百万二次再热超超临界六缸六排汽机组技术研究

马魁元

(大唐东北电力试验研究所有限公司，吉林 长春 130012)

0 前言

2016年底，全国全口径发电装机容量16.5亿kW，同比增长8.2%，其中可再生能源电力总装机6.0亿kW，占比36.4%。我国是以煤炭为主要一次能源的国家，煤电在电力生产中占主导地位。能源是人类赖以生存和发展的基础，是国民经济命脉[1]。随着国民经济的快速发展，我国发电设备的装机容量也以较快的速度增长。但是，随之而来的是会产生大量的排放污染，迫于环境保护方面的压力，提高煤炭能源利用率降低污染排放，节能降耗创新技术发展迅速，节能是实现中国能源经济可持续发展的关键[2]。节能减排是我国国民经济和社会发展的一项长远战略方针，而火电厂是一次能源的消费大户，同时也是节能减排的重点企业[3]。世界上许多国家都积极开发更高效率、更少排放的燃煤机组，大型化、高参数成为今后燃煤机组发展的趋势。

自2006年国内首台百万超超临界火电机组投产商业运行，标志着中国已掌握了当今世界最先进的火力发电技术。截止到2015年底，已经投产运行的百万机组已达到82台，在建机组10台，成为世界范围内百万机组最多的国家之一。目前国内百万机组多均为五缸四排汽型式，汽轮机的缸效率会直接影响到机组的经济指标[4]，为了追求更高的汽轮机内效率，需要提高汽轮机进汽参数的同时降低排汽压力，而在设计制造汽轮机的过程中，初参数的提高对合钢材料的品质及工艺要求较高，受到了较大的发展限制。这就需要降低排汽压力而提出降低汽轮机阻塞背压的方法，降低阻塞背压的方法有两种：一是提高末级叶片的高度，但由于汽轮机转速高，末级叶片高度很难进一步提高。二是增加低压缸的数量，增加凝汽器排汽面积[5]。

本文通过增加低压缸数量的方式达到六缸六排汽汽轮机组，分析其技术特性和技术指标。

1 六缸六排汽技术特性

1.1 总体方案

为顺应世界范围内大功率、高参数、低能耗汽轮机组的发展趋势，提出了机组功率等级1 000 MW效率最优的汽轮机组的要求，本次研究的对象为1 000 MW超超临界二次再热六缸六排汽机组，为了使汽轮机背压达到阻塞背压以下，由原来的两个低压缸增加一个低压缸，使汽轮机背压设计为2.9 kPa，研制开发了百万二次再热超超临界火力发电机组，型号为：31 MPa/600℃/620℃/620℃，拟采用六缸六排汽的单轴方案。汽轮机各缸顺序依次为一个高压缸、一个超高压缸、一个中压缸和三个低压缸串联的布置方式，如图1所示。

图1 六缸六排汽三维外观图

主蒸汽及高、低温再热蒸汽系统采用单元制系统。锅炉主给水经过过热器加热后成为主蒸汽进入超高压缸，超高压缸做完功的乏汽为一次低温再热蒸汽，进入锅炉再热器加热后成为一次高温再热蒸汽，一次高温再热蒸汽进入高压缸做功，高压缸做完功的乏汽为二次低温再热蒸汽，进入锅炉再热器加热后成为二次高温再热蒸汽，二次高温再热蒸汽进入中压缸做功，中压缸做完功的乏汽进入低压缸做功，最终低压缸排汽进入凝汽器凝结冷却进入凝结水系统，在经过除氧器除氧、给水泵加压后进入高压加热器加热，出口给水进入锅炉加热完成一次汽水循环。

1.2 轴系稳定特性

机组的振动水平是表征电厂稳定安全最重要的标志之一。过大的机组振动不仅引起机组动静碰磨、加速零部件磨损、造成部件疲劳损伤等故障，严重时还会造成机组毁坏的特大事故[6]。

六缸六排汽方案与五缸四排汽方案相比，轴系明显加长，轴系膨胀尺寸发生相应变化，轴系稳定性如何保证是值得关注的技术难题。为了解决轴系稳定性和低压缸差胀过大问题，设计时将汽缸布置顺序和膨胀死点进行了调整。五缸四排汽方案，缸体的布置顺序是超高压缸、高压缸、中压缸和两个低压缸，机组膨胀死点位于超高压缸和高压缸之间。六缸六排汽方案，缸体的布置顺序是高压缸、超高压缸、中压缸和三个低压缸，膨胀死点在超高压缸和中压缸之间。在3号轴承座内装有径向推力联合轴承。因此，整个轴系是以此为死点向两头膨胀；而高压缸和中压缸的猫爪在3号轴承座处也是固定的。因此，整个机组的动静膨胀方向是相同的，解决了轴系膨胀不畅的问题。

图2 六缸六排汽支撑点及轴系分布图

汽轮发电机组轴系由八根转子、十个轴承支承组成，其中，汽轮机部分由一根高压转子(HP)、一根超高压转子(VHP)、一根双流中压转子(IP)及三根双流低压转子(LP1、LP2、LP3)组成；发电机部分则由水氢氢发电机(GEN)及静态励磁机(EXC)转子组成。其中，汽轮机转子除高压转子外其他均采用单支承结构型式，发电机转子为双支撑结构，励磁机转子励端由一个四块可倾瓦轴承与发电机形成三支承结构。

通过计算八根转子的一、二阶阻尼临界转速见表1，能满足避开额定转速10%的要求(西门子标准)及国家标准15%的要求。

另外，通过计算轴系扭振频率见下表，轴系的各阶扭振频率应避开45～55和95～105的范围，满足考核规范要求。

表1六缸六排汽转子的临界转速计算表

转子高压转子超高压转子中压转子低压转子1低压转子2低压转子3发电机转子励磁机转子一阶临界转速/r·min-11 7822 2021 5421 2961 2961 2907323 828二阶临界转速/r·min-1>4 500>4 500>4 500>4 000>4 000>4 0002 172>4 500

表2六缸六排汽轴系扭振频率计算表

阶数12345678频率/Hz10.9816.9819.4624.9434.8968.43129.84141.72

1.3 经济指标分析

由于机组增加了一个低压缸采用六缸六排汽方案，使低压缸排汽面积增大，低压缸通流能力提高，汽轮机背压由原来的3.8 kPa降低至2.9 kPa，降低了汽轮机的末参数，提高了汽轮机循环热效率。为了对比六缸六排汽在经济方面具有什么样的优势，对六缸六排汽方案经过系统和冷端优化，提出两种对比方案。方案一：六缸六排汽方案，设计排汽压力为2.9 kPa，型号为N1000-30/600/620/620；方案二:五缸四排汽排汽方案，设计排汽压力为3.8 kPa，型号为N1000-31/600/620/620。两种方案的主要技术指标见表3。

表3六缸六排汽与五缸四排汽主要经济指标对比表

参数六缸六排汽方案五缸四排汽方案机组出力/MW1 0001 000主蒸汽压力/MPa3031主蒸汽温度/℃600600主蒸汽流量/t·h-12 5412 771一次再热蒸汽压力/MPa1010.7一次再热蒸汽温度/℃620620二次再热蒸汽压力MPa3.33.2二次再热蒸汽温度/℃620620低压缸排汽压力/kPa2.93.8低压缸排汽流量/t·h-11 3311 440给水泵驱动方式汽动汽动最终给水温度/℃325328机组热耗率/kJ·(kWh)-16 9497 024

通过表3可以看出，在设计工况下进行两种方案的对比分析，五缸四排汽方案机组机组热耗率为7 024 kJ/kWh，而优化后的六缸六排汽方案机组热耗率为6 949 kJ/kWh， 明显低于前一方案75 kJ/kWh，折合成供电煤耗约2.28 g/kWh。

1.4 设备制造周期

目前汽轮机厂家均采用先进的模块化设计理念，机组采用六缸六排汽型式后，需要增加一个低压缸模块。由于低压缸排汽压力的变化，低压缸的排汽容量发生根本变化，三个低压缸整体做功能力发生了变化，对高压缸、超高压缸和中压缸的做功也会产生影响，并不是简单的由两个低压模块增加为三个低压模块，汽轮机厂家需要通过优化末级叶片高度和叶型、优化轴系稳定性，最终提高低压缸通流效率。而且还要对高压缸、超高压缸和中压缸的做功能力进行核算，重新设计，势必会增加生产制造周期，设计周期保守估计，六缸六排汽方案比五缸四排汽方案会增加4个月。

2 效益分析

2.1 初投资对比分析

六缸六排汽方案较五缸四排汽方案，一台机组需要增加一个低压缸，由于轴系增加，厂房需要额外增加土建工程，相应的辅助设备及泵组需要增加，另外还需要增加一部分循环水管道。具体增加的项目及投资见表4，总体而言，六缸六排汽方案较五缸四排汽方案需要增加投资为6 636万元。

表4两种设计方案的投资比较

方案低压缸及附属设备主厂房土建机务辅助设备水工机械及泵组循环水管六缸六排汽方案+5 500+680+120+163+173五缸四排汽方案00000

2.2 燃煤成本分析

在进行燃煤成本分析中，要确定在两种方案的边界条件及热力系统一致的条件下。按照年发电利用小时数5 500 h，一台发电机组年发电量为55亿kWh计算，六缸六排汽每年可以节约标煤约1.254万t，按照每t标煤500元计算，则每年可节约燃煤成本约627万元,见表5。

表5两种方案单台机组热耗率、煤耗、运行费用对比

设计方案年均发电热耗率/kJ·(kWh)-1供电煤耗/g·(kWh)-1供电煤耗差值/g·(kWh)-1年均标煤耗量差值/万t年均运行费用差值/万元六缸六排汽方案6 949259.8基准00五缸四排汽方案7 024262.08+2.28+1.254627

2.3 综合效益分析

对六缸六排汽和五缸四排汽两种方案进行投资分析及燃煤成本分析后，采用最小年费用比较法[7-8]进行计算，公式如下

NF=i(1+i)n×K/((1+i)n-1)+C

式中NF——年费用/万元；

K——投资的现值/万元；

n——设备经济运行年限，取25年；

C——折算的年运行费用(包括运行电费、维修费和管理费等，假设经济运行期内每年的运行费是等额的)/万元；

i——折现率。

表6两种方案单台机组年费用对比

设计方案燃料成本/万元初投资/万元年均费用差值/万元六缸六排汽方案-6275 5000五缸四排汽方案基准基准基准

通过两种方案按照最小年费用法进行计算可知见表6，六缸六排汽方案较五缸四排汽方案多投资约5 500万元，但是六缸六排汽方案可每年节约燃煤成本约627万元，则至少8.8年后可回收投资成本，从第9年开始盈利。

2.4 环保效益分析

从环境保护和节能降耗方面考虑，六缸六排汽方案也优于五缸四排汽方案。该工程六缸六排汽方案两台机组年节约标煤2.508万t，相当于每年减排烟尘排放8 444 t，减排二氧化硫排放515 t，减排氮氧化物排放109 t，减排温室气体二氧化碳排放69 472 t。该工程六缸六排汽方案，改善了环境空气质量，减少了温室气体二氧化碳，从而降低温室效应，具有可观的环境效益。

3 结论

(1)六缸六排汽方案较五缸四排汽方案增加一个低压缸，轴系增长，轴系稳定性通过调整膨胀死点得到了有效解决。

(2)六缸六排汽方案在北方沿海地区应用后，通过优化低压缸排汽参数，降低背压至2.9 kPa，每年节约标煤约2.28 g/kWh，折合成标煤约1.254万t，具有非常好的社会效益。

(3)从环境保护和节能降耗方面，六缸六排汽方案每年向大气减少大量的污染物排放，对保护环境具有较高的效益。