余热发电用低参数大功率汽轮机设计分析

张晗，吴梦，时小宝，张宏

（中信重工机械股份有限公司，河南洛阳 471039）

0 引言

在水泥、钢铁、玻璃等行业生产过程中，会产生大量无法回收利用的废气余热。随着国家节能减排形势的日益紧迫，余热合理高效利用已成为必然的发展方向。

量大面广的低温烟气余热，产生的主蒸汽温度及压力虽然参数低，但蒸汽量较大，现有的低参数汽轮机普遍功率偏小，相当多的余热发电项目常常需配套多台汽轮发电机组，这不仅增加项目建设成本，也使余热发电系统的设计、操作及维护更加复杂。采用大功率的机组既可以提高机组效率、缩短建设周期、降低单位功率造价，还能增大单机功率、减少电站的占地面积及运行和检修人员，进而降低运行费用。因此，需要开发合适的低参数大功率汽轮机。

1 余热发电蒸汽参数及流量特点

余热发电用蒸汽主要来自余热锅炉，余热锅炉的热源为工业生产过程中的大量低品质烟气余热，其品位一般较低，以水泥行业为例，即使最先进的干法工艺仍有约占系统能耗35%的350℃低温余热被白白排放，单条5 000 t/d水泥熟料生产线烟气余热情况，窑头：240 000 Nm3/h，340℃；窑尾：340 000 Nm3/h，350℃；窑头、窑尾余热锅炉所产生主蒸汽流量约为45 t/h，压力0.686～1.7 MPa，温度280～320℃。随着国家水泥行业熟料线大型化，单条水泥线生产规模越来越大，万吨级熟料生产线开始建设并投入使用，10 000 t/d 水泥熟料生产线烟气余热情况，窑头：540 000 Nm3/h，380℃；窑尾：686 000 Nm3/h，310℃；为了最大限度利用余热，窑头、窑尾余热双压锅炉所产生高压蒸汽流量约为89 t/h，压力1.7 MPa，温度345℃；低压蒸汽流量约为29 t/h，压力0.35 MPa，温度190℃。而且同一场地多条水泥熟料线建在一起同时运行，厂区内可利用的余热蒸汽量更加巨大。随着钢铁行业淘汰落后产能，小面积烧结机逐步更新改造为大面积烧结机，单个烧结矿余热利用的蒸汽参数较低、但蒸汽量也较大。余热锅炉所产生的蒸汽为饱和或低过热度蒸汽，压力和温度较低、湿度较大。与一般的电站蒸汽相比较，同样质量的余热蒸汽在汽轮机通流中焓降值仅为电站蒸汽的50%，所以相同功率的汽轮机组，余热发电的蒸汽流量约为电站蒸汽的2 倍。

2 余热发电低参数大功率汽轮机技术特点

与同功率的中温中压等高参数机组相比，低参数汽轮机主蒸汽进汽参数较低，相对内效率也比较低，主蒸汽的汽耗量、比容和体积等都会大得多，并且通流部分的绝大多数级处于湿蒸汽区。因此，为提高低参数大功率汽轮机运行的安全可靠性和经济性，其设计、结构有较多不同于常规汽轮机的特点。

2.1 通流面积大

由于压力、温度都较低，单位功率所需的余热发电蒸汽质量流量约为一般电站蒸汽的2 倍。蒸汽的压力比较低，相同质量蒸汽容积更大。针对蒸汽容积流量大的特点，在设计汽轮机的每一级时，无论是高压叶片还是汽轮机的末级叶片，在长度上较一般机组叶片更长。这样就使汽轮机的通流面积合计较大，汽轮机的外形尺寸与一般电站汽轮机相比较大，汽轮机排汽面积会比同功率机组的排气面积增加约50%。而且由于蒸汽的可用焓降小，不需要很多级来分配焓降，汽轮机的级数会较少。

为了解决低参数大功率汽轮机组通流尺寸过大的问题，主要有如下思路：

1）进汽口设置在低压缸中部，采用对称分流式排汽。不仅能够减少机组尺寸，还能很好地平衡汽轮机转子轴系的轴向推力。

2）通过增加排汽缸的数量也可以达到增加通流面积的目的。我们也需要考虑到在增加排汽缸的同时，也会增加机组轴向长度，对轴系稳定性不利，前轮机组轴系过长，设计维护不方便，而且不能保证机组的安全可靠运行。

3）开发长叶片，满足排汽所需要的更大的通流。通过采用最佳速比、反动度和三元流计算方法，使径向和轴向的流体分布更加合理，利用拉筋和围带或者类似的耦合件来增加刚性降低动应力，拉筋与叶片之间、围带与围带之间存在摩擦，可以吸收叶片振动的能量。同时为使拉筋在离心力作用下与所有的叶片紧密贴合，以得到良好的减振效果。

4）降低转子转速，汽轮机设计为半转速。开发长度更大的末级叶片，受到很多因素限制，主要包括叶片所选材料的应力和强度。相比3 000 r/min 的全转速，1 500 r/min的半转速汽轮机转速为全转速汽轮机1/2，根据离心力的计算公式可知，一样长度的叶片工作时，半转速汽轮机的叶顶线速度为全转速叶片的1/2，所受离心力是全转速汽轮机的1/4。叶片材料一样，其强度及所能承受的应力相同，半转速汽轮机叶片的长度可以提高约4 倍。在保证叶片使用安全的前提下，半转速汽轮机的通流面积设计可以比全转速汽轮机更大，单级功率约能增加4 倍。而且排汽面积越大余速越低，余速损失越小，可以提高汽轮机组的热效率。因此采用半转速汽轮机能提高单级的极限功率，有利于降低叶片的设计难度。另外，转速的降低，可以减小湿蒸汽对叶片的侵蚀。但是我们也需要考虑，一样功率的汽轮机，半转速汽轮机的体积会较大，整个机组重量会比全转速汽轮机大很多，材料消耗量大约是全转速汽轮机的2 倍。而且尺寸和重量差别较大的低压模块在加工制造、运输安装等方面都存在较大困难［1］。

2.2 机组效率低

低参数汽轮机由于蒸汽可用焓降小，机组排汽损失等所占比例大，使汽轮机组的效率很低。提高汽轮机的单级效率，合理分配汽轮机各级焓降，使汽轮机的通流设计具有较好的气动特性等，都是解决汽轮机组效率低的可行方向。针对这一问题，可以从以下方面着手，提高汽轮机组效率。

1）减少叶顶漏汽损失。漏汽损失是导致汽轮机效率降低的重要因素，控制减小动静部件之间的间隙能非常显著地减小漏汽损失。研究数据显示在所有透平级的损失中，漏汽损失的比例可以达到1/3，其中绝大部分损失为动叶顶部与汽缸上汽封之间的漏汽损失。为了减小动叶顶部的漏气，我们需要开发设计新型高效的汽封结构，如双齿汽封、阶梯型或高—低齿型汽封、可调式新型迷宫汽封、刷子汽封等。已有使用了刷式汽封的机组显示，该汽封能够有效减小漏汽量，可使机组出力提高约1%［2］。

2）优化汽缸排汽口结构设计。汽缸排汽口指的是汽轮机末级叶片出口到冷凝器进口的蒸汽通道，其主要功能是通过设置在排汽口的扩压器，利用汽轮机末级叶片出口具有一定余速的蒸汽的动能，转化为蒸汽的内能，根据各地的气象条件、冷却水温及考虑到凝汽器的投资，一般凝汽器的真空度是确定的。如果末级叶片出口处蒸汽压力降低，蒸汽的可用焓降就能增大，机组的热效率就能得到提高。在较大功率机组中，汽轮机低末级叶片出口的蒸汽余速损失可占蒸汽总焓降的约1.5%，通过采用最新的计算机流体力学进行数值模拟计算，优化排汽口结构的气动特性，充分有效地减少和利用末级叶片出口蒸汽的余速损失，能提高机组热效率约1%。所以说，优化设计汽缸排汽口结构的气动性能是提高汽轮机效率有效措施之一。

3）全三维叶片优化设计。叶片是汽轮机通流部分中的关键部件，其叶型设计是影响气动性能好坏的主要因素。气动性能越好的叶片，汽轮机机组的效率越高。在叶型设计中，以计算气动力学为主，完全三维设计的概念开始应用，其突出代表是弯扭联合成型叶片的设计，与传统叶片设计相比较，其涡流损失、二次流损失均有大幅度降低，可使汽轮机效率提高约1.5%甚至更多［3］。通流部分的叶片的全三维设计，使动、静叶片匹配更加合理，调节级子午面收缩、高压段采用分流叶栅、静叶片采用后加载叶型、部分级采用弯扭叶片、采用自带冠围带及通流进行子午面光顺等设计，可使机组的效率进一步提高。

2.3 叶片水蚀严重

低参数汽轮机的进口蒸汽参数低，一般处于饱和状态或者低过热状态，在机组运行的很多部位，甚至会存在一些微小的水滴。尤其是在汽轮机低压模块的最后几级叶片，如果机组设计没有对蒸汽进行中间再热，低压模块的蒸汽湿度有可能高达15%。低压缸的末级叶片，工作环境恶劣，蒸汽含水滴多，叶片圆周速度高，叶片水蚀现象十分严重，绝大多数汽轮机水蚀造成叶片断裂事故都是发生在低压缸末级。

为解决汽轮机末级叶片的水蚀问题，一方面，可以通过研究在汽轮机通流中产生水滴的过程及原因，考虑设计改进动静叶型线，避免产生水滴，或者避免产生较大体积水滴；也可以特殊设计隔板结构，增加去湿设计，降低进入低压模块蒸汽的湿度，缓解末级叶片水蚀。另外一方面，使用现在汽轮机设计中广泛使用的方法，采用防护措施，从叶片的材料及表面处理等方面着手，采取更好的材料、更先进的技术对叶片表面进行处理，增强叶片的抗水蚀性，从而达到减缓末级叶片水蚀速度的目的。

1）隔板静叶片表面设计去湿槽。所谓去湿槽，就是在静叶片表面上加工连续的、特定形状的、深度一定的凹槽，同时在隔板外环上面加工一圈对应的沟槽，凹槽末端与此沟槽连接，隔板外环沟槽上开有疏水孔，同过连接疏水孔的疏水管将水滴排出，从而起到通流中蒸汽去湿的作用。在低参数机组通流中，蒸汽中的细小水滴会在惯性力的作用下堆积在静叶片表面，在蒸汽流动过程中形成水膜。在静叶进汽弧背面和出汽弧内侧加工去湿槽，破坏静叶片表面的水膜形成，并通过隔板外环上的疏水孔将水滴排出通流部分，避免了蒸汽中水滴对动叶片的冲击腐蚀［4］。

2）动叶表面处理防止水蚀。汽轮机末级动叶上水蚀发生的主要原因就是汽流中水滴与高速旋转动叶的液滴冲蚀。目前各大汽轮机厂普遍采用的方法均是通过采取一定的保护措施对叶片表面的进行处理，加强叶片的耐冲蚀性能，减缓动叶水蚀现象。对动叶表面的处理可以分为两种，一种是添加一层耐冲蚀性能较好的材料层在叶片的表面，如通过镶嵌、喷涂、激光熔覆等手段在动叶片进汽冲蚀部位形成一层合金保护层；还有一种方法是不增加新的材料，而是利用叶片金属材料的特性，通过物理方法对叶片表面进行处理强化，如火焰淬火强化、高频感应加热淬火、激光表面淬火等［5］。动叶水蚀主要是从材料表面的微小缺陷开始的，随着材料科学的发展进步，纳米材料粒度细小，承受表面应力能力强，纳米涂层如CNx/TN 涂层在动叶防水蚀上的研究已经开始进行。

3 结语

除了在钢铁、水泥、石油化工、玻璃等行业中产生的大量无法回收利用的低温余热，还有更大数量的可以利用的低温热能，如地热能、低温太阳能、海洋温差能、液化天然气（LNG）冷能等清洁型热能资源，通过低温热能热力发电系统的转换可以为人类提供数量可观的电能。这些低温热能数量巨大，低参数小功率的汽轮机已经不能满足需要，因此，低参数大功率汽轮机的研究对利用这些余热以及清洁型能源，推进余热发电的进程、提高资源和能源的利用效率、维持资源的可持续发展具有很大意义。

［1］崔宏博，王小宁，等.全、半转速核电汽轮机的比较［J］.东方电气评论，2006，34（3）：9-13.

［2］张鸿雁.新型汽封在汽轮机上的实际应用［J］.中国新技术新产品，2009（14）：140.

［3］陈波，高学林，袁新.基于NURBS 的叶片全三维气动优化设计［J］.工程热物理学报，2006，27（5）：763-765.

［4］俞茂铮.汽轮机末级隔板中的水分沉积规律及去湿方法［J］.汽轮机技术，1988（5）：44-50.

［5］刘中华，宋思远，徐志明，等.汽轮机末级叶片防水蚀技术研究发展［J］.东方电气评论，2010，24（93）：11-14.