超超临界汽轮机的热力方案研究

超超临界汽轮机的热力方案研究
谭锐李曦滨卫栋梁王忠年
东方汽轮机厂（产品开发处）
Research on thermodynamic design of ultra-supercritical unit
Tan Rui, Li Xibin, Wei Dongliang, Wang Zhongnian
Product Exploitation Dept. Of Dongfang Steam Turbine Works
摘要：本文在对世界上超超临界汽轮机的发展过程进行分析后，提出了目前阶段适用于国内超超临界汽轮机的总体热力方案；对国内不同地域及海外市场的特征进行分析后，提出应采用不同机型以满足不同用户的需求；同时本文对未来的超超临界机型进行了展望。

关键词：超超临界汽轮机热力方案机型展望
Abstract:After reviewing development course of ultra-supercritical turbine worldwide, this paper presents a general thermodynamic scheme suitable for ultra-supercritical turbine at current stage in China. It is concluded that different types of turbines should be used for requirements from different customers by analyzing features of various areas in China and overseas market. The future prospect of types of ultra-supercritical unit is also reviewed
Key words:ultra-supercritical, turbine, thermodynamic scheme, types, future prospect
1 前言
经过几十年的电力工业发展，国内超超临界机组已进入工程实施阶段，大批新上项目均为超超临界参数。

汽轮机总体设计是汽轮机的首要设计内容，需综合制造厂的技术路线、材料水平、工艺水平及投资等方面，进行深入、细致的研究后，方可制定出性能较佳且切实可行的热力方案。

2 目前国内外超超临界机组的发展情况
超临界发电技术在先进国家已经历了四十余年的坎坷历程，已日渐成熟。

在此基础上顺理成章地从超临界机组过渡到超超临界机组，图1、图2分别为日
本日立公司和东芝公司超超临界机组的发展中参数的变化历程。

目前，世界上对超超临界（Ultrasupercritical,简称USC）的定义尚未统一，主要观点有：
1）蒸汽压力27.5MPa是SC和USC的分界线（丹麦等）；
2）SC和USC应从材料等级来划分（西门子等）；
3）将压力>24.2MPa，或温度达到593℃以上定义为USC（日本）；
4）将压力>31MPa，温度达到760℃以上定义为USC（美国）。

就我国目前所掌握的发电、材料及制造技术水平而言，用第三种观点来定义超超临界机组更为恰当。

即保持常规超临界机组24～25MPa的水平，压力不升档而一次汽温和二次汽温超过566℃一个档次，达到593－600℃，即可视为USC机组。

从近年来国内超超临界机组招标情况来看，均不约而同地将主蒸汽压力定为25MPa一档，主蒸汽及再热温度定为600℃，这表明国内电力行业已经认同了现阶段发展超超临界，要走升温不升压这条稳妥而不失先进性的道路。

USC机组的容量与排汽面积直接相关。

随着各制造厂更长的末级叶片的开发成功，USC机组的容量普遍达到了1000MW等级，并且都不约而同地从双轴的布置结构，优化设计为单轴结构。

对1000MW等级的USC机组而言，排汽口的数目也由六排汽变为四排汽，大幅度降低了投资和运行维护费用。

图3即为某公司设计的1000MW、单轴、四缸四排汽的USC汽轮机的示意图。

3 超超临界机组的先进性
超超临界机组的特点为：
z运用先进通流技术的高通流效率
z更高的循环效率
z带基本负荷能力强，同时兼顾调峰
z容量大需适应电网调频的要求
由于超超临界机型在世界上尚处于发展阶段，世界各大公司无不将所拥有的最先进汽轮机技术应用其中，因而其汽轮机内效率也较其他参数机型更高；同时初、终、再热参数的提高使其较其它参数机型具有更高的循环效率；因而该类机组代表了汽轮机行业的最高水平。

表1列出了国际两大著名公司在现今招标中所报的超超临界汽轮机1000MW机组THA工况经济指标。

从中可以看出其经济性水平之高。

表1
4 适用于国内及世界不同地域特点的不同机型
我国幅员辽阔，且各个地域存在着不同的特点，因而开发出适合不同地域特征的机型，显得尤为必要。

具体机型有：
4.1 适应东部、南部沿海经济发达、煤价较高地区的大容量高效率机型
对于东部、南部沿海经济发达地区，缺少煤资源，煤价较高，而且煤的运输也非常紧张，同时电力需求量较大，因而其新上机组的侧重点为高效率、低煤耗。

在这种情况下，可以推荐其采用更低背压、更高参数的机型。

推荐机型参数为：26.5/600/610/，该参数机型锅炉、汽机材料等级不变，设计与25MPa相同，因而投资增加不大，同时，借鉴国外经验，可采用深海冷却等方式，进一步优化冷端参数，将背压从4.9kPa降至3－4kPa。

另外可将其设计为带基本负荷机型，即将其设计为节流配汽，取消调节级，以尽量提高高压缸效率。

综合采用上述措施后，汽轮机热耗将较常规超超临界湿冷机组降低约100kJ/kw.h，煤耗下降3.5g。

4.2 适应三北地区富煤缺水地区的空冷机型
在三北地区，近年来水资源的极度匮乏已使该地域的大部分地区上湿冷电站成为一种奢望。

但由于其煤资源丰富，又使其有建设大规模坑口电站的能力及迫切愿望。

为解决这一矛盾，高参数、大容量空冷机组提上了议事日程。

常规的机型为1000MW等级超超临界直接空冷机组。

在方案设计中，所需解决的主要问题有：
z排汽压力的确定
z通流能力的增加
z末级叶片的选择
z系统配置
在该地域内，设计大气干球温度通常为18-20℃，ITD常规取30-35℃，对应背压为11-16kPa。

由于背压升高，汽轮机膨胀过程缩短，等熵焓降减少，因而通流能力较湿冷机组需有一定增加。

众所周知，空冷机组最大的难度在于末级叶片的选择。

根据设计点最佳排汽速度在180-210m/s的原则，排汽面积约为29－33m2时最佳（四排汽方案对应末叶高度约为850－900mm）。

世界上尚没有如此高度的专用空冷末级叶片。

为适应这种需要，东方汽轮机厂已经开始该等级叶片的开发。

为适应空冷机组高背压、高凝结水温的条件，低压加热器通常较湿冷机组少配置一个。

经综合热平衡计算，
热耗虽升高约0.5kcal/kW.h，但由系统的简化所带来的投资、运行、维护成本收益较大。

在国内300MW、600MW等级空冷机组设计中，通常给水泵驱动方式通常选择电泵，主要原因为：
z该等级电泵驱动方式较为成熟；
z专用空冷给水泵汽轮机较难设计。

但容量等级升至1000MW超超临界后，目前在世界上已很难找到与之相配的电动给水泵。

因而现在各大设计院不约而同地选择了独立湿冷给水泵汽轮机驱动小岛配置。

经比较，两方案净热耗水平相当，汽泵方案略佳，且工程实现更易。

4.3 适应北方地区兼顾城市集中供热的供热机型
近年来，由于环保要求，北方城市日益倾向于集中供热方式。

而由于关系到民生，对机组的可靠性要求非常高。

供热机型的特有特点为：
z供热量及最小冷却流量的确定
z供热相关级的设计
z供热的调节方式
z系统配置
机组容量达到1000MW后，主蒸汽流量超过3000t/h，根据供热量为50％主蒸汽流量的设计原则，供热量最大将达到1500t/h。

最小冷却流量则采用机组排汽级段不出现鼓风的原则确定。

对于如此大的供热量，只能采取中低压联通管上加装供热蝶阀的调压方式。

而由于标准采暖供热压力为0.25－0.3MPa，即使供热管道较长，但虑及供热经济性，供热压力最大不应超过0.4MPa，因而中低压分缸压力在0.5MPa左右为宜。

需要解决的问题主要为：
z中压末几级在抽汽工况下的轮周功非常大，高达冷凝强度工况的一倍，相应级的叶片设计有较大难度；
z抽汽口口径大，汽轮机跨距需进一步拉大，轴系安全性需进一步校核。

4.4 容量相对较小机型的开发
在我国部分地区及海外市场，由于电力需求及电网容量相对较小，机组容量不需达到1000MW，因而600MW等级甚至更低容量的超超临界机组仍将有相当大的市场。

超超临界600MW机组的首选机型应为两缸两排汽方案。

表2列出了600MW两排汽方案与四排汽方案的主要参数。

表2
从表中数据可以看出，四排汽方案的低压缸效率略高于两排汽方案，经济性水略佳。

但两排汽方案将大大降低电厂的投资、运行、维护成本，性价比更高，这无疑将对业主产生巨大的诱惑力。

随着各大公司48英寸末级钢叶片的陆续开发成功并投入商业运行，实现两排汽方案的最大障碍业已解决，从而使该方案可以应用于工程实践中。

5 未来超超临界汽轮机的展望
在材料问题解决后，同时超超临界机组的运行以及相应制造技术更为成熟后，可以预见，未来20年内，超超临界参数将从现在25MPa/600℃/600℃提高到新的档次，具体为：
z34.5MPa/700℃/720℃/720℃（二次再热，欧盟）
z40MPa/760℃/760℃/760℃（二次再热，美国）
z34.3MPa/650℃/593℃/593℃（二次再热，日本）
达到上述参数后，机组膨胀过程加长（图5为几种参数下汽轮机膨胀过程线），等熵焓降提高，导致同等出力下，做功所需蒸汽流量减小；同时，由于压力提高，对应给水温度提高，循环效率也有大幅提高。

我们列出上述机型的主要技术参数于表3 。

表3
方案方案1 方案2 方案3
机组型式单轴、四缸四排汽、二次
中间再热、冲动、凝汽式
单轴、三缸两排汽、二次
中间再热、冲动、凝汽式
单轴、四缸四排汽、二次
中间再热、冲动、凝汽式
额定功率1000MW 1000MW 1000MW 转速3000r/min 3000r/min 3000r/min 主蒸汽压力34.5MPa 40MPa 34.3MPa 主蒸汽温度 700℃ 760℃ 650℃
一次再热压力 6.307MPa 5.987MPa 6.765MPa 一次再热温度 720℃ 760℃ 593℃
二次再热压力 2.249MPa 2.145MPa 2.38MPa 二次再热压力 720℃ 760℃ 593℃
排汽压力 4.5kPa 4.5kPa 4.5kPa 排汽流量
变化率（*1）
-20.2% -30.6% -10.8% 等熵焓降变化量
（*2）
+189 kJ/kg +307.4 kJ/kg +87 kJ/kg
排汽湿度8～10% 8～10% 8～10%
回热系统四高加 + 一除氧器 +
四低加
四高加 + 一除氧器 +
四低加
四高加 + 一除氧器 +
四低加
最终给水温度 308.5℃ 304.6℃315.1
给水泵驱动方式给水泵汽轮机给水泵汽轮机给水泵汽轮机
末级叶片高度1016.2mm 1320.7mm 1092.2mm 汽轮机热耗6920kJ/kW.h 6771kJ/kW.h 7142kJ/kW.h
循环效率52.0% 53.2% 50.4% *1：排汽流量变化率为表中机型与25/600/600机型比较。

*2：等熵焓降变化量为表中机型与25/600/600机型比较。

图5
排汽量减小后，同时，随着更长的全转速末级叶片的开发，将有可能1000MW等级机组上实现双排汽方案。

这将给电厂带来巨大的收益。

同时，由于参数的提高也需解决一系列问题，如辅机的配套、二次再热相关问题等。

6 结论
超超临界汽轮机现阶段采用总体热力方案为25MPa/600℃/600℃、一次中间再热、单轴、四缸四排汽的方案是可行的，为目前国际上的主流方案，其综合性能是先进的，使我国的汽轮机整体水平跨入国际先进之列，推动整个国家的电力工业的发展，具有里程碑的重大意义。

正如亚临界、超临界机型一样，超超临界机型有必要开发出供热、空冷以及较小容量等系列，以适应国内与国际电力市场的多元化需求。

随着技术的不断进步，未来的超超临界机组将较现在有更高的效率，而这无疑将推动汽轮机行业向更高的水平迈进。

参考资料
[1] 国家863“超超临界燃煤发电技术”课题组，《我国发展超超临界机组技术方案选型及其分析-国家
863“超超临界燃煤发电技术”课题总结报告》
[2]《火力发电设备技术手册》第二卷
[3] 中国发电设备行业协会汽轮机分会，《超临界压力汽轮机技术文集》
[4] Design and operating experience of the latest 1000-MW coal-fired boiler Hitachi Review
V ol.47(1998),No.5
[5] 1000MW单轴多缸汽轮发电机组的开发 Development of tandem-compound 1000MW steam
turbine and generator 国际电力 2000年第1期
[6] Modern technologles for high-efficiency steam turbine plants OMORI Tatsuro KIYOKUNI Toshihisa
東芝评论 V ol.56 No.6 (2001)
[7] Steam turbines for ultrasupercritical power plants Klaus M.Retzlaff W.Anthony Ruegger General
Electric Company
[8] 21世纪发电新技术，黄其励，中国能源网
作者简介
谭锐（1971.7～），1994年毕业于哈尔滨工业大学热力涡轮机专业。

从事汽轮机热力设计工作。