(1.中电哈密太阳能热发电有限公司哈密839000)
摘要：介绍塔式光热发电项目汽轮机的选型和相关的优化措施。
关键词：塔式光热汽轮机；选型；优化
引言
介绍塔式光热项目汽轮机选型重点和优化思路。
一、汽轮机选型和优化
太阳能光热发电项目的特点是初始投资高、运行费用低，因此机组运行的效率成为决定投资回报率的关键因素之一。在太阳能光热发电项目上主要从汽轮机系统和汽轮机本体进行了优化设计：
1循环系统优化
1.1再热循环
以水蒸汽为介质的朗肯循环，提高蒸汽的初参数是提高热力循环效率的有效途径。在提高蒸汽压力的同时采用再热循环，可以提高机组的平均吸热温度，同时降低排汽湿度，机组的循环效率将显著提高。
本工程选择的太阳能光热发电汽轮机采用与目前投运的超高压单缸再热汽轮机同样的超高压再热技术。提高进汽参数，机组循环效率提高，考虑太阳能光热发电汽轮机特点和整个系统的成本。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：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相对较低，而中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，因此对于本项目中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中压缸多“出力”，从而达到循环效率的提高，但分缸压力的提高导致中压缸进汽过热度的低下，当中压缸进汽压力的升高，导致中压缸进汽的过热度降低，从而导致中压缸排汽湿度的增加造成末级叶片发生水蚀现象，因此存在最佳再热压力选择。
1.2回热循环
从汽机的不同中间级后抽出部分蒸汽，逐级加热给水，使其最终达到合适的给水温度进入蒸汽发生器，从而减少排汽量，降低排汽余速损失，降低凝汽损失，使热耗明显下降。
影响给水回热循环热经济性的三个给水回热参数分别是最佳给水温度、加热器的焓升分配和回热级数，三者互有影响，密不可分。因此回热系统优化的主要内容有：给水温度、加热器级数、各级加热器间的温升分配，此外还包括加热器的压损与端差。
1.2.1给水温度选择
提高最终给水温度，可以提高工质在蒸汽发生器内吸热过程的平均温度，从而提高机组的热效率。但是由于给水加热温度提高，回热抽汽量增加，对于相同的发电量来说，需要增加进入汽轮机中的新蒸汽量。
1.3汽轮机本体优化
针对本项目，主要从降低汽轮机的各项损失入手，进一步提高了机组的经济性。
1.3.1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。
采用单缸结构的优点是制造成本低、结构紧凑、占地面积小。这种单缸单轴机组受轴系跨距限制，通流部分轴向长度有限，导致通流级数偏少，每级焓降偏高，速比偏小，速比偏离了最佳速比，机组效率未达到最优。虽然可以通过提高机组转速来使机组圆周速度增加，从而提高速比，使速比趋近最佳速比。
针对本项目，从两方面出发解决上述问题：
a增加整个机组通流级数，保证最佳速比。
通过增加机组级数，合理的分配焓降，使机组速比设计在最佳速比点附近。由于级数增多，同时受轴承跨距限制，故采用双缸、双轴结构，机组分高压缸和低压缸。
b双缸采用双转速方案，提高高压缸效率，保证低压缸安全和可靠性。
由于本项目蒸汽的特点是参数高（特别是压力）而流量相对较小，导致机组的高压段的容积流量小，因此为了提高机组高中压通流的效率，本项目高压缸转速采用高转速。叶片的节圆直径降低，叶片部分进汽度消失，叶片的长度加长，从而减少了叶片的叶型损失等，故高压缸的通流效率得到了提高。
低压缸采用常规低转速主要是考虑到低压部分容积流量相对较大，叶片相对较长，叶型损失较小，效率影响不大。同时由于本项目运行背压低（空冷），为了保证效率，降低余速损失，末级叶片较长；若采用高转速，叶片离心力大。
由于双转速方案的应用带来了轴系不同转速的匹配问题，在高转速轴端增设减速齿轮箱，将高转速减速到低转速，从而实现转速匹配。
1.3.2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。
对全周进汽的结构形式，机组无调节级，第一级叶片与其他级一样，其进汽压力及焓降均与流量成正比。机组的运行模式为‘定-滑压’的单阀控制模式，只能通过节流或滑压降低进汽压力的方式调节汽轮机的进汽量及功率。这种设计的高压第一级叶片不存在部分进汽引起的冲击载荷，叶片应力与机组负荷同步变化，使该级叶片在任何工况均处在温度虽然高，但应力水平却较低的安全状态，彻底解决了高压第一级叶片的强度问题。
对喷嘴分组的非全周进汽形式，机组有调节级，可通过改变部分进汽度的大小影响机组的流量和级的进汽压力、焓降。最为经济的运行模式为‘最小部分进汽度下的滑压运行’。对这种结构，第一级（调节级）叶片在低负荷、最小部分进汽时应力远大于额定负荷工况，加上部分进汽的冲击载荷等因素，使该级叶片的动强度设计成为整个机组安全性的关键环节之一。
对于光热汽轮机来说，由于其安全性和经济性要求较高、汽源参数长期波动以及长期处于较低负荷运行，而且太阳能汽轮机需要具有能够在低负荷安全运行的特点，高压端叶片级的工作条件比较苛刻，喷嘴调节级的结构形式显示出明显的不足。
因此在本项目上采用节流配汽，利于滑参数运行，在运行过程中阀门均在全开位置，节流损失小，提高机组效率；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。
1.3.3漏汽损失汽轮机作为一种高速旋转机械，动静必然存在间隙，漏汽在所难免，漏汽一般包括：轴端漏汽、级间漏汽、阀杆漏汽等，要提高机组的经济性，就必须降低机组的漏汽。
1.3.3.1平衡孔设计
平衡孔结构是冲动汽轮机的特有设计，合理设计平衡孔的结构，可以起到改善动叶叶根处流动、改善下游叶片来流条件的作用，从而减小泄漏流动与主流的掺混损失，降低泄漏流动对主流的扰动，有利于提高透平的汽动效率，在学术界称为边界层抽吸技术。在本项目中，低压缸的平衡孔在设计上主要考虑边界层抽所需求的面积，缩小了平衡孔的大小，减少了平衡孔漏汽量。
1.3.3.2阀杆漏汽
本项目的运行方式为滑参数运行，因此在运行状态下，阀门出于全开状态，因此在阀门设计上，通过优化结构是阀门在全开的状态下，阀杆与阀门密封套处于自密封结构，保证在运行下，适当减小阀杆与密封件之间的间隙，减小机组在启机时漏汽量。
1.3.3.3汽封系统设计
所有先进的汽封结构的基础是迷宫式汽封，迷宫式汽封遵循芬诺曲线，漏汽量的大小取决于齿数、漏气面积、前后压差等参数。通过研究，我们发现：叶顶汽封间隙对级效率影响大于隔板汽封，可达1.0～2.5%，间隙增大0.1，级效率增加0.25%。确保齿与轴不发生碰磨前提下，实际安装间隙控制在目标值内可提高经济性。
二、结论：
最终国内某50MW塔式光热项目汽轮机最终采用采用的50MW超高压、双缸、一次中间再热、双转速、八级回热、直接空冷、轴排、凝汽式汽轮机。
机组的总体型式为高转速高压缸及常规转速中低压缸，轴向排汽，发电机位于高压缸与中低压缸之间，采用齿轮箱保证转速的一致。
三、参考文献：
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[3]袁建丽，林汝谋，金红光，等．太阳能热发电系统与分类(1)
[4]吴智泉．太阳能光热发电汽轮机及主要技术特点[D]．
[作者简介：关文韬，中电哈密太阳能热发电有限公司汽机主管，主要从事汽轮机专业技术管理工作。]