光热发电中汽轮机运行优化措施研究

蒋冀猛

摘  要：文章以敦煌大成聚光热电有限公司在实际生产中使用的50MW东汽机组为例，从汽轮机组结构优化、运行优化这两方面入手，提出并阐述了光热发电中汽轮机的调整与运行完善方案，以供参考。

关键词：光热发电;汽轮机;运行优化

引言：汽轮机是光热发电中需要使用的重要机械设备，其运行情况直接关系着光热发电生产的效率与质量。基于这样的情况，出于对促进光热发电生产升级的考量，对相应汽轮机组展开优化调整是必然选择，值得重点探究。

一、光热发电中汽轮机优化项目的背景概述

（一）光热发电中汽轮机优化的现实价值分析

对于光热发电（太阳能光热发电）来说，其属于太阳能新能源利用的重要方向，在当前的生产实践中，其需要着汽轮机提供主要动力。相比于传统的太阳能光伏发电技术而言，太阳能光热发电技术具有一定的特殊性，在实际生产过程中，主要依托太阳岛落实对太阳光能光热的收集，结合换热装置的应用，将其转换为用于蒸汽加热的热能;将蒸汽引入汽轮机内，展开能量转换做功，从而完成太阳能发电。通过应用太阳能光热发电，结合光热发电结合熔盐储热技术的使用，促使24小时发电成为现实，且能够完成快速调峰功能，建造、投运过程中不造成环境污染[1];从规模化方面来看，其成本能够降低至光伏发电成本之下，有着极为理想的应用发展前景。基于这样的情况，出于对提升太阳能发电成效的考量，大力发展光热发电、优化其中的汽轮机结构与运行条件具有极高的现实价值。

（二）光热发电中汽轮机的简介

敦煌大成聚光热电有限公司在实际生产中使用的汽轮机组型号为NZK50-12.2/538/538型;型式为超高压、双缸、一次再热、凝汽式空冷汽轮机;额定功率（铭牌功率或保证功率）为50MW;主机重量约为232吨（包括阀门、基架和垫铁）;机组外形尺寸为长×宽×高=4800毫米×4200毫米×3400毫米 （高压模块）、长×宽×高=8600毫米×5400毫米×4800毫米（低压模块）。

在热耗率验收工况（额定出力工况）条件下，该汽轮机的各种主要参数如下：主汽门前新蒸汽（高压主汽阀前）为12.2MPa/538℃;再热蒸汽（中压主汽阀前）为2.272MPa/538℃;背压为8kPa（额定工况）/16kPa（夏季工况）。同时，该汽轮机组的额定工况（THA）主蒸汽流量为每小时149吨;最大工况（VWO）（功率53.771MW）主蒸汽流量为每小时161吨;夏季工况（TRL）（功率50.039MW）主蒸汽流量为每小时155.8吨;转向为高压缸和低压缸均为逆时针（均为由进汽端向排汽端看）;额定转速为每分钟6070转（高压缸）、每分钟3000转（低压缸）。

该汽轮机的轴系临界转速（计算值）具体有：高压转子一阶为每分钟 2481.7转;高压转子二阶为每分钟 7086.8转;低压转子一阶为每分钟 1748.3转;电机转子一阶为每分钟*1606.3转;电机转子二阶为每分钟*3987.6转（*发电机临界转速值以电机厂提供数值为准）。汽轮机组的通流级数共50级，其中有高压28级、低压22级;回热系统为3高加+1除氧+4低加;汽封系统为自密封系统;末级动叶片高度为485毫米;末级动叶片环形排汽面积为2.8112平方米;抽汽点为第21、28 、32、36、41、44、46、48级后。

二、光热发电中汽轮机的具体优化路径探究

（一）光热发电中汽轮机设计的优化

第一，在阀门设计方面，主要在光热发电汽轮机组内引入中压阀与高压阀，为水平切向进汽布置结构;在螺栓的支持下，在汽缸上固定安装阀门，以此避免生成更高的压损（维持在不超过2%的水平）。针对汽缸的进汽部位，要求始终保持温度场均匀分布;选用主汽调节联合组阀作为中压阀，以此达到提高光热发电汽轮机组调节性能的效果。将锥形密封面引入主阀杆、调节阀与套筒之内，保证汽轮机正常运行条件下不会发生主阀杆泄露的问题，且促使调节阀全开情况下调节阀杆做到零泄漏[2]。选择三支点浮动支撑作为阀门支架，充分发挥出其中弹簧结构的变形作用，实现对阀门与基础的胀差的有效吸收。第二，在气缸设计方面，应用中分法兰结构设定高压外缸，针对前部高压内缸，选用筒形缸套环结构，并加设隔热罩;针对后部高压内缸，引入隔板套，以此促使内外缸的热应力呈现出减小的趋势，保证换热的充分性[3]。同时，结合在高压缸内加设倒暖装置的落实，能够达到进一步缩减汽轮机组启动时间的效果，促使光热发电汽轮机组的快速启动成为现实。应用单层缸结构设定中低压缸，出于对提升中低压缸升温速度的考量，需要引入窄高法兰，为光热发电汽轮机组快速启停的实现提供支持。第三，在转子设计方面，针对进汽高温段，选用高温性能良好的材料;针对低温段，选用脆性转变温度偏低且强度更为理想的材料，结合焊接以及热处理的落实，切实满足中低压缸正常运行过程中对于转子结构提出的更多要求。另外，需要进一步实施对圆角结构的优化，促使中低压缸转子快速启停过程中所面对着的阻碍与风险降低。

（二）光热发电中汽轮机运行的优化

在本次研究中，主要从汽轮机冷启动过程方面入手展开运行优化。结合对汽轮机转子关键部位的应力变化进行观察，能够了解到，由于在冲转时刻存在剧烈热冲击，因此转子的热应力上升。在启动初期，入口蒸汽温度保持恒定的时间相对较长，并不能够达到理想的降低转子最大应力的效果，反而会使得汽轮机实际的启动时间延长。

实践中，应当对汽轮机启动初期的蒸汽温度保持恒定的时间进行适当缩短，实施提前并网，促使并网后的温升率提升，缩减汽轮机的启动时长，并以此达到减小汽轮机转子关键部位热应力值的效果。出于对维护光热发电汽轮机组运行安全稳定性的考量，并在实现快速启动、满足负荷迅速变化现实需求的同时，降低启动应力以及汽轮机实际启动过程中疲劳寿命损耗，需要切实参考启动方式的特点、启动方式对汽轮机各部件启动参数的影响，完成对最优启动方案的制定，在缩减汽轮机启动时间的同时节约能源，促使光热发电汽轮机组的冷态启动时间缩短。对于光热发电汽轮机而言，在不承担负荷进行暖机的过程中，蒸汽流量、压力、转子表面换热系数等均处于较低水平，轉机金属与气缸温度呈现出逐步上升的趋势，暖机效果并不理想。基于这样的情况，可以在兼顾缩减启动时间、降低转子热机械应力的条件下，对该阶段冲转暖机的时间进行适当性缩减，并在动静部分未发生碰撞磨损的基础上，对汽轮机转子实施增速处理，促使其在中低速情况下展开暖机的时间呈现出缩短的趋势。对光热发电汽轮机组并网后的低负荷暖机时间长度展开适当增加，相比于不承担负荷进行暖机操作，这种低负荷暖机操作的落实可以收获更高的蒸汽流量，推动着主蒸汽温度、冲转参数升高，实现对更为理想的暖机效果的获取，明显降低汽轮机组启动前期所面对的热机械应力值，以此达到进一步延长对应光热发电汽轮机组实际使用年限的成效。

总结：综上所述，出于对提升太阳能发电成效的考量，大力发展光热发电、优化其中的汽轮机结构与运行条件具有极高的现实价值。在对光热发电汽轮机组的阀门结构、汽缸结构、转子结构展开优化设计的基础上，结合对汽轮机启动初期的蒸汽温度保持恒定的时间进行适当缩短，实施提前并网;在兼顾缩减启动时间、降低转子热机械应力的条件下，对该阶段冲转暖机的时间进行适当性缩减;在动静部分未发生碰撞磨损的基础上，对汽轮机转子实施增速处理等一系列运行优化措施的落实，缩减了汽轮机的启动时长，达到了降低汽轮机转子关键部位热应力值的效果，延长了光热发电汽轮机组的实际使用年限。

参考文献：

[1]覃小文，廖茹霞，魏小龙，等.太阳能热发电汽轮机技术特点分析与设计[J].中国重型装备，2021（03）：4-7+10.

[2]尹刚，范小平，吴方松，等.槽式光热发电汽轮机经济性关键技术研究[J].东方汽轮机，2021（01）：29-32.

[3]焦玉雪，徐自力，尹刚，等.太阳能光热发电汽轮机转子热机械应力分析及启动优化[J].汽轮机技术，2020，62（06）：417-420+429.