何阿平 阳虹 彭泽瑛

摘要：在直接与汽轮机有关的高效洁净燃煤发电技术：超超临界参数、提高汽轮机内效率以及冷端优化三个领域内，起关键作用的是汽轮机的结构设计。sepg在超超临界汽轮机中采取了一系列新颖独特的结构，通过从进口到出口与传统结构进行逐段的对比分析表明，独特结构的热耗得益在2.5%以上。玉环4×1000mw及外高桥-iii等大量机组的实测高中压缸效率及热耗均达到了保证及设计值，验证了独特结构设计具有稳定的低损失，高效率特性。
关键词：超超临界参数 汽轮机 热耗
1.前言
自1997年至今，百万千瓦燃煤发电超超临界汽轮机走过10年的历程之际，我们有必要对目前产品技术的状况进行总结和分析，以明确下一步的发展方向。从节约有限资源和环境保护的角度，“节能减排”不仅是提高电力企业经济效益，而且是整个社会持续发展的要求，汽轮机产品技术发展所面临的形势是：
(1)提高效率的要求更为迫切，产品技术的“优胜劣汰”将是必然趋势
据我国2007年的统计，燃煤火电量占总电量的78%，消耗了50%以上的煤以及40%的工业用水；在全年排放中火电占据的份额为：渣的70%、灰的20%，so2的52%以及24亿吨的co2，由于排放直接与效率有关，随着京都议定书关于co2减排目标的实施，提高燃煤火力发电效率的要求更为迫切。
随着经济手段对环保和排放控制的杠杆作用，效率提高，热耗下降的经济效益大小成为决定汽轮机产品能否立足市场的关键。根据欧洲的经验，如果按热耗效益的经济杠杆相对每1kw，每1kj//kwh 为0.2欧元计算；相对独特与传统结构机型2.5%热耗差值，每一台660mw和1000mw机组的价值差分别是2.4亿元和3.65亿元。wWw.11665.COm显然这个经济杠杆将促进形成一个“为环保和效益买好设备”的市场运作机制，使电厂和制造商在保证热耗中商务因素所承担的风险越来越大，促进开发和应用效率更高的技术和设备。
当然，要使我国装备业和电厂从目前“尽一切可能降低设备成本，提高企业效能”向“尽一切可能采用先进技术提高效率”方针转变的前提、基础、动力和压力是必须形成以社会层面的“大成本”取代企业自身“小成本”的机制。国际节能减排的经验表明，只有实施一定的行政（政策）干预加上排放市场化的运作规则才能形成“严法之下高价格对应的高效率和低排放”，产品技术必须“按效率高低实施优胜劣汰”等共识。
(2)目前产品技术状况的正确评估，明确继续提高效率的发展方向
自2003年“863”课题确定发展≧600mw容量超超临界机组以来,第一个超超临界依托工程,华能玉环电厂创记录的在4年中建成投运4台机组；机组热耗及汽轮机内效率全面达到设计和保证值，“863”提出的稳妥、起步目标已圆满实现，目前上海电气电站设备有限公司(下简称sepg)具有成熟的传统结构和独特结构两种型式的汽轮机，其中在制的独特结构600mw～1100mw超超临界汽轮机组已多达6种，总数超过70余台。在确定下一步发展目标时，有必要对现有两种产品技术的性能状况作出一个全面的评估，明确不同结构型式的效率差异多大？提高效率的关键技术有那些? 下一步产品技术的发展方向是什么?
2.超超临界600℃参数比亚临界热耗相对低4%，热效率提高1.7%
600℃高温强度达到95mpa左右的9%-11%cr铁素体材料是目前这一轮超超临界产品的基础。sepg正在设计制造vwo容量为1050mw、1060mw、1096mw凝汽和抽汽、三缸和四缸660mw等6种超超临界机型，其蒸汽压力有25mpa、26.25mpa、27mpa，温度为600℃/600℃。
根据热力学基本原理，采用超超临界参数的经济性得益是非常清晰的，正如国家863“超超临界燃煤发电技术”课题/子课题1的“我国发展超超临界发电机组的技术选型研究”报告指出（1），主蒸汽压力提高1mpa，机组的热耗可下降0.13%～0.15%(下面引用按平均0.14%计算)；主蒸汽温度提高10℃，热耗可下降0.25%～0.3%(平均0.275%)；再热蒸汽温度提高10℃，热耗可下降0.15%～0.2%(平均0.175%)。下表1为有关超超临界参数对机组热耗和热效率得益的分析。
表1 超超临界参数的热耗对比（相对4.9kpa背压）

参数kpa/℃

热耗（相对）下降%

热效率增加值%

热耗（以亚临界600mw为基准）kj/kwh

目前各种机型保证热耗水平kj/kwh

16.7/538/538

基准

基准

7796

 

24.2/566/566

2.3

0.97

7621

 

25/600/600

3.95

1.66

7500

7309（某电厂投标）

26.25/600/600

4.13

1.73

7487

7316

27/600/600

4.235

1.78

7479

7312

28/600/610

4.55

1.91

7457

 

30/600/620

5

2.1

7424

 

35/700/720

10.2

4.4

7074

 

从上表数据可以看出：采用超超临界600℃参数相对亚临界，热耗下降约4%（3.95%～4.235%）；热效率则提高1.7%(1.66%～1.78%)左右。以亚临界600mw先进的热耗指标7796kj/kwh为基准，仅考虑600℃参数的因素，对应的保证热耗应为7500kj/kwh～7457 kj/kwh，而表中所列目前各种机型的保证热耗水平，例如超超临界百万千瓦机组的保证热耗均为7316kj/kw左右，比亚临界热耗水平降低6.6%，显然其中有大约2.3%-2.6%（170 -190kj/kwh）不是由于采用超超临界参数的原因，制造商有必要对此作出合理的解释和说明。
3.高效洁净燃煤电厂设计理念的热效率比亚临界提高7.7%
为了符合严格的环保要求，上世纪90年代起，德国发起的高效洁净燃用褐煤发电（简称boa）设计理念取得了成功，该理念的核心是为燃煤电厂提供技术上最优,经济效益最好以及充分环保的综合解决方案：采用一切可以使用的、提高效率的先进技术和设备，包括超超临界参数、最新的结构和技术提高汽轮机的内效率、区域供热、冷端优化、余热利用、热力系统配置优化、一切有效的减排措施、一次和二次调频能力等。2002年德国niederaussem电厂1027mw机组是boa的典型实例，通过一切可以应用技术和装备的投入，不仅与亚临界600mw的热效率35.5%相比，新电厂的热效率提高到43.2%，增加幅度达到7.7%（图1），而且在相同电量条件下的co2排放每年减少300万吨；粉尘、so2和nox的排放量减少约30%（2）。
图1 高效洁净燃煤发电技术效益分解
 
德国高效洁净发电技术（boa）理念给我们有至少2方面的启示：
（1）超超临界参数仅仅是高效洁净发电技术中提高效率的6个技术领域：超超临界参数、汽轮机结构优化、冷端、余热利用、热力系统配置、厂用电中的1个。600℃参数对效率提高的贡献仅占1/6左右。如果仅仅关注参数提高，而忽略其他5个方面，甚至在某些方面，例如汽轮机结构以及冷端设计不进行优化，甚至于“劣化”，显然是偏离节能减排宗旨的。
（2） 在设备投资成本和造价评估中只有引入了提高效益的经济杠杆才会在电厂建设中实现“尽可能采取一切可以提高效率的设备和技术”的选型原则。以niederaussem的1027mw机组为例，为利用锅炉的排烟余热,使热效率提高0.9%，增加内部1300公里的换热管道投资；为冷端优化的超低双背压2.91kpa/3.68kpa，使热效率提高1.4%，采用了巨大的冷却塔以及五缸六排汽（三个名义排汽面积为2×12.5的低压缸）汽轮机；为热力系统优化，采用了10级回热抽汽等，这些设备和技术的投入一方面使效率提高7.7%,另一方面使单位千瓦的投资增加到1200欧元（大约是目前我国的3倍），是“高价格与高效率、低排放设备”的典型实例，但按热耗1kj/kwh为20万欧元的“大成本”原则计算，这些设备投资的增加是完全值得的。相比如果在电厂建设中，不计先进技术设备投资的经济效益，制造商和电厂执行 “降低单位造价”的方针，这些高效洁净燃煤技术就不会得到应用。我们的超超临界机组数量在世界上遥遥领先，但德国高效洁净燃煤发电技术的理念和先进技术的应用深度，所取得的节能减排社会效益均值得我们参考和借鉴。4， 先进的结构是保证高效率的关键
4.1 先进的独特结构是汽轮机提高效率的三个技术领域中的关键
在计算机技术融入整个汽轮机设计制造的今天，产品设计技术平台（cad、cae、cfd、cam）的国际化和商业化使汽轮机的结构设计成为决定产品性能高低，最基本、最关键的决定性因素。与传统风格形式相比，在汽轮机有关的三个提高效率的技术领域：热力循环热端的进汽参数；汽轮机的内效率以及汽轮机冷端排汽优化中，只有采用了先进而独特的结构才能使产品具有采用更高超超临界参数的能力、才能大幅度降低流动损失，得到更高的汽轮机内效率、才能降低冷端损失，从而得到最高的效率。
sepg具有传统及独特两种结构风格的机型，分析表明：在超超临界参数及大容量条件下，继续保持亚临界、超临界的传统汽轮机结构形式，不仅不会降低流动损失，反而会因参数和容量增加带来的安全可靠性问题，增加损失，牺牲超超临界参数带来的部分得益。
sepg正是通过一系列独特的结构设计技术来实现热耗在超超临界参数4%得益基础提高到6.6%的目标。除了明显提高机组的安全可靠性、安装维护特性以及运行灵活性能外，几乎在蒸汽流动的每一段过程中，独特结构均能明显地降低流动损失。扣除诸如容量增大的影响、回热系统优化等因素之外，独特结构设计至少有2.5%以上的热耗得益。
4．2 独特结构汽轮机性能的实践验证
“实践是检验的唯一标准”，10年来大量独特结构机组的运行性能令人信服地证实了先进结构设计的经济效益（见下表2）。玉环、外高桥连续6台机组的现场性能为我国电力企业带来的惊喜是：① 在热耗达到保证值得同时，高中压缸效率也达到设计值；② 不仅一台机组，而且陆续投运的所有机组的性能均稳定地达到设计和保证性能；③ 电厂实际运行热耗很少进行修正，甚至实际运行测试的热耗还低于保证热耗，例如玉环#1实测热耗为7258kj/kwh，修正后的热耗为7295 kj/kwh，即电厂在实际运行中还能得到比保证值更高的经济效益（3）。
表2 独特结构机组的实测性能数据

电厂及日期

实测平均(设计值)高中压缸效率%

实测(保证)热耗kj/kwh

1998德国黑泵电厂2×874mw

90.95/93.45

7307.5(7315.1)

1999德国boxberge电厂910mw

94.2/96.1

全厂热耗7484(7531)

2002年isogo电厂600mw

—

两年后热耗7318(7342)

2004年外高桥-ii-2×900mw

—

7500(7602)

2007年华能玉环电厂4×1000mw

90.65/93.28
(90.39/93.3)

7291-7315(7316)

2008年外高桥-iii-2×1000mw

92.08/93.77
(91.12/93.44)

 

 

 

 

 

 

析
我们从设计角度，通过与传统结构对比的方法，沿着蒸汽流动的轨迹，从汽轮机进口到排汽的各个流段，对独特结构的低流动损失、高效率特性进行分解。

（1）汽轮机阀门前可采取更高的蒸汽压力
与传统结构型式相比，sepg采用的“独特”圆筒型高压模块中，外缸为无水平中分面的圆筒型，前后分为高温及低温缸，由轴向螺栓连接；内缸有水平中分面，但也是一个无法兰外伸端的光滑圆筒型结构（见图2）。自冷结构不仅冷却转子和汽缸，同时使内外缸分别承受部分压力载荷（见图3），加上受力直径小、温度场及应力均匀等特点使螺栓、汽缸及转子的工作应力、热应力、膨胀都能承受更高的蒸汽压力，现有的模块在一开始就将参数定位在30mpa/600℃/620℃。

图2 紧凑光滑的圆筒型高压内外缸 图3 内外缸自冷及压力分配结构
具体产品应用的温度和压力是采取逐步增加的方式，目前产品的压力已从25mpa升高到26.25mpa、27mpa、28mpa。与目前传统结构机型的压力不大于25mpa相比,26.25mpa～30mpa的热耗可降低约14kj/kwh～55kj/kwh。
(2)独特的大面积主汽门永久滤网结构
针对超超临界的特点，整个机组为两个主汽门和调门，且采用一种独特的，由成型带料迭加而成的永久滤网结构。其特点是大面积（为阀门喉部面积的7倍），小滤网（仅1.6mm）,在保持较好过滤效果前提下,流动损失系数仅0.5%左右。
(3)主汽门和调门直接和汽缸相连，无蒸汽管道
两个主汽门调门通过大螺母直接与汽缸相连（见图4），与传统结构相比，直接避免了蒸汽通过安装在机头四个调门的四根累计几十米主蒸汽管道，及3-4个弯头的流动损失。按1%流动损失计算的热耗得益在5kj/kwh左右。

图4 两个主门直接安装在汽缸上
(4)阀门出口立即到达喷嘴的简捷进汽结构
独特结构设计使蒸汽经过两个阀门进入汽缸后立即到达第一级喷嘴前（图5），省缺了传统四个进气管及四个弧段组成的蒸汽室过程（图6），减少了一段流动损失。
图5进入汽缸立即到达喷嘴的结构 图6传统结构四个进汽管的蒸汽室
(5) 全新的配汽方式提高经济性
喷嘴调节和全周进汽两种配汽方式在安全性、经济性方面各有特点，但是针对超超临界参数及1000mw容量，因下列原因，使技术优势完全倾向全周进汽方式：一方面喷嘴调节受强度的制约，即使在采用双流调节级情况下，还必须将最小部分进汽度增加到75%左右（三阀全开），其后果是滑压终点的负荷相应提高到100%额定负荷左右；另一方面，全周进汽+旁通进汽阀配置方式，使100%负荷的滑压压力也同样达到了额定压力。为此，在超超临界参数下，全周进汽和喷嘴调节两种方式实现相同的定-滑-定压力运行特性（表3、图7）。以往亚临界机组中，喷嘴调节部分进汽度小，滑压运行压力高，循环效率高的优势在超超临界机组中已不存在，喷嘴调节因75%部分进汽的损失，级效率低的情况仍旧存在，使喷嘴调节在额定负荷及部分负荷的效率和安全性均不及全周进汽方式。

表3 超超临界不同配汽结构基本具有相同的负荷-滑压压力mpa

 

最大负荷

100%负荷

75%负荷

50%负荷

40%负荷

喷嘴部分进汽方式

25

25

18.9

12.6

10.4

全周进汽

26.25

23.27

17.3

11.4

9.28

全周进汽+旁通进汽

26.25

26.25

19.4

12.8

10.4

图7 超超临界汽轮机的负荷与压力的定-滑-定曲线
计算表明，相同负荷-滑压特性条件下，配有旁通进汽阀（相当于第三个调门）的全周进汽与传统的部分进汽结构相比，额定负荷及部分负荷的热耗要低20kj/kwh左右（见图8）；大于额定流量时，旁通阀打开，效率下降。最大负荷下配旁通阀热耗最高，无旁通阀的全周进汽热耗最低。

图8 超超临界汽轮机不同配汽结构的经济性对比

（6）独特的全周进汽斜置静叶结构（图9）
汽流通过两个径向的进汽口后，立即通过斜置安装的静叶向轴向折转，与传统结构（图10）相比：第一，流道紧凑，损失小；第二，整体内外围带的静叶无径向漏汽损失；第三，通过斜置，在弯道布置的斜置静叶中实现了气流折转，与90度折转相比，损失小；第四，无部分进汽损失，级效率高2%；
 
图9 斜置单流全周进汽静叶 图10 传统结构的双流调节级
（7）高压单流与双流调节级的损失对比
因强度限制，而采用双流调节级结构（图10）的传统结构与单流斜置静叶级相比：第一，双流使喷嘴面积减少50%，端损大幅度增加，级效率至少下降4%；第二，为避免压力级的端损增加，传统结构的压力级仍采用单流，从而形成先是气流一分为二，然后50%的气流经180度的大折转之后又合二为一，附加的压损至少1%；第三，传统结构调节级动叶片出口过渡到下一级，有一个长距离的流道，而独特结构两级叶片紧密相接，无过渡段流动损失。
无蒸汽室的全周进汽、进汽弯道中的斜置静叶、单流叶片级以及动叶出口与下一级直接相连等独特结构与传统结构相比，第一级的效率要高10%-15%，相当高压缸效率高2%，热耗至少30kj/kwh。（8）高压缸不需法兰冷却的结构
外缸由于受力负荷低、温度低、内缸轴向力使外缸自紧等原因使螺栓应力低；内缸同样由于直径小应力低，圆筒高压结构不仅能承受更高的蒸汽压力，而且内外缸法兰均不需冷却，与即使在25mpa参数以下，还必须有法兰冷却（见图11）的传统结构相比，减少了附加的冷却损失。  图11 传统结构的法兰蒸汽冷却
（9） 小直径、多级数的高中压转子通流部分
高压通流设计中采用了独特的两个平衡气道的结构 ，使平衡活塞轴向尺寸非常小，高压缸的轴向长度短，以及高中压进汽口均为侧向等结构特点使通流部分有足够的轴向位置布置较多的叶片级数，得以获得更高的通流效率。
（10） 全三元高效率弯扭叶片
所有的叶片级采用新一代高效、全三维弯扭叶片技术使效率提高2%（见图12）。2002年后推出的按整个通流部分最佳气流特性决定各级反动度的变反动度优化设计技术又使缸效率提高1%（图13）。这些代表世界最新气动水平的叶片成功在产品中应用，使叶片级效率的提高幅度近3%。按高中压缸效率2%的贡献计算,热耗得益在90kj/kwh。
 （11）独特的中压进口切向涡流冷却结构
中压缸采取了一种非常独特的冷却结构，通过进口处四个切向涡流孔（见图14），将热能转换为高速旋转的动能，使转子表面的温度降低15℃左右，这种冷却方式简捷、稳定可靠。与传统利用2%高压缸排汽，非再热蒸汽进行冷却的结构(图15)相比，降低了中压缸冷却损失,相当热耗得益约3kj/kwh。
 
图14 独特的中压进口切向涡流 图15利用高压排汽冷却的传统结构
（12）独特的中压缸进汽结构
与高压一样，在中压缸采取了一系列可以减少流动损失，提高效率的独特结构：例如两个侧向进汽的再热主调门直接安装在汽缸上，没有导汽管损失（图16）；汽流直接通过弯道两个对称的，内外环整体无径向漏汽的斜置静叶；小直径、多级数的3dvtm全三维弯扭变反动度叶片等（图17）。
 
图16 中压阀门直接安装在汽缸上 图17 独特的中压进汽结构形式
由于第一级低反动度，大焓降的斜置静叶以及切向涡流冷却，使再热温度可以达到620℃，相比600℃，热耗可以降低约25kj/kwh。
（13）独特的中压排汽结构设计
同样为双流中压缸，但排汽口结构设计与传统结构形式完全不同：两个进汽口在测向，一个排汽口布置在汽缸中间，使整个内外缸之间由中压排汽所包围（图18）；独特的整圈预扭安装动、静叶片结构使中压排汽压力降低到传统结构机型的一半左右，除了使中压外缸因温度在300℃，可以采用球墨铸铁；低压转子避免了传统结构的高温回火脆性问题外，其带来的高效率效应体现在：第一，低排汽压力，使蒸汽焓降由低压缸转移到效率较高的中压缸，经分析，其热耗得益在15kj/kwh；第二，单个排汽口与单个大口径中低压连通管，流场简捷，损失小，与传统结构（图19）的2%压损相比，其损失系数仅0.6%；相当热耗差为8kj/kwh。
 
图18 独特的中压进排汽结构 图19 传统的中压排汽结构
（14）低压缸叶片
低压前几级与高中压缸一样，采用3dvtm全弯扭叶片，而低压末级长叶片则采用1146mm自由叶片，这也是目前最长的自由叶片。与其他相同11㎡排汽面积的特大型长叶片相比，叶片宽度相当，但避免了凸台跨音速区或任何其他附件造成的冲波及扰动损失。分析表明其对热耗的影响量级在3kj/kwh以上。
（15） 可提供大50%的排汽面积
独特结构设计中每两个汽缸之间仅需一个轴承，以四缸四排汽为例，5个轴承，总跨距比传统结构8个轴承形式短8-10米，即使采用3个低压缸的boxberg、niederaussem 5缸6排汽机组的总长与传统结构的四缸四排汽机组相同。在相同长叶片的排汽面积及轴系自由度条件下，独特结构可以提供的总排汽面积比传统结构大50%。相对大容量、低冷却水温和背压较低的机组，例如四排汽、3.7kpa的1000mw机组或者4.9kpa的1300mw方案中,6×10㎡比4×11.8㎡排汽损失的热耗差异约1%，达到70kj/kwh的量级。

5 结论
（1）根据欧洲高效洁净燃煤发电技术的分析和实践,百万千瓦机组的热效率比传统亚临界600mw机组提高7.7%。其中与汽轮机本体优化设计直接相关的有超超临界参数、高效率汽轮机以及排汽冷端优化设计等三个领域，热效率的提高幅度为4.4%，而600℃超超临界参数的贡献仅为其中的1/3左右。
（2） 目前我国超超临界600℃参数1000mw与亚临界600mw机组相比，各种机型的保证热耗降低了约6.6%，扣除超超临界参数的4%热耗降低之外，制造厂有必要对其余的热耗降低进行验证和作出分析论证。
（3）先进的结构技术是汽轮机三个领域内实现性能优化的关键。新型的独特结构能适应更高的蒸汽参数；能大幅度减少汽轮机内部的流动损失，提高汽轮机的内效率；能在大容积流量条件下获得更大的冷端优化得益。通过从汽轮机进口至排汽整个流动过程中的每个结构环节的对比分析表明，按不完全估算独特结构的热耗得益在2.5%(约188kj/kwh)以上。在低冷却水温或更大容量，或者进一步提高参数的条件下，独特结构还有使热耗降低2%的潜力。
（4）自1997年至今，一系列超超临界汽轮机的现场性能试验表明：不仅机组的保证热耗低于保证值，而且高中压缸的效率均同时达到设计值。充分验证了新型独特结构具有稳定的低损失特性。从提高效率角度，独特结构取代传统结构机型将是产品技术发展“优胜劣汰“的必然趋势。

参 考 文 献
(1) 国家电力公司,中国华能集团公司. “我国发展超超临界发电机组的技术选型研究” 2008年8月. 国家863”超超临界燃煤发电技术”课题/子课题1技术报告。
(2) 上海汽轮机有限公司. “引进型百万千瓦超超临界汽轮机文集”。2004.11
(3) 西安热工研究院有限公司. “华能玉环电厂#1机组性能考核试验报告”， “华能玉环电厂#2机组性能考核试验报告”.。2007. 05。

内部资料。
(4) mathias deckers and ernst wilhelm pfitzinger, wilfried ulm,“advanced hp/ip blading technologies for the design of highly efficient steam turbine”, 热力透平, sept.2004, vol.33,no.4,209-215.
⑸ peter pauls,“coal-fired power plants”, 热力透平, apr.2004, vol.33, no.2,105-107.