超超临界汽轮机技术研究的新进展

邓盛泓

（广东粤电大埔发电有限公司 514265）

超超临界汽轮机技术研究的新进展

邓盛泓

（广东粤电大埔发电有限公司 514265）

随着汽轮机技术的发展和进步，汽轮机发电已经开始朝着超超临界汽轮机发电方向发展，这种技术工作效率更高效、排放量更少。由于这种技术的蒸汽温度和压力比传统超临界电厂高，因此这就给汽轮机组提出了新的要求。本文主要对超超临界汽轮机技术的设计特点和先进的汽轮机技术进行了具体的分析。

超超临界；汽轮机技术；研究进展

1 超超临界设计特点

1.1 汽轮机设计

超超临界应用中的汽轮机设备取决于所选择的再热级数、机组额定功率和现场背压特性。对于1个一次再热和功率输出在800～1000MW范围，典型的汽轮机组将建成3个分开的汽轮机部件，在不同的压力和温度水平下运行。这些部件是高压缸（HP）、中压缸（IP）和2个低压缸（LP）。发电机与最后的低压缸直接相联。应用现代化的材料研究成果，这种设计允许蒸汽温度在600℃和620℃左右[1]。

将蒸汽参数进一步提高到约650℃左右，就需要在设计上采取新的措施，如高温部件的主动冷却和新型材料的引用。把蒸汽温度提到更高的700℃将会使电厂整体净效率超过50%。这可以通过改变设计原理和对高压缸及低压缸所有高温部件采用超耐热合金加以实现。

1.2 高压缸

能够应付超超临界主蒸汽工况的高压缸的基本设计原理是圆筒型外缸设计。这种设计能够达到蒸汽工况30MPa和600℃。高温部件如进汽室、转子和内缸用9～12%的CrMoV钢制造。圆筒型外缸有1个轴向汽缸中分面，缸壁的厚度能承受最高的压力负载。由于没有水平法兰，它具有最佳的热变形特性，使内缸和叶片之间的径向间隙很小，这就意味着可以获得最好的缸效。

1.3 中压缸

中压缸设计接受再热蒸汽的工况为620℃。转子和内缸由9～12%CrMoV钢制造而成。用涡流冷却法降低转子表面的温度，就可以承受高温蒸汽。这种冷却方法的原理是通过降低转子表面相应的蒸汽速度而降低其温度。除了降低转子表面温度外，第1叶片级由镍基合金钢制成，以承受高温的离心负载。

1.4 低压缸

低压缸由具有水平中分面汽缸的双流道组成。中压缸排汽通过一根联通管进入低压缸。典型的蒸汽工况在1MPa和300℃左右。蒸汽将膨胀进入凝汽器，凝汽器压力范围在0.003～0.010MPa。由于容积流量较高，所以要特别考虑适当安排低压缸的排汽区域。最优末级叶片族和长末级叶片的发展可以使排汽区域更合理，因为它可以减少排汽损失。

2 先进的汽轮机技术

2.1 材料

近10年来，欧洲一直在进行不同的复合材料研究，集中在9～12%CrMoV钢的材料等级上，这是因为它们优良的性能特点，如硬度高、均匀性好、可加工性以及焊接性。现在大型转子锻件、铸件和阀门可使用9～10%CrMoV钢，其可承受的温度可达610℃，这些材料已在火电厂中得到了应用。目前的研发活动还包括面向未来的700℃汽轮机材料的工作部件[2]。通过在汽轮机中使用超耐热合金级材料，已经看到了成功的希望。与已知的汽轮机材料相比，新材料有更强的尺寸限制和更好的材料性能。超耐热合金材料能够更好地满足汽轮机所需要的性能，同时比奥氏体钢有更高的蠕变强度。

2.2 叶片装配工艺和叶片通道设计

2.2.1 叶片制造装配工艺

高度灵活性和可靠性是叶片通道制造的严格模块化概念，如叶身、叶根、沟槽、围带、抽汽、锁紧装置等。对于每个元件，不同的应用有不同的类型，就性能、机械结构和成本而言，每种类型有其优点和局限。在模块化设计概念中，所有这些不同的类型可被随意地组合在一起，根据特定的设计边界条件（如气动力学、压力、材料和温度）制造出最佳的叶片。直的、扭曲式的或弯的叶型能够和任何叶根或围带组合。就效率和成本而言，这种非常灵活的概念就为向用户提供具有高效而节省投资的特殊解决方案提供了可能性。

2.2.2 先进的叶型设计

汽轮机叶片机翼的设计是和损失源的确认及对机械损失的理解联系起来的。汽轮机叶片总体空气动力损失可大致分为叶型损失、环周流动损失、二次流损失和漏汽损失。它们对总体损失的影响主要取决于几何形状、叶片负荷和流动折向。对于超临界发电厂，通过观察高压缸和中压缸部件不同区域上相对流动损失，叶型损失在整个汽轮机中被认为是最大的单独损失来源。这清楚地表明，通过减少整个汽轮机中的叶型损失，可以极其容易地减少总体损失。二次流损失在以低展弦比（叶高与叶弦之比）为特征的级上具有明显性，即高压和中压缸部件的前级。漏汽损失在高压和中压缸的进汽区域相对高一些。总的来说，在一定程度上，汽轮机中的流场是以完全三维为特点的。这对低展弦比汽轮机特别正确，在那里接近后缸壁所产生的二次流能够影响整个流场。因此由这些二次流产生的损失对总体空气动力学损失贡献明显，特别是在高压和中压缸部件的前面的各级。为实现当今所需的高效率，就必须对二次流加以注意，这就是三维叶片设计起作用的理由。

2.3 先进的低压缸叶片

高效率和低成本的先进电厂解决方案也和低压部分产品的组合有关。排汽面积为16m2（50Hz）和11.1m2（60Hz）的先进的第2代钛合金叶片是低压部分产品组合的另一个里程碑。该项开发的主要目标是：①为最小化排汽损失增加排汽面积；②为所有汽轮机组提高性能和增加动力输出；③把工艺和设计知识加以转换与集成以在效率和产品成本上设置基准。通过仔细的通流和准三维最佳化，借助机械学和气动力学之间的全三维跨学科的叶片设计优化加以补充，实现了气动力学设计的主要进展。在缩-放型叶型部分，通过弯扭结合的静叶片设计与发展实现了主要的改进。

3 结语

超超临界机组技术的主要作用是增加电厂效率、保护环境和节约矿物资源，要达到电厂水循环最佳热效率还需要提高蒸汽温度和压力。本文主要分析了超超临界机汽轮机机组的设计特点，并分析了几种先进的汽轮机技术，希望可以给当前的汽轮机设计提供参考。

[1]史进渊，杨宇，孙庆，崔琦，张兆鹤.超超临界汽轮机技术研究的新进展[J].动力工程，2003，02：2252～2257.

[2]马力博.超临界与超超临界汽轮机耐热钢的研究进展[J].电子制作，2015，06：38.

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2016-8-23