張偉榮， 張鵬飛， 李軍， 洪安堯， 段艷雄， 李海軍

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000）

0 前言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)， 擁有豐富的生物質(zhì)能，而生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)是一種清潔高效的利用方式，用生物質(zhì)能發(fā)電實(shí)施煤炭替代， 可顯著減少氮氧化物排放， 促進(jìn)農(nóng)業(yè)增收， 有效保護(hù)環(huán)境， 產(chǎn)生良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。 因此， 有必要研究如何提升生物質(zhì)能發(fā)電利用效率。

目前， 國(guó)內(nèi)生物質(zhì)發(fā)電燃料大多周邊聚集就近利用， 機(jī)組裝機(jī)功率大多集中在15～40 MW 范圍內(nèi)， 我國(guó)現(xiàn)役生物質(zhì)發(fā)電汽輪機(jī)多采用高溫高壓及以下參數(shù)常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min） 機(jī)型， 汽輪機(jī)效率偏低、 電廠熱效率普遍在20%～30%， 生物質(zhì)能利用率低， 嚴(yán)重制約了生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。 東汽積極響應(yīng)市場(chǎng)需求， 不斷自主創(chuàng)新， 率先研發(fā)了高效35 MW 雙缸雙轉(zhuǎn)速再熱生物質(zhì)汽輪機(jī)， 大幅提高了生物質(zhì)能發(fā)電汽輪機(jī)的效率， 同時(shí)可實(shí)現(xiàn)供汽、 采暖、 高背壓供熱等多種功能， 顯著提升了生物質(zhì)能的利用效率。 本文介紹了東方高效35 MW 雙缸雙轉(zhuǎn)速再熱生物質(zhì)發(fā)電汽輪機(jī)的研發(fā)及優(yōu)化設(shè)計(jì)情況。

1 機(jī)組概況

東方高效35 MW 雙缸雙轉(zhuǎn)速再熱生物質(zhì)發(fā)電汽輪機(jī)為高溫超高壓、 一次中間再熱、 兩缸單排汽、 單軸、 雙轉(zhuǎn)速、 凝汽式汽輪機(jī)， 汽輪機(jī)高中壓部分和低壓部分為分缸結(jié)構(gòu)， 高中壓采用合缸結(jié)構(gòu)， 高中壓反向?qū)ΨQ(chēng)布置中間進(jìn)汽， 低壓缸采用單流布置。 汽輪機(jī)總體縱剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 東方N35-13.24/535/535 型汽輪機(jī)縱剖面圖

高中壓和低壓兩缸之間由單斜齒式減速箱連接， 高中壓高轉(zhuǎn)速通過(guò)齒輪箱減速至3 000 r/min，協(xié)同低壓缸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。 機(jī)組配2 套主汽調(diào)節(jié)閥和1 套再熱主汽調(diào)節(jié)閥， 其中主汽調(diào)節(jié)閥采用1 拖2 結(jié)構(gòu)， 2 套主汽調(diào)節(jié)閥均布置在高中壓汽缸兩側(cè)， 通過(guò)導(dǎo)汽管與高中壓汽缸連接， 再熱主汽調(diào)節(jié)閥為聯(lián)合閥， 布置在高中壓缸側(cè)部。 機(jī)組采用縱向布置， 長(zhǎng)寬高為14 m×7 m×4 m （距運(yùn)行平臺(tái)）， 機(jī)組總體立體外形圖見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)組總體立體外形圖

2 技術(shù)參數(shù)

機(jī)組型號(hào)： N35-13.2/535/535；

額定功率： 35 MW；

最大功率： 40 MW；

額定轉(zhuǎn)速： 高中壓5 000 r/min，低壓3 000 r/min；

主汽壓力： 13.24 MPa；

主汽溫度： 535 ℃；

再熱壓力： 2.454 MPa；

再熱溫度： 535 ℃；

額定主汽流量： 110 t/h；

最大主汽流量： 128 t/h；

回?zé)嵯到y(tǒng)： 2 高加+1 除氧器+3 低加；

排汽背壓： 4.9 kPa；

末級(jí)葉片： 545 mm；

通流級(jí)數(shù)： HP 20 級(jí)、 IP 17 級(jí)、 LP 9 級(jí)。

3 機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

3.1 熱力系統(tǒng)優(yōu)化

（1）初參數(shù)優(yōu)化

本機(jī)組主汽參數(shù)從常規(guī)的8.83 MPa/535 ℃提高至13.2 MPa/535 ℃。 根據(jù)熱力學(xué)原理， 提升初參數(shù)可以提高蒸汽動(dòng)力朗肯循環(huán)熱效率， 降低汽輪機(jī)熱耗率。

（2）再熱循環(huán)

受限于生物質(zhì)燃料熱值變化大、 燃燒不穩(wěn)定等特性汽輪機(jī)新蒸汽溫度535 ℃再次提升較為困難， 因此， 本機(jī)組在提升初參數(shù)同時(shí)引入了再熱循環(huán)， 降低了汽輪機(jī)末級(jí)排汽濕度， 保證汽輪機(jī)末級(jí)葉片安全可靠性的同時(shí)提升了循環(huán)熱效率，圖3 為主汽參數(shù)8.83 MPa/535 ℃提升至13.2 MPa/535 ℃/535 ℃汽輪機(jī)熱耗率影響分析， 提升初參數(shù)和引入再熱循環(huán)機(jī)組總體熱耗下降約7.5%。

圖3 初參數(shù)和再熱循環(huán)對(duì)機(jī)組熱耗率影響

（3）除氧器滑壓優(yōu)化

高溫高壓常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）機(jī)型除氧器通常定壓運(yùn)行， 本機(jī)組采用滑壓除氧器， 降低了除氧器抽汽節(jié)流損失。

（4）給水溫度優(yōu)化

一般來(lái)說(shuō)， 提升鍋爐最終給水溫度， 汽輪機(jī)排汽端冷源損失下降， 汽輪機(jī)熱效率提高， 但給水溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鍋爐排煙溫度升高， 鍋爐效率下降， 電廠總體熱效率下降， 電廠管道閥門(mén)等材料成本增加， 因此， 需要綜合考慮。 高溫高壓常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）機(jī)型給水溫度約215 ℃， 本機(jī)組提升初參數(shù)同時(shí)對(duì)鍋爐最終給水溫度進(jìn)行優(yōu)化，綜合考慮鍋爐效率和汽輪機(jī)熱耗率， 本機(jī)組鍋爐給水溫度最終選擇250 ℃。

3.2 通流優(yōu)化

（1）轉(zhuǎn)速選取優(yōu)化

生物質(zhì)汽輪機(jī)功率容量較小， 提升初參數(shù)后相同進(jìn)汽流量下容積流量降低， 蒸汽流通通流面積降低， 葉高降低， 通流效率下降。 根據(jù)汽輪機(jī)原理， 速比是影響汽輪機(jī)通流效率的關(guān)鍵因素之一， 汽輪機(jī)通流級(jí)設(shè)計(jì)通常接近最佳速比， 整體經(jīng)濟(jì)性最佳， 其表述見(jiàn)式（1）：

式中： n 為轉(zhuǎn)速， d 為通流級(jí)節(jié)圓直徑， φ 為噴嘴速度系數(shù)， Hs為等熵焓降。

分析可知， 在最佳速比不變的條件下， 提高轉(zhuǎn)速可降低節(jié)圓直徑， 在所需通流面積一定的條件下， 即可以提高通流葉片高度， 提高通流效率。降低單級(jí)焓降， 即增加級(jí)次和降低根徑， 提高葉片高度。 因此， 對(duì)小容積流量汽輪機(jī)提高通流效率應(yīng)采用多級(jí)次、 低根徑、 小焓降設(shè)計(jì)思想。

本機(jī)組高中壓段容積流量較?。ㄒ话銓?duì)應(yīng)通流中葉片高度＜30 mm） 宜采用高轉(zhuǎn)速。 低壓段容積流量較大， 葉片高度較高， 提高轉(zhuǎn)速對(duì)通流效率提高影響不大， 宜采用3 000 r/min 設(shè)計(jì)。

（2）通流效率優(yōu)化

本機(jī)組高中壓缸通流應(yīng)用東汽最新DAPH3 高效反動(dòng)式葉型， 轉(zhuǎn)速提高后降低了壓力級(jí)根徑、增加壓力級(jí)級(jí)次、 取消部分進(jìn)汽度， 壓力級(jí)葉片高度大幅提高， 二次流損失大幅下降， 壓力級(jí)效率顯著提高， 高中壓部分通流效率相比常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min） 機(jī)型分別提高10%、 4%， 低壓通流應(yīng)用東汽最新先進(jìn)高度后加載靜葉葉型和大剛度動(dòng)葉葉型， 低壓通流效率比常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）機(jī)型提高1.5%。

（3）高效末級(jí)葉片應(yīng)用

末級(jí)葉片設(shè)計(jì)采用大焓降， 高根部反動(dòng)度的設(shè)計(jì)思想， 不但設(shè)計(jì)工況效率高， 而且變工況性能優(yōu)良， 本機(jī)組末級(jí)動(dòng)葉片采用545 mm 高效末級(jí)葉片， 額定工況排汽速度180 m/s， 接近軸向排汽， 排汽損失小， 兼顧了設(shè)計(jì)點(diǎn)高效率和變工況優(yōu)良性能。

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）高中壓缸整體發(fā)貨

本機(jī)組高中壓缸采用整缸發(fā)貨， 全通流廠內(nèi)完成安裝， 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)免開(kāi)缸就位安裝， 大大簡(jiǎn)化機(jī)組安裝周期。 高壓缸采用局部式雙層缸設(shè)計(jì)，汽缸熱應(yīng)力分布更加均勻， 改善了汽缸法蘭和螺栓受力情況， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊， 熱容量小， 利于快速啟機(jī)。

（2）雙電泵主油泵

本機(jī)組由主軸驅(qū)動(dòng)主油泵改為雙電泵主油泵， 電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵直接向軸承供油， 取消汽輪機(jī)前箱主油泵、 射油器和大量管道， 一用一備， 可實(shí)現(xiàn)在線切換， 不受汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速限制， 可隨時(shí)啟停， 同時(shí)軸系縮短， 降低了油系統(tǒng)供油能耗， 降低了系統(tǒng)噪音。

（3）采用先進(jìn)汽封

對(duì)高參數(shù)小流量汽輪機(jī)， 軸端漏汽對(duì)汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響占比更加凸顯， 本機(jī)組采用高性能密封汽封鑲齒式汽封， 結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4， 在有效空間內(nèi)相比常規(guī)迷宮式汽封齒數(shù)增加20%以上， 同時(shí)合理控制動(dòng)靜部件之間漏汽間隙， 機(jī)組漏汽損失大幅下降。

圖4 鑲齒式汽封結(jié)構(gòu)示意圖

（4）調(diào)節(jié)方式優(yōu)化

本機(jī)組針對(duì)生物質(zhì)燃料熱值不穩(wěn)定， 負(fù)荷變化頻繁的特點(diǎn)， 配汽方式采用噴嘴配汽， 在高壓調(diào)節(jié)閥控制上由常規(guī)凸輪或提板結(jié)構(gòu)改為閥門(mén)管理， 機(jī)組在啟動(dòng)、 升速、 帶負(fù)荷和變工況控制過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)單閥模式和順序閥模式的無(wú)擾切換，機(jī)組運(yùn)行調(diào)節(jié)更加迅速靈活高效。

4 性能分析

4.1 經(jīng)濟(jì)性分析

本機(jī)組與傳統(tǒng)30 MW 高溫高壓非再熱常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）機(jī)型經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 傳統(tǒng)機(jī)型和設(shè)計(jì)機(jī)型經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

（1）從機(jī)組經(jīng)濟(jì)性角度分析， 采取熱力系統(tǒng)、通流、 結(jié)構(gòu)和雙轉(zhuǎn)速等優(yōu)化措施后東方高效35 MW 再熱機(jī)組比傳統(tǒng)30 MW 高溫高壓非再熱常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）機(jī)型熱耗下降約13%，汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性大幅提升。

（2）從發(fā)電經(jīng)濟(jì)性收益角度分析， 在汽輪機(jī)吸熱量一定（即生物質(zhì)燃料量一定）條件下， 東方高效35 MW 再熱機(jī)組年發(fā)電量比傳統(tǒng)30 MW 高溫高壓非再熱常規(guī)轉(zhuǎn)速（3 000 r/min）機(jī)型增加約0.33億千瓦時(shí)， 發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益增加2 475 萬(wàn)元/年， 經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。

4.2 功能延伸分析

（1）供汽、 采暖功能

本機(jī)組高中壓部分和低壓部分連通管連接，可安裝供熱蝶閥實(shí)現(xiàn)0.2～0.8 MPa 工業(yè)供汽、 采暖可調(diào)抽汽需求。

（2）高背壓供熱

針對(duì)北方地區(qū)冬季民生供暖需求， 機(jī)組可選擇合適低壓排汽通流模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)組高背壓（20～35 kPa） 運(yùn)行， 利用汽輪機(jī)低壓排汽與循環(huán)水換熱回收機(jī)組排汽冷源損失能量， 再通過(guò)連通管采暖抽汽分級(jí)加熱循環(huán)水外供可實(shí)現(xiàn)民生采暖需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)東方高效35 MW 雙缸雙轉(zhuǎn)速再熱生物質(zhì)發(fā)電汽輪機(jī)的研發(fā)及優(yōu)化設(shè)計(jì)情況進(jìn)行了詳細(xì)介紹， 從熱力系統(tǒng)、 再熱循環(huán)、 通流、 結(jié)構(gòu)和雙轉(zhuǎn)速等方面進(jìn)行了優(yōu)化， 機(jī)組經(jīng)濟(jì)性比原型機(jī)得到大幅度提升， 機(jī)組應(yīng)用功能擴(kuò)展延伸， 可以滿足生物質(zhì)發(fā)電領(lǐng)域的多種需求， 顯著提升生物質(zhì)能的利用效率， 具有較強(qiáng)推廣應(yīng)用價(jià)值。