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 K26 文献标识码:ASteam Turbines for Gas-Steam Combined-CyclePower Plant AbroadZH EN G Yun-z hi(Shanghai Turbine Co.Ltd.,Shanghai200240)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 examples1 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:收稿日期:2000-07-18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。
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;(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。
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)机组参数优化计算分析(包括燃机、余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%)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,汽轮机上不设置(或仅设置个别的)抽汽口,这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。
对于单缸汽轮机或中低压合缸汽轮机的转子锻件,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。