槽式光热发电汽轮机经济性关键技术研究

尹刚 范小平 吴方松 尹华劼

（东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000）

1 前言

我国是一个太阳能资源丰富的国家， 太阳能是支撑我国国民经济可持续发展的战略性能源之一。 利用太阳能技术可以实现环境保护、 能源供应多样化。 光热发电作为太阳能利用的重要形式，与光伏发电相比， 在系统效率、 建设规模、 负荷稳定性等有独特优势， 目前已成为清洁能源发展最快的行业。 太阳能光热发电根据聚热方式的差异而分为塔式、 槽式、 菲涅尔、 蝶式四种， 其中以槽式热发电技术最为成熟[1]。 本文结合国内首台大型槽式太阳能光热发电汽轮机研制， 结合光热发电特点， 探讨槽式太阳能光热发电汽轮机经济性的关键技术。

2 太阳能光热发电汽轮机技术特点

太阳能光热发电项目的投资成本比常规发电高， 初投资一直是制约光热发电的重要因素[2]。 汽轮机作为光热发电系统热功转换的核心部件， 也是制约光热发电技术发展的关键。 根据太阳能特点， 光热发电汽轮机应具有如下特点：

（1）经济性高；

（2）快速启动能力；

（3）频繁启停和快速变负荷等能力；

（4）低负荷的连续运行能力；

（5）两班制运行能力；

（6）控制方便灵活。

3 槽式太阳能光热汽轮机设计

公司研制的国内首台50 MW 等级槽式光热发电汽轮机为再热凝汽式汽轮机， 采用双缸、 双转速方案， 即高压缸采用高转速（6 000 r/min）， 中低压缸采用常规转速（3 000 r/min）。 整个汽轮机为单层布置， 不设置二层平台， 汽轮机低压缸采用轴向排汽结构， 发电机采用中间布置。 整个机组布置为： 高压缸通过齿轮箱减速到3 000 r/min，与发电机连接， 发电机另一侧与中低压缸连接，中低压缸后部与轴向凝汽器连接， 整个机组布置形式如图1 所示。 本机型的具体参数详见表1。

图1 国内首台50 MW 等级槽式光热发电汽轮机总体布置图

表1 50 MW 等级槽式光热发电汽轮机参数

4 槽式光热汽轮机经济性关键技术

由于太阳能光热发电汽轮机的特性， 槽式光热发电汽轮机设计的关键在于尽可能提高汽轮机的经济性以保证整个项目的投资回报率。 主要措施如下：

4.1 适用于太阳能光热汽轮机的再热技术

再热技术的使用可以提高汽轮机郎肯循环的平均吸热温度， 对于50 MW 等级汽轮机， 再热循环的效率可提高～10%。 但再热压比的选择是决定再热循环效率的关键， 对于再热汽轮机， 高压缸容积流量较小， 造成叶片的相对高度较低导致高压缸效率低， 而中压缸经过再热后过热度提高，压力降低， 在汽轮机中等熵效率是最好的， 因此为降低热耗应提高高中压缸的分缸压力， 让中压缸多做功， 但提高分缸压力导致中压缸进汽过热度降低， 造成排汽湿度大导致末级叶片水蚀。 因此提高系统的效率关键在于选择最佳再热压比，从而保证机组经济性最佳。 通过研究不同压力下高压和低压缸效率的变化， 并折算出整体循环热耗与再热压力之间的关系。 通过一系列再热压力点的离散计算， 最终将离散结果汇总， 汇编成一条曲线。 该曲线类似于抛物线， 在抛物线顶点即为最优压比点。 再热压力与热耗的关系详如图2所示。

图2 再热压力与机组热耗的关系

4.2 汽水分离器

槽式导热油光热发电系统受导热油特性限制，温度不能超过400 ℃， 主蒸汽温度一般380 ℃，过热度不高， 这导致THA 工况下在最佳再热压力时高压排汽为湿蒸汽， 这会导致部分液态水进入再热器， 水汽化将吸收大量热量。 为保证再热温度， 必然要求再热器能力增加， 增加整个系统的输入热量， 这显然降低了循环效率， 而且不利于能源的分级利用。 因此在再热器前增设汽水分离器， 将进入再热器的蒸汽干度提高， 分离出的水直接进入除氧器， 利用其显热， 使循环效率提高。槽式导热油光热发电汽轮机， 在高压排汽和再热器之间设置合理的汽水分离器是提高循环效率的关键技术之一。

4.3 汽轮机回热系统优化

采用回热系统， 可以减少循环的冷端损失，提高进入蒸汽发生装置的水温， 减少排汽量， 降低排汽余速损失， 降低凝汽损失， 热耗明显下降从而使循环效率得到提高。 设置合理的回热系统是提高光热汽轮机循环效率的另一关键技术。

为探究回热级数与汽轮机循环效率之间的关系， 假定其余边界条件不变， 则汽轮机循环最小热耗与回热级数关系式见式（1）。

式中：qn为汽轮机循环最小热耗；n为汽轮机循环回热级数；R0、 Δi为系统常数（与系统有关）。

为便于分析，将式（1）图形化，如图3 所示。

图3 回热级数与热耗关系图

从图3 可以看出， 增加回热级数可以降低热耗， 提高循环效率， 但每增加一级回热抽汽得到的收益随着回热级数增加而变缓， 同时过多的回热级数也会增加回热系统布置上的困难。 针对槽式导热油太阳能光热汽轮机， 综合考虑， 回热级数选取8 级， 高压缸3 级回热， 低压缸5 级回热，即3 级高加、 1 级除氧和4 级低加。

4.4 汽轮机转速选择

50 MW 槽式光热发电汽轮机蒸汽的特点是参数高（特别是压力）而流量相对较小， 导致机组的高压段的容积流量小， 如常规机组， 高压缸3 000 r/min 的转速， 每级的叶片的节圆直径相对较高，叶片相对叶高较小或存在部分进汽， 导致高压级通流效率低， 为了提高机组高压通流的效率， 高压缸采用高转速， 降低叶片的节圆直径， 增加相对叶高， 可较大幅度提升通流效率， 综合考虑齿轮箱损耗， 确保机组高压部分的效率提高。

中低压缸采用常规转速主要是考虑到低压部分容积流量相对较大， 叶片相对叶高较大， 高转速方案对效率的提升扣减齿轮箱损耗后收益较小。同时由于本项目运行背压低至4 kPa， 为了保证效率， 降低余速损失， 末级叶片长。 若采用高转速，叶片离心力大， 末级叶片设计难度急剧增加。 最终出于机组经济性、 安全性等的综合考虑采用常规转速方案。

4.5 配汽方式选择

目前汽轮机的配汽方式主要有3 种： 喷嘴配汽、 节流配汽和旁通配汽， 旁通配汽多用于舰船，喷嘴配汽和节流配汽多用于发电汽轮机。 喷嘴配汽的部分负荷效率高， 但额定负荷有部分进汽损失； 节流配汽设计工况的效率高， 但部分负荷有节流损失。 节流后汽轮机的内效率见式（2）。

式中：为汽轮机通流部分的相对内效率；ηih为汽轮机的节流效率。

针对太阳能光热发电汽轮机开发出了一种新型节流配汽方式， 该节流配汽方式在起机到20%负荷之间采用阀门控制节流配汽， 当负荷到达20%后实现阀门全开， 从20%～100%负荷阀门全开不参与调节， 机随炉动。 该种方式实现了整个连续运行区间（20%～100%）无节流损失。 即为零，汽轮机内效率就为汽轮机通流效率。 同时实现了全周进汽， 热应力小， 利于快速启动。 机组采用滑参数运行， 在运行过程中阀门全开， 在设计时不考虑机组最大工况的进汽余量， 在各工况下阀门节流损失最小， 从而保证机组的效率较常规节流配汽机组高， 同时在最大负荷时， 考虑机组的超压运行能力， 从而保证机组的长期安全高效运行。 采用节流配汽能有效降低第一级叶片安全风险， 从而更能适应光热汽轮机负荷变化频繁的特点。

阀门采用对冲进汽结构， 通过优化进汽结构保证机组进汽的均匀性， 从而提升机组的效率。为降低阀门型损， 并对阀门型线及结构进行优化，从而降低阀门腔室内部流场损失。 同时辅以新型阀门自密封结构， 如图4 所示， 在阀门全开状态，阀杆和阀杆套筒紧密贴合， 保证机组在连续运行工况（20%～100%负荷工况）下实现零泄露。 具体结构如图4 所示。

图4 阀杆自密封结构

4.6 排汽方式选择

凝汽式汽轮机的排汽能量相当于总可用等熵能量的1%以上， 约占机组总损失的15%。 计算表明， 改善排汽系统的气动设计能够有效提高汽轮机效率， 降低能源消耗。 凝汽式汽轮机的排汽形式一般有： 向下排汽、 向上排汽、 轴向排汽、 侧向排汽， 其中向下排汽用得最多。 与轴向排汽相比， 向下排汽的排汽缸采用的是轴向径向扩压的方式， 汽流由轴向向径向90°折转， 导致了排汽缸内的能量损失增加。 若采用轴向排汽方案， 还可降低厂房高度， 减少工程投资， 也适应目前光热项目选址均在地广人稀的高原及沙漠地区。 因此太阳能光热发电汽轮机多采用轴向排汽结构。

4.7 通流优化技术

在太阳能光热发电这种要求变工况运行频繁、经济性要求高的机组上， 高效宽负荷叶型及通流设计技术可保证在较大负荷变化范围内机组具有较高的效率。 通流设计遵循采用小焓降、 大速比、大反动度、 大头叶型的设计理念， 适当降低根径增加叶片的高度， 并确保通流长期在最佳效率附近运行。 采用大的反动度主要是由于负荷降低会导致机组反动度降低， 部分叶片的根部会出现负反动度， 叶片出现鼓风或做负功。 反动度大必然带来大的速比。 大头叶型的最大特点是叶片进汽侧的型线头很大， 这样最大的好处是叶片适应变工况过程中攻角变化的能力强， 保证在部分负荷时不出现大的正攻角或负攻角， 从而出现汽流的脱流导致叶型损失增大。

同时对影响机组性能漏汽损失等方面进行优化设计， 合理设计轴端漏汽的去向， 适当增加轴封的齿数， 对所有汽封间隙的设计在保证机组快速启停的基础上径向间隙选取中值， 并在制造过程中严格控制， 从而降低整个机组的漏汽损失。

5 结语

本文结合全国首台槽式太阳能光热汽轮机研制， 对影响槽式光热发电汽轮机经济性的关键技术进行了探讨， 随着机组的投运， 将进一步优化槽式光热发电汽轮机， 推动光热汽轮机国产化技术的进步。