CN102392703A - 二次再热汽轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二次再热汽轮机，其包括：一个超高压缸，所述超高压缸蒸汽入口压力为35～40MPa，温度为600℃～625℃；一个再热高压缸，所述再热高压缸的再热蒸汽温度为610℃～635℃；一个或两个再热中压缸，所述再热中压缸的再热蒸汽温度为610℃～635℃；两个或三个低压缸，所述低压缸的蒸汽入口温度为300～360℃，压力为0.3MPa～0.5MPa，该二次再热汽轮机的转子、汽缸、阀门采用铁素体材料。该二次再热汽轮机的供电热耗和煤耗降幅最高可达5%，汽轮机的效率得到大幅提升，具有极高的性价比和市场前景。

Description

二次再热汽轮机

技术领域

本发明涉及汽轮机，特别涉及一种二次再热汽轮机系统。

背景技术

电力已经成为世界经济和人类生存的支柱。根据地球的资源状况，燃煤发电在电力工业的主导地位在很长时间内不会发生根本转变，推进洁净燃煤发电技术的发展，提高电站效率，节约资源，减少排放是燃煤发电技术和产品的基本发展方向。无论发电机组使用的一次能源是燃煤、核能还是燃汽，只要使用蒸汽作为能量转换的工质，汽轮机均承担将蒸汽热能转换为机械功的功能，因而汽轮机是决定整个电厂性能的最重要的发电设备之一。降低热耗、减少排放、提高热效率始终是汽轮机设计制造的首要任务。

如上海外高桥第三发电责任有限公司2×1000MW机组是采用高参数并应用热力系统优化技术取得显著节能减排效益的一个典型案例，运行效率达到了当今世界最高水平。配合蒸汽高参数，该电厂推出一系列新的节能减排技术：通过提高锅炉燃烧效率、降低锅炉汽水压损及烟汽阻力、降低厂用电率、利用烟汽余热、冷端优化降低背压、选配高效率的给水泵汽轮机、启动前的旁路冲洗等优化技术，使汽轮机的供电煤耗累计降低4％，2010年该电厂超超临界汽轮机折算的发电煤耗可达到268g/kW·h，为当年世界最高水平。

从1993年首台593℃再热温度的汽轮机机采用了先进铁素体材料，至今全世界范围内超超临界参数的应用已获得了很多发展，目前已成功的开发了600℃和625℃以上两个温度等级的先进铁素体材料，但是后者在汽轮机领域一直没有得到应用。当前大容量超超临界产品的最高参数已达到27MPa，600℃/610℃，与先前24.2MPa，566℃/566℃的超临界参数相比，现有超超临界参数的热耗得益在1.7％左右。需要注意的是，在汽轮机领域，1％量级的得益已经被视为成效突出的改善。

目前为了可以进一步提高汽轮机的效率、降低热耗，欧盟及日本开始立足研究新的材料，例如中国专利(公开号CN1854464A)所公布的镍基合金材料。采用这种镍基合金材料虽然可以进一步承受更高的温度，但镍基合金材料的成本很高，而且汽轮机主要部件的一系列关键制造工艺技术(如大型铸锻件、焊接转子)尚在研究阶段，近期尚不能在产品中应用。可见铁素体材料仍是当前阶段汽轮机应用的主要材料，因此如何进一步提升采用铁素体材料制造的汽轮机的效率才是目前最需要解决的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高效节能的二次再热汽轮机。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种二次再热汽轮机，其包括：一个超高压缸，所述超高压缸蒸汽入口压力为35～40MPa，温度为600℃～625℃；一个再热高压缸，所述再热高压缸的再热蒸汽温度为610℃～635℃；一个或两个再热中压缸，所述再热中压缸的再热蒸汽温度为610℃～635℃；两个或三个低压缸，所述低压缸的蒸汽入口温度为300～360℃，压力为0.3MPa～0.5MPa，该二次再热汽轮机的转子、汽缸、阀门采用铁素体材料。

优选的，所述超高压缸为双层缸，所述超高压缸中间级对应的内缸壁上及与转子平衡活塞相对应的内缸壁上设有漏汽孔。

优选的，所述超高压缸内的转子为小直径多级叶片转子。

优选的，所述再热中压缸的转子可采用单一的9％Cr材料制成；或将所述再热中压缸的转子分为进汽段和排汽段两部分，所述进汽段采用9％Cr材料，所述排汽段采用10％Cr或者12％Cr材料，所述进汽段与所述排汽段焊接。

优选的，所述二次再热汽轮机相邻两个汽缸之间均只设有一个轴承。

优选的，所述超高压缸、再热高压缸、再热中压缸、低压缸的蒸汽阀门均直接与相对应的缸体连接。

上述技术方案具有如下有益效果：该二次再热汽轮机采用目前成熟的铁素体材料，其蒸汽最高温度为620℃～635℃，进汽压力为35MPa-40MPa，与目前最高参数为27MPa/600℃/610℃的超超临界汽轮机相比，其温度由目前的600℃提高到620℃～635℃，从温度提高的角度热耗可降低1.1％以上，进汽压力可由目前的的27MPa-28MPa提高到35MPa-40MPa，从提高压力的角度机组热耗降低达到1.5％～2.3％；此外该汽轮机为二次再热汽轮机，与一次再热循环汽轮机相比其热耗还可以降低1.4％～1.6％。可见该二次再热汽轮机的供电热耗和煤耗降幅最高可达5％，汽轮机的效率得到大幅提升，具有极高的性价比和市场前景。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图对本专利进行详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为本发明实施例一的运行示意图。

图3为本发明实施例一中超高压缸的结构示意图。

图4为本发明实施例二超高压缸与再热高压缸连接的结构示意图。

图5为本发明实施例二再热中压缸和低压缸连接的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细介绍。

如图1所示，为一五缸四排660MW容量的汽轮机，该汽轮机配置为一个单流超高压缸1，超高压缸1蒸汽入口压力为35～40MPa，温度为600℃～625℃；一个单流再热高压缸2，再热高压缸2的再热蒸汽温度为610℃～635℃；一个双流再热中压缸3，再热中压缸3的再热蒸汽温度为610℃～635℃；两个标准排汽面积的低压缸4，低压缸4的蒸汽入口温度为300～360℃，压力为0.3MPa～0.5MPa，所述超高压缸、再热高压缸、再热中压缸的转子、汽缸、阀门采用625℃等级铁素体材料。

如图2所示，该汽轮机在运行时，由锅炉产生的蒸汽首先进入超高压缸1，蒸汽在超高压缸1膨胀做功后进入锅炉进行一次再热。一次再热后的蒸汽进入高压再热汽缸2，蒸汽在高压再热汽缸2膨胀做功后再进入锅炉进行二次再热；二次再热后的蒸汽进入中压再热汽缸3，蒸汽在中压再热汽缸3膨胀做功后进入低压缸4；蒸汽在低压缸4膨胀做功后经冷凝器冷凝成水后返回锅炉。图中箭头所示方向为蒸汽或冷凝水的流动方向。

该汽轮机超高压缸1进汽压力35MPa～40MPa，其排汽口处一次再热蒸汽的压力可提高到10MPa～12MPa，由于排出的蒸汽压力较大，因此超高压缸1无需再配置回热抽汽口，光滑的形状有利于减少汽缸的应力集中，降低工作应力；同时排汽压力提高也会使超高压缸1的压比降低，使该超高压缸的焓降减少，该超高压缸可选配小直径转子来减小转子的轴向推力和离心力，这样就可进一步降低工作应力，同时又可提高汽轮机的效率。

如图3所示，为了保证超高压缸1能承受35MPa～40MPa的压力，超高压缸1为双层缸，其外缸由前后两个圆筒型缸体11、12通过轴向螺栓13连接而成，两个圆筒缸体的连接处的轴向法兰14位于工作压力较低的区域。由于汽缸的轴向作用面积远小于水平中分面的面积，因此采用这种结构的汽缸相比目前常用的具有中分面的上下两半结构的缸体而言其承压能力更强，而且采用这种筒状结构的汽缸不存在普通汽缸中分面连接法兰对汽缸工作压力提高的限制，其轴向法兰设置在压力相对较低区域，这样也可使轴向法兰工作应力大幅下降，进而提高超高压缸1的承压能力。超高压缸1的内缸也为圆筒型，由前后两个圆筒型缸体通过螺栓连接而成，虽然内缸沿轴向分为两半，但因其直径小，又无法兰外伸端，同样可使汽缸和螺栓的应力大幅度下降。

在超高压缸1高中压级的内缸壁上及与转子平衡活塞相对应的内缸壁上各设有一漏汽孔，当蒸汽通过超高压缸1时，在经过高压中级后会先通过漏汽孔漏入内外缸夹层，其流动方向如图3中箭头方向所示，最后经过另一漏汽孔从内外缸夹层流回内缸对转子的平衡活塞15进行冷却。这样一方面可将第一级后高温区限制在转子的小直径部位，对平衡活塞起到冷却作用；另一方面使内外汽缸分别承担部分压力载荷，即使主蒸汽压力提高到35MPa以上，其内外缸的承载压力也仅相当于亚临界压力水平。

采用这种独特的内外缸承载结构，可使内外缸、密封螺栓均处在较低的应力状态，其承压部件所承受的最大压差比目前常用的一次再热结构形式小5-10MPa，因此对于30MPa的参数受力仅与目前一次再热结构的亚临界相当，35MPa汽缸的压力载荷仅与目前一次再热结构超临界相当，因而这种结构的汽缸可以提供更大的安全裕度，提高蒸汽压力的可靠性风险得以完全释放。再有由于这种结构的汽缸是沿着轴向分成前后两半的，因此根据工作温度不同，其前后两个圆筒结构可采用不同的材料，这样也可降低机组的材料成本。

针对二次再热循环中压缸3排汽温度可能会提高的特点，将再热中压缸3的排汽压力降为0.3MPa～0.5MPa，中压排汽(低压进汽)温度不超过360℃，采用较低的中压排汽压力，避免中压排汽温度大幅度升高，一是保证低压转子远离材料的回火脆性温度；二是减少了低压缸的温差，使中压缸整个外缸完全处在中压排汽的包围之中，这样外缸就可采用加工性能好、加工周期短、质量易保证的球墨铸铁材料。

为了提高效率，使汽轮机的结构更加紧凑，超高压缸1、再热高压缸2、再热中压缸3、低压缸4的蒸汽阀门均直接与相对应的缸体连接，无附加蒸汽管道，并且相邻两个汽缸之间均只设有一个轴承，这样可减少轴系自由度和轴承数，缩短了轴系长度。如本实施例660MW的五缸四排汽汽轮机仅需6个轴承，与传统结构5缸机组的10个轴承相比要紧凑得多。

为降低制造成本，减少高温合金钢材的应用，减小转子锻件尺寸，本发明的二次再热汽轮机中的高温转子，特别是中压再热缸的转子可采用焊接结构，将该转子可分为进汽段和排汽段两部分，进汽段采用9％Cr的材料锻造，排汽段采用10％Cr或者12％Cr材料锻造，进汽段与排汽段焊接在一起。上述中压再热缸的转子还可直接采用单一的9％Cr的材料制成。超高压缸1、再热高压缸2、再热中压缸3的转子、汽缸、阀门等高温部件采用625℃等级铁素体材料，目前的铸锻供应商已形成该类材料冶炼及大型铸、锻件毛坯的生产能力，相关材料和技术属于公知技术的范围，故在此不再详细描述。

该汽轮机还可以与一系列热力系统优化技术相匹配，获得更大的经济效益。这些热力系统优化技术包括：具备多道回热抽汽的大容量汽轮机模块将回热抽汽级数由目前的8级提高到10级；低压加热器的烟气余热利用；采用具有回热抽汽的给水泵汽轮机等。采用上述热力系统优化技术，可使汽轮机组的热耗在原来的基础上可再降低约1.5％。

该二次再热汽轮机的高温部件采用625℃等级铁素体材料，其蒸汽最高温度为620℃～635℃，进汽压力为35MPa-40MPa，与目前最高参数为27MPa/600℃/610℃的超超临界汽轮机相比，其温度由目前的600℃提高到620℃～635℃，从温度提高的角度热耗可降低1.1％以上，进汽压力可由目前的的27MPa-28MPa提高到35MPa-40MPa，从提高压力的角度机组热耗降低达到1.5％～2.3％；此外该汽轮机为二次再热汽轮机，与一次再热循环汽轮机相比其热耗还可以降低1.4％～1.6％，可见该二次再热汽轮机的供电热耗和煤耗降幅最高可达5％，汽轮机的效率得到大幅提升。如实施例一所示的汽轮机，其额定蒸汽参数可达“35MPa/600℃/620℃/620℃”，主蒸汽流量为1680t/h；最终给水温度为327℃；汽轮机发电热耗：7025kJ/kWh；相对锅炉效率94％和管路效率99％的汽轮机发电煤耗为258g/kWh。

如图4、5所示，为一七缸六排汽二次再热超超临界1350MW汽轮机，其配置为一个单流超高压缸1，一个双流再热高压缸2、两个双流再热中压缸3，以及三个标准排汽面积的低压缸4。整个汽轮机采取2个轴系：超高压缸1和再热高压缸2带一个出力约600MW的发电机；两个再热中压缸3和三个低压缸4带一个约750MW的发电机，采用3个低压缸配置满足系统冷端优化低背压或者更大单机容量的要求。两个轴系可布置在同一平台，也可将超高压缸1和再热高压缸2布置在锅炉顶层，以节约高温蒸汽管道的长度，两个再热中压缸3和三个低压缸4布置在汽轮机平台。该汽轮机额定蒸汽参数为35MPa/600℃/620℃/620℃；主蒸汽流量为3400t/h；最终给水温度为327℃；汽轮机发电热耗：6975kJ/kWh，相对锅炉效率94％和管路效率99％的发电煤耗为256g/kWh。

由上述数据与目前世界最高水平的发电煤耗268g/kWh对比可知，该汽轮机可使供电热耗和煤耗降幅度达到4.5％，汽轮机的效率得到了大幅提升。在京都议定书出台以来，出现了两个决定汽轮机性价比的关键因素，第一是煤价的大幅增加，以2005年每吨煤50～60美元与2010年我国秦皇岛标煤每吨950元相比，上涨幅度超过130％；第二，CO2排放费的实施。按目前的趋势，降低热耗的价值还将继续增加。对于实施例一所述的660MW容量汽轮机而言，按标煤每吨950元，按每吨CO₂排放费150元计算，当汽轮机设计年限为30年时，考虑贴现率和排放费的得益在8亿元左右。因此该汽轮机具有极高的性价比和市场前景。

以上对本发明实施例所提供的一种二次再热汽轮机进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡依本发明设计思想所做的任何改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种二次再热汽轮机，其特征在于，其包括：

一个超高压缸，所述超高压缸蒸汽入口压力为35～40MPa，温度为600℃～625℃；

一个再热高压缸，所述再热高压缸的再热蒸汽温度为610℃～635℃；

一个或两个再热中压缸，所述再热中压缸的再热蒸汽温度为610℃～635℃；

两个或三个低压缸，所述低压缸的蒸汽入口温度为300℃～360℃，压力为0.3MPa～0.5MPa；

所述超高压缸、再热高压缸、再热中压缸的转子、汽缸、阀门采用625℃等级铁素体材料。

2.根据权利要求1所述的二次再热汽轮机，其特征在于：所述超高压缸为双层缸，所述超高压缸中间级对应的内缸壁上及与转子平衡活塞相对应的内缸壁上设有漏汽孔。

3.根据权利要求1所述的二次再热汽轮机，其特征在于：所述超高压缸内的转子为小直径多级叶片转子。

4.根据权利要求1所述的二次再热汽轮机，其特征在于：所述再热中压缸的转子可采用单一的9％Cr材料制成；或将所述再热中压缸的转子分为进汽段和排汽段两部分，所述进汽段采用9％Cr材料，所述排汽段采用10％Cr或者12％Cr材料，所述进汽段与所述排汽段焊接。

5.根据权利要求1所述的二次再热汽轮机，其特征在于：所述二次再热汽轮机相邻两个汽缸之间均只设有一个轴承。

6.根据权利要求1所述的二次再热汽轮机，其特征在于：所述超高压缸、再热高压缸、再热中压缸、低压缸的蒸汽阀门均直接与相对应的缸体连接。

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