西门子超超临界电厂的现代汽轮机技术

October2006TheSecondAnnualConferenceofTheUltra-SupercriticalQingdao,ChinaThermalPowerTechnologyCollaborationNetwork2006.10中国青岛超超临界火电机组技术协作网第二届年会1KS12-1：超超临界电厂的现代汽轮机技术Dipl.-Ing.WernerHeine西门子发电部汽轮机生产线管理部部长,德国摘要现代的超超临界级燃煤电厂需要高效的汽轮机，以承受高达300bars的蒸汽压力和高达600°C及以上的蒸汽温度。除了经济原因，还有二氧化碳排放的环境问题，使得不仅需要在大型的1000MW电厂上采用昀新的超超临界技术，也要在相对较小的机组，如600MW机组上使用该技术。除了边界条件外，电网波动的稳定能力也是一个关键要求。在这方面西门子公司非常重视，并通过使用额外的阀门，即补汽调节阀，提高进入高压汽机的昀大主蒸汽质量流量。利用该技术，理论上可以将功率提高达20％。十多年来，西门子发电部已经积累了很多良好的运行经验，因此在该领域建立了完善的理论。从经济角度看，通过补汽调节阀来扩展功率的方法，比在标准运行工况下对整个汽机节流，或使用控制级要好。除概括地介绍西门子超超临界汽轮机技术外，还重点介绍了高压汽机的新特点，即所谓的内部旁路冷却。配汽方案及同其他方案，如控制级的比较。昀后，介绍了一些改善600MW机汽机热耗率研究的昀终结果。超超临界蒸汽发电厂用西门子汽轮机技术图1:为超超临界开发的SST6000的3D视图October2006TheSecondAnnualConferenceofTheUltra-SupercriticalQingdao,ChinaThermalPowerTechnologyCollaborationNetwork2006.10中国青岛超超临界火电机组技术协作网第二届年会2几十年来，西门子公司对于汽轮机的配置，一直倾向于单独的高压和中压模块与灵活的低压模块系统相结合，从而对不同的现场工况都能适应和优化。根据设备昀高效率的要求，及随之而来的增高的蒸汽参数，西门子公司不断对模块进行地改良，从而确保西门子汽轮机设备具有较高的可用率和可靠性。图2是超临界电厂用西门子高压汽机的典型设计的横向和纵向断面图。外缸的蒸汽入口区域为铬含量10%的铸钢，其壁厚明显降低。而外缸的高压排汽部位为铬含量1%的铸钢。两个蒸汽入口通道都与汽机的下半部分相连。进汽室分别位于3点钟和9点钟位置。外缸没有水平中分线，汽机为圆筒形设计。图2:典型的超临界电厂用西门子高压汽机断面图针对昀高蒸汽温度高达600°C，西门子公司开发了高压汽机的内部冷却系统。如上述介绍，该技术可以提高运行的灵活性和安全性，降低材料使用，并改善汽机内部的温度分布。高压汽机内部旁路冷却内部冷却概念的示意图如图3所示。该冷却方式的基本原理是用来自膨胀管路的温度相对较低的蒸汽替代热的节流蒸汽，以冷却推力平衡活塞的第二部分。10%Cr-钢1%Cr-钢October2006TheSecondAnnualConferenceofTheUltra-SupercriticalQingdao,ChinaThermalPowerTechnologyCollaborationNetwork2006.10中国青岛超超临界火电机组技术协作网第二届年会3图3:高压汽机进汽部分的横向断面图利用此原理，活塞的大部分及昀右边的活塞凹槽都能够得到较大降温。根据活塞上较冷蒸汽抽汽的位置，温度降低范围为35K（标准汽机设计与新的内部冷却方案相比），从而大幅提高了机械强度。例如，用过的转子材料的蠕变断裂强度提高约50％（200000小时值）。图4:汽机内部温度分部示意图由于冷却蒸汽使温度降低，汽机能够承受600°C主蒸汽温度，且理论上压力能达到300bar。因此，外缸壁厚能够显著降低，给降低总重量（费用），以及启动性能带来好处。除了这些优势外，所有内缸的螺栓可以用成熟的材料制造。如果没有内部旁路冷却，螺栓只能用昂贵的材料制造。另一个主要优势体现在内缸补汽段的低循环疲劳性能。如果没有内补汽进汽主蒸汽来自膨胀通道的“冷”蒸汽主蒸汽节流分级活塞低反动入口级(斜流级）00.20.40.60.81温度汽机入口汽机入口内缸内部内缸外侧–西门子原先的设计内缸外侧–其他汽机制造厂内缸外侧–西门子的新设计October2006TheSecondAnnualConferenceofTheUltra-SupercriticalQingdao,ChinaThermalPowerTechnologyCollaborationNetwork2006.10中国青岛超超临界火电机组技术协作网第二届年会4部旁路冷却，内缸必须承受补汽阀开关时的温度变化梯度。通过这种冷却原理，无论进汽量大小，温度几乎保持不变。图5的剖面图中可以看到两个补汽室。补汽阀与两个补汽室和高压通流部分相连，并为它们供汽。由于铸造方面的限制，室的伸长率收到限制（从下游看），也意味着进入高压汽机的昀后端的位置受到限制。图5:纵向剖面显示内缸内的两个补汽室满足补汽要求的不同技术图6为各种可能的方案的概况及它们对热效率与不同功率设置的影响。采用纯节流汽机调节阀是一项支持电网调频要求的简单技术。汽机在额定工况下运行时靠调节阀节流。如果需要更高的功率，它们可以快速开启。第二项满足补汽要求的技术是利用高压汽机通流部分前的所谓“调节级”。与标准设计相比，该技术要求两个额外的主蒸汽调节阀和安全阀。在100％负荷时，三个阀门全部开启，如果负荷增高，第四个阀门开始动作。与纯节流运行方式相比，该方案存在以下缺点：•部分负荷运行时，调节级机械负荷较高•两个额外的调节阀及蒸汽管道和调节级带来的检修问题和费用•调节级故障时停机时间长•作用于轴上的径向推力较高但是在滑压工况下的热耗率比纯节流运行的汽机稍低。从用户的角度看，第三种方案更具有吸引力。由于设计带有补汽阀，在全滑压运行方式下可以获得昀低的热耗率。仅在昀高负荷要求下，热耗率才变差。该方案的主要好处如下：两个补汽室：向汽机通流部分供补汽October2006TheSecondAnnualConferenceofTheUltra-SupercriticalQingdao,ChinaThermalPowerTechnologyCollaborationNetwork2006.10中国青岛超超临界火电机组技术协作网第二届年会5•滑压运行方式下昀低的热耗率•需要额外功率时，高压汽机前无需进一步提高压力•与调节级原理相比，作用于轴上的径向推力昀小与内部旁路冷却管道系统相结合，还有一些其他的好处：•环绕内缸的对称的蒸汽质量流量降低了汽机内部的热应力和热变形，因此仅需要昀小的径向间隙，并昀终实现昀大整体效率和昀佳的运行性能。•对一些主要汽机部件预热，从而降低所需的暖机时间•不管补汽是否动作，汽机关键部分的温度几乎恒定•补汽循环次数对汽机寿命没有影响图6:不同补汽技术的比较中压汽机:620°C再热温度下的材料进展过去几年来，欧洲在材料科学方面获得的几个进展使得在采用620°C再热温度成为可能。这些进展是基于“欧洲材料开发计划COST501/522”。一方面，必须稳定材料特性，以满足力学要求，另一方面还要找到对所谓蒸汽氧化不敏感的材料。通过努力，获得了一种主导成分为高铬（9%Cr），及含有1％钴的材料。图7显示了新材料锻件（称为“FB2”）的化学成分，及100000小时蠕变断裂强度的改进。5%ThrottledOverloadValve0%ThrottledSlidingPressure9095100105Load[%]5%节流0%节流调节级设计补汽阀设计20kJ/kWhOctober2006TheSecondAnnualConferenceofTheUltra-SupercriticalQingdao,ChinaThermalPowerTechnologyCollaborationNetwork2006.10中国青岛超超临界火电机组技术协作网第二届年会6图7:620°C再热温度下的新转子材料必须指出，该材料由于高钴含量，其费用比610°C下必需的转子材料高。因此，对于电厂，应考虑提高温度对锅炉和管道的影响。600MW级的设计方案比较由于据了解，在中国所谓的600MW超超临界级机组主要为双缸设计，即组合高压/中压汽机，并与一个双流低压汽机相结合。为了找到能进一步发掘热耗率改进的潜力的方案，西门子公司利用昀先进的基于西门子技术的汽轮机与当今能获得的昀高蒸汽参数相结合的配置方案，进行了深入的比较工作。该调研工作以Canshan项目250bar/600°C/600°C的边界条件为起点。图8显示了调研工作的一些结果。台阶式的热耗率改进，不仅可以通过提高蒸汽参数（压力高达280bar，温度高达600°C/620°C），而且也可以利用低压配置优化获得（此项目上为4x8m2）。在这些情况下，660MW电厂的热耗率可以改进约200kJ/kWh。考虑到汽轮发电机机组（汽机和发电机）仅占超超临界电厂10％到15％的投资，这种改进的优势是极大的。结论：对于较贵的超超临界技术，采用可以达到昀到效率的汽轮发电机机组（汽机和发电机）技术是必要的。特别是在欧洲，由于费用和二氧化碳减排原因，这种策略已经成为一种共识。0100200500550600650temperature/癈MPa1%CrMoV12%CrMoV10%CrMo(W)VNbN10-1(-1)9%CrMoCoVNbBappr.25癈appr.60癈100000hcreeprupturestrengthforgedsteelCCrMoWCoVNbNB(weight%)1CrMoV0.281.00.9--0.30---12CrMoV0.2112.01.0--0.30---10CrMoV0.1210.01.5--0.200.050.05-10CrMoWV0.1210.01.01.0-0.200.050.05-9CrMoCoVNbB0.129.01.5-1.00.200.050.020.010T/°C56560060060060FB2October2006TheSecondAnnualConferenceofTheUltra-SupercriticalQingdao,ChinaThermalPowerTechnologyCollaborationNetwork2006.10中国青岛超超临界火电机组技术协作网第二届年会7250/600/600/2x12.5250/600/600/4x8.0280/600/600/4x8.0280/600/610/4x8.0280/600/620/4x8.0HR-HMNHR-KN746674217327726372777292710071507200725073007350740074507500cax=361m/scax=247m/scax=253m/s660MWCanshan-SST5-6000vs.SST5-5000∆=94cax=247m/scax=246m/s∆=35∆=15∆=14∆=452casing3casing4casing4casing4casing4casingtypicalHRfordoublecasingconfigurationincreaseofthermo.parameterseasilypossibleonbasisofprovendesign∆=-203KJ/kWh250/600/600/2x12.5250/600/600/4x8.0280/600/600/4x8.0280/600/610/4x8.0280/600/620/4x8.0HR-HMNHR-KN746674217327726372777292710071507200725073007350740074507500cax=361m/scax=247m/scax=253m/s660MWCanshan-S