光热汽轮发电机组技术特点

　　摘要:介绍了东方光热汽轮发电机组技术特点，以及为了满足光热发电系统特殊要求而采取的技术措施。

　　关键词:太阳能光热发电,清洁能源,汽轮机

　　太阳能光热发电是一种高品质新能源电力生产产业，具有稳定可调、绿色环保等优点，是需求和应用潜力巨大的可再生能源应用技术。目前国际光热发电已进入多区域发展的持续增长时期，西班牙、美国光热电站装机容量占世界总装机容量90%以上[1]，印度、沙特、泰国、南非等国家均有50MW及以上光热电站投运。随着技术进步、产业发展、成本下降和环保压力，我国光热电站项目迅猛发展。

　　国家能源局发布通知明确20个项目入选中国首批光热发电示范项目名单，标志着我国光热发电示范和推广进入实质性实施阶段。汽轮发电机组占光热发电系统总投资比重约为4%[2-3]，但其热功转化效率对整个系统光电转换效率影响显著[4]，其循环效率、可靠性、启停速度、稳定负荷范围等特性对整个系统运行具有重要影响，因此对光热汽轮发电机组技术特点进行研究具有重要现实意义。收稿日期:2018—02—08作者简介:钱勇(1985—)，男，硕士，工程师，从事汽轮机设计。

　　1太阳能光热发电技术

　　根据聚热方式的不同，太阳能光热发电技术主要分为塔式、槽式、线性菲涅尔式和碟式4种，它们的发电方式虽然各有差异，但都可以分为太阳能集热系统、传输系统、储热/热交换系统和发电系统4个基本系统。目前最成熟的技术为槽式电站，占已建和在建光热电站的90%以上。

　　随着技术的发展，塔式与菲涅尔式电站所占比重逐渐增加。中国首批光热发电示范项目名单包括9个塔式电站，7个槽式电站和4个菲涅尔电站。塔式、槽式和菲涅尔电站热电转化设备均采用汽轮发电机组，塔式、槽式、碟式光热电站主要技术参数见表1[5]。

　　2光热汽轮机特殊要求

　　太阳能光热汽轮机由最初的工业汽轮机演变而来，随着光热发电技术进步而发展。目前光热电站汽轮机国外供应商以西门子、GE、MAN公司为主，国内供应商主要为东汽、上汽、哈汽三大动力厂，其中东汽已有供货业绩。

　　2.1光热发电系统对汽轮机特殊要求

　　由于太阳能热发电收集和利用太阳热能随外界条件变化大的特点，存在较多的低负荷运行工况，以及快速启动和拉升负荷的运行特点，汽轮机能适应以下的要求:(1)快速启动能力:目前启动时间一般要求极热态启动15min，热态启动20min，温态启动30min，冷态启动60min内完成启动，远远高于常规火电机组启动时间要求。(2)频繁启停能力:在25年的寿命周期内，基本上每天都需要启停。(3)负荷变化适应性强:要求机组在15%～100%范围内稳定运行。(4)高效稳定:汽轮机循环效率对整个系统光电转化效率影响显著，要求光热汽轮机效率高，稳定性好。

　　2.2建造安装对汽轮机特殊要求

　　国内光热电站基本都建设在新疆、青海、西藏、甘肃、内蒙等光照条件好，风沙较大，水资源缺乏的戈壁、荒漠地区，厂房建设成本相对较高，且运输条件受限制，这些现实条件对国内光热汽轮机提出以下特殊要求:(1)因为缺少水资源，国内光热机组大多采用直接空冷，且西北、西藏等地区昼夜温差大，机组背压变化较大。(2)厂房建设成本相对较高，要求机组尽量采用低位单层布置，尽量降低厂房高度，减少厂房成本，汽轮机采用轴向排汽结构。(3)建设、安装周期紧张，要求机组结构紧凑，现场安装工作量小，尽量做到整体发货，机组可靠性高，维护简单。

　　3光热汽轮机技术特点

　　针对太阳能光热发电系统及建造安装对光热汽轮机的特殊要求，从光热汽轮机热力系统、本体结构、运行方式等方面进行分析50～100MW等级光热汽轮机技术特点。

　　3.1热力系统

　　3.1.1采用循环形式

　　热力系统采用再热循环形式，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。选择最佳再热压力，将高压缸分缸压力尽量提高，从而选择让效率最好的中低压缸多作功，同时中低压缸进汽过热度不能太低，防止排汽湿度的增加造成末级叶片发生水蚀现象。

　　3.1.2选择最佳给水温度

　　提高最终给水温度，可以提高工质在热交换器内吸热过程的平均温度，从而提高机组的热效率。对于采用熔盐为导热介质的系统，换热后熔盐出口温度约为290℃，给水温度过高就需要增加熔盐量、管道及储热罐成本，给水温度的选择需要综合考虑汽轮机效率与整个储/换热系统、导热介质投资成本的最佳匹配范围。

　　3.1.3优化回热抽汽级数

　　增加机组的回热级数可以明显增加机组整体的循环效率，同时也会增加机组成本和运行维护费用，增加设备的投资。对于光热电站而言，汽轮机占总体投资比例较常规火电机组低，其循环效率对整个电站效率影响显著，经过综合对比分析后，选择8级回热抽汽。为了充分利用低压第一段回热抽汽的过热度，增加外置式蒸汽冷却器，低压缸第一级回热抽汽引到蒸汽冷却器来加热给水，然后再回到相应的回热加热器，利用该段蒸汽的过热度来提高最终给水温度，以提高整体循环效率。

　　3.2本体结构

　　3.2.1机组布置

　　3.2.1.150MW等级光热汽轮机

　　为避免叶片过早进入湿蒸汽区影响安全，同时提高循环效率，50MW等级光热汽轮机采用高低压分缸一次再热技术，高压部分参数高，主蒸汽容积流量偏小，设计成反动式高转速，保证各级速比处于0.48～0.52，提高轮周效率。低压部分采用冲动式，转速为3000r/min。高压与低压之间设置变速箱。

　　3.2.1.2100MW等级光热汽轮机

　　100MW等级光热汽轮机蒸汽容积流量相比50MW大幅增加，可以采用常规单轴一次再热，转速为3000r/min，不用设置变速箱，采用发电机前置。

　　3.2.2结构设计

　　阀门采用低型损型线，阀杆与阀杆套筒之间设计锥形密封面，机组50%～100%负荷下采用全滑压运行，阀门全开，阀杆零泄漏，提高机组效率。阀门支架采用浮动支撑，能吸收阀与基础的胀差。为了减少进汽损失，机组采用水平切向进汽，进汽腔室设计成变截面，减小进汽压损。

　　采用熔盐为导热介质的光热发电系统，蒸汽初参数可以达到压力12～14MPa，温度530℃～560℃，高压模块采用双层缸，高压外缸采用中分法兰结构;高压内缸采用筒形缸套环结构，内外缸热应力小。低压缸为单层缸结构，汽缸绝对压差小，一次应力非常低;外壁绝热，内外温差小，二次应力(热应力)极小;无传统隔板套定位大肩胛，减少结构漏气损失;采用窄高法兰，加热快。

　　通过合理的结构设计，汽缸设置了预暖系统，满足机组快速启停，快速升降负荷。采用一次再热技术后，低压转子根据进汽参数可以采用焊接转子或分段热处理转子，进汽高温段高温性能优良，低温部分强度高、脆性转变温度低，通过焊接、热处理工艺满足低压转子的各项要求，利于机组的快速启停。为了降低厂房建设成本，降低排汽损失，光热汽轮机大多采用轴向排汽结构，可以提高机组效率0.25%～0.50%[6]。低压后轴承布置在排汽缸内，设计为不用开缸就能完成轴承检修。

　　3.2.3模块化

　　光热电站建设、安装周期紧张，要求机组结构紧凑，现场安装工作量小，机组可靠性高，维护简单。为满足运输及现场安装需要，光热汽轮机采用模块化设计，尽量做到整体发货。

　　3.3运行方式

　　机组采用滑参数运行，在低负荷运行时机组的进汽参数降低，机组容积流量相对增大，在低负荷时能满足运行要求，机组缸效率变化不大;高压缸配高排通风阀与空冷岛连接，在小容积流量下，保护高压末级叶片不发生鼓风损失;低压缸配压力限制及温度保护，根据低负荷运行原则，保护末级叶片安全;启动和低负荷时，按高排温度，自动调整高压调阀和再热调阀开度，配合旁路，分配高压缸、低压缸的进汽流量，保护机组安全可靠。

　　4结论

　　太阳能光热发电作为一种可再生清洁能源，利用方式迎来重大发展机遇，是未来解决资源与环境问题的重要途径之一。汽轮发电机组作为光热发电系统主要设备，其循环效率、可靠性、运行灵活性等特性对整个光热电站影响显著，太阳能光热发电技术将朝着高参数、大容量等方面发展，对汽轮发电机组设计、制造提出更高要求。国内光热汽轮机还处于起步阶段，随着光热示范电站的投运，不断积累经验，发展创新技术，为推进能源供应转型贡献力量。

　　参考文献

　　[1]时璟丽.我国光热发电发展面临的机遇和挑战[J].太阳能，2016(11):5-9.

　　[2]袁炜东.国内外太阳能光热发电发展现状及前景[J].电力与能源，2015，36(4):487-490.

　　[3]郭丽萍.塔式、槽式太阳能光热发电技术方案分析[J].学术交流，(7):44-46.

　　[4]李月亲.兆瓦级槽式太阳能汽轮机通流部分的优化设计，2014.

　　[5]袁建华，张云.太阳能光热发电的发展现状与前景[C]//上海市电机工程学会、上海市电工技术学会学术年会.2011.

　　[6]吴智泉.太阳能光热发电汽轮机及主要技术特点[J].汽轮机技术，2016，58(6):401-404.

　　电力方向期刊推荐：《电力与能源》 (原《能源技术》双月刊) 1980年创刊。本刊系上海科学院主管，上海市能源研究所和上海市工程热物理学会联合主办的技术类综合性能源杂志。杂志积极宣传国家能源政策，报道国内外能源技术领域内的最新发展动向，新的研究成果和新技术、新工艺、新设备、新产品以及工业生产实践中的节能和环保经验和探索，特别是配合政府的能源政策和重大举措，报道相关的热点技术，满足广大能源工作者的需要。