組主要技術(shù)數(shù)據(jù)

        經(jīng)歷了Ⅰ代和Ⅱ代機(jī)組十幾年的實(shí)際運(yùn)行和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,隨著金屬材料和其他輔助技術(shù)創(chuàng)新,經(jīng)過參數(shù)和回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化,上汽Ⅲ代百萬機(jī)組正式投產(chǎn)運(yùn)行。

        3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

        國投南陽電廠設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

        表3 國投南陽電廠設(shè)計(jì)參數(shù)

        3.2 性能試驗(yàn)結(jié)果

        2020年進(jìn)行機(jī)組性能考核試驗(yàn),結(jié)果見表4。

        表4 國投南陽電廠性能試驗(yàn)結(jié)果

        4 Ⅰ代與Ⅲ代機(jī)組經(jīng)濟(jì)性對比分析

        4.1 兩代機(jī)組經(jīng)濟(jì)性對比

        a.主蒸汽壓力

        Ⅲ代機(jī)組主蒸汽壓力為27.179 MPa,高于Ⅰ代機(jī)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(shù);k為絕熱系數(shù);Pz為汽輪機(jī)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(jī)中焓降增加,循環(huán)熱效率提高。

        經(jīng)過計(jì)算可得,主蒸汽壓力增加0.929 MPa,使機(jī)組熱耗率降低23.15 kJ/kWh。

        b.再熱溫度

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

        (2)

        由公式可知,當(dāng)附加循環(huán)熱效率ηΔ大于朗肯循環(huán)熱效率ηt時(shí),采用中間再熱后經(jīng)濟(jì)效益才能提高。在其他參數(shù)不變情況下,提高再熱蒸汽溫度,使吸熱平均溫度升高,進(jìn)而使再熱附件循環(huán)熱效率提高。

        經(jīng)過計(jì)算可得,再熱溫度升高20 ℃,使機(jī)組熱耗率降低25.41 kJ/kWh。

        c.給水溫度

        Ⅲ代機(jī)組給水溫度為298.8 ℃,比Ⅰ代機(jī)組給水溫度292.5 ℃高6.1 ℃。給水溫度升高,相當(dāng)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(huán)吸熱量減少:

        ΔQ=Δτz

        (4)

        機(jī)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(jīng)計(jì)算可得,給水溫度升高6.1 ℃,使機(jī)組熱耗率降低11.22 kJ/kWh。

        d.外置蒸汽冷卻器數(shù)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(dǎo)致新蒸汽等效熱量降低:

        ΔH=Δτ3η3+Δε3(η2-η3)

        (6)

        同時(shí),循環(huán)吸熱量減少:

        ΔQ=Δτ3

        (7)

        由此機(jī)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(jī)效率。

        Ⅲ代機(jī)組比Ⅰ代機(jī)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(shí)使給水溫度提高,機(jī)組循環(huán)吸熱量減少。

        e.回?zé)嵯到y(tǒng)加熱器數(shù)量

        Ⅲ代機(jī)組比Ⅰ代機(jī)組增加1臺低壓加熱器,為9級回?zé)??;責(zé)嵫h(huán)汽輪機(jī)絕對內(nèi)效率為

        (9)

        式中:hb為鍋爐給水焓值;hc為凝結(jié)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(shù)量。

        由公式可知:ηi是z的遞增函數(shù),隨著z增加,回?zé)嵫h(huán)熱效率ηi不斷提高。由朗肯循環(huán)原理可知:增加回?zé)峒訜崞鳎构べ|(zhì)平均吸熱溫度提高,汽輪機(jī)排汽冷源損失減少,故循環(huán)熱效率提高。對比Ⅲ代機(jī)組和Ⅰ代機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)可知:Ⅲ代機(jī)組增加1臺低壓加熱器,使原Ⅰ代機(jī)組的5號低壓加熱器進(jìn)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(jī)略有增加,3個(gè)缸效率(89.67%、93.04%、89.73%)基本持平。

        綜合以上分析可得,Ⅲ代機(jī)組經(jīng)參數(shù)升級和回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化,設(shè)計(jì)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(shù)汽輪機(jī)主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

        上汽5個(gè)電廠超超臨界參數(shù)1000 MW汽輪機(jī)組性能試驗(yàn)結(jié)果見表5。

        表5 上汽5個(gè)電廠1000 MW汽輪機(jī)組性能試驗(yàn)結(jié)果

        4.3 二次再熱超超臨界參數(shù)機(jī)組展望

        引進(jìn)型超超臨界參數(shù)1000 MW汽輪機(jī)組經(jīng)創(chuàng)新開發(fā),推出二次再熱超超臨界參數(shù)1030 MW機(jī)組(華能萊蕪電廠),設(shè)計(jì)熱耗率為7051 kJ/kWh,其單軸五缸四排汽機(jī)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(shù)二次再熱1000 MW汽輪機(jī)整體模塊

        現(xiàn)在又通過設(shè)計(jì)理念創(chuàng)新,設(shè)計(jì)出高低位分軸布置、二次再熱、超超臨界參數(shù)1350 MW汽輪機(jī)組,熱耗率低于7000 kJ/kWh以下達(dá)到6882 kJ/kWh,煤耗比Ⅰ代機(jī)組降低了15.7 g/kWh。新材料研發(fā)成功,百萬燃煤機(jī)組的進(jìn)汽參數(shù)為35 MPa和700 ℃時(shí),汽輪機(jī)組熱耗率為6621 kJ/kWh,供電煤耗為231.8 g/kWh,裝置循環(huán)熱效率為52%。這將是火電機(jī)組節(jié)能減排的重要突破[5-6]。

        5 結(jié)束語

        國產(chǎn)引進(jìn)型超超臨界參數(shù)1000 MW機(jī)組,歷經(jīng)十幾年的參數(shù)和回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化,機(jī)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(chuàng)新推出二次再熱超超臨界參數(shù)1030 MW機(jī)組,熱耗率為7051 kJ/kWh。現(xiàn)在又設(shè)計(jì)出高低位分軸布置、二次再熱、超超臨界參數(shù)1350 MW汽輪機(jī)組,熱耗率為6882 kJ/kWh,煤耗比Ⅰ代機(jī)組降低了15.7 g/kWh。未來,隨著金屬材料技術(shù)和其他輔助技術(shù)的突破,超高初參數(shù)機(jī)組設(shè)計(jì)應(yīng)用將成為可能。

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