1、独特结构、独特性能的超超临界汽轮机何阿平 阳虹 彭泽瑛摘要：在直接与汽轮机有关的高效洁净燃煤发电技术：超超临界参数、提高汽轮机内效率以及冷端优化三个领域内，起关键作用的是汽轮机的结构设计。SEPG 在超超临界汽轮机中采取了一系列新颖独特的结构，通过从进口到出口与传统结构进行逐段的对比分析表明，独特结构的热耗得益在 2.5%以上。玉环 41000MW 及外高桥-III 等大量机组的实测高中压缸效率及热耗均达到了保证及设计值，验证了独特结构设计具有稳定的低损失，高效率特性。 关键词：超超临界参数 汽轮机 热耗 1.前言 自 1997 年至今，百万千瓦燃煤发电超超临界汽轮机走过 10 年的历程之际，
2、我们有必要对目前产品技术的状况进行总结和分析，以明确下一步的发展方向。从节约有限资源和环境保护的角度， “节能减排”不仅是提高电力企业经济效益，而且是整个社会持续发展的要求，汽轮机产品技术发展所面临的形势是： (1)提高效率的要求更为迫切，产品技术的“优胜劣汰”将是必然趋势 据我国 2007 年的统计，燃煤火电量占总电量的 78%，消耗了 50%以上的煤以及 40%的工业用水；在全年排放中火电占据的份额为：渣的 70%、灰的 20%，SO2 的 52%以及 24 亿吨的 CO2，由于排放直接与效率有关，随着京都议定书关于 CO2 减排目标的实施，提高燃煤火力发电效率的要求更为迫切。 随着经济手
3、段对环保和排放控制的杠杆作用，效率提高，热耗下降的经济效益大小成为决定汽轮机产品能否立足市场的关键。根据欧洲的经验，如果按热耗效益的经济杠杆相对每 1kW，每 1kJ/kWh 为 0.2 欧元计算；相对独特与传统结构机型 2.5%热耗差值，每一台 660MW 和 1000MW 机组的价值差分别是 2.4 亿元和 3.65 亿元。显然这个经济杠杆将促进形成一个“为环保和效益买好设备”的市场运作机制，使电厂和制造商在保证热耗中商务因素所承担的风险越来越大，促进开发和应用效率更高的技术和设备。 当然，要使我国装备业和电厂从目前“尽一切可能降低设备成本，提高企业效能”向“尽一切可能采用先进技术提高效率
4、”方针转变的前提、基础、动力和压力是必须形成以社会层面的“大成本”取代企业自身“小成本”的机制。国际节能减排的经验表明，只有实施一定的行政（政策）干预加上排放市场化的运作规则才能形成“严法之下高价格对应的高效率和低排放” ，产品技术必须“按效率高低实施优胜劣汰”等共识。 (2)目前产品技术状况的正确评估，明确继续提高效率的发展方向 自 2003 年“863”课题确定发展600MW 容量超超临界机组以来,第一个超超临界依托工程,华能玉环电厂创记录的在 4 年中建成投运 4 台机组；机组热耗及汽轮机内效率全面达到设计和保证值， “863”提出的稳妥、起步目标已圆满实现，目前上海电气电站设备有限公司
5、(下简称 SEPG)具有成熟的传统结构和独特结构两种型式的汽轮机，其中在制的独特结构600MW1100MW 超超临界汽轮机组已多达 6 种，总数超过 70 余台。在确定下一步发展目标时，有必要对现有两种产品技术的性能状况作出一个全面的评估，明确不同结构型式的效率差异多大？提高效率的关键技术有那些? 下一步产品技术的发展方向是什么?2.超超临界 600参数比亚临界热耗相对低 4%，热效率提高 1.7%600高温强度达到 95MPa 左右的 9%-11%Cr 铁素体材料是目前这一轮超超临界产品的基础。SEPG 正在设计制造 VWO 容量为1050MW、1060MW、1096MW 凝汽和抽汽、三缸和
6、四缸 660MW 等 6 种超超临界机型，其蒸汽压力有 25MPa、26.25MPa、27MPa，温度为 600/600。根据热力学基本原理，采用超超临界参数的经济性得益是非常清晰的，正如国家 863“超超临界燃煤发电技术”课题/子课题 1 的“我国发展超超临界发电机组的技术选型研究”报告指出（1） ，主蒸汽压力提高1MPa，机组的热耗可下降 0.13%0.15%(下面引用按平均 0.14%计算)；主蒸汽温度提高 10，热耗可下降 0.25%0.3%(平均 0.275%)；再热蒸汽温度提高 10，热耗可下降 0.15%0.2%(平均 0.175%)。下表 1 为有关超超临界参数对机组热耗和热效
7、率得益的分析。 表 1 超超临界参数的热耗对比（相对 4.9kPa 背压） 参数 kPa/ 热耗（相对）下降%热效率增加值%热耗（以亚临界 600MW 为基准）kJ/kWh目前各种机型保证热耗水平 kJ/kWh16.7/538/538基准 基准 779624.2/566/5662.30.97762125/600/6003.951.6675007309（某电厂投标） 26.25/600/6004.131.737487731627/600/6004.2351.787479731228/600/6104.551.91745730/600/62052.1742435/700/72010.24.4707
8、4从上表数据可以看出：采用超超临界 600参数相对亚临界，热耗下降约 4%（3.95%4.235%） ；热效率则提高 1.7%(1.66%1.78%)左右。以亚临界 600MW 先进的热耗指标 7796kJ/kWh 为基准，仅考虑 600参数的因素，对应的保证热耗应为 7500kJ/kWh7457 kJ/kWh，而表中所列目前各种机型的保证热耗水平，例如超超临界百万千瓦机组的保证热耗均为7316kJ/kW 左右，比亚临界热耗水平降低 6.6%，显然其中有大约 2.3%-2.6%（170 -190kJ/kWh）不是由于采用超超临界参数的原因，制造商有必要对此作出合理的解释和说明。 3.高效洁净燃
9、煤电厂设计理念的热效率比亚临界提高 7.7%为了符合严格的环保要求，上世纪 90 年代起，德国发起的高效洁净燃用褐煤发电（简称 BoA）设计理念取得了成功，该理念的核心是为燃煤电厂提供技术上最优,经济效益最好以及充分环保的综合解决方案：采用一切可以使用的、提高效率的先进技术和设备，包括超超临界参数、最新的结构和技术提高汽轮机的内效率、区域供热、冷端优化、余热利用、热力系统配置优化、一切有效的减排措施、一次和二次调频能力等。2002年德国 Niederaussem 电厂 1027MW 机组是 BoA 的典型实例，通过一切可以应用技术和装备的投入，不仅与亚临界 600MW 的热效率 35.5%相比
10、，新电厂的热效率提高到 43.2%，增加幅度达到 7.7%（图 1） ，而且在相同电量条件下的 CO2 排放每年减少 300 万吨；粉尘、SO2 和 Nox 的排放量减少约 30%（2） 。 图 1 高效洁净燃煤发电技术效益分解 德国高效洁净发电技术（BoA）理念给我们有至少 2 方面的启示： （1）超超临界参数仅仅是高效洁净发电技术中提高效率的 6 个技术领域：超超临界参数、汽轮机结构优化、冷端、余热利用、热力系统配置、厂用电中的 1 个。600参数对效率提高的贡献仅占 1/6 左右。如果仅仅关注参数提高，而忽略其他 5 个方面，甚至在某些方面，例如汽轮机结构以及冷端设计不进行优化，甚至于“
11、劣化” ，显然是偏离节能减排宗旨的。（2） 在设备投资成本和造价评估中只有引入了提高效益的经济杠杆才会在电厂建设中实现“尽可能采取一切可以提高效率的设备和技术”的选型原则。以 Niederaussem 的 1027MW 机组为例，为利用锅炉的排烟余热,使热效率提高 0.9%，增加内部 1300 公里的换热管道投资；为冷端优化的超低双背压 2.91kPa/3.68kPa，使热效率提高 1.4%，采用了巨大的冷却塔以及五缸六排汽（三个名义排汽面积为 212.5 的低压缸）汽轮机；为热力系统优化，采用了 10 级回热抽汽等，这些设备和技术的投入一方面使效率提高 7.7%,另一方面使单位千瓦的投资增加
12、到 1200 欧元（大约是目前我国的 3 倍） ，是“高价格与高效率、低排放设备”的典型实例，但按热耗 1kJ/kWh 为 20 万欧元的“大成本”原则计算，这些设备投资的增加是完全值得的。相比如果在电厂建设中，不计先进技术设备投资的经济效益，制造商和电厂执行 “降低单位造价”的方针，这些高效洁净燃煤技术就不会得到应用。我们的超超临界机组数量在世界上遥遥领先，但德国高效洁净燃煤发电技术的理念和先进技术的应用深度，所取得的节能减排社会效益均值得我们参考和借鉴。4， 先进的结构是保证高效率的关键 4.1 先进的独特结构是汽轮机提高效率的三个技术领域中的关键 在计算机技术融入整个汽轮机设计制造的今天
13、，产品设计技术平台（CAD、CAE、CFD、CAM）的国际化和商业化使汽轮机的结构设计成为决定产品性能高低，最基本、最关键的决定性因素。与传统风格形式相比，在汽轮机有关的三个提高效率的技术领域：热力循环热端的进汽参数；汽轮机的内效率以及汽轮机冷端排汽优化中，只有采用了先进而独特的结构才能使产品具有采用更高超超临界参数的能力、才能大幅度降低流动损失，得到更高的汽轮机内效率、才能降低冷端损失，从而得到最高的效率。 SEPG 具有传统及独特两种结构风格的机型，分析表明：在超超临界参数及大容量条件下，继续保持亚临界、超临界的传统汽轮机结构形式，不仅不会降低流动损失，反而会因参数和容量增加带来的安全可靠
14、性问题，增加损失，牺牲超超临界参数带来的部分得益。 SEPG 正是通过一系列独特的结构设计技术来实现热耗在超超临界参数 4%得益基础提高到 6.6%的目标。除了明显提高机组的安全可靠性、安装维护特性以及运行灵活性能外，几乎在蒸汽流动的每一段过程中，独特结构均能明显地降低流动损失。扣除诸如容量增大的影响、回热系统优化等因素之外，独特结构设计至少有 2.5%以上的热耗得益。 42 独特结构汽轮机性能的实践验证 “实践是检验的唯一标准” ，10 年来大量独特结构机组的运行性能令人信服地证实了先进结构设计的经济效益（见下表 2） 。玉环、外高桥连续 6台机组的现场性能为我国电力企业带来的惊喜是： 在热
15、耗达到保证值得同时，高中压缸效率也达到设计值； 不仅一台机组，而且陆续投运的所有机组的性能均稳定地达到设计和保证性能； 电厂实际运行热耗很少进行修正，甚至实际运行测试的热耗还低于保证热耗，例如玉环#1实测热耗为 7258kJ/kWh，修正后的热耗为 7295 kJ/kWh，即电厂在实际运行中还能得到比保证值更高的经济效益（3） 。 表 2 独特结构机组的实测性能数据 电厂及日期 实测平均(设计值)高中压缸效率%实测(保证)热耗 kJ/kWh1998 德国黑泵电厂 2874MW90.95/93.457307.5(7315.1)1999 德国 Boxberge 电厂 910MW94.2/96.1全
16、厂热耗 7484(7531)2002 年 Isogo 电厂 600MW 两年后热耗 7318(7342)2004 年外高桥-II-2900MW 7500(7602)2007 年华能玉环电厂 41000MW90.65/93.28(90.39/93.3)7291-7315(7316)2008 年外高桥-III-21000MW92.08/93.77(91.12/93.44)析 我们从设计角度，通过与传统结构对比的方法，沿着蒸汽流动的轨迹，从汽轮机进口到排汽的各个流段，对独特结构的低流动损失、高效率特性进行分解。 （1）汽轮机阀门前可采取更高的蒸汽压力 与传统结构型式相比，SEPG 采用的“独特”圆筒型高压模块中，外缸为无水平中分面的圆筒型，前后分为高温及低温缸，由轴向螺栓连接；内缸有水平中分面，但也是一个无法兰外伸端的光滑圆筒型结构（见图 2） 。自冷结构不仅冷却转子和汽缸，同时使内外缸分别承受部分压力载荷（见图 3） ，加上受力直径小、温度场及应力均匀等特点使螺栓、汽缸及
