空冷式高参数汽轮机的技术特点和应用效果

史进渊， 王为民， 何阿平， 张宏涛， 潘家成， 王树东陈洪溪， 黄庆华， 范小平， 祝海义， 范雪飞

(1. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240；2. 中国东方电气集团有限公司， 成都 611731；3. 上海电气电站设备有限公司，上海 200240；4. 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046； 5. 东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川德阳 618000; 6. 国家电力投资集团有限公司， 北京 100033)

根据中国电力企业联合会的统计数据，2017年中国火电装机容量占中国总装机容量的62.17%，火电机组发电量占总发电量的70.99%[1]。中国大功率火电机组全是煤电机组，煤电是中国电力的主要来源，以煤电为主导的局面在短期内难以改变。中国煤炭资源主要分布在中国北方，山西、新疆、宁夏等6个省区煤炭储量占全国煤炭储量的87.50%[2]。

中国是一个水资源短缺的国家，人均水资源仅为世界人均水资源的25%，被联合国列为13个贫水国之一。中国水资源与煤炭资源呈逆向分布，中国北方富煤地区水资源更少。在我国600多个城市中，400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重缺水的城市达110个。火电机组是工业用水大户，中国火电机组取水总量约占中国工业取水总量的一半，耗水量占工业耗水量的20%以上。中国城市人均日生活用水约0.174 46 t[3]，2017年中国500 MW及以上煤电机组的负荷率为51.45%[1]，2台湿冷1 000 MW火电机组的日耗水约71 131 t，相当于一个40.8万人口城市的日常生活用水总量。在中国北方富煤地区严重缺水，建设火电厂面临缺水的难题。

我国水资源开发的难度极大，节水涉及可持续发展。已有的高参数湿冷发电机组的煤耗率低，但耗水量大，在缺水地区无法使用；已有的亚临界空冷发电机组，耗水量仅为湿冷机组的1/4，在缺水地区可以使用，但煤耗率较高。在缺水地区建设火电厂，需要发展煤耗率低的节水型机组，只能采用空冷式高参数煤电机组。空冷式高参数煤电机组是一种新型的煤电机组，锅炉、发电机与空冷系统均是已有产品，只有空冷式高参数汽轮机是新装备。空冷式高参数汽轮机把超超临界湿冷汽轮机技术和亚临界空冷汽轮机技术集成起来，汽轮机主蒸汽采用超超临界蒸汽参数，汽轮机排汽采用直接空冷系统或间接空冷系统冷却，具有热耗率低、煤耗率低与节水的技术效果[4]。在中国北方富煤缺水地区建设火电厂，急需大量空冷式高参数汽轮机。

1 技术特点

1.1 参数与结构

空冷式高参数(660～730 MW)汽轮机，一次再热，三缸两排汽或两缸两排汽，进汽蒸汽参数为25～28 MPa/600 ℃/600～620 ℃，高压缸主蒸汽为超超临界蒸汽参数，高压缸和中压缸有高中压合缸与高中压分缸两种结构，低压缸的排汽采用直接空冷系统或间接空冷系统冷却，背压为10～15 kPa，低压缸通常采用末级叶高为840～1 100 mm的两排汽结构。已经投运的660 MW空冷机组，采用高压缸和中压缸分缸结构的比较多。

空冷式高参数(1 000～1 200 MW)汽轮机，一次再热，四缸四排汽，进汽蒸汽参数为25～28 MPa/600 ℃/600～620 ℃，高压缸主蒸汽为超超临界蒸汽参数，高压缸和中压缸采用分缸结构，低压缸的排汽采用直接空冷系统或间接空冷系统冷却，背压为10～15 kPa，低压缸通常采用末级叶高为700～960 mm的四排汽结构。

1.2 扩大的通流能力

空冷式高参数汽轮机的设计背压为10～15 kPa，比湿冷超超临界汽轮机的设计背压(4～6 kPa)高，相同初参数汽轮机的有效焓降减小3%～5%。为了达到相同功率，汽轮机叶片通流能力要增加3%～5%[5]。汽轮机通流部分要重新设计，汽轮机通流能力需要在超临界湿冷的基础上适当放大。若功率再增加10%，高压缸模块、中压缸模块和低压缸模块的气动性能、叶片强度振动与结构尺寸都需要重新设计。特别是汽轮机进汽温度升高后，高压缸与中压缸面临蠕变、强度与寿命问题，还需要进行详细的结构强度与寿命的计算分析与优化改进。某型号1 000 MW级空冷与湿冷汽轮机的部分参数的比较结果见表1，与湿冷1 000 MW汽轮机相比，空冷1 100 MW汽轮机的额定主蒸汽质量流量增大13.9%。

表1 1 000 MW级空冷与湿冷汽轮机部分参数的比较

1.3 专用末级叶片

空冷式高参数汽轮机低压缸排汽体积流量比同功率超超临界湿冷汽轮机小，专用末级叶片的结构特点是：叶片短，需要选择气动性能优良的叶型，夏季叶片出口轴向马赫数>0.25，级的根部反动度>20%，阻尼围带、阻尼拉筋、整圈连接结构，叶根尺寸与湿冷汽轮机1 m级长叶片相同[6]。超临界空冷汽轮机专用末级叶片的性能特点是变工况性能好、强度高、刚度大、阻尼大，国内典型的空冷式高参数汽轮机与超超临界湿冷汽轮机的末级叶片高度见表2。

表2 高参数汽轮机的末级叶高 mm

1.4 落地式轴承座

空冷式高参数汽轮机的背压和排汽温度的变化范围大，低压缸的变形也大，为了克服排汽温度变化对轴承标高的影响，空冷式高参数汽轮机的低压缸采用了落地式轴承座，以提高轴承的支撑刚度。低压转子的轴承座落地后，轴承座与低压缸的变形不同步，将会引起转子和端部轴封之间的间隙发生变化。空冷式高参数汽轮机采用落地式轴承座，端部轴封与汽缸的连接有两种方法可以选择：一种方法是与汽缸刚性连接，这种方法虽然简单，但由于汽轮机在运行过程中，轴承座与低压缸的标高变化不一致，必然引起转子和端部轴封之间的间隙发生变化，为了避免动静碰摩，必须增加端部轴封的初始间隙，这势必影响汽轮机效率；另一种方法是端部轴封直接与低压轴承座刚性连接，端部轴封与低压缸通过波形膨胀节柔性连接(见图1)。由于空冷式高参数汽轮机低压缸变形(垂直位移)大于端部轴封的间隙，在采用端部轴封落地方案的同时，增加波形膨胀节连接端部轴封与低压缸，既保证了低压缸的真空严密性，又确保了端部轴封与转子之间合适的动静间隙。

图1 端部轴封与汽缸通过波形膨胀节柔性连接示意图

1.5 背压保护

空冷式高参数汽轮机的设计背压高，通常是湿冷机组的2～3倍；空冷式高参数汽轮机的背压变化范围大，通常是湿冷机组的3～5倍；超超临界湿冷汽轮机背压随季节缓慢变化，空冷式高参数汽轮机的背压随每日大气温度频繁变化，且变化幅度大。在高背压低负荷时，由于排汽体积流量减小，低压缸末两级叶片产生大范围脱流和倒流，易发生长叶片颤振，过高的背压威胁空冷式高参数汽轮机的安全运行。同样，在汽轮机启动、低负荷、停机、抽汽供热、甩负荷等小体积流量的恶劣工况下，过高的背压会严重威胁空冷式高参数汽轮机的安全运行。空冷式高参数汽轮机的背压监视与保护，对于空冷式高参数汽轮机的安全运行十分重要[7]。某型号空冷式高参数1 000 MW汽轮机运行的背压保护限制曲线见图2，在20%负荷与额定负荷下，空冷式高参数与湿冷1 000 MW汽轮机的背压保护数值见表3。

图2 空冷式高参数汽轮机背压保护曲线

参数空冷1 000MW级汽轮机湿冷1 000MW汽轮机设计背压10.0～16.04.0～5.5背压变化范围6.0～35.04.0～12.0正常背压12.04.975%负荷至额定负荷背压报警值50.016.775%负荷至额定负荷背压跳闸值65.034.70至20%负荷背压报警值25.016.70至20%负荷背压跳闸值65.034.7

在20%负荷至75%负荷，背压保护跳闸值为65.0 kPa，报警背压pka、安全运行背压pko与机组负荷x的关系式分别为：

(1)

(2)

1.6 汽轮机热耗率上限

(3)

不同容量等级与配置不同空冷系统的空冷式高参数汽轮机的热耗率上限的计算结果见表4。根据已有信息，国内三大动力集团生产的空冷式高参数汽轮机的设计热耗率均低于表4给出的热耗率上限，即采用空冷式高参数汽轮机，新建燃煤发电项目的供电煤耗率可以达到《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》的要求[8]。

表4 空冷式高参数汽轮机的热耗率上限

2 典型产品

2.1 东方电气集团

东方电气集团东方汽轮机有限公司生产的空冷式高参数汽轮机已投运的典型产品主要有以下两种：

(1) 空冷式高参数660 MW汽轮机。型号为NZK660-28/600/620，超超临界进汽参数，一次中间再热，单轴、三缸两排汽，直接空冷凝汽式汽轮机，主蒸汽参数为28 MPa/600 ℃，再热蒸汽温度为620 ℃，设计背压为11 kPa。高压缸有12级，中压缸有10级，低压缸有2×4级，末级叶高为863 mm。

(2) 空冷式高参数1 000 MW汽轮机。型号为NZK1000-25/600/600，超超临界进汽参数，一次中间再热，单轴、四缸四排汽，直接空冷凝汽式汽轮机，主蒸汽参数为25 MPa/600 ℃，再热蒸汽温度为600 ℃，设计背压为13 kPa。高压缸有调节级加高压8级，中压缸有2×6级，低压缸有2×2×5级，末级叶高为770 mm。

2.2 上海电气集团

上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂生产的空冷式高参数汽轮机已投运的典型产品主要有以下两种：

(1) 空冷式高参数660 MW汽轮机。型号为NZK660-27/600/600，超超临界进汽参数，一次中间再热，单轴、三缸两排汽，直接空冷凝汽式汽轮机，主蒸汽参数为25 MPa/600 ℃，再热蒸汽温度为600 ℃，设计背压为12 kPa。高压缸有17级，中压缸有2×15级，低压缸有2×5级，末级叶高为910 mm。

(2) 空冷式高参数1 000 MW汽轮机。型号为NJK1000-28/600/620，超超临界进汽参数，一次中间再热，单轴、四缸四排汽，间接空冷凝汽式汽轮机，主蒸汽参数为28 MPa/600 ℃，再热蒸汽温度为620 ℃，设计背压为10 kPa。高压缸有14级，中压缸有2×13级，低压缸有2×2×6级，末级叶高为820 mm。

2.3 哈尔滨电气集团

哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的空冷式高参数汽轮机已投运或正在生产的典型产品主要有以下两种：

(1) 空冷式高参数660 MW汽轮机。型号为NJK660-28/600/620，超超临界进汽参数，一次中间再热，单轴、三缸两排汽，间接空冷凝汽式汽轮机，主蒸汽参数为28 MPa/600 ℃，再热蒸汽温度为620 ℃，设计背压为10.5 kPa。高压缸有17级，中压缸有2×16级，低压缸有2×5级，末级叶高为1 100 mm。

(2) 空冷式高参数1 000 MW汽轮机。型号为NJK1000-28/600/620，超超临界进汽参数，一次中间再热，单轴、四缸四排汽，间接空冷凝汽式汽轮机，主蒸汽参数为28 MPa/600 ℃，再热蒸汽温度为620 ℃，设计背压为12 kPa。高压缸有15级，中压缸有2×12级，低压缸有2×2×5级，末级叶高为940 mm。

3 应用效果

3.1 机组投运业绩

由东方电气集团东方汽轮机有限公司生产的1 000 MW空冷式高参数汽轮机，蒸汽参数为25 MPa/600 ℃/600 ℃，2010年12月28日在华电宁夏灵武发电有限公司投运，四缸四排汽，配置直接空冷系统，末级叶高为770 mm。由东方电气集团东方汽轮机有限公司生产的1 100 MW空冷式高参数汽轮机，蒸汽参数为25 MPa/600 ℃/600 ℃，2013年12月31日在新疆农六师煤电有限公司投运，四缸四排汽，配置直接空冷系统，末级叶高为770 mm。由东方电气集团东方汽轮机有限公司生产的660 MW空冷式高参数汽轮机，蒸汽参数为28 MPa/600 ℃/620 ℃，2016年12月24日在内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司投运，三缸两排汽，配置直接空冷系统，末级叶高为863 mm。

由上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂生产的660 MW空冷式高参数汽轮机，蒸汽参数为27 MPa/600 ℃/600 ℃，2013年1月31日在国电建投内蒙古能源有限公司布连电厂投运，三缸两排汽，配置直接空冷系统，末级叶高为910 mm。由上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂生产的660 MW空冷式高参数汽轮机，蒸汽参数为27 MPa/600 ℃/610 ℃，2015年12月16日在国电哈密煤电开发有限公司投运，三缸两排汽，配置间接空冷系统，末级叶高为910 mm。由上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂生产的1 000 MW空冷式高参数汽轮机，蒸汽参数为28 MPa/600 ℃/620 ℃，2018年12月30日在陕能赵石畔煤电一体化项目雷龙湾电厂投运，配置间接空冷系统，末级叶高为820 mm。

由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的660 MW空冷式高参数汽轮机，蒸汽参数为25 MPa/600 ℃/600 ℃，末级叶高为940 mm，2015年12月30日在中电投西宁火电厂投运，两缸两排汽，配置间接空冷系统。由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的660 MW空冷式高参数汽轮机，蒸汽参数为 28 MPa/600 ℃/620 ℃，末级叶高为1 100 mm，2017年8月31日在宁夏国华宁东发电有限公司投运，三缸两排汽，配置间接空冷系统。

3.2 节水效果

到2017年年底，中国已经投运空冷式高参数汽轮机18台，其中1 100 MW汽轮机2台，1 040 MW汽轮机2台，660 MW汽轮机14台，装机容量为13.52 GW。若大型循环超超临界湿冷机组装机容量的耗水率按0.8 m3/(s·GW)计算，空冷式高参数汽轮机的耗水量为湿冷机组的1/4，年利用小时按照2017年全国680台500 MW及以上汽轮机的平均值4 507.43 h计算[1]，已经投运18台空冷式高参数汽轮机机组，每年节水量为131 631 379.8 t，相当于206.7万城市人口年生活用水总量，节水效果十分显著。

4 结语

(1) 中国北方富煤地区建设煤电站面临缺水问题，采用空冷式高参数汽轮机是中国煤电节煤、节水的重要途径之一，可以满足《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》的要求[8]。

(2) 空冷式高参数汽轮机把超超临界湿冷汽轮机技术和亚临界空冷汽轮机技术集成起来，是一种新产品，主要技术特点采用了专用末级叶片、专用低压缸、通流能力扩大的高参数高压缸与中压缸、落地式轴承座和背压保护。

(3) 中国已经成为空冷式高参数汽轮机投运台数最多的国家，也是投运空冷式汽轮机参数最高、末级叶片最长、汽轮机热耗率与机组供电煤耗率最低的国家，研制、生产和推广应用空冷式高参数汽轮机，已经为中国煤电节水与节能减排作出了重要贡献。