尹剛 范小平 吳方松 尹華劼

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000）

1 前言

我國是一個(gè)太陽能資源豐富的國家， 太陽能是支撐我國國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性能源之一。 利用太陽能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)、 能源供應(yīng)多樣化。 光熱發(fā)電作為太陽能利用的重要形式，與光伏發(fā)電相比， 在系統(tǒng)效率、 建設(shè)規(guī)模、 負(fù)荷穩(wěn)定性等有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)， 目前已成為清潔能源發(fā)展最快的行業(yè)。 太陽能光熱發(fā)電根據(jù)聚熱方式的差異而分為塔式、 槽式、 菲涅爾、 蝶式四種， 其中以槽式熱發(fā)電技術(shù)最為成熟[1]。 本文結(jié)合國內(nèi)首臺(tái)大型槽式太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)研制， 結(jié)合光熱發(fā)電特點(diǎn)， 探討槽式太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵技術(shù)。

2 太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

太陽能光熱發(fā)電項(xiàng)目的投資成本比常規(guī)發(fā)電高， 初投資一直是制約光熱發(fā)電的重要因素[2]。 汽輪機(jī)作為光熱發(fā)電系統(tǒng)熱功轉(zhuǎn)換的核心部件， 也是制約光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。 根據(jù)太陽能特點(diǎn)， 光熱發(fā)電汽輪機(jī)應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

（1）經(jīng)濟(jì)性高；

（2）快速啟動(dòng)能力；

（3）頻繁啟停和快速變負(fù)荷等能力；

（4）低負(fù)荷的連續(xù)運(yùn)行能力；

（5）兩班制運(yùn)行能力；

（6）控制方便靈活。

3 槽式太陽能光熱汽輪機(jī)設(shè)計(jì)

公司研制的國內(nèi)首臺(tái)50 MW 等級(jí)槽式光熱發(fā)電汽輪機(jī)為再熱凝汽式汽輪機(jī)， 采用雙缸、 雙轉(zhuǎn)速方案， 即高壓缸采用高轉(zhuǎn)速（6 000 r/min）， 中低壓缸采用常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）。 整個(gè)汽輪機(jī)為單層布置， 不設(shè)置二層平臺(tái)， 汽輪機(jī)低壓缸采用軸向排汽結(jié)構(gòu)， 發(fā)電機(jī)采用中間布置。 整個(gè)機(jī)組布置為： 高壓缸通過齒輪箱減速到3 000 r/min，與發(fā)電機(jī)連接， 發(fā)電機(jī)另一側(cè)與中低壓缸連接，中低壓缸后部與軸向凝汽器連接， 整個(gè)機(jī)組布置形式如圖1 所示。 本機(jī)型的具體參數(shù)詳見表1。

圖1 國內(nèi)首臺(tái)50 MW 等級(jí)槽式光熱發(fā)電汽輪機(jī)總體布置圖

表1 50 MW 等級(jí)槽式光熱發(fā)電汽輪機(jī)參數(shù)

4 槽式光熱汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性關(guān)鍵技術(shù)

由于太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)的特性， 槽式光熱發(fā)電汽輪機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于盡可能提高汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性以保證整個(gè)項(xiàng)目的投資回報(bào)率。 主要措施如下：

4.1 適用于太陽能光熱汽輪機(jī)的再熱技術(shù)

再熱技術(shù)的使用可以提高汽輪機(jī)郎肯循環(huán)的平均吸熱溫度， 對(duì)于50 MW 等級(jí)汽輪機(jī)， 再熱循環(huán)的效率可提高～10%。 但再熱壓比的選擇是決定再熱循環(huán)效率的關(guān)鍵， 對(duì)于再熱汽輪機(jī)， 高壓缸容積流量較小， 造成葉片的相對(duì)高度較低導(dǎo)致高壓缸效率低， 而中壓缸經(jīng)過再熱后過熱度提高，壓力降低， 在汽輪機(jī)中等熵效率是最好的， 因此為降低熱耗應(yīng)提高高中壓缸的分缸壓力， 讓中壓缸多做功， 但提高分缸壓力導(dǎo)致中壓缸進(jìn)汽過熱度降低， 造成排汽濕度大導(dǎo)致末級(jí)葉片水蝕。 因此提高系統(tǒng)的效率關(guān)鍵在于選擇最佳再熱壓比，從而保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)性最佳。 通過研究不同壓力下高壓和低壓缸效率的變化， 并折算出整體循環(huán)熱耗與再熱壓力之間的關(guān)系。 通過一系列再熱壓力點(diǎn)的離散計(jì)算， 最終將離散結(jié)果匯總， 匯編成一條曲線。 該曲線類似于拋物線， 在拋物線頂點(diǎn)即為最優(yōu)壓比點(diǎn)。 再熱壓力與熱耗的關(guān)系詳如圖2所示。

圖2 再熱壓力與機(jī)組熱耗的關(guān)系

4.2 汽水分離器

槽式導(dǎo)熱油光熱發(fā)電系統(tǒng)受導(dǎo)熱油特性限制，溫度不能超過400 ℃， 主蒸汽溫度一般380 ℃，過熱度不高， 這導(dǎo)致THA 工況下在最佳再熱壓力時(shí)高壓排汽為濕蒸汽， 這會(huì)導(dǎo)致部分液態(tài)水進(jìn)入再熱器， 水汽化將吸收大量熱量。 為保證再熱溫度， 必然要求再熱器能力增加， 增加整個(gè)系統(tǒng)的輸入熱量， 這顯然降低了循環(huán)效率， 而且不利于能源的分級(jí)利用。 因此在再熱器前增設(shè)汽水分離器， 將進(jìn)入再熱器的蒸汽干度提高， 分離出的水直接進(jìn)入除氧器， 利用其顯熱， 使循環(huán)效率提高。槽式導(dǎo)熱油光熱發(fā)電汽輪機(jī)， 在高壓排汽和再熱器之間設(shè)置合理的汽水分離器是提高循環(huán)效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4.3 汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)優(yōu)化

采用回?zé)嵯到y(tǒng)， 可以減少循環(huán)的冷端損失，提高進(jìn)入蒸汽發(fā)生裝置的水溫， 減少排汽量， 降低排汽余速損失， 降低凝汽損失， 熱耗明顯下降從而使循環(huán)效率得到提高。 設(shè)置合理的回?zé)嵯到y(tǒng)是提高光熱汽輪機(jī)循環(huán)效率的另一關(guān)鍵技術(shù)。

為探究回?zé)峒?jí)數(shù)與汽輪機(jī)循環(huán)效率之間的關(guān)系， 假定其余邊界條件不變， 則汽輪機(jī)循環(huán)最小熱耗與回?zé)峒?jí)數(shù)關(guān)系式見式（1）。

式中：qn為汽輪機(jī)循環(huán)最小熱耗；n為汽輪機(jī)循環(huán)回?zé)峒?jí)數(shù)；R0、 Δi為系統(tǒng)常數(shù)（與系統(tǒng)有關(guān)）。

為便于分析，將式（1）圖形化，如圖3 所示。

圖3 回?zé)峒?jí)數(shù)與熱耗關(guān)系圖

從圖3 可以看出， 增加回?zé)峒?jí)數(shù)可以降低熱耗， 提高循環(huán)效率， 但每增加一級(jí)回?zé)岢槠玫降氖找骐S著回?zé)峒?jí)數(shù)增加而變緩， 同時(shí)過多的回?zé)峒?jí)數(shù)也會(huì)增加回?zé)嵯到y(tǒng)布置上的困難。 針對(duì)槽式導(dǎo)熱油太陽能光熱汽輪機(jī)， 綜合考慮， 回?zé)峒?jí)數(shù)選取8 級(jí)， 高壓缸3 級(jí)回?zé)幔?低壓缸5 級(jí)回?zé)?，? 級(jí)高加、 1 級(jí)除氧和4 級(jí)低加。

4.4 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速選擇

50 MW 槽式光熱發(fā)電汽輪機(jī)蒸汽的特點(diǎn)是參數(shù)高（特別是壓力）而流量相對(duì)較小， 導(dǎo)致機(jī)組的高壓段的容積流量小， 如常規(guī)機(jī)組， 高壓缸3 000 r/min 的轉(zhuǎn)速， 每級(jí)的葉片的節(jié)圓直徑相對(duì)較高，葉片相對(duì)葉高較小或存在部分進(jìn)汽， 導(dǎo)致高壓級(jí)通流效率低， 為了提高機(jī)組高壓通流的效率， 高壓缸采用高轉(zhuǎn)速， 降低葉片的節(jié)圓直徑， 增加相對(duì)葉高， 可較大幅度提升通流效率， 綜合考慮齒輪箱損耗， 確保機(jī)組高壓部分的效率提高。

中低壓缸采用常規(guī)轉(zhuǎn)速主要是考慮到低壓部分容積流量相對(duì)較大， 葉片相對(duì)葉高較大， 高轉(zhuǎn)速方案對(duì)效率的提升扣減齒輪箱損耗后收益較小。同時(shí)由于本項(xiàng)目運(yùn)行背壓低至4 kPa， 為了保證效率， 降低余速損失， 末級(jí)葉片長。 若采用高轉(zhuǎn)速，葉片離心力大， 末級(jí)葉片設(shè)計(jì)難度急劇增加。 最終出于機(jī)組經(jīng)濟(jì)性、 安全性等的綜合考慮采用常規(guī)轉(zhuǎn)速方案。

4.5 配汽方式選擇

目前汽輪機(jī)的配汽方式主要有3 種： 噴嘴配汽、 節(jié)流配汽和旁通配汽， 旁通配汽多用于艦船，噴嘴配汽和節(jié)流配汽多用于發(fā)電汽輪機(jī)。 噴嘴配汽的部分負(fù)荷效率高， 但額定負(fù)荷有部分進(jìn)汽損失； 節(jié)流配汽設(shè)計(jì)工況的效率高， 但部分負(fù)荷有節(jié)流損失。 節(jié)流后汽輪機(jī)的內(nèi)效率見式（2）。

式中：為汽輪機(jī)通流部分的相對(duì)內(nèi)效率；ηih為汽輪機(jī)的節(jié)流效率。

針對(duì)太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)開發(fā)出了一種新型節(jié)流配汽方式， 該節(jié)流配汽方式在起機(jī)到20%負(fù)荷之間采用閥門控制節(jié)流配汽， 當(dāng)負(fù)荷到達(dá)20%后實(shí)現(xiàn)閥門全開， 從20%～100%負(fù)荷閥門全開不參與調(diào)節(jié)， 機(jī)隨爐動(dòng)。 該種方式實(shí)現(xiàn)了整個(gè)連續(xù)運(yùn)行區(qū)間（20%～100%）無節(jié)流損失。 即為零，汽輪機(jī)內(nèi)效率就為汽輪機(jī)通流效率。 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了全周進(jìn)汽， 熱應(yīng)力小， 利于快速啟動(dòng)。 機(jī)組采用滑參數(shù)運(yùn)行， 在運(yùn)行過程中閥門全開， 在設(shè)計(jì)時(shí)不考慮機(jī)組最大工況的進(jìn)汽余量， 在各工況下閥門節(jié)流損失最小， 從而保證機(jī)組的效率較常規(guī)節(jié)流配汽機(jī)組高， 同時(shí)在最大負(fù)荷時(shí)， 考慮機(jī)組的超壓運(yùn)行能力， 從而保證機(jī)組的長期安全高效運(yùn)行。 采用節(jié)流配汽能有效降低第一級(jí)葉片安全風(fēng)險(xiǎn)， 從而更能適應(yīng)光熱汽輪機(jī)負(fù)荷變化頻繁的特點(diǎn)。

閥門采用對(duì)沖進(jìn)汽結(jié)構(gòu)， 通過優(yōu)化進(jìn)汽結(jié)構(gòu)保證機(jī)組進(jìn)汽的均勻性， 從而提升機(jī)組的效率。為降低閥門型損， 并對(duì)閥門型線及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而降低閥門腔室內(nèi)部流場(chǎng)損失。 同時(shí)輔以新型閥門自密封結(jié)構(gòu)， 如圖4 所示， 在閥門全開狀態(tài)，閥桿和閥桿套筒緊密貼合， 保證機(jī)組在連續(xù)運(yùn)行工況（20%～100%負(fù)荷工況）下實(shí)現(xiàn)零泄露。 具體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 閥桿自密封結(jié)構(gòu)

4.6 排汽方式選擇

凝汽式汽輪機(jī)的排汽能量相當(dāng)于總可用等熵能量的1%以上， 約占機(jī)組總損失的15%。 計(jì)算表明， 改善排汽系統(tǒng)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)能夠有效提高汽輪機(jī)效率， 降低能源消耗。 凝汽式汽輪機(jī)的排汽形式一般有： 向下排汽、 向上排汽、 軸向排汽、 側(cè)向排汽， 其中向下排汽用得最多。 與軸向排汽相比， 向下排汽的排汽缸采用的是軸向徑向擴(kuò)壓的方式， 汽流由軸向向徑向90°折轉(zhuǎn)， 導(dǎo)致了排汽缸內(nèi)的能量損失增加。 若采用軸向排汽方案， 還可降低廠房高度， 減少工程投資， 也適應(yīng)目前光熱項(xiàng)目選址均在地廣人稀的高原及沙漠地區(qū)。 因此太陽能光熱發(fā)電汽輪機(jī)多采用軸向排汽結(jié)構(gòu)。

4.7 通流優(yōu)化技術(shù)

在太陽能光熱發(fā)電這種要求變工況運(yùn)行頻繁、經(jīng)濟(jì)性要求高的機(jī)組上， 高效寬負(fù)荷葉型及通流設(shè)計(jì)技術(shù)可保證在較大負(fù)荷變化范圍內(nèi)機(jī)組具有較高的效率。 通流設(shè)計(jì)遵循采用小焓降、 大速比、大反動(dòng)度、 大頭葉型的設(shè)計(jì)理念， 適當(dāng)降低根徑增加葉片的高度， 并確保通流長期在最佳效率附近運(yùn)行。 采用大的反動(dòng)度主要是由于負(fù)荷降低會(huì)導(dǎo)致機(jī)組反動(dòng)度降低， 部分葉片的根部會(huì)出現(xiàn)負(fù)反動(dòng)度， 葉片出現(xiàn)鼓風(fēng)或做負(fù)功。 反動(dòng)度大必然帶來大的速比。 大頭葉型的最大特點(diǎn)是葉片進(jìn)汽側(cè)的型線頭很大， 這樣最大的好處是葉片適應(yīng)變工況過程中攻角變化的能力強(qiáng)， 保證在部分負(fù)荷時(shí)不出現(xiàn)大的正攻角或負(fù)攻角， 從而出現(xiàn)汽流的脫流導(dǎo)致葉型損失增大。

同時(shí)對(duì)影響機(jī)組性能漏汽損失等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 合理設(shè)計(jì)軸端漏汽的去向， 適當(dāng)增加軸封的齒數(shù)， 對(duì)所有汽封間隙的設(shè)計(jì)在保證機(jī)組快速啟停的基礎(chǔ)上徑向間隙選取中值， 并在制造過程中嚴(yán)格控制， 從而降低整個(gè)機(jī)組的漏汽損失。

5 結(jié)語

本文結(jié)合全國首臺(tái)槽式太陽能光熱汽輪機(jī)研制， 對(duì)影響槽式光熱發(fā)電汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討， 隨著機(jī)組的投運(yùn)， 將進(jìn)一步優(yōu)化槽式光熱發(fā)電汽輪機(jī)， 推動(dòng)光熱汽輪機(jī)國產(chǎn)化技術(shù)的進(jìn)步。