超超临界汽轮机发展问题和前景实用教案

1、主 要 内 容第1页/共23页第一页，共24页。 主汽压力 技术经济比较：机组煤耗降低，锅炉、给水泵和给水、主汽管道投资增加。即将(jjing)建设的新机多为28MPa。 西门子和Alstom的桶型高压缸，对于30MPa以内的主汽压，不需要改变设计，超过30MPa，变化也小。 主汽压力增加，需要配合再热汽温升高，降低能耗，同时减少排汽湿度。1 提高(t go)初参数 再热蒸汽温度 2012年以来，新机设计中普遍采用610甚至620的再热汽温。业内对620存在剧烈的争论，因为材料安全余量太小，对锅炉热偏差和汽温波动限制过于(guy)严格。第2页/共23页第二页，共24页。 2 2 机组容量机组容

2、量(rngling) (rngling) 冷端冷端配置配置 限制汽轮机容量的主要因素是高压缸通流面积，低压缸排汽限制汽轮机容量的主要因素是高压缸通流面积，低压缸排汽面积。面积。 目前国内引进的高压缸技术和模块，可以应付目前国内引进的高压缸技术和模块，可以应付12001300MW12001300MW的容量。的容量。 排汽方面，闭式循环水系统：排汽方面，闭式循环水系统： 华北和以南地区，如果配备闭式循环水系统，则基于目前的华北和以南地区，如果配备闭式循环水系统，则基于目前的冷端设备冷端设备(shbi)(shbi)标准，低压缸合理设计应当是：额定背压标准，低压缸合理设计应当是：额定背压搭配搭配80%

3、80%负荷，或者背压负荷，或者背压6 kPa6 kPa左右搭配额定出力，以此为出左右搭配额定出力，以此为出发点进行排汽面积优化配置。为此，采用发点进行排汽面积优化配置。为此，采用4 4排汽、排汽、1219mm1219mm的的末级叶片和比较高的给水温度，可以良好应付末级叶片和比较高的给水温度，可以良好应付1200MW1200MW的机的机组容量。组容量。第3页/共23页第三页，共24页。 开式循环开式循环(xnhun)水系统：水系统： 对于开式循环对于开式循环(xnhun)水系统，需要根据水系统，需要根据水温，合理配置冷端设备容量，以及额定背压，水温，合理配置冷端设备容量，以及额定背压，合理安排排

4、汽面积。对于合理安排排汽面积。对于1718循环循环(xnhun)水温，水量充沛的条件，水温，水量充沛的条件，1000MW汽轮机可以而且需要配置汽轮机可以而且需要配置3.64.0 kPa的额定背压，搭配的额定背压，搭配4排汽排汽/1219mm末级末级叶片（排汽面积叶片（排汽面积48m2）或）或6排汽排汽/1000mm末级叶片末级叶片(排汽面积排汽面积55m2)，显著降低汽轮，显著降低汽轮机热耗。机热耗。 12001300MW机组，辅机有困难，需要大机组，辅机有困难，需要大量进口。量进口。 基于调峰需求和电网安全考虑，基于调峰需求和电网安全考虑，1000MW及及以上机组不能太多，主力应为以上机组不

5、能太多，主力应为600MW级别机级别机组。组。第4页/共23页第四页，共24页。 600660MW600660MW容量，容量，2 2排汽排汽/11461219mm/11461219mm末级叶片配置，末级叶片配置，排汽面积较小，适合较高的循环水温和背压。厂房体积、排汽面积较小，适合较高的循环水温和背压。厂房体积、建设投入、循环水泵扬程增加；不能享受双背压的好处。建设投入、循环水泵扬程增加；不能享受双背压的好处。 对于对于4 4排汽设计，排汽设计，660MW660MW容量比容量比600MW600MW好。好。 对于大量的闭式循环水系统机组，应推广对于大量的闭式循环水系统机组，应推广660MW660M

6、W容量和容量和4 4排汽排汽/900mm/900mm末级叶片的搭配。末级叶片的搭配。 设计余速损失较小的汽轮机，比如设计余速损失较小的汽轮机，比如(br)600660MW(br)600660MW容量容量搭配搭配 4 4排汽排汽/1000mm/1000mm末级叶片末级叶片 ，如果条件具备，可以考，如果条件具备，可以考虑增加铭牌容量虑增加铭牌容量5%5%，让冷端工作更平衡一些。，让冷端工作更平衡一些。第5页/共23页第五页，共24页。 关于双背压设计关于双背压设计双背压设计可以使平均背压降低双背压设计可以使平均背压降低 0.20.3 kPa 0.20.3 kPa。一般地，循环水温越低，水量越充沛，

7、越不适一般地，循环水温越低，水量越充沛，越不适合双背压设计。这是业内熟知合双背压设计。这是业内熟知(shzh)(shzh)的。的。另一方面，汽轮机排汽面积越大，热耗另一方面，汽轮机排汽面积越大，热耗 - - 背压背压修正曲线越陡，膨胀极限背压越低，因此，越修正曲线越陡，膨胀极限背压越低，因此，越适合双背压设计。适合双背压设计。国内汽轮机末级叶片普遍较长，因此，国内的国内汽轮机末级叶片普遍较长，因此，国内的4 4排汽汽轮机，适合双背压的循环水温、水量条排汽汽轮机，适合双背压的循环水温、水量条件较宽。换句话说，其中的绝大多数适合双背件较宽。换句话说，其中的绝大多数适合双背压设计。压设计。第6页/共

8、23页第六页，共24页。3 3 冷端设计冷端设计(shj)(shj)的问的问题和实例题和实例 某厂某厂2 2台台1000MW1000MW机组，投产不足机组，投产不足1 1年，增加铭牌出力到年，增加铭牌出力到 1050MW1050MW，实际负荷率，实际负荷率80%80%。汽轮机厂家为东方。汽轮机厂家为东方。 开式循环开式循环(xnhun)(xnhun)水系统，海水冷却，平均水温水系统，海水冷却，平均水温1717。循环。循环(xnhun)(xnhun)水系统为单元制，每台机组配备水系统为单元制，每台机组配备3 3台循环台循环(xnhun)(xnhun)水泵。凝汽器为双压型，换热面积水泵。凝汽器为双

9、压型，换热面积45000m245000m2（已经增加，初（已经增加，初设为设为40000 m240000 m2），设计冷却倍率），设计冷却倍率5555。额定背压。额定背压4.725 kPa4.725 kPa。汽。汽轮机末级叶片轮机末级叶片1092mm1092mm。 如果采用常规的冷端设计，凝汽器面积如果采用常规的冷端设计，凝汽器面积50000m250000m2，冷却倍率，冷却倍率6060，额定背压即可降低到，额定背压即可降低到4.0 kPa4.0 kPa，相应地，搭配，相应地，搭配1219mm1219mm的的末级叶片，机组能耗可降低近末级叶片，机组能耗可降低近1%1%。第7页/共23页第七页，

10、共24页。3 3 冷端设计冷端设计(shj)(shj)的问题和的问题和实例实例 续续 为保证机组安全，冬季仍维持为保证机组安全，冬季仍维持1 1机机2 2泵的调度方式。现有条泵的调度方式。现有条件下，膨胀极限（出力阻塞）背压较高，冬季背压很容易件下，膨胀极限（出力阻塞）背压较高，冬季背压很容易更低。如采用较大的冷端设计，增设循环水联络管，冬季更低。如采用较大的冷端设计，增设循环水联络管，冬季采用采用2 2机机3 3泵的运行方式，就可以避免这个问题。泵的运行方式，就可以避免这个问题。 以上优化设计投入增加很少，机组能耗降低共计以上优化设计投入增加很少，机组能耗降低共计 1% 1%。 很显然，机组

11、设计没有充分利用循环水温低、水量充沛的很显然，机组设计没有充分利用循环水温低、水量充沛的优势。冷端设计是平衡的，但方向是节省投资，相应优势。冷端设计是平衡的，但方向是节省投资，相应(xingyng)(xingyng)地增加煤耗，且双背压有些勉强。困难是难以地增加煤耗，且双背压有些勉强。困难是难以改造。改造。 冷端优化设计的问题相当普遍。妥善解决类似的优化设计冷端优化设计的问题相当普遍。妥善解决类似的优化设计问题，往往能以较少的投入，获得很大的节能效果。问题，往往能以较少的投入，获得很大的节能效果。第8页/共23页第八页，共24页。 4 4 二次中间再热二次中间再热 容量容量(rngling)(

12、rngling)限制限制 二次中间再热，是降低二次中间再热，是降低热耗、减少排汽湿度的热耗、减少排汽湿度的有效手段。有效手段。 投入增加很多。运行、投入增加很多。运行、控制复杂控制复杂(fz)，国内，国内尚无经验。不建议再热尚无经验。不建议再热汽温汽温620。第9页/共23页第九页，共24页。二次再热二次再热 续续 需要设置超高压缸。不应采用高、中压缸合缸设计。这样，需要设置超高压缸。不应采用高、中压缸合缸设计。这样，1000MW1000MW级别级别4 4排汽汽轮机，轴系长度可能超过排汽汽轮机，轴系长度可能超过(chogu)40m(chogu)40m，有困难。低压缸，有困难。低压缸6 6排汽设

13、计也往往受困于此。排汽设计也往往受困于此。欧洲机型没有这个问题。欧洲机型没有这个问题。 泰州泰州2 2期是世界上首次在期是世界上首次在1000MW1000MW机组上采用超超临界、二机组上采用超超临界、二次再热。初参数次再热。初参数 31 MPa / 600 /610 /610 31 MPa / 600 /610 /610 。 动力循环优化的结果：动力循环优化的结果： 增加主汽压到增加主汽压到28MPa28MPa或以上；或以上； 增加回热级数到增加回热级数到910910级，提高给水温度到级，提高给水温度到300300以上，以上，泰州泰州2 2期机组为期机组为330330； 温度过高的抽汽，可以增

14、设冷却器，加热最终给水，降温度过高的抽汽，可以增设冷却器，加热最终给水，降低过热度后再进入高加。低过热度后再进入高加。 需要摸索减少投资的节能设计方案。需要摸索减少投资的节能设计方案。第10页/共23页第十页，共24页。 5.1 高、中压缸高、中压缸 对于高、中压缸，小根径、多级数是当今趋势，可以有效对于高、中压缸，小根径、多级数是当今趋势，可以有效提高通流效率。提高通流效率。Alstom将增加级数做到了极致。西门将增加级数做到了极致。西门子的变反动度设计技术，进一步挖掘了潜力。子的变反动度设计技术，进一步挖掘了潜力。 对于中压缸进汽区的冷却对于中压缸进汽区的冷却(lngqu)，一般思路是用少

15、，一般思路是用少量低温蒸汽将高温蒸汽和金属部件隔开。西门子用中压量低温蒸汽将高温蒸汽和金属部件隔开。西门子用中压缸进汽的一小部分作为冷却缸进汽的一小部分作为冷却(lngqu)蒸汽，节流加速蒸汽，节流加速后温度降低约后温度降低约15。Alstom则采用焊接转子技术，高则采用焊接转子技术，高温区采用高级别的金属材料，不需要冷却温区采用高级别的金属材料，不需要冷却(lngqu)。都是巧妙的节能设计。都是巧妙的节能设计。 超临界参数、高效辅机仅仅(jnjn)是节能设计的必要条件5 一些重要的节能设计(shj)技术 第11页/共23页第十一页，共24页。 5.2 调门管理调门管理超超临界汽轮机的调节级设

16、计难度很大，必须在材料超超临界汽轮机的调节级设计难度很大，必须在材料(cilio)安全和效率之间寻求妥协。安全和效率之间寻求妥协。1000MW机组容量机组容量太大，必须设置双流调节级，效率受损。太大，必须设置双流调节级，效率受损。 不设调节级，则高压缸设计大大简化。取消效率很低的调节不设调节级，则高压缸设计大大简化。取消效率很低的调节级，对高压缸效率有好处。级，对高压缸效率有好处。只要调门全开时，高压缸效率提高只要调门全开时，高压缸效率提高3%（绝对），则部分负（绝对），则部分负荷运行时，相对顺序阀方式，总体上仍有节能优势。荷运行时，相对顺序阀方式，总体上仍有节能优势。 节流配汽汽轮机，部分负

17、荷运行时，原则上调门阀位应位于节流配汽汽轮机，部分负荷运行时，原则上调门阀位应位于4550%，以减少节流损失。，以减少节流损失。第12页/共23页第十二页，共24页。 因此，在超超临界汽轮机上，节流配汽有重要的应用价值，因此，在超超临界汽轮机上，节流配汽有重要的应用价值，重新受到重视。国内原来不采用节流配汽的厂家也在积极重新受到重视。国内原来不采用节流配汽的厂家也在积极研究，在新建超超临界机组上采用。研究，在新建超超临界机组上采用。 补汽阀的设置，提高了部分负荷下的主汽压力。实质是损补汽阀的设置，提高了部分负荷下的主汽压力。实质是损失过负荷时的效率失过负荷时的效率(xio l)，提高部分负荷下

18、的效率，提高部分负荷下的效率(xio l)，有节能效益。，有节能效益。 传统结构的高压缸，难以开大口径孔洞，不易设置补汽阀。传统结构的高压缸，难以开大口径孔洞，不易设置补汽阀。如用节流配汽，则提高额定主汽压力是有价值的。如用节流配汽，则提高额定主汽压力是有价值的。 低负荷下，复合配汽损失较大，可以在顺序阀模式下进行低负荷下，复合配汽损失较大，可以在顺序阀模式下进行滑压优化，节能效果更好。滑压优化，节能效果更好。第13页/共23页第十三页，共24页。 5.3 高、中压分缸高、中压分缸高、中压合缸设计，可以有效缩短汽轮机长度，但高、中压合缸设计，可以有效缩短汽轮机长度，但热耗代价很大，设计为热耗代

19、价很大，设计为40 kJ/kWh左右，实际左右，实际损失更大，因为过桥漏汽量一般明显大于设计要损失更大，因为过桥漏汽量一般明显大于设计要求。求。 5.4 改进低压缸设计，提高实际效率改进低压缸设计，提高实际效率 降低分缸点降低分缸点 结构级减少，有效率优势。中压缸进结构级减少，有效率优势。中压缸进出口温差大，设计难度可能有所增加。降低低压出口温差大，设计难度可能有所增加。降低低压缸进汽温度，降低低压缸膨胀变形缸进汽温度，降低低压缸膨胀变形(bin xng)的动力。低压缸尺寸减小，刚性增加。的动力。低压缸尺寸减小，刚性增加。轴承座落地，轴瓦中心固定。轴承座落地，轴瓦中心固定。改变内缸结构，增强内

20、缸刚性。低压缸改造的主要改变内缸结构，增强内缸刚性。低压缸改造的主要手段。手段。 总体效果：低压缸效率提高，且维持时间长；实际总体效果：低压缸效率提高，且维持时间长；实际轴系长度减少。轴系长度减少。 第14页/共23页第十四页，共24页。5.5 降低管道压损 主汽，冷、热再，连通管从外三项目建设开始，属于设计院范围的工作。目前一般认为，可降低热耗约 20 kJ/kWh。中、低压缸连通管，是汽轮机厂家进行优化，目的同样是降低压损。5.6 低压缸相关杂项(z xin)抽空气管系并联设计 ，充分发挥双背压的优势。夏季循环水温高，则为真空泵设置低温水源。 低背压低压缸接近中压缸，让低背压低压缸多做功。

21、 第15页/共23页第十五页，共24页。 迄今为止，外三的迄今为止，外三的2 2台台1000MW1000MW机组仍是世界上供电煤耗最机组仍是世界上供电煤耗最低的常规燃煤火电机组（纯凝）。低的常规燃煤火电机组（纯凝）。 参数参数27 MPa/600/60027 MPa/600/600，背压，背压 4.3 kPa 4.3 kPa。4 4排汽排汽/ /末级叶片末级叶片1146 mm1146 mm。汽轮机设备和玉环相同，并无特殊之处。汽轮机设备和玉环相同，并无特殊之处。 基建阶段的节能措施：提高主汽压力；减少主管路压损；基建阶段的节能措施：提高主汽压力；减少主管路压损；设置单台高效汽泵；小机单独设置凝

22、汽器，降低大机背压。设置单台高效汽泵；小机单独设置凝汽器，降低大机背压。年平均循环水温年平均循环水温19 19 ，难以采用，难以采用6 6排汽设计。排汽设计。 机组没有增加铭牌出力机组没有增加铭牌出力(ch l)(ch l)。补汽阀从未使用，因为主。补汽阀从未使用，因为主汽压力提高，不需要。汽压力提高，不需要。6 电厂的实践(shjin) 外三的0号高加第16页/共23页第十六页，共24页。 电厂的实践 续补汽阀后导汽管上设置三通，用高压缸5级后的蒸汽加热给水，设置0号高加。进汽管设置调节阀，可以保证40%负荷以上，给水温度保持额定。给水温度升高，则锅炉排烟温度升高，实现脱硝系统全天候运行(y

23、nxng)，还有很多其它优点。锅炉效率降低，理论上，损失和汽轮机得到的效益相当或稍大。通过低温省煤器，将排烟温度降低到90，挽回锅炉的全部损失以外，尚有大量收益。汽轮机抽汽加热空预器进风，消除空预器堵灰。第17页/共23页第十七页，共24页。 电厂的实践 续2富有想象力、成效显著、系统性的创新节能减排技术。但给水温度可以不必提得那么高，关键是脱硝系统入口烟温达到要求。低温省煤器出口烟温保持达到90 ，节能效果就可以差别不大，但投入节省。更重要的是 该技术应用不应仅限于欧洲技术汽轮机。对于传统结构高压缸，可以考虑开较小的孔（新机），只要给水温度有所提高，保证AGC下限负荷时，脱硝设备进口烟气(y

24、n q)温度高于300即可。汽轮机和锅炉厂家需要联合研究，配合一些辅助措施。行业管理避免片面提高脱硝效率，电厂注意脱硝设备维护。如果成功并形成标准设计，则有里程碑式的节能减排意义。第18页/共23页第十八页，共24页。 7 7 煤耗目标煤耗目标 下表是大致下表是大致(dzh)(dzh)的煤耗目标，以燃用的煤耗目标，以燃用烟煤、平均负荷烟煤、平均负荷80%80%为依据。为依据。单位单位1234额定工况试验热耗kJ/kWh7290720070007320运行热耗kJ/kWh7320724070607420锅炉运行热效率0.935管道效率0.99发电厂用电率0.0350.0350.0350.04运行

25、供电煤耗g/kWh280.0 276.9270.0 285.3 注 ： 1，较低背压（4.7 kPa），采用0号高加和低温省煤器 2，极低背压 (3.6 kPa)，采用0号高加和低温省煤器 3，二次再热，极低背压，采用0号高加和低温省煤器 4，常规设计(shj) (5.2 kPa)，闭式循环水系统第19页/共23页第十九页，共24页。 可以看到，常规设计下，由于实际背压条件较差，供电煤耗可以看到，常规设计下，由于实际背压条件较差，供电煤耗达到达到(d do)285 g/kWh也非常不容易。也非常不容易。 如果循环水温很低，水量充沛，则设置极低背压，配合较大如果循环水温很低，水量充沛，则设置极低

26、背压，配合较大的汽轮机排汽面积，是降低煤耗的有力手段。的汽轮机排汽面积，是降低煤耗的有力手段。 0号高加号高加 + 低温省煤器是节能减排的有效途径，需要摸索推低温省煤器是节能减排的有效途径，需要摸索推广的方法。这可能成为一座新的里程碑。广的方法。这可能成为一座新的里程碑。 二次再热可以大幅度（近二次再热可以大幅度（近2%）降低煤耗，但投入很大。）降低煤耗，但投入很大。 运行、维护、改造中，需要重视经验和成果的积累和应用。运行、维护、改造中，需要重视经验和成果的积累和应用。这历来是中国电厂的强项。这历来是中国电厂的强项。 在纯凝机组领域，中国首先达到在纯凝机组领域，中国首先达到(d do)280 g/kWh的供的供电煤耗水平，通过努力，也很可能率先达到电煤耗水平，通过努力，也很可