塔式光热电站汽轮机优化措施关文韬

塔式光热电站汽轮机优化措施关文韬

关文韬

(中电哈密太阳能热发电有限公司哈密839000)

摘要：通过采取采用节流配汽，遵循大速比、大反动度、大头叶型、大刚度叶型的设计理念，同时考虑光热发电运行模式及机组特性选择一个适合本项目的汽轮机；由于机组启动频繁，通过提高机组启动速度而保证机组的灵活性及适应性，主要从提高机组的对称性入手，采用分缸结构、通流部分采用锥形通道、减少机组部套的应力集中结构、合理选择转子材料及形式、采用窄高法兰结构、汽封间隙由轴向改为径向保证机组经济性。最后通过转子寿命分析，控制转子的寿命从而控制汽轮机的寿命，同时考虑低负荷给水加热方式，通过实践证明，这些方法是可行有效的，能够作为光热电站汽轮机前期的优化措施，同时对塔式光热发电汽轮机启动运行提出相关注意事项，对机组的正常运行有一定的指导意义。

关键词：塔式光热汽轮机；启动运行；优化

引言

一、提高低负荷及变工况汽机效率的优化措施

光热项目汽轮机为了适应每天日照变化引起的蒸汽参数变化，汽轮机必须具有变工况适应能力强，经济性高的特性，在以下4个方面进行了优化选择。

1配汽方式

本项目采用节流配汽，实现全周进汽，热应力小，利于快速启动。同时机组采用滑参数运行，在整个运行过程中阀门全开，在设计点经济性最高。随着负荷的降低，采用保持机组进汽温度不变，而进汽压力降低的方式，保证在各工况下阀门全开，节流损失最小，保证机组的效率较常规节流配汽机组高。在最大负荷时，设计时考虑机组的超压运行能力，进汽压力高于额定设计压力运行，保证机组的长期安全高效运行。故采用滑参数运行的节流配汽保证了各工况下高的经济性，克服了节流配汽部分负荷效率低问题。

2叶型设计

在这种变工况频繁的机组上，通流设计遵循采用大速比、大反动度、大头叶型、大刚度叶型的设计理念。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，小反动度设计，低负荷下部分叶片的根部会出现负反动度，叶片出现鼓风或做负功，如果出现湿蒸汽，还会存在将水滴吸入动叶片的可能，危及动叶片的性能。

大头叶型的最大特点是叶片进汽侧的型线头较大，叶片适应变工况过程中攻角变化的能力强。

3运行模式

太阳能光热发电项目最大的特点是滑参数运行，在这种运行模式下，低负荷时汽轮机的进汽参数降低，到达所要求的负荷的蒸汽量与定压运行的机组相比，进汽流量增加，从而使机组效率下降的趋势降低，同时保证机组能在更低的负荷运行。

4低负荷运行通流保护措施

低负荷时，为避免低压缸排汽温度高，引起轴系中心标高变化，采用高效喷水减温装置。高压缸为了避免低负荷排汽端通流部分出现鼓风，引起排汽超温，在汽轮机高压缸配高排通风阀与空冷岛连接，在小容积流量下，保护高压排汽端通流部分不发生鼓风损失。在启动和低负荷时，按高排温度，自动调整高压调阀和再热调阀开度，配合旁路，分配高压缸、中低压缸的进汽流量，保护机组安全可靠。

二、提高机组启动速度的优化措施

1提高机组的对称性

汽缸的结构设计成等强度壁厚，而且壁厚要设计得尽量薄，汽缸设计时充分考虑结构对称。

2采用分缸结构

机组采用分缸结构，汽缸一分为二后，单个汽缸的热容量减小，汽缸的温度变化迟滞率降低，利于机组的快速启动和负荷变化。同时高压缸采用高转速方案，通流的根径降低，进一步使汽缸尺寸缩小，从而压缩汽缸热容量，有利于快速启停。

3通流部分采用锥形通道，减少机组部套的应力集中结构

接近高温区的转子直径要设计稍小一些，机组启停时，最关键部位的热应力最小。转子轮盘与转子的过渡连接处以及转子各级叶轮根部，汽封，轴封处的圆角均进行大圆角处理，从而降低应力集中系数。

4合理选择转子材料及形式

高压缸转子采用整锻转子，避免采用套装转子，叶轮红套于主轴上，当机组启动升速时，实际装配时的过盈量就会变小，转子结构系统变化较大，不利于快速启动。

低压缸转子采用焊接转子，进汽高温段采用高温性能优良的材料，低温部分采用低温强度高、脆性转变温度低的材料，通过焊接工艺满足低压转子的各项要求，利于机组的高速启停。

5窄高法兰结构

中分面螺栓尽可能靠近转子轴心，使法兰和螺栓比较容易加热和膨胀，减少其内外温差造成的热应力。

6汽封间隙由轴向改为径向

汽封间隙由轴向改为径向，能保证机组在快速启动过程中，不会出现由于动静部件热膨胀不同步导致轴向间隙变化带来的碰撞可能。

7转子寿命分析

7.1汽轮机转子寿命分析

决定汽轮机寿命的关键因素主要是汽缸和转子的寿命，而转子工作条件较汽缸差，价格也比较昂贵，所以控制转子的寿命就是控制汽轮机的寿命。

7.2汽轮机转子寿命分析

在热态启动过程初期，为了减少转子在启动过程中受到的热应力，就要减少第一级后蒸汽温度与转子金属温度的差值，启动时，应尽可能提高进汽温度和减少蒸汽温度在第一级后的降落幅度，具体做法是提高进汽温度，使得汽轮机转子被均匀加热；同时选择较低的进汽压力，使蒸汽经过第一级喷嘴后温度降幅较小。在热态启动过程中，由于转子温度水平较高，而新蒸汽进入第一级后，汽温将有一定幅度的降落，因而汽温低于汽轮机转子的表面温度，使转子表面受到冷冲击，产生热拉应力。随着汽轮机升速和加负荷，第一级后汽温升高，此处转子表面温度随之升高，转子表面受到热冲击，产生热压应力。为了减少转子收缩时间，防止汽轮机在启动过程中出现负胀差而造成动静碰磨，同时也尽量缩短冷冲击时间，减小热拉应力，热态启动时应尽快将第一级汽温提高到转子温度的水平。

在进行热态起机计算的同时，冷态、温态和极热态启动和重大负荷变化也进行了计算分析。由于汽轮机冷态启动时的初期，转子的最大应力值会达到很高的水平，而且该阶段汽轮机转子的温度水平较低，转子容易发生脆性损伤，所以优化冷态启动的关键之一在于选择好合适的暖机升速方式。

光热发电汽轮机短时间停机后再次启动，为满足电网负荷要求，就需维持汽轮机转子有较高的温度，但转子温度也不能过高，若与蒸汽温度不匹配，在热态再启动过程中会因转子温度高而使转子表面受到冷冲击。但停机过程是蒸汽冷却汽轮机转子的过程，在开始减负荷后，第一级汽温随负荷下降，转子表面受低温蒸汽的冷却，温度随之下降，转子内部的温度则滞后于转子表面温度。若主蒸汽温度下降快，第一级蒸汽温度会随负荷下降更快，转子表面温度下降快，而转子内部温度变化滞后，内外温差大，转子所受的热应力就会增大，甚至超过应力极限。因此，在停机时应保持主蒸汽温度不变。

三、低负荷加热给水的分析

本项目汽轮机回热系统采用9级回热系统，3级高压加热器（GJ），1级除氧器（CY），4级低压加热器（DJ），1级蒸汽预热器（ZF），汽轮机THA工况最终给水温度为249.8℃。

在低负荷情况下，为保证给水温度，主要有三种方法：

1、汽轮机设置零号高加，在低负荷时投入运行，保证给水温度，但增加抽口带来汽轮机高压缸不均匀性增加，不利于机组的快速启停，影响机组的寿命；

2、采用SGS汽包饱和蒸汽加热给水。

3、采用主蒸汽抽汽加热给水。

四、结论

通过以上分析和优化，对塔式光热发电汽轮机启动运行进行相关优化并提出相关注意事项，对机组的正常使用有一定的指导意义。

五、参考文献：

[1]吴智泉．太阳能光热发电汽轮机及主要技术特点[D]．

[2]李月亲．兆瓦级槽式太阳能汽轮机通流部分的优化设计[D]．武汉：华中科技大学，2014．

[3]张素心,杨其国,王为民;我国汽轮机行业的发展与展望[J];