超高温亚临界135MW汽轮机热力系统设计

宋放放 谢林贵 张文祥 唐丽丽 赖强 刘晓燕

摘要：为了适应煤气发电技术不断向高参数方向发展的需求，东方汽轮机厂研发了超高温亚临界135 MW等级的汽轮机。对该机型的热力系统设计特点进行了介绍，分析了机组的配汽方式、回热系统设计、末级叶片选型等方面内容，为后续机组开发提供了参考。

关键词：超高温亚临界;汽轮机;热力系统

0 引言

钢铁生产中会伴随产生大量煤气、余热，钢厂通过系统性利用余热，开展全面节约热能的工作，保障煤气满足钢铁生产工艺自用后，尚有大量煤气可供电厂燃用，减少了大量煤气（含CO2、CH4等）、高温热气向空气中排放，避免了废气、热源等物质污染大气，改善了钢厂周边环境，提高了钢厂所在区域的可持续发展水平。

随着技术的不断进步，钢厂煤气发电机组的初参数不断提高，大体可以分为以下几个阶段：

（1）第一代中温中压煤气发电技术，主要以3.43 MPa、435 ℃或者更低参数的机组为主，全厂发电效率≤25%，典型项目有湘钢25 MW煤气发电機组项目。

（2）第二代高温高压煤气发电技术，2002年开始煤气发电机组初参数提高至8.83 MPa、535 ℃，全厂发电效率提高至29%～31%，典型项目有沙钢4×50 MW、南钢3×50 MW煤气发电机组项目。

（3）第三代高温超高压、一次再热煤气发电技术，2011年开始煤气发电机组初参数提高至13.24 MPa、535 ℃、535 ℃，随着机组参数的提高以及采用中间再热方式，全厂发电效率提高至35%～38%，典型项目有九江线材2×65 MW、五矿营口135 MW煤气发电机组项目。

（4）第四代超高温亚临界、一次再热煤气发电技术，在2016年部分机组采用超高温超高压参数13.24 MPa、566 ℃、566 ℃，但为了进一步降低机组能耗，超高温亚临界参数被提出并得到了迅速推广应用，初参数为16.67 MPa、566 ℃、566 ℃，全厂发电效率约为42%，典型项目有日照钢铁2×135 MW、湛江钢铁2×135 MW煤气发电机组项目。

一次再热超高温亚临界参数是目前煤气发电领域内最高的主汽参数，针对目前机组经济性要求高、兼顾灵活运行的特点，东方汽轮机厂（以下简称东汽厂）开发了超高温亚临界135 MW机型，在东汽厂已有投运的高温超高压机型基础上，沿用两缸单排汽、中低压合缸的结构设计方案，具有结构紧凑、轴向跨距短、运行灵活性的特点，同时对机组的热力系统进行了优化设计，以提高机组运行经济性。

本文对该型汽轮机的热力系统设计方案进行了介绍，详细分析了机组的配汽方式、回热系统设计、末级叶片选型等方面的内容。

1 总体方案

该机组为N135-16.7/566/566型超高温亚临界、一次中间再热、两缸单排汽、湿冷凝汽式汽轮机。该机组由一个高压模块及一个单流低压模块组成，高压模块和低压模块反向布置，共8级回热，由3个高压加热器+1个除氧器+4个低压加热器组成，末级叶片采用成熟的909 mm末叶。汽轮机主要设计参数如表1所示。

2 配汽方式

本机型采用旁通配汽方式，取消调节级，全周进汽带补汽阀的配置，该种配汽方式具有设计效率高、安全可靠性高的特点。

旁通配汽机组正常运行时，补汽阀全开无节流损失，当机组进行一次调频时，可以通过快速开启补汽阀及时响应，满足电网调频需要的同时减少锅炉运行波动。当汽轮机处于THA工况以下负荷时，高压阀组处于调节阀全开、补汽阀全关的状态，补汽阀处于热备用状态，当电网发出一次调频指令时开启，当机组功率从额定功率增大时（具有一定功率裕度），补汽阀开启，蒸汽补进通流中，以满足流量增加的要求;当汽轮机处于THA工况以上负荷时，补汽阀处于开启状态。

旁通配汽与节流配汽主汽压力与负荷率的关系曲线如图1所示。从图1中可以看出，旁通配汽各工况的主汽压力明显高于节流配汽方式，机组循环效率更高，经济性更好。

考虑对结构和主流的影响，该机型补汽点设在高压10级后，补汽阀位置处压力及流场分布示意图如图2所示。

从图2中可以看出，下游叶片入口处的流场（压力、速度矢量等）均匀，说明补汽阀结构尺寸较为合适，对下游叶片的气动性能影响较小;主流与补汽阀进入的汽流掺混区域距离转子表面尚远，两股汽流混合产生的非定常效应不断衰减，因此转子的激振程度受影响非常小。采用环形进汽腔室，能够在补汽阀开启时产生很好的均压作用，对主流的影响很小，轴系振动情况良好。

3 回热系统设计

随着电厂节能减排工作的不断推进，火力发电设备的经济性要求越来越高。在机组进、排汽参数确定时，通过优化回热系统设计，能够进一步改善机组的热耗水平。

3.1    给水温度选择

最终给水温度升高有以下影响：其一，随着给水温度的提高，机组平均吸热温度升高，循环效率提高，但在给水温度升高达到一定值后，汽轮机热耗变化趋势变缓;其二，锅炉效率随排烟温度升高逐渐降低。

综合考虑给水温度对汽轮机热耗和机组进汽量的影响，推荐给水温度约为300 ℃，较早期亚临界机型升高约10 ℃，汽轮机的热耗降低约14 kJ/kWh。

3.2    再热压力选择

对于中间再热机组而言，再热压力的确定应综合考虑排汽湿度、循环效率、高排蒸汽压力、温度等方面的影响。如果一次中间再热压力设计偏高，相应的高压缸排汽压力、温度偏高，锅炉再热器进口温度偏高，对其设计造成不利影响，同时，再热循环所占份额下降，整体循环效率下降。反之，如果一次中间再热压力设计偏低，后续循环效率下降，导致整体循环效率降低，同时会导致排汽湿度降低。因此，存在一个最佳再热压力，在保证允许的排汽干度情况下，再热循环效率达到最佳值。

经核算，针对超高温亚临界参数机组，当再热压力/主汽压力在19%～21%内，机组热耗最佳。本项目再热压力/主汽压力为20.8%，在最佳再热压力范围内。

3.3    回热级数

根据热力学原理，随着回热抽汽级数增多，回热系统平均换热温差减少，换热不可逆损失越小，能量达到梯级利用的效果，从而提高机组运行经济性。

随着回热级数变多，机组热耗收益不断增加，但收益增加变小，考虑到机组抽口和加热器布置，该机型采用8级回热方案，相对7级回热方案有26 kJ/kWh热耗收益。

4 末级叶片选型

根据汽轮机变工况原理，中间级的蒸汽压力与级流量变化成正比，在变工况时级压比、速比和级效率等参数与设计工况相比基本相同。而对于末级长叶片而言，当外部冷端条件发生变化时，其排汽压力产生很大变化，级各特性参数相应随着流量、排汽压力等的变化而较大幅度变化。因此，末叶选型与汽轮机变工况下的经济性密切相关。

在135 MW等级湿冷机组上，针对5.88 kPa背压，有909 mm、800 mm末叶低压模块，用以适应机组的冷端条件，以使机组性能达到最佳，两个末叶在不同负荷下的热耗变化曲线如图3所示。

计算表明，在50%负荷率以上时，909 mm末叶方案优于800 mm末叶方案。考虑到机组全年平均负荷率一般在50%以上，909 mm末叶的低压模块经济性更优。

5 结语

当前钢厂煤气发电技术不断向高参数方向发展，目前超高温亚临界机组已成为必然趋势。东汽厂开发的135 MW两缸单排汽机型充分考虑了机组经济性和成本，拥有更加优越的运行经济性和变负荷性能。

（1）采用旁通配汽，全周进汽+补汽阀的方式，保证机组在30%～90%负荷范围内经济性更优，同时安全可靠性高;

（2）采用8级回热方案，对回热系统进行优化，合理选取机组给水温度、再热压力、回热级数，保证机组运行经济性，同时兼顾系统的简单、可靠运行需求;

（3）采用909 mm末叶叶片，确保机组额定负荷的运行经济性好，同时具有良好的变工况运行性能。

[参考文献]

[1] 蔡颐年.蒸汽轮机装置[M].北京：机械工业出版社，1982.

[2] 王毅，李斌，杜文亞，等.亚临界超高温煤气发电技术应用和研究[J].冶金动力，2018（4）：29-31.

[3] 杨灵，胥睿.东方第三代135 MW等级汽轮机的设计开发[J].东方汽轮机，2018（3）：20-23.

收稿日期：2020-06-10

作者简介：宋放放（1988—），男，山东济宁人，硕士，工程师，主要从事汽轮机热力系统设计工作。