0 概述

一次能源结构决定了我国在较长一段时期内，电力是以燃煤发电为主。燃煤在提供巨大动力的同时，也产生了大量污染物。因而，努力通过技术进步降低燃煤发电对环境的污染，是目前电力发展面临的重大课题。在诸多洁净煤发电技术中，超超临界发电技术配之以高效烟气净化技术是最具有继承性、最具有条件在短时间内实现规模化生产的重要技术方向，对优化火电结构，提高资源利用率具有重大的现实意义。积极引进和建设低煤耗、大容量的超临界大型火电机组势在必行，实际上已于近年全面展开。超临界发电技术的经济性与单机容量紧密相关，特别是超临界汽轮机的容量、型式、调节方式、参数和旁路系统的选择将直接关系到技术引进的成败。根据超临界机组的特点，科学合理地选择超临界汽轮机，将对我们引进消化国外先进技术起到事半功倍的效果。

1 超临界汽轮机单机容量的选择

超临界汽轮机单机容量的增大，不仅对降低单位千瓦的造价大有好处，而且可以相应提高机组的运行效率。汽轮机进汽量随单机容量的增大而增加，使轴端泄漏损失所占比重减小，以及由于通流面积的增大，通流部分漏汽损失也相对减小。但是机组容量的增大，其相对应的最佳设计参数也随之提高，其所需的设备制造材料的等级也随之提高，设备造价大幅提高。另外，汽轮机进汽初压的提高对热耗影响的大小与机组容量的大小和初压变化幅度有关，机组容量愈大，汽轮机最佳进汽压力也相应提高。根据汽轮机设计参数对热耗的影响和我国电网容量的大小，及我国现有超临界机组容量的大小（我国已投产600MW/800MW/900MW等多台超临界机组），并结合国际上的先进技术，应大规模建造1000MW级的超临界机组。

2 超临界汽轮机轴系的选择

2.1超临界汽轮机单轴与双轴的选择

超临界汽轮机为减少轴系长度，通常采用双轴布置。现役大机组既有单轴布置的也有双轴布置的。无论何种布置方式，都是为了满足排汽面积。当末级长叶片的制造加工可以满足需要，且汽轮发电机组在同一直线布置，其轴系的稳定性可以保证时，应首选单轴机组。汽轮发电机组的运行实践证明，相同容量的机组单轴机组较双轴机组具有更好的“经济型规模”，且易于布置、降低造价、节约材料、缩短建设工期。

2.2 超临界汽轮机高、中压通流的选择

超临界机组由于进汽参数高，汽轮机的高、中压汽缸、主蒸汽管道等金属部件较为厚重，蒸汽参数的变化会引起高、中压汽缸、转子、喷嘴室及主蒸汽管道等金属部件有较大的交变应力，而影响机组变负荷运行能力及灵活性。为此，在结构设计上通常措施除采用多层汽缸结构，以降低每层汽缸的内外压差、温差，减少壁厚外，BBC公司还采用两半圆筒式无中分面法兰的套嵌式内缸，西门子公司采用过整体圆筒式无水平中分面轴向装配式汽缸。这两种结构对降低汽缸热应力和热变形是有利的，但检修工艺复杂。另一种传统结构是采用尽可能窄的水平中分面法兰。实践证明：采用高窄水平中分面法兰既能满足机组变负荷运行的需要，又便于安装检修。

2.3超临界汽轮机低压通流的选择

现役的1000MW级超临界汽轮机基本上皆为5缸6排汽布置，技术已非常成熟。随着冶金和机械加工技术的发展，加工制造43英寸以上长度的低压末级叶片技术已经十分成熟，因此设计制造4缸4排汽的1000MW级超临界单轴汽轮机在技术和工艺上是完全可行的。设计制造4缸4排汽的汽轮发电机组，既可以缩短汽轮机轴系长度，节约材料，又可以增加轴系的稳定性，提高机组整体运行可靠性。另外，在选择4缸4排汽的1000MW级超临界单轴汽轮机时，应尽量选用单轴瓦结构，如果选用双轴瓦，则轴系太长，汽轮机轴系的稳定性难以保证。

3 超临界机组调节方式的选择

超临界机组进汽参数高、进汽密度大，特别是在低负荷时，若采用定压喷嘴调节，调节级叶片负荷特别大，会产生巨大的应力。无论在叶片结构上采取何种措施，调节级叶片应力对机组的运行安全都是一个潜在的威胁。如果采用滑压运行、全周进汽方式，不仅能减少汽缸及转子的热应力交变循环，而且有利于快速启停和提高机组负荷适应性。在机组滑压运行时，汽轮机进汽容积流量不变，调节汽阀呈全开状态，喷嘴面积不变，此时汽轮机进汽压力和锅炉出口汽压均随电负荷的变化而变化，它是由机、炉、电统一控制来实现的。由于调节汽阀呈全开状态，无节流损失，部分负荷下汽轮机内效率可基本保持与设计工况一样。在部分负荷下，锅炉出口汽压降低了，因此给水压力也可相应降低，这样可以减少给水泵的功耗，以提高部分负荷下的热经济性。由于在不同负荷时，高压缸的压比不变，而且负荷变化时，温度的相对变化幅度小，因此，不仅能保持汽轮机在部分负荷下有较高的内效率，而且由于温度变化小，减少了汽轮机重要部件汽缸、转子的热应力交变循环，有利于快速启停和提高机组负荷适应性。此外，采用滑压运行，锅炉、汽轮机、管道等有关部分在部分负荷时其工作压力降低，也提高了这些部分主要零部件的工作寿命。总之，滑压调节方式既可满足机组调峰的需要，又可确保机组的可靠性和经济性，优势十分突出。

4 超临界汽轮机参数的选择

大型汽轮机为了提高机组效率，降低机组热耗，通常用提高进汽参数的办法来实现，并已取得了显著成效。当机组由亚临界参数向超临界参数转变时，汽轮机相对内效率的提高非常明显。但当进汽参数在25.0MPa/600℃/600℃的基础上再提高进汽参数到30.0MPa/600℃/600℃时，相对内效率的变化仅为0.5%（见图1）。而为了提高这一参数所消耗在金属上的代价却非常昂贵，得不偿失。对于再热蒸汽（中压缸进汽）参数的选择应特别对待，对超临界大型汽轮机，由于再热蒸汽的压力也相应提高，但其绝对值较小，一般为主蒸汽压力的18-23%。在选择再热蒸汽压力与温度时，应优先选择提高再热蒸汽的温度，因为提高温度比提高压力的投入小，并且在运行中可以降低给水泵的功耗，机组热耗下降明显（再热蒸汽温度每提高10℃，热耗可下降约0.3%）。另外，提高再热蒸汽温度还可降低低压缸排汽湿度，改善汽轮机低压缸末几级长叶片的工作环境，延长末级叶片寿命。适当提高再热蒸汽温度，还可以较充分地发挥超临界技术降低机组热耗的优越性，所以选择再热蒸汽参数时应优先选择再热蒸汽温度较主蒸汽温度稍高的参数。

图1

在一定范围内，汽轮机的新蒸汽温度或再热蒸汽温度每提高10℃，机组热耗一般下降0.25-0.3%。若进汽温度及再热温度同时提高30℃，机组热耗可下降1.5-1.8%。而采用二次再热可进一步提高机组运行的热经济性（一般二次再热比一次再热可进一步降低机组热耗1.5-2%），但管道布置及控制、保护系统较复杂，机组造价增加，因此，只有在工作于燃料价格特别昂贵地区的带基本负荷的大机组才考虑采用二次再热。由此可见，二次再热短期内不适应国中国国情，技术引进时暂不考虑。由于日本近年来在超临界技术一直处于国际领先水平，为了获取机组的最佳热耗，可参照日本1997年以后投运的700MW以上的大型火电机组的新蒸汽温度和再热蒸汽温度(见表1)，选取既安全可行又处于国际领先地位的蒸汽参数25.0MPa/600℃/600℃。

表1> 日本1997年以后投运的700MW以上的大型火电机组一览表

电力公司

发电厂

额定出力（MW）

参数（MPa/℃）

投运日期

东北电力

原町1号

1000

24.5/566/593

1997.7

电源开发

松浦2号

1000

24.1/593/593

1997.7

中国电力

三隅1号

1000

24.5/600/600

1998.6

北陆电力

七尾大田2号

700

24.1/593/593

1998.7

东北电力

原町2号

1000

24.5/600/600

1998.7

四国电力

橘湾

700

24.1/593/593

2000.7

电源开发

橘湾火力1号

1050

25.0/600/610

2000.7

北陆电力

敦贺2号

700

24.1/593/593

2000.10

电源开发

橘湾火力2号

1050

25.0/600/610

2000.12

中部电力

碧南4号

1000

24.1/566/593

2001.11

北海道电力

苫东厚真4号

700

25.0/600/600

2002.6

中部电力

碧南5号

1000

24.1/566/593

2002.11

九州电力

苓北2号

700

24.1/593/593

2003.7

东京电力

常陆那珂1号

1000

24.5/600/600

2003.12

关西电力

舞鹤1号

900

24.5/595/595

2004.8

5 超临界汽轮机旁路的选择

机组旁路系统作为机组的重要辅助系统，其配置的优劣直接影响机组的安全性和经济性。而旁路系统的形式有多种，大致可分为单机（整机）大旁路系统、两级串联旁路系统、三级旁路系统和三用阀旁路系统4种形式。

单机大旁路系统简单，投资省，便于操作，可满足机组启动、停机过程中回收工质并加快启动速度的要求，缺点是再热系统的暖管升温受到限制，对机组的热启动不利。蒸汽未流经再热器系统，使锅炉再热系统的材质、布置及再热器区的烟气温度受到限制，对再热器不能起到保护作用。在运行中旁路系统调节灵活性不高，负荷适应性较差，不能完全起到旁路系统应有的作用。

两级串联旁路系统的特点是在机组启动和甩负荷时保护再热器，防止其干烧损坏。能够满足机组热态启动时蒸汽温度与汽缸金属壁温的匹配要求，缩短机组在各种工况下的启动时间，满足机组带中间负荷及调峰的需要。此系统的适应性强，是目前国内大容量机组普遍采用的一种旁路形式。

三级旁路系统适应性强，运行灵活，满足机组的各种运行工况兼有大旁路系统和两级串联旁路系统的优点，但系统复杂，钢材耗量大，现在基本上已不再采用。

三用阀旁路系统的特点是，高压旁路阀兼有启动调节阀、减压阀和安全阀的作用，故称为三用阀系统，亦是由高、低压旁路系统组成的两级串联旁路系统，但其容量配置较大，一般推荐采用100%容量的高压旁路，60-70%容量的低压旁路，并设置带有附加控制的再热器安全阀。三用阀是可控的，能实现快速自动跟踪超压保护，省去了锅炉过热器安全阀。通过调节控制汽压以适应机组不同工况的滑参数启停和运行，机组甩负荷后锅炉不立即熄火，能带厂用电运行，事故排除后即可重新投入，既减少锅炉启停次数，又减轻了对汽轮机的热冲击，缩短恢复时间。三用阀的结构尺寸小，便于布置和检修。因为三用阀具有多种功能，对热控和调节系统等方面的要求高，液压控制难度大，功耗较高，全容量旁路系统的管道尺寸增加，使其投资昂贵。

选择旁路系统型式时应考虑机组在电网中承担的任务、运行方式、事故处理方式和再热器的位置布置等因素。

基本负荷机组运行稳定，启停次数少，一般可选用系统简单的旁路系统。

对于调峰机组，负荷变化幅度较大，启停频繁，尤其是两班制运行的机组，每天需要热态启动，应选用启停损失小，便于调节的旁路系统，如两级串联旁路系统。对于电网要求在机组甩负荷时，要求停机不停炉、汽轮机空转或带厂用电运行，则应选择汽水能回收，又能保护锅炉等各部分的旁路系统。

对于三用阀旁路系统，因其对热控和调节系统等方面的要求高，控制难度大，全容量旁路系统的管道尺寸增加，其投资昂贵，并且这种设计违反国家有关规程规定，其设计虽然在元宝山电厂和石洞口二厂应用的非常成功，但在1000MW级超临界机组上应尽量避免使用。

综合各种旁路系统的特点，并考虑随着大容量超临界机组数量的日益增多和我国用电峰谷差的不断增大，超临界机组势必参与调峰。超临界机组应具有高的灵活性和安全性，1000MW级超临界机组的旁路系统以配置两级串联旁路系统为宜。

6 结束语

根据国内外成熟、先进的超临界汽轮机设计制造技术和运行管理经验，结合我国厂网分开、竞价上网的实际情况，选择单轴、5缸6排汽或4缸4排汽，参数为25.0MPa/600℃/600℃或25.0MPa/600℃/620℃滑压运行、全周进汽的1000MW级超临界汽轮机，并根据主蒸汽和再热蒸汽参数合理选择经济可靠的高、中压通流的制造材料，配置两级串联旁路系统，在技术上完全可行，且有着广阔的发展前景，必将有力促进我国重大电力设备建造和运行的进步。

参考文献：

  《超临界大型汽轮机低压通流优化研究》>   国际电力28—30>   2002年第6卷第4期

2.杨立洲>  《超临界压力火力发电技术》19—29>      上海交通大学出版社>       1990年5月

3.《超临界火电机组研究资料汇编》（内部资料）>       国电热工研究院2003/7