超高温亚临界135 MW汽轮机热力系统设计.docx

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1、摘要：为了适应煤气发电技术不断向高参数方向发展的需求，东方汽轮机厂研发了超高温亚临界135MW等级的汽轮机。对该机型的热力系统设计特点进行了介绍，分析了机组的配汽方式、回热系统设计、末级叶片选型等方面内容，为后续机组开发提供了参考。关键词：超高温亚临界；汽轮机；热力系统Ol概述钢铁生产中会伴随产生大量煤气、余热，钢厂通过系统性利用余热，开展全面节约热能的工作，保障煤气满足钢铁生产工艺自用后，尚有大量煤气可供电厂燃用，减少了大量煤气(含CO?、CI1.等)、高温热气向空气中排放，避免了废气、热源等物质污染大气，改善了钢厂周边环境，提高了钢厂所在区域的可持续发展水平。随着技术的不断进步，钢厂煤气发

2、电机组的初参数不断提高，大体可以分为以下几个阶段：(1)第一代中温中压煤气发电技术，主要以3.43MPa、435C或者更低参数的机组为主，全厂发电效率W25%,典型项目有湘钢25MW煤气发电机组项目。(2)第二代高温高压煤气发电技术，2002年开始煤气发电机组初参数提高至8.83MPa535,全厂发电效率提高至29%31%,典型项目有沙钢450MW.南钢350MW煤气发电机组项目。(3)第三代高温超高压、一次再热煤气发电技术，2011年开始煤气发电机组初参数提高至13.24MPa、535C、535,随着机组参数的提高以及采用中间再热方式，全厂发电效率提高至35%38%,典型项目有九江线材2X6

3、5MW.五矿营口135祺V煤气发电机组项目。(4)第四代超高温亚临界、一次再热煤气发电技术，在2016年部分机组采用超高温超高压参数13.24MPa、566C、566,但为了进一步降低机组能耗，超高温亚临界参数被提出并得到了迅速推广应用，初参数为16.67MPa566、566,全厂发电效率约为42%,典型项目有日照钢铁2X135MW,湛江钢铁2X135MW煤气发电机组项目。一次再热超高温亚临界参数是目前煤气发电领域内最高的主汽参数，针对目前机组经济性要求高、兼顾灵活运行的特点，东方汽轮机厂(以下简称东汽厂)开发了超高温亚临界135MW机型，在东汽厂已有投运的高温超高压机型基础上，沿用两缸单排汽

4、、中低压合缸的结构设计方案，具有结构紧凑、轴向跨距短、运行灵活性的特点，同时对机组的热力系统进行了优化设计，以提高机组运行经济性。本文对该型汽轮机的热力系统设计方案进行了介绍，详细分析了机组的配汽方式、回热系统设计、末级叶片选型等方面的内容。02总体方案该机组为N135-16.7/566/566型超高温亚临界、一次中间再热、两缸单排汽、湿冷凝汽式汽轮机。该机组由一个高压模块及一个单流低压模块组成，高压模块和低压模块反向布置，共8级回热，由3个高压加热器+1个除氧器+4个低压加热器组成，末级叶片采用成熟的909mm末叶。汽轮机主要设计参数如表1所示。表1汽轮机主要设计参数参数数据额定功率/MW1

5、35主汽压力/MPa16.7主汽温度/C566再热温度/C566回热系统构成3个高压加热器T个除氯器T个低压加热器额定背压/kPa5.88额定主蒸汽流量（th-l）388.1量大主蒸汽流量/大短）431.4给水泵型式电泵末级叶片长度/mm90903配汽方式本机型采用旁通配汽方式，取消调节级，全周进汽带补汽阀的配置，该种配汽方式具有设计效率高、安全可靠性高的特点。旁通配汽机组正常运行时，补汽阀全开无节流损失，当机组进行一次调频时，可以通过快速开启补汽阀及时响应，满足电网调频需要的同时减少锅炉运行波动。当汽轮机处于THA工况以下负荷时，高压阀组处于调节阀全开、补汽阀全关的状态，补汽阀处于热备用状态

6、，当电网发出一次调频指令时开启，当机组功率从额定功率增大时（具有一定功率裕度），补汽阀开启，蒸汽补进通流中，以满足流量增加的要求；当汽轮机处于THA工况以上负荷时，补汽阀处于开启状态。旁通配汽与节流配汽主汽压力与负荷率的关系曲线如图1所示。从图1中可以看出，旁通配汽各工况的主汽压力明显高于节流配汽方式，机组循环效率更高，经济性更好。主A压力%图1旁通配汽与节流配汽主汽压力与负荷率关系曲雄考虑对结构和主流的影响，该机型补汽点设在高压10级后，补汽阀位置处压力及流场分布示意图如图2所示。图2补汽阀位置处压力及流场分布示意图从图2中可以看出，下游叶片入口处的流场（压力、速度矢量等）均匀，说明补汽阀结

7、构尺寸较为合适，对下游叶片的气动性能影响较小；主流与补汽阀进入的汽流掺混区域距离转子表面尚远，两股汽流混合产生的非定常效应不断衰减，因此转子的激振程度受影响非常小。采用环形进汽腔室，能够在补汽阀开启时产生很好的均压作用，对主流的影响很小，轴系振动情况良好。随着电厂节能减排工作的不断推进，火力发电设备的经济性要求越来越高。在机组进、排汽参数确定时，通过优化回热系统设计，能够进一步改善机组的热耗水平。4.1 给水温度选择最终给水温度升高有以下影响：其一，随着给水温度的提高，机组平均吸热温度升高，循环效率提高，但在给水温度升高达到一定值后，汽轮机热耗变化趋势变缓；其二，锅炉效率随排烟温度升高逐渐降低

8、。综合考虑给水温度对汽轮机热耗和机组进汽量的影响，推荐给水温度约为300,较早期亚临界机型升高约10C,汽轮机的热耗降低约14kJkWho4.2 再热压力选择对于中间再热机组而言，再热压力的确定应综合考虑排汽湿度、循环效率、高排蒸汽压力、温度等方面的影响。如果一次中间再热压力设计偏高，相应的高压缸排汽压力、温度偏高，锅炉再热器进口温度偏高，对其设计造成不利影响，同时，再热循环所占份额下降，整体循环效率下降。反之，如果一次中间再热压力设计偏低，后续循环效率下降，导致整体循环效率降低，同时会导致排汽湿度降低。因此，存在一个最佳再热压力，在保证允许的排汽干度情况下，再热循环效率达到最佳值。经核算，针

9、对超高温亚临界参数机组，当再热压力/主汽压力在19%21%内，机组热耗最佳。本项目再热压力/主汽压力为20.8%,在最佳再热压力范围内。根据热力学原理，随着回热抽汽级数增多，回热系统平均换热温差减少，换热不可逆损失越小，能量达到梯级利用的效果，从而提高机组运行经济性。随着回热级数变多，机组热耗收益不断增加，但收益增加变小，考虑到机组抽口和加热器布置，该机型采用8级回热方案，相对7级回热方案有26kJ/kWh热耗收益。05末级叶片选型根据汽轮机变工况原理，中间级的蒸汽压力与级流量变化成正比，在变工况时级压比、速比和级效率等参数与设计工况相比基本相同。而对于末级长叶片而言，当外部冷端条件发生变化时

10、，其排汽压力产生很大变化，级各特性参数相应随着流量、排汽压力等的变化而较大幅度变化。因此，末叶选型与汽轮机变工况下的经济性密切相关。在135MW等级湿冷机组上，针对5.88kPa背压，有909mm、80OnMn末叶低压模块，用以适应机组的冷端条件，以使机组性能达到最佳，两个末叶在不同负荷下的热耗变化曲线如图3所示。热建变化图3末级叶片热耗率对比计算表明，在50%负荷率以上时，909mm末叶方案优于800mm末叶方案。考虑到机组全年平均负荷率一般在50%以上，909mm末叶的低压模块经济性更优。06结语当前钢厂煤气发电技术不断向高参数方向发展，目前超高温亚临界机组己成为必然趋势。东汽厂开发的135Mw两缸单排汽机型充分考虑了机组经济性和成本，拥有更加优越的运行经济性和变负荷性能。(1)采用旁通配汽，全周进汽+补汽阀的方式，保证机组在30%90%负荷范围内经济性更优，同时安全可靠性高;(2)采用8级回热方案，对回热系统进行优化，合理选取机组给水温度、再热压力、回热级数，保证机组运行经济性，同时兼顾系统的简单、可靠运行需求；(3)采用909mm末叶叶片，确保机组额定负荷的运行经济性好，同时具有良好的变工况运行性能。