二次再热汽轮机关键技术分析及探讨_余炎.docx

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1、 D01:10.13707/ki.31-1922/th.2013.02.016 第 42卷第 2期 热力透平 Vol.42No.2 2013 年 6 月 THERMALTURBINE Jun. 2013 二次再热汽轮机关键技术分析及探讨 余炎，刘晓澜，范世望 (上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海 200240) 摘 要：通 过采用二次再热循环，提高主汽参数，汽轮机热耗将比目前超超临界一次再热机组降低 3.6% ,机组 经济性大大提高。介绍了国际上二次再热机组的发展背景、目前成熟材料体系下汽轮机蒸汽参数的选择，以 及汽轮机采用二次再热后带来的设计难点和关键技术，为我国自主开发高参数超超临

2、界二次再热汽轮机提供 了思路和启示。 关键词 ：超超临界 ;二次再热；汽轮机 中图分类号 :TK261 文献标识码 :A 文章编号： 1672-5549 (2013) 02006904 Analysis and Discussion for Key Technologies of USC Double Reheat Turbines YU Yan， LIU Xiao-lan， FAN Shi， ang (Shanghai 曰 ectric Power Generation Equipment Co.， Ltd.， Shanghai Turbine Plant, Shanghai 200240，

3、 China) Abstract ； The double reheat (DRH) technologies with USC steam pressure and temperature can get 3. 6% of heat叶 ate reduction in power plant， thus greatly improving the efficiency. It not only introduces background of DRH application in the world but also describes steam parameter selection,

4、the current mature turbine metal material system, the key technologies as well as design essentials of DRH steam turbine? which will give useful concept for self-deve oped USC double r heat steam turbines. Key words: USC ； double reheat technology ； steam turbine 由于国内煤炭资源丰富，价格相对低廉，我国 的发电燃料仍以煤炭为主。据统计

5、， 2011年我国 的装机容量达到 10.56亿千瓦，其中火电 76 546 万千瓦，占全国总装机容 量的 72.5%。由此可 见，在今后很长一段时期内，我国以煤电为主的能 源结构将不会改变，因此，火电厂的能源资源消耗 和污染物排放己成为国民经济发展的关注焦点。 通过“ 十一五 ” 的努力，我国火电供电煤耗由 370 g/ (kW h)降到 333 g“kW h) , 2011年底全国在 运百万千瓦超超临界火电机组达 39台，全国 6 000 千瓦及以上电厂供电煤耗为 330 gkW h)。 进入 “ 十二五 ” 期间，进一步提高电力行业节 能水平的关键技术手段主要有四个方面：现有电 厂技术改

6、造、洁净燃煤发电技术、热电联产和非化 石新能源发电技术，其中更高效的超超临界机组 是洁净燃煤发电的方向。目前我国 1 MW超 超临界机组的平均供电煤耗约为 292 kW h)，最好的超超临界机组供电煤耗己达到 279 g/ (kW h)， 与全国的平均水平有 38 51 g/ (kW h)的差距，因此增加高效超超临界机组的比 重，以及进一步提高机组性能是降低发电煤耗、提 高节能减排效果的有效手段。 从汽轮机的角度来说，提高蒸汽参数和采用 二次再热是降低热耗的重要手段。在现有的材料 体系下，若采用二次再热，同时提高主汽压力至 35 MPa,提高再热温度至 ttO C ,汽轮机热耗将比 目前超超临

7、界一次再热机组降低 3. 6% ,机组性 能将大大提高。由于欧洲、日本的 700 C计划都 有不同程度的推后，使得高参数二次再热超超临 界机组受到越来越多的关注。近年来国内外汽轮 机制造商都开展了大容量、高参数的二次再热汽 轮机的研宄和开发，本文试对二次再热机组的特 收稿日期 =20124244 修订日期 :201304冶 8 作者简介：余炎 （ 197S-),女，毕业于上海电力学院，上海交通人学在职工程硕士，高级工程师， H前主要从事汽轮机设计。 第 2期 二次再热汽轮机关键技术分析及探讨 点和关键技术进行分析。 美国是最早发展超超临界二次再热火电机组 的国家之一，早在 1957年美国 Ph

8、ilo电厂就投运了 第一台超超临界二次再热机组，容量为 125 MW， 进 汽 参 数 为 31 MPa/ffil/566/566 丈。 1959 年， Eddystone电厂 1号机投产，机组容量为 325 MW， 蒸汽压力为 34.3 MPa， 蒸汽温度为 649/565/565丈。 当时该机组打破了火力发电机组最高出力、最高压 力、最高温度、最高效率 4项记录。该机组在设计 参数下运疔 8年后，由于锅炉过热器高温腐蚀和汽 轮机高压缸蠕变变形等材料问题，自 1968年起将参 数降低为 32. 2 MPa/610/560/560丈，运行至今仍然 是蒸汽压力和蒸汽温度最高的机组。早期的超临界

9、机组可用率低、维修费用高，为了提高机组可用率， 进汽参数多为超临界参数，蒸汽压 力为 24.1 MPa，蒸 汽温度为 538/552/565 I。 日本分别于 1989年和 1990年在川越电厂投 运了 2台超超临界二次再热机组，机组容量为 700 MW， 蒸汽参数为 31 MPa/566/566/566 丈，在 满负荷下的热效率达到 41. 9%。在欧洲，丹麦 Nordjylland电厂 1998年后相继投运了 2台容量 为 411 MW、 参数为 29 MPa/582/580/580 丈的机 组，热效率可达到 44%以上。这也证明了机组采 用二次再热的方案是切实可行的。 二次再热机组虽然效

10、率较高， 但系统复杂，造 价昂贵，当时燃料的成本比较低廉，因此在随后的 火电机组均采用一次再热的形式。而随着煤等化 石燃料的成本不断攀升，国际上 C02排放限制日 益严峻，采用二次再热形式来进一步提高机组的 整体效率就显得尤为必要。 2二次再热汽轮机蒸汽参数选择 提高汽轮机的进汽压力可以提高机组的循环 效率，但同时给汽轮机的内外缸强度设计、中分面 密封等带来一定的难度；主蒸汽压力还受到进汽 温度的限制，在再热温度不变的条件下，提高主蒸 汽和再热蒸汽的压力，将使低压缸的排汽湿度增 大，因此目前再热温度为 600丈的一次再热机组， 其主蒸汽压力都在 30 MPaU)以下。而采用二次 1111 再热

11、将为提高主汽压力带来有利条件。图 1是一 次再热为 27 MPa/600/600丈和二次再热为 30 MPa/600/620/620丈进汽参数下的高中低压缸蒸 汽热力膨胀线。 图 1 一次再热和二次再热高中低压缸蒸汽热力膨胀线 从图中可以看出，二次再热的超高压缸和高 压缸的焓降、进排汽压比与一次再热的高压缸相 比都有所降低，为各缸强度设计带来有利因素。 另外，较低的第二级再热压力，会对 中压缸设计带 来两个不利影响： （ 1)中压缸的进口蒸汽过热度 大大提高，相同排汽（低压进口）压力下的中压排 汽温度大幅度增加，为降低低压缸的进口温度，保 证低压模块的可靠性，必须大幅度降低中压缸的 排汽压力；

12、 （ 2)由于进出口压力的降低，中压缸 进、排汽比容大幅度增加，容积流量是同容量一次 再热机组的两倍以上，给中压缸的设计带来一定 困难。再则，由于低压末级排汽湿度与第二级再 热压力高低有关，为避免低压末级叶片进入湿度 小于 4%的过渡区，不宜选取过低的第二级再热 压力。 为了保证最优循环效率，一次再热压力为主 汽压力的 28% 32%，二次再热压力约为一次再 热压力的 28% 32%,因此为了避免二次再热压 力过低，应尽量提高二次再热机组的主汽压力至 70 二次再热汽轮机关键技术分析及探讨 热力透平 30 MPa以上。在 9% Cr己具备工程应用条件下， 为进一步提高经济性，可以将再热温度提高

13、至 620 V. 3二次再热汽轮机各汽缸特点 采用二次再热，各个汽缸的进出口压力、温度 都有较大幅度的变化，对汽缸的结构形式选择和 设计带来了新的挑战。表 1是以 1 MW机组 为例，采用一次再热 27 MPa/600/600丈和二次再 热 30 MPa /600 /620 /620丈进汽参数的各汽缸的 进排汽参数对比表。 表 1二次再热与一次再热机组各汽缸进出口参数对比 汽缸 参数 一次再热 二次再热 进 /出口压力 MPa / 30/10.5 超尚压缸 进 /出口温度 T / 600/430 进 /出口容积流量 m1 2 3/s / 8.1/17.7 进 /出口压力 MPa 27/5.8

14、10.5/3.6 尚压缸 进 /出口温度 t 600/353 620/444 进 /出口容积流量 m3/s 10.0/29.3 24.5/53 进 /出口压力 MPa 5.0/0.58 3.2/0.4 中压缸 进 /出口温度 X： 600/290 620/320 进 /出口容积流量 m3/s 49.6/234 70.7/297 1) 超高压缸：二次再热机组必须配置一个进 口压力更高的超高压缸，同时该汽缸的排汽压力 和温度也大大提高。因此，二次再热机组超高压 缸的进出口容积流量小于同功率等级一次再热机 组高压缸。由于进出口压力提高，对整个汽缸的 强度、密封等设计提出了更高的要求，传统的中分 面结

15、构将无法满足 25 MPa或更高的进汽压力。 2) 高压缸 :该高压缸的进汽参数介于原超超 临界高压缸和中压缸之间，其进出口容积流量、压 比和焓降相当于同功率等级一次再热中压缸的 1/2 1/3,可以选用较小的中压模块。而针对进 汽压力的提高、排汽温 度的升高等变化，需要对原 汽缸的结构形式进行相应的改型设计，以提高汽 缸的承压和耐尚温能力。 3) 中压缸：该中压缸的进口压力远低于超超 临界一次再热机组，由于进汽温度不变，蒸汽的过 热度也大大增加。为保证低压进口蒸汽温度低于 400丈，必须同时降低该中压缸的排汽压力至 0. 5 MPa以下。由于进出口容积流量比同功率下的一 次再热机组有较大的增

16、加，因此需要采用更大的 中压模块。 4)低压缸：由于低压进口压力降低、蒸汽比 容增加，中低压联通管及低压进汽腔室需相应放 大，而排汽容积流量与一次再热机组基本相当。 由于采用二次再热，低压排汽湿度降低，有利于提 高低压通流效率。 4汽轮机设计难点 汽轮机采用二次再热循环，增加了一个高温 再热缸，提升了主蒸汽压力，但给设计带来一定的 难度，主要体现在以下几个方面。 4.1开发更高压力的超高压缸模块 具传统中分面结构形式的高压缸，由于受到 螺栓应力的限制，能够承受的最高主蒸汽压力基 本停留在 25 MPa水平上，如果压力提高至 27 MPa 及以上，必须采用独特的结构形式。上海汽轮机 厂的超超临界

17、高压缸采用筒型缸设计（见图 2)， 其外缸为圆筒型，无水平中分面，具有较高的承压 能力，己广泛应用于超超临界 1 MW、 660 MW 一次再热机组；阿尔斯通的高压内缸采用红套环 取代内缸螺栓，以提供中分面所需的密封载荷，高 压外缸仍采用常规的中分面螺栓密封结构。针对 二次再热机组，超高压缸应采用特殊结构形式的 分缸设计，以适应更高的进汽压力。 图 2圆筒型高压缸结构示意图 4.1.1 汽缸个数增加对轴系稳定性的影响 由于采用二次再热，势必需增加汽缸个数。同 时由于超高压缸的特殊设计，超高压缸和高压缸的 结构形式也无法实现，因此相同容量二次再热机组 的汽缸个数比一次再热要多 1 2个，对于 8

18、00 MW 容量等级以上机组，汽缸个数将达到 5个，即 1个 单流超高压缸、 1个单流或双流高压缸、 1个双流 1111 第 2期 二次再热汽轮机关键技术分析及探讨 中压缸、 2个双流低压缸。汽轮发电机组的总长 也将大大増加，对轴系稳定性带来一定的影响。 上海汽轮机厂的超超临界机组采用 n (转子个数） + 1的轴承支撑方式， 5根转子仅由 6个轴承来支 承，结构紧凑，轴向尺寸短， 1 MW等级的二次 再热汽轮机总长约 35 m， 比采用传统轴系支撑方 式（即2个轴承支撑 1根转子 ） 的 4缸机组的轴承 数还少、总长还短，具有较高的轴系稳定性。 4.1.2 更大容量的中压模块 由于进、出口容

19、积流量大幅増加，需要放大缸 体模块尺寸、进汽阀门尺寸，因此对中压缸的设计 带来一定的难度。对通流部分来说，为了适应更 大的容积流量，叶片的高度、质量大大增加，叶身 蒸汽弯应力、叶根离心力都相应増大。对于 1 000 MW等级机组双流设计的中压缸，其末几级 叶片高度已达到 300 350 mm,叶片强度、频率设 计难度都己接近非调频叶片的极限。因此对于 1 000 MW以上更大容量的二次再热机组，需要采 用 2个中压缸的机型配置。 4.1.3 二次再热机组启动方式 目前投运的超超临界一次再热机组，基本上 都采用高中压联合启动方式，高压调门和中压调 门都参于调节 ;而采用二次再热，机组的启动过程

20、和旁路系统将更加复杂。在旁路配置方面，在原 来高、低压旁路的基础上再增加一级中压旁路，共 有三级旁路，示意图见图 3。而在汽轮机方面，将 涉及很多新的问题，包括 :各个缸的启动参数以及 限制值的设置 ;超高压 （ VHP)调门、高压 （ HP)调 门和中压（ IP)调门三个调门的协调控制；旁路容 量的设置等。国内尚无二次再热机组的设计和运 行经验，需要借鉴国外同类电厂的旁路配置、机组 启动方式等 ，合理的旁路容量和启动过程要由设 计院、锅炉厂、汽轮机厂共同配合制定。 图 3二次再热原则性旁路系统图 5结论 本文对二次再热机组的发展背景、汽轮机的 技术特点和难点进行了全面的介绍和论述，为我 国研

21、宄和开发大 容量、高参数的二次再热汽轮机 提供一些思路和启示，结论如下： 1) 发展洁净煤技术，进一步提高机组性能是 降低发电煤耗、提高节能减排效果的有效手段。 采用二次再热循环并提高主汽参数，汽轮机热耗 将比目前超超临界一次再热机组降低 3. 6%， 大 大提高机组的经济性。同时二次再热机组参数未 超出选用现有成熟材料的使用范围，具备了工程 应用的条件。 2) 经过二次再热可大大提高低压缸的排汽 湿度，因此主蒸汽压力可以提高至 30 MPa以上。 同时一次、二次再热压力也随之变化，各缸的进出 口参数与一次再热机组相比有较大幅度的变化。 汽缸的设计重点主要体现在压力等级更高的超高 压缸，以及排

22、汽压力低于 0.5 MPa的大容量中压 缸。 3) 二次再热机组増加了汽缸个数，汽轮发电 机组的总长增加，对轴系稳定性带来一定的影响。 只有采用独特的轴承支撑方式，即 n (转子个数） + 1的轴承支撑方式，才能有效地减少机组的轴 向长度，保证二次再热机组在汽缸个数增加的条 件下仍具有较高的轴系稳定性。 4) 我国超超临界一 次再热产品从 2003年开 始技术引进，截至 2012年上半年，百万等级超超 临界机组己投运了 44台，经过近 10年的消化吸 收和自主创新，制造厂己经掌握了高参数汽轮机 的设计方法并积累了丰富的设计经验，具备开发 具有独立自主知识产权的高参数二次再热机组的 能力。 1 2 参考文献： 1 黄瓯，彭泽瑛 .高超超临界技术的经济得益分析 D.热力透 平，2010,39 (3) =170-174. 2 上海汽轮机有限公司总师办技术情报室 .引进型百万千瓦超 超临界汽轮机文集 M.上海 :上海汽轮机有限公司， 2004年 11月 . IIIII