光热电站汽轮机选型分析

摘 要：光热发电汽轮机效率和可靠性对光热电站经济性至关重要，是电厂的重要考核指标，目前对于汽轮机效率的关注高于对于其成本。本文基于机组每天存在的停机及热态启动问题，从蒸汽温度压力选择、回热级数、本体优化及配气方式等方面，详细介绍了光热汽轮机提高机组效率和可靠性的方法及优化方向，为汽轮机选型提供依据。

关键词： 光热汽轮机；汽机效率；可靠性；选型依据

Analysis of Selection on Solar Thermal Power Steam Turbine

Liu Chuancheng

Qingdao Hongrui Power Engineering Consulting Co. Ltd ShandongQingdao 266100

Abstract：The efficiency and reliability of the steam turbine are very important to the economic performance of solar thermal power station. The efficiency of the turbine is an important assessment index of the power plant， and is more concerned than the cost. Based on the shutdown and hot start unit of everyday existence， this article introduced the method of improving the steam turbine thermal efficiency and reliabilityfrom the steam temperature and pressure，steam extraction optimization， steam distribution optimization and ontology method， and provided a basis for the selection of solar thermal power steam turbine.

Key words：Solar thermal power steam turbine； Turbine efficiency； Reliability； Selection basis

1 背景

光熱发电是指利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。相比于光伏与风电等技术，光热发电的最大优势在于相对稳定连续的电力输出，其特有的光热电模式中，热能具有良好的储存性能，使电力输出平稳，有利于并网。目前光热发电基本类型为槽式技术、塔式技术、菲涅尔式和蝶式四种，其中槽式与塔式是光热发电的主流[13]。

光热发电汽轮机因其能量来源的不稳定性与传统火电用汽轮机有多方面的不同，对设计和工艺制造能力的要求也要远高于传统汽轮机。目前大多数光热电站没能实现全天24小时持续发电，对于常规的光热电站，汽轮机一般在每天早晨开始启动运转，到晚间无热源时关停或通过其它燃料补燃进行低负荷运转。为此，光热汽轮机需满足每天至少一次的频繁启动要求，并尽可能地缩短每次启动的时间。从经济性角度考虑，启动越快则可以在有限发电小时数内更快速达到额定发电功率，获得更多发电量，这是实现电站收益最大化的一个关键影响因素。但启动越快则将对汽轮机内外各部件产生较大温差，由此导致的机械应力也随之增大。另外对于所有的光热电站，其都将受到不稳定光照资源的影响，特别是对于无储热的光热电站，太阳能辐照强度的瞬时变化直接影响到蒸汽的各项参数，汽轮机需要适应这种频繁的工质参数变化。这都需要汽轮机机组各部件拥有较好的耐疲劳性，这就需要对制造材料进行优化选择，对各组成部件进行优化工艺处理。整体来看，合格的光热发电汽轮机应满足的总体要求是：热启动迅速、可靠性高、效率高、满足每天至少启动一次的启动频率、满足至少30年的使用寿命[4]。

光热汽轮机要具备市场竞争力，其效率、可靠性和价格是重要的考量指标。光热汽轮机的设计制造对于材料的选择，制造的工艺都比传统汽轮机要更高一些。因为其要适应光照资源导致的较多的负荷变化、启停次数和启停速度的要求。

2 汽轮机的进汽参数确定

2.1 蒸汽温度的选择

根据工程热力学的基本原理，提高蒸汽的温度，能提高朗肯循环的效率，因此提高蒸汽的参数，对整个光热发电汽轮机循环效率来说，效率能得到提高。

如图1曲线所示，将蒸汽参数从540℃提高到550℃，汽轮机循环效率能提高0.15%左右。对于汽轮机，在其它条件相同的情况下，机组参数越高效率越高。主汽温度每提高10℃，热效率约可相对提高0.25%～0.30%，再热汽温每提高10℃，热效率可相对提高0.15%～0.20%。因此，应尽可能选择更高的主汽及再热蒸汽温度。

2.2 主蒸汽压力的选择

当新蒸汽初温不变仅提高初压时，一定范围内可提高机组热效率。但单独提高初压过大，机组热效率反而会降低，其主要原因是初压提高时蒸汽比容减小，将使汽轮机超高压通流部分叶片高度减小，甚至需要采用部分进汽，这样将使叶片级的二次流损失和轴封漏汽损失都增大，将抵消一部分提高压力参数所带来的好处。同时，低压缸的排汽湿度将随初压的提高而增加，加大湿汽损失，使汽轮机的热效率下降。另外，初压过高，末级叶片水蚀将达到可接受的程度。初温一定的情况下存在一个最佳初压，超过最佳初压后，机组的热耗率将趋于上升。

2.3 再热压力的选择

对于采用朗肯循环的系统中，采用再热循环的方式，可显著提升朗肯循环的整体内效率与热经济性，如图2所示：

图中所表示的阴影部分即为采用再热循环带来的热耗的降低，同时采用再热循环更能使排汽的湿度降低，从而可使末级叶片的水蚀情况得到明显减小。

针对于光热发电项目，由于汽机进口前的温度偏低，过热度较低，为提高全厂性能，需采用再热的方式提高循环热效率，同时采用再热循环可改善末级叶片湿度问题，提高叶片因水蚀造成的诸多强度问题。

在光热项目中，考虑机组的循环效率的最优化，因此再热的选择尤为重要：一般说来对于汽机而言，高压缸由于压力较高容积流量较小，从而造成叶片的高度较低导致高压缸效率的低下，而低压缸在经过再热后过热度的提高，压力降低，在汽轮机中等熵效率是最好的，因此为降低热耗应将高压缸分缸压力尽量提高从而选择让效率最好的低压缸多“出力”，从而达到循环效率的提高，但分缸压力的提高导致低压缸进汽过热度的低下从而导致低压缸排汽湿度的增加造成末级叶片发生水蚀现象，影响机组安全与性能。因此光热发电汽轮机采用超高压再热技术。

3 回热级数的确定

回热系统各级焓升常见的分配方式：1）焓降分配法：将每一级加热器的焓升取作等于前一级至本级的蒸汽在汽轮机中的焓降；2）平均分配法（等温升）：每一级加热器的焓升相等；3）等焓降分配法。目前，电力行业一般采用等温升法[5]。

为了最大限度地获得热耗率的改善，给水总焓升在各加热器间的回热分配和给水回热的级数要进行尽可能的优化。回热系统的换热单元有高压加热器、除氧器和低压加热器组。

由热力学理论可知，采用回热系统，可以减少循环的冷源损失，同时提高进入锅炉（或蒸汽发生装置）的水温，使循环效率得到提高。回热级数与热耗变化率详见图3。

在优化回热系统的同时，通过对抽汽管道的压损进行了控制，降低管道的流速，以达到降低压损的目的，在加热器的设计方面，优化加热器的结构，严格控制的低压加热器的端差，低压加热器设置疏冷段或疏水泵，低压加热器的上端差由5℃降低為2.8℃，下端差由自由端差降低为5.6℃，这一系列措施极大地提高了机组的循环效率。

通过回热系统的优化，增加回热级数、降低管道压损和加热器优化端差技术，机组的热耗降低。

4 汽轮机本体优化

4.1 汽轮机本体优化

汽轮机原理可知，汽轮机速比的选择体现了汽轮机动静叶的匹配合理性，是汽轮机设计的关键。要使汽轮机有高的轮周效率，则需汽轮机在最佳速比运行附近。图4显示了汽轮机轮周效率与速比的关系。

4.2 配汽方式选择

目前汽轮机的配汽方式主要有两种：喷嘴配汽和节流配汽，喷嘴配汽适用于定参数运行，节流配汽适用于滑参数运行。采用喷嘴配汽，由于存在部分进汽，调节级的效率远低于压力级。太阳能光热发电项目均采用滑参数运行，而且要求快速启停。节流配汽可以实现全周进汽，避免部分进汽损失，汽轮机热应力均匀，有利于快速启动。采用滑参数运行还有好处在于在设计工况时不考虑机组最大工况的进汽余量，从而保证机组在设计工况效率最高，较常规定参数节流配汽相比高，在最大负荷时，设计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[6]。

5 结论

太阳能光热发电项目由于受太阳能光照等的影响，存在负荷变化频繁的特点，同时由于太阳能只在白天存在，机组基本每天存在停机及热态启动的问题。太阳能发电蒸汽参数的费用特别大，必需考虑机组能在少的耗汽量下，完成机组启动，故汽轮机应具有快速启动的能力。为此，可通过以下方式进行选型。

1）蒸汽参数提高有助于提高汽轮机循环效率，目前国外主要的塔式熔盐太阳能光热汽轮机的蒸汽温度多采用540℃，将蒸汽参数从540℃提高到550℃，汽轮机循环效率能提高0.15%左右。

2）光热发电汽轮机采用超高压再热技术。在初温一定时提高初压，一定范围内可提高机组热效率，但应考虑末级水蚀现象。

3）通过回热系统的优化，增加回热级数、降低管道压损和加热器优化端差技术，机组的热耗降低。

4）采用节流配汽，利于滑参数运行，节流损失小，提高机组效率，避免部分进汽损失，汽轮机热应力均匀，有利于快速启动。

参考文献：

[1]陈昕，范海涛.太阳能光热发电技术发展现状[J].能源与环境， 2012 （1）： 9092.

[2]王帅杰，郭瑞，高薇.我国太阳能光热发电的现状研究及投资策略[J].沈阳工程学院学报， 2012， 8（1）： 1416.

[3]袁炜东.国内外太阳能光热发电发展现状及前景[J].电力与能源， 2015， 36（4）： 487490.

[4]杜尔顺，张宁，康重庆，等.太阳能光热发电并网运行及优化规划研究综述与展望[J].中国电机工程学报， 2016， 36（21）： 5765G5775.

[5]李伍亮.光热发电汽轮机回热设备及系统优化配置研究[J].机械工程师， 2016 （03）： 125126.

[6]郭江龙，常澍平，姚力强，等.大型汽轮机复合滑压运行参数寻优方法研究[J].汽轮机技术， 2010 （6）： 467469.

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