国外燃气_蒸汽联合循环汽轮机

国外燃气-蒸汽联合循环汽轮机

郑云之

(上海汽轮机有限公司, 上海200240)

摘 要: 结合介绍国外燃气-蒸汽联合循环汽轮机的实绩和发展, 综合联合循环汽轮机在蒸汽参数、总体布置、快速启动和两班制运行、结构设计等方面的特点以及典型的应用实例, 对联合循环汽轮机的总体及其特色有较全面的分析。

关键词: 燃气-蒸汽联合循环汽轮机; 蒸汽参数; 总体布置; 快速启动; 两班制运行; 结构设计特点; 应用实例

中图分类号: T K 26 文献标识码:A

Steam Turbines for Gas -Steam Combined -Cycle

Power Plant Abroad

ZH EN G Yun -z hi

(Shanghai Turbine Co. Ltd. , Shanghai 200240)

Abstract: T his paper makes al -l around analysi s for the features of combine -cycle steam turbine by introduc -ing the ex periences and development of g as -steam turbine combined cycle, integrating the characteristics and typically applied actual ex amples of its steam condition, general layout, fast start -up, daily start and stop and structure design etc.

Key words: steam turbine of g as-steam combine cycle; steam condition; general layout; fast startup; daily start and stop; structure design featur es; applied actual examples

1 发展业绩实例

燃气轮机及燃气 蒸汽联合循环的发展十分迅速, 仅以Siemens KWU1999年的统计

为例, KWU 公司的实绩如下:

投入运行的燃气轮机:287台运行小时总数:850万小时启动总次数:24万次

收稿日期:2000-07-18

至1999年的燃气轮机总数: 360台(包括订单) 4300万千瓦其中:燃气 蒸汽联合循环机组:>192套、3932万千瓦

联合循环3932万千瓦中燃机和汽机均由KWU 制造:2804万千瓦

燃机由KWU 制造、汽机由别的厂家生产:1128万千瓦

联合循环3932万千瓦中:

作者简介:郑云之(1937-) , 男, 上海汽轮机有限公司副总工程师, 教授级高级工程师, 中国动力工程学会透平专委会委员兼

秘书长, 先后发表论文40余篇。

提供给美洲地区:707万千瓦

提供给欧洲、非洲地区:1656万千瓦提供给亚洲、澳洲地区:1569万千瓦当前的发展更为迅速, 世界上各主要公司、如GE Siemens(KWU 与Westinghouse) 、ABB 等燃气轮机的制造供不应求, 因此与燃气轮机相匹配的汽轮机的设计、制造任务也十分紧迫。

(5)装拆方便、维护性能好; (6) 系统简明、运行费用低; (7) 交货期短、建设周期短、投资回收快; (8) 易损件寿命长、检修周期长; (9) 技术先进成熟、在实践中改进提高。

制造厂家为满足不同用户的要求, 均作出很大努力, 使联合循环汽轮机不断向前发展。

3 联合循环汽轮机的主要特点

2 联合循环机组的基本要求

联合循环机组的基本要求, 归纳起来有如下几点:

(1) 热效率高、机组出力高; (2) 可用率高、可靠性高; (3) 快速启停、两班制运行, 负荷适应性好; (4) 价格合理、技术经济性好;

3 1 蒸汽参数

当前国际上常用的有如下几种:

(1)单压, 无再热(1P) ; (2) 双压, 无再热(2P) ; (3) 双压, 有再热(2P, R) ; (4) 三压, 无再热(3P) ; (5) 三压, 有再热(3P, R) ; (6) 四压, 两次再热(4P, 2R)

至今还未应用。

图1 联合循环蒸汽参数对热效率的影响

汽轮机基点:联合循环、双压80bar/540 0 04bar(背压) 582 (燃气轮机排气温度)

图1所示为不同的蒸汽参数对机组热效率的影响, 比较的基础是:双压无再热, 80bar/540 , 汽机背压为0 04bar, 燃气轮机排气温度为582 , 计算分析结果如下:

双压较单压热效率提高1 75% 双压再热较双压热效率提高0 5% 三压较双压热效率提高0 6% 三压再热较双压热效率提高1 2%

随着燃机功率和排气温度的不断发展和提高, 汽轮机功率也相应增大, 联合循环汽轮机的蒸汽参数可能会发展采用超临界蒸汽参数, 250bar/540 , 机组热效率在原的基础上又有提高。

从图1中还可看出机组背压对热效率的影响。

图2可以看到环境温度(空气温度及水

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上海汽轮机 2000年第4期

温) 对某台机组热效率的影响, 环境温度低、热效率高, 同时也可看出该机组采用双压与单压的比较、其热效率相差也在1 75%

左右。

热锅炉与汽机的参数匹配)

机组通用性及系列化(包括成熟可靠及先进合理)

综合技术经济分析(包括投资、燃料价

格及设备费用等)

图2 单压与双压、气温与水温、机组功率对热效率的影响

图3列出Siemens V84 2型燃气蒸汽联合循环5种蒸汽参数下的热力循环系统及机组功率和热效率, 对双压、三压以及再热蒸汽参数及流程可有清晰的了解, 也能从中比较不同蒸汽参数的具体得益。

综上所述, 提高蒸汽参数、采用多压及再热能显著提高热效率, 当前的大功率联合循环装置大多采用三压再热式(3P, R) 。联合循环汽轮机的发展与一般火电汽轮机的发展有十分相似之处, 随着燃机进气温度的提高(目前已达~1500 ) , 燃机功率及排气温度也提高, 联合循环汽轮机的进汽参数和功率也相应提高(一般是1台燃机+1台汽机, 也有2台或3台燃机+1台汽机) , 当汽机功率超过300MW 或更大, 采用超临界蒸汽参数、以及采用2次再热, 以进一步提高其热效率, 也会变成现实。

对于具体的项目工程, 应采用哪种蒸汽参数, 主要取决于:

燃气轮机的排气温度与排气量 汽轮机功率及汽轮机排汽湿度的大小 机组热效率(包括用户的要求)

图3 Siemens V84 2燃气轮机组成的联合循环中,

五种不同蒸汽参数对功率和热效率的影响

a) 单压无再热循环(功率150M W, 热效率48 3%) b) 双压无再热循环(功率155M W, 热效率50%) c) 双压有再热的循环(功率157M W, 热效率50 6%) d) 三压无再热循环(功率157M W, 热效率50 6%)e) 三压有再热的循环(功率150M W, 热效率51 3%)

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3 2 总体布置

联合循环中的燃气轮机和蒸汽轮机可以设计成单轴或多轴, 单轴布置使汽轮机、燃气轮机和发电机紧密结合成一体, 有时1台汽轮机是由2台(或多台) 燃气轮机的排气热量(通过余热锅炉供汽) 所驱动, 结果必然是各台汽机及燃机分别驱动各自的发电机, 则为多轴布置, 也有为提高其运行灵活性采用多轴(双轴) 布置的。当汽轮机排汽采用轴向排汽时, 可使电厂总体应用单层布置, 以节省投资。3 2 1 单轴布置

单轴布置的特点有:

燃机与汽机共同带动1台发电机 供变电线路投资降低 土建费用减少、电厂紧凑高效 汽机与燃机的润滑油系统等可统一布置

汽轮机宜缩短长度 采用冲动级、减少级数

发展更长的末级动叶片, 低压部份

尽量采用单流

单轴布置的汽轮机应用不断扩大3 2 2 多轴布置

多轴布置的特点有:

适应性广

机组功率不受限制, 汽机低压部分

可采用单流、双流或四流, 可通用已有的火电机组

当2台或2台以上燃机配置1台汽机时, 必然采用多轴布置 能适应老电厂的技术改造

能适应燃机(简单循环) 前期先上、后期再上蒸汽循环的分期建设需要

运行灵活性好

能满足各种不同用户的需要

3 2 3 轴向排汽、单层布置

由于联合循环中的余热锅炉基本上承担了汽轮机回热系统中的给水加热与除氧任务, () 就为采用轴向排汽或侧向排汽, 使总体设计应用单层布置创造条件。

在联合循环汽轮机的开发中, 各主要制造厂家均具有单流轴向排汽的低压缸(包括单缸或中低压合缸) 的技术, 使汽轮机、凝汽器、发电机, 包括燃气轮机均能布置在同一层面上, 大大降低了制造成本和电厂建设费用。轴向排汽的明显特征是其排汽进入处于同一层面上的凝汽器以及整体轴承置于排汽缸内。3 3 快速启动、两班制运行

燃气轮机具有十分鲜明的快速启动和很好地适应两班制运行的特点, 而与之相匹配的汽轮机也要相应地满足快速启动、两班制运行的要求, 因此在设计上相应要采取许多有效措施。

通常采用全周进汽, 无调节级

全周进汽利于减小上下缸温差, 使温度分布均匀, 使高温区域的温度梯度得到有效控制, 且能降低第1级动叶的动应力, 提高快速启动的安全可靠性

滑参数启动、变压 定压运行

为缩短启动时间, 在余热锅炉供汽压力、温度未达定额参数、而达到某一范围时即行启动并逐步带负荷, 在低负荷时变压运行, 当达到一定负荷下实施定压(额定压力) 运行, 这对汽轮机主要部件的应力状态和机组的效率均有利。具体规定取决于不同制造厂的不同机型。

采用无中心孔的整锻转子

对于低压长叶片的轮盘若采用叶轮红套于主轴上, 对快速启动不利, 这是由于红套过盈量不能过大, 当机组升速和超速时, 实际过盈量会变小。因此采用整锻转子(或焊接转子) 的优越性明显优于套装式转子。

随着转子锻件冶炼、锻造、热处理及探伤技术的提高, 无中心孔的整锻转子已广为采用, 其转子中心处的应力要比有中心孔的整锻转子中心孔内壁处的应力小一倍。由于转子应力的降低, 对机组的快速启动、调峰运行有利, 也相应提高了机组的工作寿命。

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子锻件, 由于转子前端处于高压高温工作的区域, 而转子后端处于低压、低温、高应力工作区域, 对转子材料的性能有明显不同的要求, 当前可采用两种办法来解决:

整根转子采用相同材料, 采用分区热处理技术, 在转子高压区和低压区其热处理的加热温度和冷却方式不同, 使转子的两个区域获得不同的显微组织和性能, 能满足设计的要

求。

转子的高温工作区和低温高应力工作区采用不同的材料, 两种材料(异种钢) 焊接而成。焊接转子的锻件由两件组成, 使每个锻件的重量相应减小, 锻件供应较易解决。

图4 显示该机组的中低压转子是由两种材料焊接而成, 转子无中心孔, 机组采用轴

向排汽。

图4 SiemensKWU 和Siemens Westinghouse 联合开发设计的联合循环用汽轮机

为适应快速启停及提高工作寿命, 转子的高温工作区常采用小直径, 以降低热应力, 转子轮盘与转轴的过度连接处以及转子实体的圆角处均采用大圆角, 以降低应力集中。

汽缸、进汽阀(及管道布置) 设计特点汽缸设计充分考虑结构对称, 包括进汽阀布置、进汽管道及平衡活塞汽源管路与汽缸的连接尽可能对称, 以减小汽机快速启停过程中引起的热变形和热应力。进汽室内配置第1级隔板静叶(喷嘴) 外, 也可装有多级隔板, 以降低汽缸的工作压力。汽缸法兰中分面采用高窄法兰结构, 中分面螺栓尽可能靠近中心, 使法兰和螺栓易于受热和膨胀, 以低压汽源(补汽) 进入汽缸腔室的轴向开挡要大, 流道要光滑流畅, 流速低, 压力损失小, 与主汽汽流的温度差别小, 并尽可能地降低补汽与主流汽流的混合损失。

汽缸与前轴承座下部采用定中心梁的推拉结构, 使机组在频繁启停过程中膨胀收缩顺畅, 并防止汽缸跑偏。

通流部分及轴封、油封挡动静轴向间隙的合理设定

为满足快速启停的要求以及考虑到动静部分的膨胀不同步, 因此在通流部分以及轴封、油封挡处的轴向动静间隙要较常规机组适当放大, 具体需作不同工况的差胀计算分

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机组的高效率, 通常在通流部分的前几级增设径向汽封, 即在隔板静叶根部内圈处与轮缘动叶根部外圈处增设汽封, 以减少泄漏损失。

旁路系统的合理配置, 通常采用100%容量

联合循环机组为单元制运行, 在快速启动、停机甩负荷或汽机紧急停机情况下, 旁路系统要发挥应有的作用。旁路系统要适应机组每日启停, 是机组控制系统的组成部分, 与主机的调节密切相连, 因此旁路能力通常选用100%容量, 且能快速动作, 要满足控制系统的要求。

凝汽器的合理配置, 面积增大并能适应旁路的要求

联合循环汽轮机不同于一般的火电汽轮机, 没有大量抽汽用于回热系统加热给水, 给水加热的功能基本上是在余热锅炉内实施, 因此同功率的机组, 联合循环汽轮机的凝汽器面积要比一般机组大, 若为双压、三压机组, 则有补汽进入汽机, 凝汽器面积要增大60%以上。

机组旁路系统的设置中, 在新汽主汽门及补汽主汽门前均有100%能力的旁路经减温减压至凝汽器, 凝汽器的设计除考虑有足够的冷却面积外, 还要考虑能承受100%容量的旁路, 以适应快速启停的需要。

其他系统要适应快速启停、两班制运行的要求

轴封系统、疏水系统、高压油顶轴系统以及盘车装置均要满足机组快速启停、每日有启停的要求, 要确保安全可靠。各轴封调节阀、疏水调节阀、高压顶轴油泵、盘车自动投入等功能都要经得起实践的考验。

汽轮机启动至满负荷的要求时间一般情况下, 联合循环汽轮机启动至满负荷所需时间较常规汽轮机缩短约50%, 冷态下约为2~2 5小时, 温态和热态下所需时(功率大小(单缸或多缸) 有关, 同时不同的制造厂也有不同的风格, 不同型号的机组也会有差别。在下面的应用实例中举例说明。3 4 其他特点

转子轴向推力平衡的特点

图5为三菱双压单缸122MW 汽轮机的轴向推力平衡概念图, 该机低压汽源在第7级后进入, 高压蒸汽与低压蒸汽分别通过各自独立的阀门进入, 在考虑阀门可能发生误动作的情况下, 在所有高低压蒸汽流量的组合下, 要确保机组推力的合理平衡。图5中的压力P 1、P 2、P 3随着高压蒸汽量的变化而变化, 相应平衡推力总量与叶片推力总量的平衡也会也所变化。在只有在低压汽量变化的情况下(P 1、P 2近似不变) , 低压叶片推力的变化, 需由低压平衡活塞加以平衡, 常以加大低压平衡活塞直径来实现。图6表示了由于低压蒸汽流量变化时, 推力轴承比压的变化, 其总的变化幅度均在许用范围内。

图5 三菱双压单缸122M W 汽轮机轴向推

力平衡概念

末级长叶片开发的特点

为提高低压单流的通流能力, 使联合循环单轴机组的容量能相应增大, 也有利于多轴大容量机组的发展, Siemens Westinghouse 于1999年开发成功60H z 、42英寸钛合金末级长叶片, 并应用于机组上。该叶片具有自

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中间部位的凸台均与叶片本体整体锻造而成, 这是这种叶片结构的基本特色, 机组运行时叶片间构成连锁并形成阻尼, 振动应力很小, 安全可靠性明显提高, 由于具有顶部围带、降低顶部漏泄损失。叶片应用全三元最新技术设计, 获得高效率。此叶片应用于配1 501G 燃机的130M W 汽机、配2 501F 燃机的190M W 汽机以及配1 501AT S 燃机的150MW

汽机上。

图7所示为机组滑参数变压运行的曲线, 当机组负荷 35%时进汽压力为10bar, 随着负荷的提高初压相应提高, 至额定负荷

达到额定压力。

图7 Alsthom 35M W 汽轮机滑压运行曲线

图8为冷态启动曲线, 启动时进汽温度为300 , 由于机组功率小、结构简单, 启动至额定转速约需10分钟, 达额定功率需65分钟。

我国广东汕头电厂装有这种机组。

图6 三菱双压单缸122MW 汽轮机推力轴承比压

图8 Alsthom 35M W 汽轮机冷态启动曲线

4 联合循环汽轮机的应用实例

4 1 Alsthom 单压、单缸35M W 轴向排汽汽

轮机

机组参数 功率:35MW; 进汽压力:36bar; 进汽温度:485 ; 进汽流量:34kg/s; 背压:0 068bar; 末级动叶高度:0 6m; 周波:50H z 。

4 2 三菱双压双缸196MW 汽轮机(多轴布置, 三台燃气轮机、一台汽轮机) 机组参数 汽轮机功率:196M W; 高压蒸汽压力:65kg/cm 2; 高压蒸汽温度:500 ; 低压蒸汽压力:5kg /cm 2; 低压蒸汽温度:饱和; 背压:728mmHg; 转速:3000r/min; 末级动叶高度:40英寸。

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本机组有3台燃机, 3台余热锅炉供汽给1台汽轮机用。机组采用全周进汽变压运行的方式, 使阀门节流损失最小, 部分负荷效率保持最佳, 并减小汽机进汽部分温度的变化和降低热应力。为减轻汽缸的热应力和热变形, 将高压调节阀与汽缸分开设置, 通过挠性蒸汽管与汽缸相连, 同时对高压缸进汽部分作双层缸设计。

图9表示机组在部分负荷下汽轮机变压

运行时的汽机蒸汽参数曲线。

4 3 日立双压双缸单轴汽轮机(单轴总功率

198M W)

图11 日立双压双缸单轴汽轮机的联合循环系统简图

(单轴总功率198MW)

图11为机组的热态启动曲线(试验实测记录) , 机组升速至额定转速(3600r/min) 约20分钟, 至带满负荷约50分钟。

图9 三菱联合循环双压、双缸196MW 汽轮机(多轴布

置, 三台燃气轮机、一台汽轮机) 滑参数运行的进汽

参数

机组冲转的蒸汽参数为:~1MPa 、~300 。机组滑参数启动、变压运行, 直至额定负

荷时, 其蒸汽参数达到额定值:6 5M Pa 、510 。

4 4 Aslsthom 三压、再热、双缸、单轴

125MW 汽轮机

图10 三菱双压、双缸196MW 汽轮机低压进汽温度与该

处主汽流温度的差值

为避免汽机本体热变形的影响, 在低压进汽处, 要使该处的主流蒸汽温度和低压补汽温度的差别不能太大, 如图10所示, 机组

, ()

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上海汽轮机 2000年第4期

图12表示机组的热效率为55 2%, 其中燃气轮机发电为35 1%、汽轮机发电为20 1%。总损失为44 8%, 其中燃气轮机的排气损失为11 8%, 汽轮机的凝汽损失为33%。

图13表示机组的冷态启动曲线, 单轴机组启动升速至额定转速约20分钟, 至带满负荷约170分钟。

4 5 Siemens 三压、再热、单轴汽轮机(单轴

总功率250M W)

图14为该机组的热态启动曲线, 机组从启动至带满负荷燃气轮机约45分钟, 汽轮机约75分钟。

从图14也可看到, 蒸汽旁路系统在燃机

带低负荷时即自动投入(为汽机带负荷作准备) , 随着燃机负荷的增大, 而旁路调节阀相应开大, 当汽机带负荷后自动关小, 直至汽机负荷达80%额定负荷时,

旁路阀全部关闭。

图13 Alst hom 三压、再热、单轴机组冷态启

动曲线

14三压、

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汽器) , 汽轮机的设计也尽量做到结构紧凑。

5 结论

随着燃气轮机的迅速发展, 燃气-蒸汽联合循环也得到相应迅猛发展, 这是由于简单循环燃气轮机装置的热效率一般约为33~40%, 发电成本仍较高, 而联合循环装置的热效率可达50~60%(明显优于火电超临界机组) , 发电成本显著下降, 获得良好的经济效益。联合循环装置离不开汽轮机, 在汽轮机领域中, 燃气-蒸汽联合循环汽轮机占有很大的份额, 并在不断拓展中, 对其研究值得汽轮机行业的关注与投入。

联合循环汽轮机与常规火电汽轮机的明显不同之处以及在开发设计和应用实践中应注意的要点在本文中已进行探讨, 如汽轮机的快速启动, 两班制运行的特性要与燃气轮机的运行相匹配, 通常其启动带负荷时间较相应的火电机组缩短50%左右, 这就要求在开发设计中采取许多有效措施。又如联合循环装置常采用双压或三压, 即汽轮机具有一次或二次补汽, 由此相应的补汽主调门设置, 转子轴向推动的平衡, 凝汽器的合理配置以及机组旁路系统、控制系统的协调均要满足要求。燃气轮机在电厂中的布置十分简洁, 一般均为单层布置, 因此汽轮机的设计也要能适应单层布置的要求。采用整套机组为单轴布置以及采用轴向排汽凝汽器, 即使大功率汽轮机采用双层布置(应用向下排汽的凝

如开发末级钛合金长叶片, 采用冲动级, 减少通流部分级数, 缩短机组长度等措施, 使整个电厂的总体布置更为协调。

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丝绳的柔性而使下部工字钢不受弯矩, 只受拉力。这种方式的优点是显著的, 施工设计采用此种方案。如图4所示结构。

汽器设计向前迈进了一大步。同时, 为今后电站凝汽器改造打下了坚固的基础(因电站更换新设备所需时间短, 希望安装周期短, 模块凝汽器正好满足电站需要) , 其意义深远是不言而谕的。

6 结束语

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