光热汽轮发电机组技术特点

钱 勇 倪 剑

(东方汽轮机有限公司，四川618000)

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50 MW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。

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，图1所示为这4种太阳能光热发电装置示意图，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]。

(a)塔式 (b)槽式 (c)菲涅尔式 (d)碟式图1 太阳能光热发电装置示意图Figure 1 Devices of solar power generation

表1 不同形式光热电站主要技术参数Table 1 Main technical parameters of various solarpower station

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15 min，热态启动20 min，温态启动30 min，冷态启动60 min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50～100 MW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

3.2.1.1 50 MW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，50 MW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3000 r/min。高压与低压之间设置变速箱，发电机中置，如图2所示。

图3 100MW光热汽轮发电机组示意图Figure 3 Sketch of 100 MW steam turbine generator by solar power

3.2.1.2 100 MW等级光热汽轮机

100 MW等级光热汽轮机蒸汽容积流量相比50 MW大幅增加，可以采用常规单轴一次再热，转速为3000 r/min，不用设置变速箱，采用发电机前置，如图3所示。

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12～14 MPa，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。50 MW光热汽轮机高、低压模块见图4、图5。

图4 50MW光热汽轮机高压模块Figure 4 High pressure module of 500 MW steam turbine generator by solar power

图5 50MW光热汽轮机低压模块Figure 5 Low pressure module of 500 MW steam turbine generator by solar power

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。