沈 春， 邵罡北

(1. 內(nèi)蒙古京能電力檢修有限公司，呼和浩特 010000；2. 華潤(rùn)電力(寧武)有限公司，山西忻州 003670)

目前，隨著國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)熱力技術(shù)的迅速發(fā)展，汽輪機(jī)效率越來(lái)越高，熱耗率越來(lái)越低，可以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。在開(kāi)展更加先進(jìn)的汽輪機(jī)技術(shù)研究的過(guò)程中，主要圍繞汽輪機(jī)二次再熱機(jī)組的熱力系統(tǒng)、末級(jí)葉片、運(yùn)行技術(shù)、機(jī)組軸系穩(wěn)定性等進(jìn)行深度研究[1]。

筆者按照“理論優(yōu)化-試驗(yàn)驗(yàn)證-改造機(jī)組驗(yàn)證-新機(jī)組應(yīng)用”的研制體系，超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)，在第三代通流技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合新一代通流技術(shù)[2]進(jìn)行分析，以提高機(jī)組的通流效率。

1 新一代通流技術(shù)的應(yīng)用

近年來(lái)，采用第三代、新一代通流技術(shù)的超超臨界機(jī)組的熱耗率均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，高、中壓缸效率得到了明顯提高，表明第三代、新一代通流技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。

1.1 第三代通流技術(shù)

目前，已投運(yùn)的采用第三代通流技術(shù)的超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)高壓缸效率能夠突破90%，中壓缸效率可達(dá)到93.3%～94.5%，高、中壓缸的試驗(yàn)效率均優(yōu)于保證效率，具體見(jiàn)圖1。

圖1 采用第三代通流技術(shù)的超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)高、中壓缸效率

1.2 新一代通流技術(shù)

基于第三代通流技術(shù)，研發(fā)的新一代通流技術(shù)，對(duì)葉片的積疊、彎曲、扭轉(zhuǎn)等三維造型進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，控制葉片端部的二次流損失。同時(shí)，采用成熟的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件，綜合考慮通流中的葉片流道、汽封流道、葉片根頂部倒圓角、抽口、補(bǔ)汽結(jié)構(gòu)等[3]，以及前后端部汽封結(jié)構(gòu)，對(duì)流場(chǎng)和效率進(jìn)行評(píng)估，并且針對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖2為CFD軟件分析得到的靜葉損失沿相對(duì)葉高的變化，圖3為試驗(yàn)得到的靜葉損失沿相對(duì)葉高的變化。采用新第一代通流技術(shù)后，靜葉損失得到了有效降低。

圖2 CFD軟件分析得到的靜葉損失沿相對(duì)葉高的變化

圖3 試驗(yàn)得到的靜葉損失沿相對(duì)葉高的變化

某1 000 MW機(jī)組汽輪機(jī)采用新一代通流技術(shù)改造后，高、中壓缸效率見(jiàn)表1。該機(jī)組汽輪機(jī)的進(jìn)汽閥離汽缸本體較遠(yuǎn)，進(jìn)汽壓力損失大，同時(shí)受到中壓缸排汽壓力高、中壓缸焓降小等因素的影響，應(yīng)用新一代通流技術(shù)后，高、中壓缸效率有所提高。

表1 改造后高、中壓缸效率

2 新一代通流技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

以某1 350 MW機(jī)組汽輪機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)新一代通流技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究。該機(jī)組為超超臨界、二次再熱機(jī)組，設(shè)計(jì)參數(shù)為35 MPa/615 ℃/630 ℃/620 ℃，采用單軸、五缸四排汽、直接空冷式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)采用高位布置，依次為1個(gè)單流超高壓缸(反動(dòng)式，共有16級(jí))、1個(gè)單流高壓缸(反動(dòng)式，共有14級(jí))、1個(gè)雙分流中壓缸(反動(dòng)式，共有2×13級(jí))和2個(gè)雙分流低壓缸(沖動(dòng)式，共有2×2×5級(jí))，末級(jí)葉片高度為1 000 mm。各汽缸按照串聯(lián)、單軸雙支撐布置。

隨著機(jī)組容量的提高，汽輪機(jī)進(jìn)汽量也會(huì)相應(yīng)地提高。1 350 MW機(jī)組汽輪機(jī)主蒸汽質(zhì)量流量比相同主蒸汽參數(shù)下1 000 MW機(jī)組汽輪機(jī)主蒸汽質(zhì)量流量增大約35%，同時(shí)，汽輪機(jī)通流部分葉片高度會(huì)增加，可顯著降低汽輪機(jī)通流部分損失，提高機(jī)組效率。

汽輪機(jī)通流部分損失主要包括型面損失、二次流損失、漏汽損失等。對(duì)于典型的超高壓缸內(nèi)通流部分，其主要損失構(gòu)成及其占比見(jiàn)圖4。型面損失、二次流損失和漏汽損失的占比較大。通過(guò)采用先進(jìn)的葉型技術(shù)和流型匹配技術(shù)，可以有效減小動(dòng)葉及靜葉型面損失，使葉片具有良好的氣動(dòng)性能及變攻角性能，并且該方法已經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證及實(shí)際投運(yùn)驗(yàn)證。機(jī)組容量提升后，優(yōu)化流型在控制二次流損失及減小漏汽損失方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖4 通流部分損失構(gòu)成及其占比

2.1 降低二次流損失

二次流損失[4]及端部的摩擦損失(靜葉二次流損失和靜葉型面損失)在總損失中占比較大，因此控制二次流損失是提升通流效率的關(guān)鍵。二次流形成的原因是沿通道橫向存在壓力梯度，位于端壁邊界層內(nèi)的流體動(dòng)能較小，無(wú)法平衡橫向壓差的作用，導(dǎo)致邊界層內(nèi)的流體從葉片內(nèi)弧面流向背弧面。降低二次流損失最有效的方法是提高相對(duì)葉高。對(duì)于1 350 MW機(jī)組汽輪機(jī)，由于其進(jìn)汽量明顯增大，絕對(duì)葉高大幅度提高，使葉片背弧的根部、頂部區(qū)域的二次流影響范圍都大大減小，進(jìn)而可以顯著降低二次流損失在總損失中的占比。

2.2 降低漏汽損失

汽輪機(jī)動(dòng)靜部分的漏汽導(dǎo)致做功工質(zhì)存在損失，進(jìn)而降低汽輪機(jī)效率。在設(shè)計(jì)汽輪機(jī)通流部分時(shí)，通過(guò)采用先進(jìn)的流型加載設(shè)計(jì)，可以合理控制葉片根部到頂部的反動(dòng)度，并且可以降低通流部分漏汽損失。同時(shí)，結(jié)合機(jī)組整體設(shè)計(jì)方案，選取合適的汽封形式，可以有效控制漏汽損失[5]。

同參數(shù)等級(jí)機(jī)組的機(jī)型、分缸壓力、通流部分等方面的設(shè)計(jì)接近，漏汽量基本相當(dāng)，而提高機(jī)組容量，能夠顯著減小漏汽損失在機(jī)組做功中的比例，進(jìn)而減小漏汽損失對(duì)機(jī)組效率的影響。機(jī)組容量提高至1 350 MW時(shí)，汽輪機(jī)通流部分葉片高度提高，二次流損失降低，同時(shí)漏汽損失在機(jī)組做功中的比例減小，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性得到改善。

3 二次再熱技術(shù)的應(yīng)用

空冷機(jī)組對(duì)環(huán)境溫度的變化比較敏感，其背壓變化范圍比較大而且頻繁，對(duì)低壓缸末級(jí)葉片、低壓缸和軸系影響較大。機(jī)組排汽濕度過(guò)低，因此高應(yīng)力的末級(jí)葉片需要避免進(jìn)入威爾遜區(qū)運(yùn)行。針對(duì)該問(wèn)題主要展開(kāi)的研究為：(1)提高主蒸汽參數(shù)對(duì)熱力循環(huán)的影響；(2)研究選取合適的一次再熱蒸汽參數(shù)以提高熱效率和方便布置設(shè)備；(3)研究二次再熱對(duì)熱耗率和排汽濕度的影響；(4)研究二次再熱空冷機(jī)組運(yùn)行技術(shù)。

通過(guò)一系列研究，開(kāi)發(fā)出更先進(jìn)的、更耐腐蝕的、適用于空冷機(jī)組的末級(jí)葉片，降低了二次再熱空冷機(jī)組潛在的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，能有效保證機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

機(jī)組排汽濕度主要受二次再熱蒸汽壓力、溫度和排汽背壓的綜合影響，二次再熱空冷機(jī)組的排汽濕度較大[6]。機(jī)組在額定背壓(9.5 kPa)下排汽濕度約為5%，末級(jí)葉片長(zhǎng)期處于威爾遜區(qū)，并且在夏季低負(fù)荷背壓下末級(jí)葉片容易出現(xiàn)過(guò)熱的情況。

解決排汽濕度較大的主要措施是適當(dāng)降低再熱蒸汽溫度，將排汽濕度提高到合理的區(qū)域。但是，降低再熱蒸汽溫度后，機(jī)組熱效率明顯降低，不利于機(jī)組高效運(yùn)行。因此，主要研究方向是研制滿足二次再熱空冷機(jī)組低排汽濕度運(yùn)行的技術(shù)，并且已經(jīng)取得成功，可以保證機(jī)組安全高效運(yùn)行。

3.1 主蒸汽參數(shù)的選擇

提高主蒸汽參數(shù)可以有效提升整個(gè)電廠熱力循環(huán)經(jīng)濟(jì)性。圖5為某二次再熱空冷機(jī)組的熱力循環(huán)。

圖5 某二次再熱空冷機(jī)組的熱力循環(huán)

提高主蒸汽壓力可以提高整體循環(huán)效率，并且在主蒸汽溫度不變的情況下提高工質(zhì)平均吸熱量。一般情況下，壓力對(duì)熱耗率的影響為：在25～30 MPa，壓力每提高1 MPa，熱耗率降低約0.15%；在30～35 MPa，壓力每提高1 MPa，熱耗率降低0.10%～0.12%。

提高主蒸汽溫度或再熱蒸汽溫度都將顯著提升循環(huán)效率。一般情況下，當(dāng)主蒸汽溫度在600 ℃左右時(shí)，主蒸汽溫度每提高10 K，熱耗率降低0.25%；再熱蒸汽溫度在620 ℃左右時(shí)，再熱蒸汽溫度每提高10 K，熱耗率降低0.15%。

圖6為一次再熱機(jī)組主蒸汽參數(shù)從28.0 MPa/600 ℃提高至35.0 MPa/630 ℃時(shí)，機(jī)組熱耗率的變化。隨著主蒸汽參數(shù)的提高，機(jī)組熱耗率大幅降低。

圖6 一次再熱機(jī)組主蒸汽參數(shù)對(duì)熱耗率的影響

3.2 一次再熱蒸汽壓力的選擇

汽輪機(jī)首級(jí)高壓加熱器回?zé)岢槠话悴捎贸邏焊着牌?，因此在選擇一次再熱蒸汽壓力時(shí)需要考慮鍋爐給水溫度。一次再熱蒸汽壓力過(guò)高，給水溫度偏高于最佳給水溫度，一次再熱蒸汽吸熱量占總吸熱量的比例下降，導(dǎo)致整體循環(huán)效率下降；同時(shí)，超高壓缸排汽溫度偏高，一次再熱器進(jìn)口溫度偏高。一次再熱蒸汽壓力過(guò)低，鍋爐給水溫度偏低，整體循環(huán)效率下降，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致難以布置二次再熱受熱面。

圖7為一次再熱蒸汽壓力對(duì)熱耗率的影響。由圖7可得：一次再熱蒸汽壓力與主蒸汽壓力的比約為40%時(shí)，整體循環(huán)效率最高；綜合考慮給水溫度及超高壓缸排汽溫度，一般選取一次再熱蒸汽壓力為主蒸汽壓力的34%～37%為宜，在該比值下熱耗率相對(duì)較低。

圖7 一次再熱蒸汽壓力對(duì)熱耗率的影響

3.3 二次再熱蒸汽壓力的選擇

二次再熱蒸汽壓力選取主要需要考慮整體循環(huán)效率、排汽濕度、中壓缸排汽壓力和溫度等因素的影響。二次再熱蒸汽壓力過(guò)高，高壓缸排汽溫度偏高，二次再熱器進(jìn)口溫度偏高；同時(shí)，二次再熱蒸汽吸熱量占總吸熱量的比例下降，整體循環(huán)效率下降。二次再熱蒸汽壓力過(guò)低，整體循環(huán)效率降低，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致中壓缸排汽溫度偏高或者必須選取較低的中壓缸排汽壓力，進(jìn)而對(duì)汽輪機(jī)連通管及低壓模塊的設(shè)計(jì)造成不利影響。

1 350 MW機(jī)組在9.5 kPa背壓下，二次再熱蒸汽壓力對(duì)熱耗率和排汽濕度的影響見(jiàn)圖8。由圖8可得：二次再熱蒸汽壓力與主蒸汽壓力的比在9%～11%時(shí)，熱耗率最低，對(duì)應(yīng)排汽濕度為4.5%～5.7%。

圖8 二次再熱蒸汽壓力對(duì)熱耗率和排汽濕度的影響

3.4 中壓缸排汽壓力的選擇

1 350 MW二次再熱機(jī)組中壓缸排汽質(zhì)量流量一般比相同主蒸汽參數(shù)下常規(guī)1 000 MW一次再熱機(jī)組中壓缸排汽質(zhì)量流量高約30%，因此中壓缸排汽壓力的選擇對(duì)于機(jī)組設(shè)計(jì)尤為重要。中壓缸排汽壓力選取過(guò)高，中壓缸排汽溫度偏高，中壓缸焓降小，效率會(huì)降低；低壓缸進(jìn)口溫度高易造成低壓缸變形。中壓缸排汽壓力選取過(guò)低，中壓缸排汽容積流量大，對(duì)于中壓缸通流部分設(shè)計(jì)要求較高。

一般將1 350 MW機(jī)組中壓缸排汽壓力選擇在0.5 MPa左右，以保證更高的中壓缸效率，這種參數(shù)選擇對(duì)于汽輪機(jī)制造來(lái)說(shuō)是成熟可靠的。660 MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)中壓缸采用單通流設(shè)計(jì)，中壓缸末級(jí)長(zhǎng)葉片的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)豐富。660 MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)單通流中壓缸效率見(jiàn)圖9。1 350 MW機(jī)組中壓缸采用雙分流設(shè)計(jì)，可在660 MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)單通流的基礎(chǔ)上進(jìn)行改型設(shè)計(jì)。

圖9 660 MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)單通流中壓缸效率

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)采用高參數(shù)設(shè)計(jì)的二次再熱空冷機(jī)組汽輪機(jī)，結(jié)合高效的汽輪機(jī)新一代通流技術(shù)，汽輪機(jī)效率提高0.5～1.0百分點(diǎn)，熱耗率降低約70 kJ/( kW·h)。

經(jīng)研究表明，汽輪機(jī)通過(guò)選取合適的主蒸汽參數(shù)、一次/二次再熱蒸汽參數(shù)、中壓缸排汽壓力等參數(shù)，并且與新一代通流技術(shù)結(jié)合，可以使汽輪機(jī)熱力性能得到一定優(yōu)化，同時(shí)可以改善整體循環(huán)效率和機(jī)組熱耗率等熱力性能指標(biāo)。