摘 要：超臨界技術(shù)是火電技術(shù)的發(fā)展方向，而超臨界汽輪機(jī)又是引進(jìn)超臨界技術(shù)的關(guān)鍵，在超臨界汽輪機(jī)單機(jī)容量、參數(shù)調(diào)節(jié)方式、軸系和旁路系統(tǒng)的選擇中應(yīng)遵循高效、經(jīng)濟(jì)的原則，而單軸、5缸6排汽或4缸4排汽，參數(shù)為25MPa/600℃/600℃或25MPa/600℃/620℃滑壓運(yùn)行、全周進(jìn)汽1000MW級(jí)超臨界汽輪機(jī)應(yīng)是較為科學(xué)合理的選擇。 
        關(guān)鍵詞：超臨界汽輪機(jī), 選型 ,參數(shù) ,軸系 

        通過(guò)技術(shù)進(jìn)步降低燃煤發(fā)電對(duì)環(huán)境的污染，是我國(guó)目前電力發(fā)展面臨的重要問(wèn)題。在諸多潔凈煤發(fā)電技術(shù)中，超臨界發(fā)電技術(shù)配之以高效煙氣凈化技術(shù)是最具有技術(shù)繼承性，最具有條件在短時(shí)期內(nèi)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，優(yōu)化火電結(jié)構(gòu)，是推進(jìn)燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展的重要技術(shù)方向。引進(jìn)和建設(shè)低煤耗、大容量的超臨界大型火電機(jī)組勢(shì)在必行，而超臨界火電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性與單機(jī)容量緊密相關(guān)，特別是超臨界汽輪機(jī)的型式、容量、參數(shù)、調(diào)節(jié)方式和旁路系統(tǒng)的選擇將直接影響技術(shù)引進(jìn)的成敗。根據(jù)超臨界機(jī)組的自身特點(diǎn)，科學(xué)合理地選擇超臨界汽輪機(jī)將對(duì)我們引進(jìn)吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)起到事半功倍的效果。 
        一、超臨界汽輪機(jī)單機(jī)容量的選擇 
        超臨界汽輪機(jī)單機(jī)容量的增大，不僅對(duì)降低單位千瓦的投資大有好處，而且可以節(jié)約一次能源的消耗。汽輪機(jī)進(jìn)汽量隨單機(jī)容量的增大而增大，并且使軸端泄漏損失所占比重減小，以及由于通流面積的增大，通流部分漏汽損失也相對(duì)減小。但是機(jī)組容量的增大，其相對(duì)應(yīng)的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)也應(yīng)隨之提高，所需的設(shè)備制造材料的等級(jí)也將提高，設(shè)備造價(jià)大幅度提高。另外，汽輪機(jī)進(jìn)汽初壓的提高對(duì)熱耗影響的大小與機(jī)組容量大小和初壓變化幅度有關(guān)，機(jī)組容量愈大，汽輪機(jī)最佳進(jìn)汽壓力也相應(yīng)增大。根據(jù)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)熱耗的影響和我國(guó)電網(wǎng)容量的大小，及我國(guó)現(xiàn)有超臨界機(jī)組容量的大?。ㄎ覈?guó)已投產(chǎn)600MW/800MW/900MM等多臺(tái)超臨界機(jī)組），并結(jié)合國(guó)際上的先進(jìn)技術(shù)，應(yīng)大規(guī)模引進(jìn)l000Mv級(jí)的超臨界機(jī)組，以促進(jìn)我國(guó)高效、環(huán)保的電源結(jié)構(gòu)的形成。 
        二、超臨界汽輪機(jī)參數(shù)的選擇 
        提高大型汽輪機(jī)機(jī)組效率，降低機(jī)組熱耗，通常用提高進(jìn)汽參數(shù)的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)，并取得了顯著成效。當(dāng)機(jī)組由亞臨界參數(shù)向超臨界參數(shù)轉(zhuǎn)變時(shí)，汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率的提高非常明顯。但當(dāng)進(jìn)汽參數(shù)在25MPa/600℃/600℃的基礎(chǔ)上再提高進(jìn)汽參數(shù)到30MPa/600℃/600℃時(shí)，相對(duì)內(nèi)效率的變化僅為0.5%，而為提高這一參數(shù)所消耗在金屬材料上的代價(jià)卻非常昂貴，得不償失。對(duì)于再熱蒸汽（中壓缸進(jìn)汽）參數(shù)的選擇應(yīng)特別對(duì)待，超臨界大型汽輪機(jī)由于再熱蒸汽的壓力也相應(yīng)提高，但其絕對(duì)值較小，一般為主蒸汽壓力的18％-23%。在選擇再熱蒸汽壓力與溫度時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇提高再熱蒸汽的溫度，因?yàn)樘岣邷囟缺忍岣邏毫Φ耐度胄。⑶以谶\(yùn)行中還可以降低給水泵的功耗，機(jī)組熱耗下降明顯（再熱蒸汽溫度每提高10℃，熱耗可下降約0.3%)。另外，提高再熱蒸汽溫度會(huì)降低低壓缸排汽濕度，改善汽輪機(jī)低壓缸末幾級(jí)長(zhǎng)葉片的工作環(huán)境，提高汽輪機(jī)低壓缸內(nèi)效率，延長(zhǎng)汽輪機(jī)低壓缸末幾級(jí)長(zhǎng)葉片的壽命。適當(dāng)提高再熱蒸汽溫度，還可以較充分地發(fā)揮超臨界技術(shù)降低機(jī)組熱耗的優(yōu)越性，所以選擇再熱蒸汽參數(shù)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇再熱蒸汽溫度較主蒸汽溫度稍高的參數(shù) 
        在一定范圍內(nèi)，汽輪機(jī)的新蒸汽溫度或再熱蒸汽溫度每提高100℃，機(jī)組熱耗一般下降0.25％-0.3%，若進(jìn)汽溫度及再熱溫度同時(shí)提高30℃，機(jī)組熱耗可下降1.5％-1.8%；而采用二次再熱可進(jìn)一步提高機(jī)組運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性（一般二次再熱比一次再熱可進(jìn)一步降低機(jī)組熱耗1.5% -2.0%)，但管道布置及控制、保護(hù)系統(tǒng)較復(fù)雜，機(jī)組造價(jià)增加。因此，只有工作在燃料價(jià)格特別昂貴地區(qū)的帶基本負(fù)荷大機(jī)組才考慮采用二次再熱。由此可見(jiàn)，畏次再熱短期內(nèi)不適應(yīng)我國(guó)國(guó)情，技術(shù)引進(jìn)時(shí)暫不考慮由于日本近年來(lái)在超臨界技術(shù)方面一直處于國(guó)際領(lǐng)先水平，為了獲取機(jī)組的最佳熱耗，可參照日本1997年以后投運(yùn)的700MM以上的大型火電機(jī)組的新蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度，選取既安全可行又處于國(guó)際領(lǐng)先水平的合理的蒸汽參數(shù)：25MPa/600℃/610℃或25MPa/600℃/600℃。 
        三、超臨界汽輪機(jī)軸系的選擇 
        1．超臨界汽輪機(jī)單軸與雙軸的選擇 
        超臨界汽輪機(jī)為減少軸系長(zhǎng)度，通常采用雙軸布置，現(xiàn)役機(jī)組既有單軸布置的亦有雙軸布置，無(wú)論單軸布置還是雙軸布置，都是為滿足排汽面積符合低壓排汽的需要，當(dāng)末級(jí)長(zhǎng)葉片的制造加工可以滿足需要且汽輪發(fā)電機(jī)組在同一直線布置，其軸系的穩(wěn)定性可以保證時(shí)，應(yīng)首選單軸機(jī)組。汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行實(shí)踐證明，相同容量的機(jī)組，單軸機(jī)組較雙軸機(jī)組具有更好的“經(jīng)濟(jì)型規(guī)模”，且易于布置、降低造價(jià)、節(jié)約材料、縮短建設(shè)工期。 
        2．超臨界汽輪機(jī)高、中壓通流部分的選擇
超臨界機(jī)組由于進(jìn)汽參數(shù)高，汽輪機(jī)的高、中壓汽缸及主蒸汽管道等金屬部件較為厚重，蒸汽參數(shù)的變化會(huì)引起高、中壓汽缸，主蒸汽管道，高、中壓轉(zhuǎn)子，噴嘴汽室等金屬部件有較大的交變熱應(yīng)力，而影響機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行能力及靈活性。為提高機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行能力及靈活性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上通常除采用多層汽缸結(jié)構(gòu)，以降低每層汽缸的內(nèi)外壓差、溫差，減少壁厚外，BBC公司采用兩半圓筒式無(wú)中分面法蘭的套嵌式內(nèi)缸，西門子公司采用過(guò)整體圓筒式無(wú)水平中分面軸向裝配式汽缸，這兩種結(jié)構(gòu)對(duì)降低汽缸熱應(yīng)力和熱變形是有利的，但檢修工藝復(fù)雜，另一種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)是采用盡可能窄的水平中分面法蘭。實(shí)踐證明：采用高窄水平中分面法蘭既能滿足機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行的需要，又便于安裝檢修 
        3．超臨界汽輪機(jī)低壓通流部分的選擇 
        現(xiàn)役的1000MM級(jí)超臨界單軸汽輪機(jī)基本上為5缸6排汽布置，并積累了豐富的成功經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)非常成熟。隨著冶金和機(jī)械加工技術(shù)的不斷發(fā)展，加工制造43英寸以上長(zhǎng)度的低壓末級(jí)長(zhǎng)葉片技術(shù)已十分成熟，因此設(shè)計(jì)制造4缸4排汽的1000MW級(jí)超臨界單軸汽輪機(jī)在技術(shù)和工藝上完全可行。設(shè)計(jì)制造4缸4排汽的汽輪發(fā)電機(jī)組，既可以縮短汽輪機(jī)軸系長(zhǎng)度，節(jié)約材料，又可以增加軸系的穩(wěn)定性，提高機(jī)組可靠性和經(jīng)濟(jì)性。另外，在選擇4缸4排汽的l000MM級(jí)超臨界單軸汽輪機(jī)時(shí)，應(yīng)盡量選用單軸瓦結(jié)構(gòu)，如果選用雙軸瓦，則軸系太長(zhǎng)，汽輪機(jī)軸系的穩(wěn)定性難以保證。 
        四、超臨界機(jī)組調(diào)節(jié)方式的選擇 
        超臨界機(jī)組進(jìn)汽參數(shù)高、進(jìn)汽密度大，特別是在低負(fù)荷時(shí)，若采用定壓噴嘴調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)級(jí)葉片負(fù)荷特別大，調(diào)節(jié)級(jí)葉片將產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，無(wú)論在葉片結(jié)構(gòu)上采取何種措施，調(diào)節(jié)級(jí)葉片應(yīng)力對(duì)機(jī)組的可靠性必定是一個(gè)潛在威脅。如果采用滑壓運(yùn)行、全周進(jìn)汽方式不僅能減少汽缸及轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力交變循環(huán)，而且有利于快速啟停和提高機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)性。在機(jī)組滑壓運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)進(jìn)汽容積流量不變，調(diào)節(jié)汽閥呈全開(kāi)狀態(tài)，噴嘴面積不變，此時(shí)汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力和鍋爐出口氣壓均隨電負(fù)荷的變化而變化，它是由機(jī)、爐、電統(tǒng)一的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于調(diào)節(jié)汽閥呈全開(kāi)狀態(tài)，無(wú)節(jié)流損失，部分負(fù)荷下汽輪機(jī)內(nèi)效率可基本保持與設(shè)計(jì)工況下一樣。在部分負(fù)荷下，鍋爐出口汽壓降低了，因此給水壓力也可相應(yīng)降低，這樣可以減少給水泵的功耗，以提高部分負(fù)荷下的熱經(jīng)濟(jì)性。由于在不同負(fù)荷時(shí)，高壓缸的壓比不變，而且負(fù)荷變化時(shí)，溫度的相對(duì)變化幅度小，因此，不僅能保持汽輪機(jī)在部分負(fù)荷下有較高的內(nèi)效率，而且由于溫度變化小，減少了汽輪機(jī)主要部件汽缸、轉(zhuǎn)子的熱應(yīng)力交變循環(huán)，有利于快速啟停和提高機(jī)組負(fù)荷適應(yīng)性。此外，采用滑壓運(yùn)行，鍋爐、管道、汽輪機(jī)有關(guān)部分在部分負(fù)荷時(shí)其工作壓力降低，也提高了這些部分主要零部件的工作壽命。總之，滑壓調(diào)節(jié)方式既可滿足機(jī)組調(diào)峰的需要，又可確保機(jī)組可靠性和經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)勢(shì)十分突出。 
        五、超臨界汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)的選擇 
        機(jī)組旁路系統(tǒng)作為機(jī)組的重要輔助系統(tǒng)，其配置的優(yōu)劣將直接影響機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。而旁路系統(tǒng)的形式多種多樣，大致可分為單機(jī)（整機(jī)）大旁路系統(tǒng)、兩級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)、三級(jí)旁路系統(tǒng)和三用閥旁路系統(tǒng)4種形式。 
        單機(jī)大旁路系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資省，便于操作，可滿足機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)過(guò)程中回收工質(zhì)并加快啟動(dòng)速度的要求，缺點(diǎn)是再熱系統(tǒng)的暖管升溫受到限制，對(duì)機(jī)組的熱啟動(dòng)不利；蒸汽未流經(jīng)再熱器系統(tǒng)，使鍋爐再熱系統(tǒng)的材質(zhì)、布置及再熱器區(qū)的煙氣溫度受到限制，對(duì)再熱器不能起到保護(hù)作用。在運(yùn)行中旁路系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活性不高，負(fù)荷適應(yīng)性較差，不能完全起到旁路系統(tǒng)應(yīng)有的作用。 
        兩級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)的特點(diǎn)是在機(jī)組啟動(dòng)和甩負(fù)荷時(shí)保護(hù)再熱器，防止其干燒損壞；能夠滿足機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)蒸汽溫度與汽缸金屬壁溫的匹配要求，縮短機(jī)組在各種工況下的啟動(dòng)時(shí)間，滿足機(jī)組帶中間負(fù)荷及調(diào)峰的需要。此系統(tǒng)的適應(yīng)性較強(qiáng)，是目前國(guó)內(nèi)大容量火電機(jī)組普遍采用的一種旁路形式。
三級(jí)旁路系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)行靈活，滿足機(jī)組的各種運(yùn)行工況兼有大旁路系統(tǒng)和兩級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，但啟動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，鋼材消耗量大，現(xiàn)在基本上已不再采用。 
        三用閥旁路系統(tǒng)的特點(diǎn)是高壓旁路閥兼有啟動(dòng)調(diào)節(jié)閥、減壓閥和安全閥的作用，故稱為三用閥系統(tǒng)，亦是由高、低壓旁路系統(tǒng)組成的兩級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)，但其容量配置較大，一般推薦采用100％容量的高壓旁路，60％-70％容量的低壓旁路，并設(shè)置帶有附加控制的再熱器安全閥。三用閥是可控的，能實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)跟蹤超壓保護(hù)，省去了鍋爐過(guò)熱器安全閥。通過(guò)調(diào)節(jié)控制汽壓以適應(yīng)機(jī)組不同工況的滑參數(shù)啟停和運(yùn)行，機(jī)組甩負(fù)荷后鍋爐不立即熄火，能帶廠用電運(yùn)行，事故排除后即可重新投人，既減少鍋爐啟停次數(shù)，又減輕了對(duì)汽輪機(jī)的熱沖擊，縮短恢復(fù)時(shí)間。三用閥的結(jié)構(gòu)尺寸小，便于布置和檢修。由于三用閥具有多種功能，對(duì)熱控和調(diào)節(jié)系統(tǒng)等方面的要求高，液壓控制難度大，功耗較高，全容量旁路系統(tǒng)的管道尺寸增加，其投資昂貴。 
        選擇旁路系統(tǒng)型式時(shí)應(yīng)考慮機(jī)組在電網(wǎng)中承擔(dān)的任務(wù)、運(yùn)行方式、事故處理方式和再熱器的位置布置等因素。 
        基本負(fù)荷機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，啟停次數(shù)少，一般可選用系統(tǒng)簡(jiǎn)單的旁路系統(tǒng)。
對(duì)于調(diào)峰機(jī)組，負(fù)荷變化幅度較大，啟停頻繁，尤其是兩班制運(yùn)行的機(jī)組，每天需要熱態(tài)啟動(dòng)，應(yīng)選用啟停損失小，便于調(diào)節(jié)的旁路系統(tǒng)，如兩級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)。對(duì)于電網(wǎng)要求在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，要求停機(jī)不停爐、汽輪機(jī)空轉(zhuǎn)或帶廠用電運(yùn)行，則應(yīng)選擇汽水能回收，又能保護(hù)鍋爐等各部分的旁路系統(tǒng)。
對(duì)于三用閥旁路系統(tǒng)，因其對(duì)熱控和調(diào)節(jié)系統(tǒng)等方面的要求高，控制難度大，全容量旁路系統(tǒng)的管道尺寸增加，其投資昂貴，并且這種設(shè)計(jì)違反國(guó)家勞動(dòng)部頒發(fā)的《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（勞動(dòng)部發(fā)[1996]276號(hào)），其設(shè)計(jì)雖然在內(nèi)蒙元寶山電廠和華能石洞口二廠（上海）應(yīng)用得非常成功，但是在1000MM級(jí)超臨界機(jī)組上應(yīng)盡量避免使用。 
        綜合各種旁路系統(tǒng)的特點(diǎn)，并考慮隨著大容量超臨界機(jī)組數(shù)量的日益增多和我國(guó)用電高峰的峰谷差不斷增大，超臨界機(jī)組勢(shì)必參與調(diào)峰，超臨界機(jī)組應(yīng)具有高的靈活性和安全性，l000MW級(jí)超臨界機(jī)組的旁路系統(tǒng)以配置兩級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)為宜。 
        六、結(jié)束語(yǔ) 
        根據(jù)國(guó)內(nèi)外成熟、先進(jìn)的超臨界汽輪機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)廠網(wǎng)分開(kāi)、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)的實(shí)際情況，選擇單軸、5缸6排汽或4缸4排汽；參數(shù)為25MPa/600℃/600℃或25MPa/600℃/620℃滑壓運(yùn)行、全周進(jìn)汽的1000MW級(jí)超臨界汽輪機(jī)，并根據(jù)主蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)合理選擇經(jīng)濟(jì)可靠的高、中壓通流部分的制造材料，配置兩級(jí)串聯(lián)旁路款充，在技術(shù)上完全可行，且有著廣闊的發(fā)展遠(yuǎn)景。

參考文獻(xiàn)
1.李祥苓.超臨界大型汽輪機(jī)低壓通流優(yōu)化研究．國(guó)際電力，2002，4
2.楊立洲．超臨界壓力火力發(fā)電技術(shù)上海：上海交通大學(xué)出版社，1990