汽轮机发展趋势及最新技术课件.ppt

哈尔滨汽轮机厂有限责任公司2014年06月 汽轮机发展趋势及最新技术 研究院 祝海义 2 目录 3 目录 4 1883年瑞典工程师拉瓦尔设计制造出了第一台单级冲动式汽轮机 1884年英国工程师帕森斯设计制造了第一台多级反动式汽轮机 虽然当时的汽轮机和我们现在的汽轮机相比结构非常简单 但是从此推动了汽轮机在世界范围内的应用 被广泛应用在电站 航海和大型工业中 一 汽轮机发展历程 冲动式汽轮机 反动式汽轮机 第一部分汽轮机发展趋势 5 大型汽轮机发展情况 60年代 世界工业发达的国家生产的汽轮机已经达到500 600MW等级水平 1972年瑞士BBC公司制造的1300MW双轴全速汽轮机在美国投入运行 设计参数达到24Mpa 蒸汽温度538 C 3600rpm 1974年西德KWU公司制造的1300MW单轴半速 1500rpm 饱和蒸汽参数汽轮机投入运行 1982年世界上最大的1200MW单轴全速汽轮机在前苏联投入运行 压力24Mpa 蒸汽温度540 C 2000年以后超临界600MW 24 2 566 566 汽轮机 超超临界600MW 25 600 600 汽轮机 超超临界1000MW 25 26 25 600 600 汽轮机在国内得到了长足的发展 国内正在建造AP1000 EPR三代核电汽轮机 目前国 内外正在研究700 材料及更高效汽轮机的研制 一 汽轮机发展历程 第一部分汽轮机发展趋势 我国生产厂家 哈汽 上汽 东汽 北重 青汽 武汽 杭汽 南汽 二 世界主要汽轮机制造商 6 第一部分汽轮机发展趋势 7 都具备制造超超临界1000MW汽轮机的能力 上海汽轮机厂采用西门子技术 东方汽轮机厂采用日立技术 哈汽公司原与东芝公司合作 现已开发完成具有自主知识产权的高效1000MW等级超超临界汽轮机 参数为28 600 620 都具备百万等级二次再热汽轮机设计能力 参数为31 600 620 620 在容量和参数上 国内已经达到国际水平 但在效率上还有差距 三 国内三大汽轮机厂情况 第一部分汽轮机发展趋势 8 第一阶段 上世纪50年代 前苏联援建创始阶段主要生产25MW 50MW以下纯凝和抽汽机组第二阶段 上世纪60 70年代 自力更生发展阶段主要生产200MW以下纯凝和抽汽机组 25 50 100 200MW 第三阶段 上世纪80年代 2000年 引进消化西屋公司技术阶段主要生产反动式300 600MW亚临界纯凝机组第四阶段 2000 2008年 引进优化多方技术阶段 三菱 超临界和超超临界600MW技术 AP1000核电汽轮机技术东芝 超超临界1000MW技术GE F级燃机及联合循环机组ALSTOM E级燃机及联合循环机组第五阶段 2008年以后 自主创新 优化提升阶段在消化吸收国外先进技术的基础上 采用先进的设计研发手段和试验验证 自主研发350MW 660MW 1000MW等机组 四 哈汽公司汽轮机发展历程 第一部分汽轮机发展趋势 新型73B 亚临界300MW 原型机 亚临界300MW 改进73A 优化73 1980 1990 2000 1995 2002 2006 300MW供热及空冷 超临界350MW 亚临界300MW 300MW双抽机组 2007 超临界350MW空冷及供热 2008 350MW亚临界NCB 2010 2011 350MW超临界三缸双抽 9 2012 优化型350MW超临界湿冷 空冷 300MW等级汽轮机发展历程 四 哈汽公司汽轮机发展历程 第一部分汽轮机发展趋势 2005 2006 2008 1980 1990 2002 1995 4缸亚临界600MW 2003 2009 2011 2012 2012 10 原型机 4缸亚临界600MW 改进75A 优化75 新型75B 4缸亚临界600MW 亚临界空冷600MW 超临界600MW 600MW 1000MW超超临界 660MW超临界空冷 600MW超临界供热1000MW超超临界空冷 660MW超超临界 1100MW 1200MW超超临界空冷 湿冷 300MW 600MW低压模块大内缸应用 优化型660MW超临界 超超临界湿冷 空冷 高效1000MW超超临界湿冷 空冷 二次再热 600MW等级以上汽轮机发展历程 四 哈汽公司汽轮机发展历程 第一部分汽轮机发展趋势 1958年 中国第一台25MW汽轮机1959年 中国第一台50MW汽轮机1960年 中国第一台100MW汽轮机1971年 中国第一台200MW汽轮机1984年 中国第一台210MW汽轮机 出口巴基斯坦 1989年 中国第一台300MW亚临界汽轮机 试验机 1989年 中国第一台600MW亚临界汽轮机1989年 中国第一台200MW间接空冷汽轮机2004年 中国第一台600MW超临界汽轮机2004年 中国第一台亚临界300MW直接空冷汽轮机2005年 中国第一台亚临界600MW直接空冷汽轮机2007年 中国第一台600MW超超临界汽轮机 2缸 2008年 中国第一台350MW超临界机组2009年 中国第一台超临界660MW直接空冷汽轮机 11 产品历史年表 四 哈汽公司汽轮机发展历程 第一部分汽轮机发展趋势 目前世界上75 以上的电量是由汽轮发电机组电站提供的 包括核电和化石燃料 传统蒸汽轮机电站技术正在不断向前发展 其发展趋势如下 研发高温材料 增大单机功率 提高蒸汽参数 改进通流设计 优化中间再热和给水回热系统 提高汽轮机效率 发展大型热电联产机组 提高电站热力循环效率 开发以计算机和电子元器件为基础的汽轮机控制系统和电站控制系统 提高机组自动化水平 采用先进的加工制造设备和工艺 建立完整的质量保证体系 确保产品质量 提高机组可靠性和利用率 在保证设备的安全性和运行可靠性的前提下 采用基于寿命管理的变负荷控制和机炉电的协调控制方式 提高机组的运行水平 使其不但有最高的经济型 而且适应电网负荷的变化 12 五 未来汽轮机发展趋势 1 概述 第一部分汽轮机发展趋势 五 未来汽轮机发展趋势 1 概述 第一部分汽轮机发展趋势 2 世界超临界和超超临界汽轮机蒸汽参数发展过程 14 五 未来汽轮机发展趋势 第一部分汽轮机发展趋势 15 配有烟气污染控制技术的超超临界燃煤发电机组在技术上具有先进性 成熟性 在经济上具有良好的效益 而且又有较好的环保特性 是一种在国际上已经规模化商业运行的高效 低污染的燃煤发电机组 该发电机组在诸多清洁煤发电机组中最具技术继承性 技术难点也较少 最有条件在短时间内实现规模化生产 再结合我国电力设备制造工业和电力工业的具体国情 就目前阶段来看 超超临界加烟气污染控制发电技术时一种最适合我国国情 最具发展潜力 在我国目前最有条件发展并可为电力工业提供新一代主流装备的洁净煤发电技术 为进一步降低能耗和减少污染物排放 改善环境 在材料工业发展的支持下 超临界机组正朝着更高参数的超超临界的技术方向发展 国外超超临界机组参数发展的近期目标是主蒸汽压力为31MPa 蒸汽温度为620 并正在向更高参数的水平发展 五 未来汽轮机发展趋势 3 超临界 超超临界机组的发展趋势 第一部分汽轮机发展趋势 16 从1983年开始 欧洲实施了COST501计划和COST522计划 目标分别是建立29 4MPa 600 600 29 4MPa 600 620 的机组和开发应用铁素体钢的蒸汽参数为29 4MPa 620 650 的超超临界机组 COST522计划始于1998年 到2003年结束 该计划开发应用铁素体钢的蒸汽参数为29 4MPa 620 650 的超超临界机组 欧共体最近几年来正在进行的 AD700计划 的目的是论证和准备发展具有先进蒸汽参数的未来的燃煤电厂形式 其中关键部件将采用镍基高温合金 AD700计划的目标是使下一代超超临界机组的蒸汽参数达到37 5MPa 700 700 从而使效率达到52 55 对海水冷却方式达到55 对内陆地区和冷却塔方式达到52 是温室气体CO2的排放降低15 并降低燃煤电厂投资 该计划预期在2014年完成 目前进展顺利 4 超临界 超超临界机组的发展趋势 欧洲 五 未来汽轮机发展趋势 第一部分汽轮机发展趋势 17 从2002年开始 美国能源部又开始了一个用于燃煤电厂超临界和超超临界机组的高温高强度合金材料的研究项目 VISION21计划的一部分 以增强美国锅炉制造业在国际市场的竞争力 该研究项目的五个主要目标如下 确定哪些材料影响了燃煤电厂的运行温度和效率 定义并实现能使锅炉运行于760 的合金材料的生产 加工和涂层工艺 参与ASME的认证过程并积累数据 为成为ASME规范批准的合金材料做好基础工作 确定影响运行温度为871 的超超临界机组设计和运行的因素 与合金材料生产商 设备制造商和电力公司一起确定成本目标并提高合金材料和生产工艺的商业化程度 4 超临界 超超临界机组的发展趋势 美国 五 未来汽轮机发展趋势 第一部分汽轮机发展趋势 18 日本电力 J Power 原为EPDC 在日本通商产业省支持下 从政府得到50 的补助金 与其他单位共同组织超超临界技术的开发 第一阶段目标是 第一步用铁素体钢达到593 第二步用奥氏体钢达到649 第二阶段目标是用新型铁素体钢达到630 日本三大设备制造公司对转子 汽缸 法兰 螺栓等主要部件进行了相应参数下的实物中间试验 50MW功率的中间实验机组已经投运 4 超临界 超超临界机组的发展趋势 日本 五 未来汽轮机发展趋势 第一部分汽轮机发展趋势 第一部分汽轮机发展趋势 五 未来汽轮机发展趋势 5 700 计划 20 五 未来汽轮机发展趋势 6 核电汽轮机发展 第一部分汽轮机发展趋势 第一部分汽轮机发展趋势 五 未来汽轮机发展趋势 6 核电汽轮机发展 20世纪20年代开始建设的试验性原型核电站 证明核能发电是可行的 1954年 前苏联建成5MW奥布涅斯克实验性核电站 1956年 英国建成卡德豪尔石墨气冷堆原型核电站 1957年 美国建成希平港压水堆原型核电站 1960年 美国建成累斯顿沸水堆原型核电站 1962年 加拿大建成重水堆原型核电站 22 第一代 第一部分汽轮机发展趋势 五 未来汽轮机发展趋势 6 核电汽轮机发展 20世纪70年代至现在正在运行的大部分商业核电站 证明发展核电在经济上是可行的 20世纪70年代石油涨价引发能源危机促进核电发展 前苏联切尔诺贝利 美国三哩岛事故 日本福岛核电站事故 23 第一部分汽轮机发展趋势 第二代 五 未来汽轮机发展趋势 6 核电汽轮机发展 秦山一期 大亚湾核电站 开启国际二代核电技术引进的大门 2005年末 中核集团核二院以设计总承包的形式承担了大亚湾岭澳二期的建设 采用了 翻版 改进 的设计思路 项目中包括14项重大改进 200余项设计改进 之后的红沿河 方家山等项目均采用此技术 24 第一部分汽轮机发展趋势 第二代 五 未来汽轮机发展趋势 6 核电汽轮机发展 满足 美国用户要求文件 URD 或 欧洲用户要求文件 EUR 在设计上必须具有预防和缓解严重事故的措施 在经济上能与联合循环的天然气机组竞争 在能源转换系统方面大量采用二代的成熟技术 已建成 在建或通过审查 AP1000先进非能动压水堆 美国西屋 EPR欧洲压水堆 法国阿海珐 ABER先进压水堆 美国通用 正在审查 APWR先进压水堆 日本三菱 APR1400先进压水堆 韩国电力工程公司 ESBWR经济简化型压水堆 美国通用 25 第一部分汽轮机发展趋势 第三代 五 未来汽轮机发展趋势 6 核电汽轮机发展 正在进行概念设计 在反应堆和燃料循环方面有重大创新 安全性和经济性更好 废物量极少 具有防核扩散能力 国际一些工业发达国家组成第四代核能国家论坛 GIF 中国已参加 超临界水冷堆 极高温气冷堆 带燃料循环的钠冷快堆 气冷快堆 铅冷快堆和溶盐堆 26 第一部分汽轮机发展趋势 第四代 五 未来汽轮机发展趋势 6 核电汽轮机发展 AP1000由美国西屋公司在AP600的技术上开发的非能动先进压水堆 所谓 非能动 指在安全系统设计中采用了自然力 位差 密度差引起的自然循环 以及使用压缩空气来驱动必要的阀门 而不是采用常规火电大量使用电力驱动设备 非能动技术简化了系统和设备 安全级设备的数量积抗震厂房数量大为减少 使核电厂建造周期缩短 投资减少 减少事故情况下对操纵人员的要求 降低人为错误造成事故扩大的可能性 AP1000为单堆布置的两回路机组 设计寿命60年 27 第一部分汽轮机发展趋势 AP1000简介 五 未来汽轮机发展趋势 6 核电汽轮机发展 AP1000采用减法设计思路 减少安全支持系统 大幅度减少安全级设备 使系统简化 工艺布置简化 工期缩短 降低人为错误发生可能性 28 第一部分汽轮机发展趋势 AP1000简介 五 未来汽轮机发展趋势 6 核电汽轮机发展 AP1000简介 6 核电汽轮机发展 五 未来汽轮机发展趋势 第一部分汽轮机发展趋势 五 未来汽轮机发展趋势 7 燃气轮机发展 第一部分汽轮机发展趋势 31 六 国内电力市场现状 根据中电联统计 截至2013年末 全国发电装机总量达12 47亿千瓦 其中 水电装机2 8亿千瓦 火电8 6亿千瓦 核电1461万千瓦 并网风电7548万千瓦 并网太阳能发电装机容量1479万千瓦 新能源和可再生能源发电装机占比31 较上年提高5 76个百分点 2013年全国新增发电装机9400万千瓦 其中 水电新增2993万千瓦 火电3650万千瓦 核电221万千瓦 并网风电1406万千瓦 并网太阳能发电1130万千瓦 第一部分汽轮机发展趋势 32 目录 33 火力发电蒸汽轮机 核能发电蒸汽轮机 燃气 蒸汽联合循环机组 新能源系统及设备 舰船主动力设备 一 概述 第二部分汽轮机前沿技术 五大板块 34 二 典型火电产品 34 1 高效超超临界1000MW等级机组 高效超超临界1000MW机组纵剖面图 原超超临界1000MW机组纵剖面图 第二部分汽轮机前沿技术 35 二 典型火电产品 35 1 超超临界1000MW机组 湿冷 优化前后主要技术对比表 第二部分汽轮机前沿技术 36 2 优化型超超临界660MW等级机组 二 典型火电产品 高效超超临界660MW机组纵剖面图 原超超临界660MW机组纵剖面图 第二部分汽轮机前沿技术 37 2 超超临界660MW机组 湿冷 优化前后主要技术对比表 二 典型火电产品 第二部分汽轮机前沿技术 38 3 优化型超临界660MW等级机组 二 典型火电产品 高效超临界660MW机组纵剖面图 原超临界660MW机组纵剖面图 第二部分汽轮机前沿技术 39 3 超临界660MW机组 湿冷 优化前后主要技术对比表 二 典型火电产品 第二部分汽轮机前沿技术 40 4 超临界350MW机组 二 典型火电产品 优化型超临界350MW机组纵剖面图 原超临界350MW机组纵剖面图 第二部分汽轮机前沿技术 41 4 超临界350MW机组 湿冷 优化前后主要技术对比表 二 典型火电产品 第二部分汽轮机前沿技术 42 5 350MW级NCB汽轮机 二 典型火电产品 型号 N350 C300 B250 24 2 0 40 566 566纯凝额定功率 350MW抽汽额定功率 300MW纯背压额定功率 250MW供热抽汽额定压力调节范围 0 40 0 60MPa抽汽工况最大抽汽量 600t h背压工况最大抽汽量 800 t h 第二部分汽轮机前沿技术 1 核电汽轮机与火电汽轮机的比较 三 典型核电产品 第二部分汽轮机前沿技术 1 核电汽轮机与火电汽轮机的比较 三 典型核电产品 第二部分汽轮机前沿技术 2 核电蒸汽流程及系统示意图 核电汽轮机最大特点 采用汽水分离再热器 MSR 三 典型核电产品 第二部分汽轮机前沿技术 46 第三部分核电汽轮机发展 2 核电汽轮机与火电汽轮机的比较 三 典型核电产品 47 5 典型核电汽轮机机型 AP1000核电汽轮机 高压汽轮机 低压汽轮机 三 典型核电产品 技术规范 1个高压缸 2 10级 3个低压缸 3 2 10级 主蒸汽温度 压力 268 5 38MPa回热系统 2高压加热器 4低压加热器 1除氧器背压 4 4kPa给水泵 电动出力 1250MW等级 第二部分汽轮机前沿技术 秦山二期1 2 机组 西屋设计 热力 通流 轴系 动叶 转子 阀门 DEH等哈汽设计 静叶及隔板 隔板套 汽封 汽缸 轴承及轴承箱 油系统 汽水系统 TSI系统等其余所有部套 秦山二期3 4 机组 全部国产化设计及制造海南昌江1 2 机组 全部国产化设计及制造 6 典型核电汽轮机机型 650MW核电汽轮机 48 三 典型核电产品 第二部分汽轮机前沿技术 49 7 世界核电汽轮机情况 三 典型核电产品 据国际原子能机构 IAEA 官网最新数据 截止2014年4月30日 全球共有在役核电机组 反应堆 435个 共372751MW 服役时间最长的是45年 大部分机组已经服役20年以上 长期关停的核电机组 反应堆 2个 数量分布情况 堆型情况 第二部分汽轮机前沿技术 50 1 基本知识 组成 四 燃气轮机及联合循环产品 第二部分汽轮机前沿技术 51 2 与汽轮机的区别 四 燃气轮机及联合循环产品 第二部分汽轮机前沿技术 52 3 燃气轮机分类 四 燃气轮机及联合循环产品 GE公司按燃气轮机的燃烧温度将燃气轮机进行划分 每100度为一级 西门子及三菱之后也参照了这一办法 1200摄氏度为E级 1300摄氏度为F级 1400摄氏度为H级 第二部分汽轮机前沿技术 3 燃气轮机分类 四 燃气轮机及联合循环产品 54 3 燃气轮机分类 四 燃气轮机及联合循环产品 重型燃机 零件较为厚重 大修周期长 寿命可达10万小时以上 现代大功率重型燃机比重量在1 8 2 1kg kW 轻型燃机 结构紧凑而轻 所用材料一般较好 寿命较短 比重量大约是0 13 0 6kg kW 一般功率在10万kW以下 重 轻 第二部分汽轮机前沿技术 55 4 联合循环 四 燃气轮机及联合循环产品 第二部分汽轮机前沿技术 56 5 9FA燃气轮机 四 燃气轮机及联合循环产品 通过市场换技术引进9FA制造技术 积累了宝贵的F级燃机制造 调试 运行经验 引进GE公司9FA燃气轮机制造 热部件以外 技术 目前出产25台 另有5台订单 约占市场份额40 第二部分汽轮机前沿技术 57 6 GT13E2燃气轮机 四 燃气轮机及联合循环产品 2011年11月 阿尔斯通合作 引进GT13E2 在国内开拓E级联合循环市场 第二部分汽轮机前沿技术 58 KA13E2 1典型的室内布置 燃机与汽轮机并排布置 7 GT13E2联合循环机组 四 燃气轮机及联合循环产品 第二部分汽轮机前沿技术 59 8 燃压机组 四 燃气轮机及联合循环产品 西气东输产品 我国能源结构的调整 以及我厂产业调整 实现国产化的要求 第二部分汽轮机前沿技术 109E 60MW 国内市场近30台 占国内市场50 以上 工厂编号 138 功率等级 60MW型式 双压 非再热 单缸 多轴 单排汽主汽压力 5 60MPa主汽温度 530 主汽流量 180t h补汽压力 0 56MPa补汽温度 255 补汽流量 32t h首台投运年份 2002 深圳南山电厂 GE公司109E 60 第二部分汽轮机前沿技术 四 燃气轮机及联合循环产品 9 联合循环汽轮机 209E 105 125MW 国外市场 马来西亚 尼日利亚 巴基斯坦 6台 工厂编号 157 功率等级 124MW型式 双压 非再热 双缸 多轴 双排汽主汽压力 7 00MPa主汽温度 530 主汽流量 360t h补汽压力 0 65MPa补汽温度 255 补汽流量 65t h额定背压 8 0kPa末叶片长度 710 730 855mm 视背压而定 GE公司209E 61 第二部分汽轮机前沿技术 四 燃气轮机及联合循环产品 9 联合循环汽轮机 309E 180MW 国外市场 巴基斯坦 1台 工厂编号 161 功率等级 188MW型式 双压 非再热 双缸 多轴 双排汽主汽压力 8 30MPa主汽温度 530 主汽流量 530t h补汽压力 1 20MPa补汽温度 255 补汽流量 96t h额定背压 8 0kPa转速 3000rpm末叶片长度 900mm GE公司309E 62 第二部分汽轮机前沿技术 四 燃气轮机及联合循环产品 9 联合循环汽轮机 109FASS 135MW GE引进 工厂编号 D10 158 158A 功率等级 140MW型式 三压 再热 双排汽主汽压力 9 60MPa主汽温度 565 主汽流量 280t h再热压力 2 18MPa再热温度 565 再热流量 306t h补汽压力 0 30MPa补汽温度 310 补汽流量 46t h末叶片长度 660 851 900mm 视背压而定 109FAMS 135MW 完全自主优化设计首台印度兰科已经运行 GE公司109F 63 第二部分汽轮机前沿技术 四 燃气轮机及联合循环产品 9 联合循环汽轮机 1 汽轮机型号 LCC40 C100 9 83 538 2 152 汽轮机型式 高压 冲动 单抽凝汽轴向排汽式3 通流级数 15级1C 7P 1C 6P4 工业抽汽 非调整抽汽 3级后可调整抽汽 8级后 1 95 2 40 MPa5 最大功率 110MW6 额定功率 抽汽1 抽汽2 41 100MW7 额定排汽压力 抽汽1 抽汽2 3 38 8 91kPa8 末级叶片高度 680mm GE公司109F 轴向排汽 镇海项目 64 第二部分汽轮机前沿技术 四 燃气轮机及联合循环产品 9 联合循环汽轮机 209FAMS 275MW 完全自主设计首台北京太阳宫已经运行 工厂编号 152 功率等级 275MW型式 三压 再热 双缸 多轴 双排汽主汽压力 11 50MPa主汽温度 565 主汽流量 560t h再热压力 2 55MPa再热温度 565 再热流量 630t h补汽压力 0 40MPa补汽温度 310 补汽流量 92t h末叶片长度 1000mm GE公司209F 65 第二部分汽轮机前沿技术 四 燃气轮机及联合循环产品 9 联合循环汽轮机 型号LC50 N80 7 50 1 30 0 28型式 三压 单轴 单缸 冲动 抽凝式额定功率 78 79MW一次进汽压力7 512MPa一次进汽温度501一次进汽流量220 71t h二次进汽压力1 30MPa二次进汽温度299 4二次进汽流量51 50t h三次进汽压力0 28MPa三次进汽温度166 3三次进汽流量22 69t h末级叶片900mm ALSTOM公司13E2 南天E级联合循环华能苏州桐乡环 66 第二部分汽轮机前沿技术 四 燃气轮机及联合循环产品 9 联合循环汽轮机 106F 37MW 完全自主设计首台克拉玛依已经运行正在进行江山抽汽项目的设计 GE公司106F 工厂编号 138A 功率等级 37MW型式 双压 单缸 单轴 单排汽主汽压力 5 2MPa主汽温度 538 主汽流量 130t h补汽压力 0 50MPa补汽温度 270 补汽流量 30t h末叶片长度 668mm 67 第二部分汽轮机前沿技术 四 燃气轮机及联合循环产品 9 联合循环汽轮机 68 10 863 重燃研发项目 四 燃气轮机及联合循环产品 科研项目 在消化吸收引进相关技术的基础上开展具有自主知识产权的F级中低热值重型燃气轮机整机设计技术的研究 第二部分汽轮机前沿技术 69 槽式电站成熟 商业化程度高具备槽式 塔式 太阳能 燃气 蒸汽联合循环 光煤互补等设计制造技术 1 太阳能热发电 五 新能源产品 第二部分汽轮机前沿技术 70 2 MSR及海水谈化设备 五 新能源产品 汽水分离再热器MSR 海水谈化设备 第二部分汽轮机前沿技术 2020 1 29 71 可编辑 72 1 CAP1400核电汽轮机 六 其它新产品 技术规范 1个高压缸 2 10级 3个低压缸 3 2 9级 主蒸汽温度 压力 270 5 51MPa回热系统 2高压加热器 4低压加热器 1除氧器背压 3 6kPa给水泵 电动出力 1500MWe等级末级叶片长度 1800mm 第二部分汽轮机前沿技术 73 2 二次再热机组 六 其它新产品 百万二次再热机组技术参数蒸汽参数 31MPa 600 620 620 机组型式 超超临界 二次再热 单轴 五缸四排汽 湿冷凝汽式百万二次再热机组技术可行性1 与传统的一次再热机组相比 采用二次再热能够使采用600 620 620 参数的超超临界机组效率提高约1 8 并满足机组低压缸最终排汽湿度的要求 2 采用二次再热可显著降低机组煤耗 相应也降低了温室气体和污染物排放 是未来大容量超超临界机组的发展方向之一 3 二次再热机组在国际上属于成熟的发电技术 从20世纪50年代起 美国 德国 日本等国均建造了一些二次再热机组 4 十几年来 公司通过超临界 超超临界大型火电汽轮机 AP1000核电汽轮机和高效百万的研发 已培养出一大批经验丰富 拥有较高技术水平的科研和设计专家 完全具备了独立研发先进超超临界技术的基础 5 开发完成的百万二次再热机组将拥有完全自主技术产权 不受出口限制 VHP IP HP LP1 LP2 第二部分汽轮机前沿技术 3 700 汽轮机研制 参与 国家700 超超临界燃煤发电技术创新联盟 配合研制工作 74 六 其它新产品 第二部分汽轮机前沿技术 75 目录 汽轮机是一种将工质 水蒸汽 的热能转换为机械功的旋转式动力机械 具有单机功率大 效率高 运转平稳 单位功率制造成本低 使用寿命长和燃料适应范围广等优点 在现代工业中得到广泛应用 汽轮机是发电用的原动机 在现代化石燃料电站 核电站以及联合循环电站中 都采用以汽轮机为原动机的汽轮发电机组 由于汽轮机能变速运行 因此可以用它直接驱动各种泵 风机 压缩机和船舶螺旋桨等 此外 还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要 汽轮机通常在高温 高压及高转速条件下工作 是一种较为精密的重型机械 它的制造和发展涉及许多工业部门和学科领域 如高强度耐热合金钢的研制 优质大型锻 铸件的供应 高效率叶型和长叶片的设计和研制 在加工制造中数控技术 焊接技术的应用 机组运行中集中控制和程序控制水平的提高 以及热工学 流体动力学 强度振动 自动控制 计算机和测试技术等方面的理论和试验研究 因此 汽轮机制造业的发展是反映国家工业技术发展水平的标志之一 第三部分汽轮机设计理念 一 概述 76 基本热力循环及其装置图 77 基本热力循环 1 工质 水 在锅炉中定压加热 汽化和过热 4 5 6 1 2 蒸汽在汽轮机中等熵膨胀作功 1 2 3 排汽在凝汽器中定压凝结放热 2 3 4 凝结水经泵等熵压缩后进入锅炉 3 4 一 概述 第三部分汽轮机设计理念 汽轮机作用 将蒸汽的热能转化成机械功工作单元 汽轮机的级 由一列喷嘴叶栅和其后紧邻的一列动叶栅构成汽轮机本体做功汽流通道称为汽轮机的通流部分 汽轮机基本原理 蒸汽热能 汽流的动能 一 概述 第三部分汽轮机设计理念 一 概述 水的临界参数 Pc 22 064MPa a tc 375 94 下图中C点位置 超临界状态时 出现一个饱和水和饱和蒸汽两相共存的区域 这时加热继续 汽水两相的温度不再上升 直至液态水全部蒸发完毕 干饱和蒸汽才继续升温成为过热蒸汽 一般将压力大于临界点Pc的范围称为超临界区 压力小于Pc的范围称为亚临界区 从物理意义上讲 根据机组采用的蒸汽参数划分 只有超临界和亚临界之分 由于超超临界参数机组在我国投运的数量最多 超超临界是我国人为的一种区分 也称为优化的或高效的超临界参数 目前超超临界与超临界的划分界限尚无国际统一的标准 一般认为蒸汽压力大于25MPa 蒸汽温度高于580 时的状态属于超超临界参数 第三部分汽轮机设计理念 汽轮机分类及型号 一 80 一 概述 第三部分汽轮机设计理念 81 汽轮机分类及型号 二 一 概述 第三部分汽轮机设计理念 二 汽轮机总体结构 第三部分汽轮机设计理念 汽轮机蒸汽流程 主蒸汽经主汽阀进入主汽调节阀 然后由高压导汽管进入高压缸的蒸汽通过调节级 流向调端通过高压缸做功 做功后由高压排汽口排入再热器 再热后的蒸汽通过再热主汽调节联合阀流回到汽轮机中压缸 通过中压缸做功后由中低压连通管流入双流的低压缸 蒸汽在低压缸做功后 排到冷凝器 汽缸下部留有抽汽口 抽汽用于给水加热 83 二 汽轮机总体结构 第三部分汽轮机设计理念 汽轮机包括汽轮机本体 辅机设备 控制系统和辅助系统等主要部分 一 汽轮机本体 由转动部分 转子 和静止部分 静体或静子 两部分组成 84 二 汽轮机辅机 二 汽轮机总体结构 第三部分汽轮机设计理念 三 辅助系统 85 四 控制系统 二 汽轮机总体结构 第三部分汽轮机设计理念 86 三 汽轮机本体结构 第三部分汽轮机设计理念 略 凝汽器 应用于湿冷汽轮机组 循环水由进水管进入水室 在水式内分别流入各铜管内 循环水通过管壁吸收排气的热量 使蒸汽凝结 被排气加热的循环水有出口排出去凉水塔冷却再循环使用 排汽由低压汽缸排入凝结器内蒸汽空间 通过铜管外壁放热 凝结成水聚集到下部的热水井内 由凝结水泵排向除氧器 87 四 汽轮机辅机设备 第三部分汽轮机设计理念 汽轮机的汽封系统 为汽轮机在启动 运行 停机各种工况下提供合适的端部轴封密封汽源 引导和回收汽轮机轴端汽封 高 中压主汽门和调节门阀杆的泄漏蒸汽及汽 气混合物 以防止蒸汽泄漏进入厂房 此外还要防止空气漏入低压缸内影响机组真空度 汽轮机汽封进水 进冷汽 进杂质均会使汽轮机运行产生异常反应 甚至导致汽轮机转子弯曲 88 五 汽轮机辅助系统 第三部分汽轮机设计理念 疏水系统 是保证机组在启动 停机 升 降负荷运行时 或在异常情况下及时地排除汽轮机本体 本体阀门及其管道内的凝结水 从而防止由于汽轮机进水而造成汽缸变形 转子弯曲 动静部件相碰擦 甚至引起叶片断裂等严重事故的发生 89 五 汽轮机辅助系统 第三部分汽轮机设计理念 后汽缸喷水系统 主要是防止汽轮机低压缸在空负荷蒸汽流量和全真空的情况下 造成后汽缸过热 真空不良会引起汽缸过热 如果温度超过80 则必须通过增加负荷或改善真空逐步地降低后汽缸的温度 后汽缸的极限温度为121 90 五 汽轮机辅助系统 第三部分汽轮机设计理念 汽轮机润滑油系统及装置 汽轮机油系统为汽轮发电机组启动 运行 停机提供相应的压力油源 是保护汽轮发电机组安全和无事故运行的关键系统 机组在运行中即使是短暂的中断供油 也会造成严重的设备事故 油系统的漏油也易引起失火 包括润滑油系统 顶轴油系统 氢冷发电机密封油系统 液压油系统和保安油系统 大型汽轮机数字电液调速系统多采用独立的高压抗燃油系统 91 五 汽轮机辅助系统 第三部分汽轮机设计理念 汽轮机润滑油系统及装置 汽轮机的油系统主要作用是供给汽轮发电机组各轴承的润滑和冷却用油 为主油泵 轴承 盘车装置及联轴器提供用油 为发电机氢密封空侧提供密封用油 为保安部套提供压力油和安全油 以及为顶轴装置提供油源 由主油泵 冷油器 顶轴装置 盘车装置 排烟系统 油箱 润滑油泵 事故油泵 滤网 加热器 油位指示器 各种阀门 逆止门 各种监测仪表等构成 汽轮机油系统一般有以下三种供油方式 主油泵 蛇油器 主油泵 油涡轮以及电动主油泵直接供油等 92 高压顶轴油装置 为减小盘车电动机的启动力矩和防止盘车时转子叶片收到 蠕动 激振 常采用高压顶轴油装置将高压油从轴承底部送入 建立静压油膜 已消除轴颈和轴瓦的干摩擦 五 汽轮机辅助系统 第三部分汽轮机设计理念 汽轮机控制 检测与保护系统 为保证汽轮机的安全经济运行 必须配置相应的控制 检测和保护系统 其主要作用是测量 采集 监测机组运行的状态参数 通过调整和控制其被调量 如转速 压力等 使之适应机组负荷 电功率 热负荷或驱动功率 变动的要求 同时在机组发生故障或出现危害机组安全的紧急情况下 迅速采取保护措施 遮断机组进汽 以确保机组的安全 93 六 汽轮机控制系统 第三部分汽轮机设计理念 94 六 汽轮机控制系统 第三部分汽轮机设计理念 饱和状态 水蒸汽在密闭容器中 汽 液两相平衡共存的状态 此时的平衡共存其实是一种汽化速度和凝结速度相等的动态平衡 饱和温度 ts 和饱和压力 Ps 两者一一对应 ts f P 饱和压力愈高 对应的饱和温度也愈高 饱和温度和饱和压力 95 第三部分汽轮机设计理念 七 影响汽轮机效率主要因素 1 水蒸汽性质 容器中装有1kg水 水的定压汽化过程 96 第三部分汽轮机设计理念 七 影响汽轮机效率主要因素 1 水蒸汽性质 一点两线三区五态 一点 临界点 饱和水线与干饱和蒸汽线的交点c 两线 饱和水线 下界线 C B与干饱和蒸汽线 上界线 C D 三区 未饱和水区 液相区 湿蒸汽区 汽液两相区 和过热蒸汽区 气相区 五态 未饱和水 饱和水 湿蒸汽 干饱和蒸汽 过热蒸汽 临界点 Pc 22 064MPa tc 374 Vc 0 003106m3 kg P V图和T s图 97 第三部分汽轮机设计理念 七 影响汽轮机效率主要因素 1 水蒸汽性质 工质 水 在锅炉中定压加热 汽化和过热 4 5 6 1 蒸汽在汽轮机中等熵膨胀作功 1 2 排汽在凝汽器中定压凝结放热 2 3 凝结水经泵等熵压缩后进入锅炉 3 4 简单热力循环 98 第三部分汽轮机设计理念 七 影响汽轮机效率主要因素 2 基本概念 在实际的汽轮发电机组中 除了循环的冷源损失以外 由于还存在蒸汽膨胀过程中的流动损失 以及机械 电机等损失 蒸汽的理想焓降不能全部转换成电能 相对内效率 99 第三部分汽轮机设计理念 七 影响汽轮机效率主要因素 2 基本概念 考虑机械损失后汽轮机联轴器端的输出功率 轴端功率 与汽轮机内功率之比机械损失 kW 包括轴承摩擦损失 由主轴驱动的主油泵和调速系统等消耗的功率 机械效率 100 第三部分汽轮机设计理念 七 影响汽轮机效率主要因素 2 基本概念 考虑电机损失后发电机输出的电功率与汽轮机轴端功率之比 电机损失 包括发电机中电气方面的励磁 铁心和线圈发热 及机械摩擦 鼓风等损失的功率 发电机效率 101 第三部分汽轮机设计理念 七 影响汽轮机效率主要因素 2 基本概念 绝对电效率 表示发电机输出的电功率与蒸汽在锅炉 热源 中总吸热量之比 102 第三部分汽轮机设计理念 2 基本概念 七 影响汽轮机效率主要因素 机组每生产1千瓦时电 1kW h 所需要的热量 称为热耗率q kJ kW h 对于纯凝汽式机组 对于供热机组 Qcg是向系统外放热 不作为发电需要的热量 使汽轮机的发电热耗率大大降低 同时也减少了向冷凝器的排汽量 即减少了冷端损失 使得循环效率提高 供热量越大 热耗越低 例如 100MW纯冷凝汽轮机的热耗为8981kJ kW h 而100MW抽汽汽轮机在抽汽压力0 981MPa 抽汽量100t h时热耗为6300kJ kW h 热耗率 103 第三部分汽轮机设计理念 2 基本概念 七 影响汽轮机效率主要因素 净热耗率 毛热耗率 热耗率 104 第三部分汽轮机设计理念 2 基本概念 七 影响汽轮机效率主要因素 提高初温后 放热过程仍然在湿汽区内 则放热平均温度相同 于是提高蒸汽初温就等于提高平均吸热温度 从而提高循环热效率 在提高初温的同时 乏汽的干度上升了 使汽轮机工作条件得到改善 湿汽损失减小 汽轮机相对内效率提高了 蒸汽初温 105 第三部分汽轮机设计理念 3 影响效率因素 七 影响汽轮机效率主要因素 提高蒸汽初压力能使整个吸热过程的平均温度得到提高 与此同时 蒸汽放热平均温度仍与原来一样 从而使循环热效率提高了 但提高初压使排汽湿度增加 因此初温和初压往往是对应的 蒸汽初压 106 第三部分汽轮机设计理念 3 影响效率因素 七 影响汽轮机效率主要因素 初参数对效率影响 107 第三部分汽轮机设计理念 3 影响效率因素 七 影响汽轮机效率主要因素 在循环参数相同的情况下 降低汽轮机的背压 可使放热平均温度降低 提高循环热效率 在实际汽轮机中 降低背压 使蒸汽排汽湿度增大 降低相对内效率 同时随着背压的降低 排汽比容增大 在一定的排汽面积下 末级余速损失增加 实际循环的热效率的增益变小 此时必须选用较大的末级排汽面积 但会增加机组成本 汽轮机背压是由凝汽设备和冷却水系统的联合工作来实现的 在一定的自然条件下 气温和水源 可借助加大供水系统规模 增加循环水量和凝汽器面积来降低背压 但随之使投资和运行费用增加 因此合理的背压应根据冷却水温 供水方式 排汽流量和末级叶片特性 设备造价和运行费用 结合产品系列和总体布置进行技术经济比较后合理确定 终参数对效率影响 108 第三部分汽轮机设计理念 3 影响效率因素 七 影响汽轮机效率主要因素 一次中间再热可以看作由基本循环 郎肯循环 1 2 3 4 5 1和再热附加循环1 2 2 h 1 组成的复合循环 当再热附加循环的吸热平均温度高于基本循环的吸热平均温度时 则中间再热循环的热效率高于基本循环的热效率 采用中间再热后 汽轮机低压部分的蒸汽湿度减小 改善了末级叶片的工作条件 并提高其相对内效率 可以使循环能够采用更高的蒸汽初压 在保持循环蒸汽初参数 初压和初温 相同 再热温度等于初温的条件下 采用一次中间再热 可使机组的热经济性提高4 5 采用二次再热 可以再提高2 左右 采用中间再热循环的增益随着蒸汽初压的提高呈增加趋势 一般蒸汽初压在25MPa以下时常采用一次中间再热 超过25MPa时才开始考虑采用二次中间再热 再热温度每提高10 可使机组的热经济性提高0 25 0 3 再热温度的提高 主要受高温金属材料的限制 同时还要考虑技术经济的合理性 一般再热温度取成等于蒸汽初温或略高一些 采用再热 109 第三部分汽轮机设计理念 3 影响效率因素 七 影响汽轮机效率主要因素 从汽轮机某些中间级后抽出部分蒸汽 用以加热给水 这种热力循环称为给水回热循环 由于那部分作过功的抽汽的热量全部被用于提高给水温度 使排汽对冷源的放热量 冷源损失 大为减少 因此在蒸汽初 终参数相同的情况下 给水回热循环的热效率比基本循环有显著的提高 另外 在功率相同的情况下 与基本循环相比 采用给水回热后 将使汽轮机的进汽量增加而排汽量减少 有利于汽轮机高压部分效率的提高和末级余速损失的减少 在一定程度上提高了汽轮机的相对内效率 进一步提高汽轮机的热经济性 采用回热系统 110 第三部分汽轮机设计理念 3 影响效率因素 七 影响汽轮机效率主要因素 111 第三部分汽轮机设计理念 采用回热系统 3 影响效率因素 七 影响汽轮机效率主要因素 112 第三部分汽轮机设计理念 采用回热系统 3 影响效率因素 七 影响汽轮机效率主要因素 混合式加热器 表面式加热器 由于各加热器给水出口温度主要决定于各级抽汽的压力 因此在实际的给水回热系统中 各加热器的给水焓升分配必须根据汽轮机通流部分分级情况进行 一般不可能完全符合理论上的最佳分配 但当偏离不大时 对经济性的影响是很小的 对于非再热机组 给水回热系统多采用近于等焓升 温升 的分配原则 高压加热器的平均温升比低压加热器略大一些 对于除氧器 为了获得良好的除氧效果 温升要小一些 对于中间再热机组 由于中间再热后抽汽过热度的提高使给水回热的增益有所降低 故适当增加再热前的回热抽汽量对提高循环热经济性是有利的 为此 常采用某一级加热器的回热抽汽来自再热冷端 进入再热器之前 并使这一级加热器的给水焓升为下一级 再热后的一级 加热器给水焓升的1 5 1 8倍 再热后各级给水焓升的分配原则与非再热机组相同 113 第三部分汽轮机设计理念 采用回热系统 3 影响效率因素 七 影响汽轮机效率主要因素 大型机组 对中 小型机组取 抽汽从汽轮机通流部分经过汽缸抽汽口 管道到加热器 因流动阻力而造成压力损失 它使给水在各加热器的出口温度较无抽汽压损时低 从而使给水回热循环的效率有所下降 降低抽汽压损将增加通流部分级间轴向距离 抽汽口和管道直径 从而增加投资费用 因此抽汽压损必须在技术经济合理的基础上予以选择 抽汽压损 114 第三部分汽轮机设计理念 3 影响效率因素 七 影响汽轮机效率主要因素 在蒸汽初 终参数和再热温度一定时 有一个最佳的中间再热压力 此时中间再热循环的热效率最高 对于理想中间再热循环 理论上的最佳中间再热压力可以根据蒸汽再热前温度等于该循环的等价卡诺循环的初温T的条件求得 即与最佳中间再热压力相对应的蒸汽再热前温度T 对于中间再热温度等于蒸汽初温的一次中间再热机组 最佳中间再热压力约为蒸汽初压的18 26 当再热前有回热抽汽时 取18 22 当再热前无回热抽汽时 取22 26 对于二次中间再热 第一次最佳中间再热压力约为蒸汽初压的25 30 第二次最佳中间再热压力约为第一次中间再热压力的25 30 即约为蒸汽初压的6 9 蒸汽在再热前后管道和锅炉的再热器中 因流动阻力而造成压力损失 减小压损可以提高机组的热经济性 但需加大管径 增加金属消耗和投资费用 抽汽压损 115 第三部分汽轮机设计理念 抽汽压损 3 影响效率因素 七 影响汽轮机效率主要因素 重点考虑因素 在材料允许范围内 适当提高再热蒸汽温度 降低热耗 重点考虑因素 在材料允许范围内 适当提高主蒸汽压力 降低热耗 重点考虑调节级强度 汽缸气密性问题 1 提高初参数 八 提高汽轮机效率措施 第三部分汽轮机设计理念 调节级优化 合理选择喷嘴面积和调节级反动度 提高调节级后压力 减少调节级焓降 使得U C0更为合理 提高调节级效率 同时增大调节级喷嘴组的部分进汽度 减少进汽损失 优化设计压力级 使各级焓降分配更加合理 提高通流效率 增加中压通流级数 提高通流效率 2 提高通流部分效率 八 提高汽轮机效率措施 第三部分汽轮机设计理念 应用业绩 八