超超临界蒸汽发电厂用西门子汽轮机技术

vvvvvv · 发表于 2007-4-22 09:43:00

October 2006 The Second Annual Conference of The Ultra-Supercritical Qingdao, China Thermal Power Technology Collaboration Network 2006.10 中国青岛 超超临界火电机组技术协作网第二届年会 1 KS12-1： 超超临界电厂的现代汽轮机技术 Dipl.-Ing. Werner Heine 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300 bars 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1000 MW 电厂上采用最新的超超临界技术，也要在相对较小的机组，如600 MW 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最大主蒸 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。最后，介绍了一些改善600MW 机汽机热耗 率研究的最终结果。 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SST 6000 的3D 视图 October 2006 The Second Annual Conference of The Ultra-Supercritical Qingdao, China Thermal Power Technology Collaboration Network 2006.10 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。根据设备最高效率的要求， 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 针对最高蒸汽温度高达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 October 2006 The Second Annual Conference of The Ultra-Supercritical Qingdao, China Thermal Power Technology Collaboration Network 2006.10 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，活塞的大部分及最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） 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 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 October 2006 The Second Annual Conference of The Ultra-Supercritical Qingdao, China Thermal Power Technology Collaboration Network 2006.10 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最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 下可以获得最低的热耗率。仅在最高负荷要求下，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 October 2006 The Second Annual Conference of The Ultra-Supercritical Qingdao, China Thermal Power Technology Collaboration Network 2006.10 中国青岛 超超临界火电机组技术协作网第二届年会 5 • 滑压运行方式下最低的热耗率 • 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最小 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，因此仅需要最 小的径向间隙，并最终实现最大整体效率和最佳的运行性能。 • 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% Throttled Overload Valve 0% Throttled Sliding Pressure 90 95 100 105 Load [%] 5% 节流 0% 节流 调节级设计 补汽阀设计 20 kJ/kWh October 2006 The Second Annual Conference of The Ultra-Supercritical Qingdao, China Thermal Power Technology Collaboration Network 2006.10 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。 600 MW 级的设计方案比较 由于据了解，在中国所谓的600 MW 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， 西门子公司利用最先进的基于西门子技术的汽轮机与当今能获得的最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250 bar /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280 bar，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4x8 m2）。 在这些情况下， 660 MW 电厂的热耗率可以改进约200 kJ/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，采用可以达到最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。 0 100 200 500 550 600 650 temperature / 癈 MPa 1%CrMoV 12%CrMoV 10%CrMo(W)VNbN10-1(-1) 9%CrMoCoVNbB appr. 25癈 appr. 60癈 100 000h creep rupture strength forged steel C Cr Mo W Co V Nb N B (weight%) 1CrMoV 0.28 1.0 0.9 - - 0.30 - - - 12CrMoV 0.21 12.0 1.0 - - 0.30 - - - 10CrMoV 0.12 10.0 1.5 - - 0.20 0.05 0.05 - 10CrMoWV 0.12 10.0 1.0 1.0 - 0.20 0.05 0.05 - 9CrMoCoVNbB 0.12 9.0 1.5 - 1.0 0.20 0.05 0.02 0.010 T/° C 565 600 600 600 >60 FB2 October 2006 The Second Annual Conference of The Ultra-Supercritical Qingdao, China Thermal Power Technology Collaboration Network 2006.10 中国青岛 超超临界火电机组技术协作网第二届年会 7 250/600/600/2x12.5 250/600/600/4x8.0 280/600/600/4x8.0 280/600/610/4x8.0 280/600/620/4x8.0 HR- HMN HR - KN 7466 7421 7327 7263 7277 7292 7100 7150 7200 7250 7300 7350 7400 7450 7500 cax= 361m/s cax= 247m/s cax= 253m/s 660 MW Canshan - SST5-6000 vs. SST5-5000 Δ=94 cax= 247m/s cax= 246m/s Δ=35 Δ=15 Δ=14 Δ=45 2 casing 3 casing 4 casing 4 casing 4 casing 4 casing typical HR for double casing configuration increase of thermo. parameters easily possible on basis of proven design Δ = -203 KJ /kWh 图 8: 600 MW 级机组的热耗率改进潜力 Werner Heine, Mülheim / Ruhr 2006 年10 月 October 2006 The Second Annual Conference of The Ultra-Supercritical Qingdao, China Thermal Power Technology Collaboration Network 2006.10 中国青岛 超超临界火电机组技术协作网第二届年会 8 KS12-2: 上海汽轮机有限公司的超超临界汽轮机 彭泽瑛 （上海汽轮机有限公司设计研究所） 1 前言 上海汽轮机有限公司（STC）是中国第一家汽轮机制造厂，成立于1953 年。自1955 年 生产了中国第一台6MW 汽轮机以来，先后自主设计制造了6MW 至300MW 系列汽轮机。 1995 年于美国西屋公司合资成立了中国第一家最大的汽轮机合资公司，1999 年西屋股权转 让给西门子公司，目前中方占68%，西门子为32%。 STC 是中国产量最大的汽轮机制造厂，2002 年的蒸汽轮机产量已达到世界第一位；2004 年产量12000MW；2005 年为22000MW；2006 年预计达到创记录的36000MW。 目前大于600MW 容量汽轮机的产量为中国第一位，到2006 年总计119 台，其中超临界 68 台，超超临界1000MW 机组14 台；STC 也是世界上生产大于600MW 汽轮机最大的制造 厂，根据McoCoy 统计报告，全世界1991 年-2001 年十年世界总计生产99 台，总容量 69866MW；而STC 在2000 年后至2006 年大于600MW 的市场总量达到131 台，84000MW。 为了节约能源消耗，环保及减少排放，中国电力工业以高效洁净燃煤发电为主要发展方 向。燃煤电厂必须将通过优化设计提高效率放在首位。采用： 􀂄 降低背压 􀂄 提高汽轮机进汽参数 􀂄 降低厂用电和热力循环的优化 􀂄 提高汽轮机的内效率 􀂄 烟气的余热利用 等措施使电厂的热效率比亚临界提高7.7%。 从2003 年起STC 在下列4 个方面推进了高效洁净燃煤发电技术的发展。 （1）采用效率最高的先进技术和机型，引进西门子的“HMN”模块组成的超超临界 汽轮机。 （2）提高汽轮机的进汽参数，发展超超临界 （3）发展超超临界热电联供汽轮机 （4）发展高效的超超临界空冷汽轮机 1.1 采用效率最高的西门子“HMN”汽轮机 STC 引进了合资伙伴西门子公司的具有独特结构的“HMN”汽轮机，其圆筒型高压缸的 设计压力可达30MPa，最大出力为1200MW。机组具有非常高的效率和高可靠性，便于安 装、维护、长的大修间隔。 􀂄 STC 于2003 年11 月与西门子公司签定了“HMN”模块的超超临界1000MW汽轮机 的技术转让合同。 􀂄 2003 年11 月STC 承接了中国第一个超超临界电厂4X1000MW 项目，目前2 台机 组已制造完毕，首台机组将于10 月启动。 􀂄 目前STC 正在执行14 台超超临界1000MW 的合同。最高参数为 27MPa/600℃/600℃；机组的最大出力为1100MW。 October 2006 The Second Annual Conference of The Ultra-Supercritical Qingdao, China Thermal Power Technology Collaboration Network 2006.10 中国青岛 超超临界火电机组技术协作网第二届年会 9 2 STC 引进西门子设计制造技术 通过技术转让协议STC 将得到ISOGO-600MW-25MPa/600℃/610℃ 以及玉环 1000MW-26.25MPa/600℃/600℃的全套产品制造图纸、相应的制造工艺、采购规范、设计手 册、安装、维护、质量文件，以及进行用户定单设计的计算机程序。STC 将具备产品定单 的设计能力： 􀂄 按不同用户要求的功率、背压、热力系统状况、参数等计算热平衡 􀂄 进行通流部分叶片的设计，包括热力及强度计算 􀂄 汽轮机轴系特性计算 􀂄 辅助系统设计 3 “HMN”机型是热效率最高的机型 通过从汽轮机进口到排汽，各段的结构对比表明，西门子的“HMN”机型是效率最高的 机型。 􀂄 该机型创高中压缸效率最高的世界记录，高压94.2%,中压96.1% 􀂄 外高桥II 的性能试验热耗比保证值低100kJ/kWh。 􀂄 机组具有最优异的性能：大修间隔12 年；5 分钟冲转到3000r/min； 􀂄 高中压缸整体发运 􀂄 轴向尺寸短8～10 米 主要提高效率的结构和技术有： 􀂾 圆筒型高压缸能承受比其他机型25MPa，更高的压力。26.25MPa～28MPa 将降低 热耗14～33kJ/kWh。 􀂾 中压进口的涡流冷却使转子温度降低约15℃，减少蠕变和热应力损伤，提高了寿 命。中压进口温度可为620℃，热耗下降约30 kJ/kWh。 􀂾 根据我国机组余量大的特点，采用过载阀技术使全周进汽条件下，保持全周进汽 可靠性高的前提下，提高了THA 工况的进汽压力，提高了运行效率。 􀂾 全三维的叶片提高效率2%，变反动度技术使缸效率再提高1% 4 “HMN”的高中压分缸明显优于合缸 “HMN”的分缸形式经济性明显优于其他的合缸机型。合缸受轴向尺寸以及中压叶片强 度的限制，转子直径大，级数少，中压排汽压力高，其热耗至少差46 kJ/kWh。 分缸采取N+1 的轴承配置，虽然汽缸数增加一个，但总体尺寸个总重量均小于合缸。 分缸的设计最大容量可达1200MW 及30MPa，远高于合缸的660MW 及25MPa。 4.1 不断提高蒸汽参数，提高效率 “HMN”模块产品的压力不断提高，由26.25MPa，提高到27MPa，目前正在准备 28MPa/600℃/610℃的四排汽660MW 方案。其热耗将比其他机型低150～200kJ/kWh。 4.2 开发热电联供的1000MW 超超临界机组 高效洁净燃煤发电的主要措施之一是采用热电联供汽轮机。通过工业抽汽和采暖抽汽 降低发电热耗和减少排放。 德国黑泵电厂“HMN”模块1997/1998 年两台工业抽汽+供暖抽汽，最大抽汽量达到 800t/h，调整抽汽压力为0.45MPa；在低压缸有两级非调整的采暖抽汽。 October 2006 The Second Annual Conference of The Ultra-Supercritical Qingdao, China Thermal Power Technology Collaboration Network 2006.10 中国青岛 超超临界火电机组技术协作网第二届年会 10 STC 于2006 年承接了天津北疆2X1000MW 超超临界具有工业抽汽的机组，在中压排 汽有600t/h 的抽汽，在低压缸的#6 抽汽100t/h，为海水淡化提供抽汽。最高发电效率可超 过55%以上。 4.3 开发超超临界1000MW 空冷机组 为缺水地区开发空冷汽轮机，满足西电东送的要求。西门子低压模块“N”同时适用于空 冷和湿冷机组。 􀂄 外缸与凝汽器刚性连接，坐落在基础上。 􀂄 内缸和转子直接支撑在轴承座上 􀂄 内外缸采用膨胀节，使内外缸自主移动。 这种结构使转子个汽缸不受空冷高背压，变化频繁的影响。 西门子“HMN”模块有大量空冷机组的应用业绩。适用于1000MW 的长叶片有5 ㎡和 6.3 ㎡两种。最新的“HMN”空冷机组2007 年将在澳大利亚Kogan Creen 电厂投运。 空冷机组因背压高，在节水的条件下，效率将下降，更有必要采取高效率的超超临界 机组提高效率，STC 将向市场推荐效率最高、有运行业绩的西门子“HMN”机型。 5 总结 􀂾 STC-西门子“HMN”模块的机型具有高效率、高可靠性和高可用率 􀂾 提高蒸汽参数到30MPa/600℃/620℃将有利于提高效率 􀂾 STC 开发模块设计的超超临界1000MW 抽汽机组 􀂾 空冷超超临界1000MW 机组采用有运行业绩的模块

xinerbaby · 发表于 2007-4-29 13:10:05

看看,应该不错吧

patron · 发表于 2007-6-24 01:03:00

以下内容需要积分达到1000000才可以浏览？！俺猴年马月才能看？

victorsun · 发表于 2007-9-24 16:18:45

u r a shit

lzgaaa · 发表于 2008-2-2 22:00:39

不会吧，1000000分才能看啊？

追风无痕 · 发表于 2008-2-3 09:51:10

扯淡吧！！！

gao99 · 发表于 2008-3-8 14:54:23

故弄玄虚

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超超临界蒸汽发电厂用西门子汽轮机技术

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