摘要:介紹了東方光熱汽輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)特點(diǎn)，以及為了滿足光熱發(fā)電系統(tǒng)特殊要求而采取的技術(shù)措施。

　　關(guān)鍵詞:太陽(yáng)能光熱發(fā)電,清潔能源,汽輪機(jī)

　　太陽(yáng)能光熱發(fā)電是一種高品質(zhì)新能源電力生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)，具有穩(wěn)定可調(diào)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是需求和應(yīng)用潛力巨大的可再生能源應(yīng)用技術(shù)。目前國(guó)際光熱發(fā)電已進(jìn)入多區(qū)域發(fā)展的持續(xù)增長(zhǎng)時(shí)期，西班牙、美國(guó)光熱電站裝機(jī)容量占世界總裝機(jī)容量90%以上[1]，印度、沙特、泰國(guó)、南非等國(guó)家均有50MW及以上光熱電站投運(yùn)。隨著技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、成本下降和環(huán)保壓力，我國(guó)光熱電站項(xiàng)目迅猛發(fā)展。

　　國(guó)家能源局發(fā)布通知明確20個(gè)項(xiàng)目入選中國(guó)首批光熱發(fā)電示范項(xiàng)目名單，標(biāo)志著我國(guó)光熱發(fā)電示范和推廣進(jìn)入實(shí)質(zhì)性實(shí)施階段。汽輪發(fā)電機(jī)組占光熱發(fā)電系統(tǒng)總投資比重約為4%[2-3]，但其熱功轉(zhuǎn)化效率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率影響顯著[4]，其循環(huán)效率、可靠性、啟停速度、穩(wěn)定負(fù)荷范圍等特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行具有重要影響，因此對(duì)光熱汽輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。收稿日期:2018—02—08作者簡(jiǎn)介:錢勇(1985—)，男，碩士，工程師，從事汽輪機(jī)設(shè)計(jì)。

　　1太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)

　　根據(jù)聚熱方式的不同，太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)主要分為塔式、槽式、線性菲涅爾式和碟式4種，它們的發(fā)電方式雖然各有差異，但都可以分為太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、儲(chǔ)熱/熱交換系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)4個(gè)基本系統(tǒng)。目前最成熟的技術(shù)為槽式電站，占已建和在建光熱電站的90%以上。

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，塔式與菲涅爾式電站所占比重逐漸增加。中國(guó)首批光熱發(fā)電示范項(xiàng)目名單包括9個(gè)塔式電站，7個(gè)槽式電站和4個(gè)菲涅爾電站。塔式、槽式和菲涅爾電站熱電轉(zhuǎn)化設(shè)備均采用汽輪發(fā)電機(jī)組，塔式、槽式、碟式光熱電站主要技術(shù)參數(shù)見表1[5]。

　　2光熱汽輪機(jī)特殊要求

　　太陽(yáng)能光熱汽輪機(jī)由最初的工業(yè)汽輪機(jī)演變而來(lái)，隨著光熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展。目前光熱電站汽輪機(jī)國(guó)外供應(yīng)商以西門子、GE、MAN公司為主，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商主要為東汽、上汽、哈汽三大動(dòng)力廠，其中東汽已有供貨業(yè)績(jī)。

　　2.1光熱發(fā)電系統(tǒng)對(duì)汽輪機(jī)特殊要求

　　由于太陽(yáng)能熱發(fā)電收集和利用太陽(yáng)熱能隨外界條件變化大的特點(diǎn)，存在較多的低負(fù)荷運(yùn)行工況，以及快速啟動(dòng)和拉升負(fù)荷的運(yùn)行特點(diǎn)，汽輪機(jī)能適應(yīng)以下的要求:(1)快速啟動(dòng)能力:目前啟動(dòng)時(shí)間一般要求極熱態(tài)啟動(dòng)15min，熱態(tài)啟動(dòng)20min，溫態(tài)啟動(dòng)30min，冷態(tài)啟動(dòng)60min內(nèi)完成啟動(dòng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)火電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間要求。(2)頻繁啟停能力:在25年的壽命周期內(nèi)，基本上每天都需要啟停。(3)負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng):要求機(jī)組在15%～100%范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。(4)高效穩(wěn)定:汽輪機(jī)循環(huán)效率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)化效率影響顯著，要求光熱汽輪機(jī)效率高，穩(wěn)定性好。

　　2.2建造安裝對(duì)汽輪機(jī)特殊要求

　　國(guó)內(nèi)光熱電站基本都建設(shè)在新疆、青海、西藏、甘肅、內(nèi)蒙等光照條件好，風(fēng)沙較大，水資源缺乏的戈壁、荒漠地區(qū)，廠房建設(shè)成本相對(duì)較高，且運(yùn)輸條件受限制，這些現(xiàn)實(shí)條件對(duì)國(guó)內(nèi)光熱汽輪機(jī)提出以下特殊要求:(1)因?yàn)槿鄙偎�資源，國(guó)內(nèi)光熱機(jī)組大多采用直接空冷，且西北、西藏等地區(qū)晝夜溫差大，機(jī)組背壓變化較大。(2)廠房建設(shè)成本相對(duì)較高，要求機(jī)組盡量采用低位單層布置，盡量降低廠房高度，減少?gòu)S房成本，汽輪機(jī)采用軸向排汽結(jié)構(gòu)。(3)建設(shè)、安裝周期緊張，要求機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量小，盡量做到整體發(fā)貨，機(jī)組可靠性高，維護(hù)簡(jiǎn)單。

　　3光熱汽輪機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

　　針對(duì)太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)及建造安裝對(duì)光熱汽輪機(jī)的特殊要求，從光熱汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)、本體結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式等方面進(jìn)行分析50～100MW等級(jí)光熱汽輪機(jī)技術(shù)特點(diǎn)。

　　3.1熱力系統(tǒng)

　　3.1.1采用循環(huán)形式

　　熱力系統(tǒng)采用再熱循環(huán)形式，以水蒸汽為介質(zhì)的朗肯循環(huán)，提高蒸汽的初參數(shù)是提高熱力循環(huán)效率的有效途徑。在提高蒸汽壓力的同時(shí)采用再熱循環(huán)，可以提高機(jī)組的平均吸熱溫度，同時(shí)降低排汽濕度，機(jī)組的循環(huán)效率將顯著提高。選擇最佳再熱壓力，將高壓缸分缸壓力盡量提高，從而選擇讓效率最好的中低壓缸多作功，同時(shí)中低壓缸進(jìn)汽過熱度不能太低，防止排汽濕度的增加造成末級(jí)葉片發(fā)生水蝕現(xiàn)象。

　　3.1.2選擇最佳給水溫度

　　提高最終給水溫度，可以提高工質(zhì)在熱交換器內(nèi)吸熱過程的平均溫度，從而提高機(jī)組的熱效率。對(duì)于采用熔鹽為導(dǎo)熱介質(zhì)的系統(tǒng)，換熱后熔鹽出口溫度約為290℃，給水溫度過高就需要增加熔鹽量、管道及儲(chǔ)熱罐成本，給水溫度的選擇需要綜合考慮汽輪機(jī)效率與整個(gè)儲(chǔ)/換熱系統(tǒng)、導(dǎo)熱介質(zhì)投資成本的最佳匹配范圍。

　　3.1.3優(yōu)化回?zé)岢槠��?jí)數(shù)

　　增加機(jī)組的回?zé)峒?jí)數(shù)可以明顯增加機(jī)組整體的循環(huán)效率，同時(shí)也會(huì)增加機(jī)組成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，增加設(shè)備的投資。對(duì)于光熱電站而言，汽輪機(jī)占總體投資比例較常規(guī)火電機(jī)組低，其循環(huán)效率對(duì)整個(gè)電站效率影響顯著，經(jīng)過綜合對(duì)比分析后，選擇8級(jí)回?zé)岢槠�。為了充分利用低壓第一段回�(zé)岢槠�的過熱度，增加外置式蒸汽冷卻器，低壓缸第一級(jí)回?zé)岢槠�引到蒸汽冷卻器來(lái)加熱給水，然后再回到相應(yīng)的回?zé)峒訜崞鳎�利用該段蒸汽的過熱度來(lái)提高最終給水溫度，以提高整體循環(huán)效率。

　　3.2本體結(jié)構(gòu)

　　3.2.1機(jī)組布置

　　3.2.1.150MW等級(jí)光熱汽輪機(jī)

　　為避免葉片過早進(jìn)入濕蒸汽區(qū)影響安全，同時(shí)提高循環(huán)效率，50MW等級(jí)光熱汽輪機(jī)采用高低壓分缸一次再熱技術(shù)，高壓部分參數(shù)高，主蒸汽容積流量偏小，設(shè)計(jì)成反動(dòng)式高轉(zhuǎn)速，保證各級(jí)速比處于0.48～0.52，提高輪周效率。低壓部分采用沖動(dòng)式，轉(zhuǎn)速為3000r/min。高壓與低壓之間設(shè)置變速箱。

　　3.2.1.2100MW等級(jí)光熱汽輪機(jī)

　　100MW等級(jí)光熱汽輪機(jī)蒸汽容積流量相比50MW大幅增加，可以采用常規(guī)單軸一次再熱，轉(zhuǎn)速為3000r/min，不用設(shè)置變速箱，采用發(fā)電機(jī)前置。

　　3.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　閥門采用低型損型線，閥桿與閥桿套筒之間設(shè)計(jì)錐形密封面，機(jī)組50%～100%負(fù)荷下采用全滑壓運(yùn)行，閥門全開，閥桿零泄漏，提高機(jī)組效率。閥門支架采用浮動(dòng)支撐，能吸收閥與基礎(chǔ)的脹差。為了減少進(jìn)汽損失，機(jī)組采用水平切向進(jìn)汽，進(jìn)汽腔室設(shè)計(jì)成變截面，減小進(jìn)汽壓損。

　　采用熔鹽為導(dǎo)熱介質(zhì)的光熱發(fā)電系統(tǒng)，蒸汽初參數(shù)可以達(dá)到壓力12～14MPa，溫度530℃～560℃，高壓模塊采用雙層缸，高壓外缸采用中分法蘭結(jié)構(gòu);高壓內(nèi)缸采用筒形缸套環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)外缸熱應(yīng)力小。低壓缸為單層缸結(jié)構(gòu)，汽缸絕對(duì)壓差小，一次應(yīng)力非常低;外壁絕熱，內(nèi)外溫差小，二次應(yīng)力(熱應(yīng)力)極小;無(wú)傳統(tǒng)隔板套定位大肩胛，減少結(jié)構(gòu)漏氣損失;采用窄高法蘭，加熱快。

　　通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，汽缸設(shè)置了預(yù)暖系統(tǒng)，滿足機(jī)組快速啟停，快速升降負(fù)荷。采用一次再熱技術(shù)后，低壓轉(zhuǎn)子根據(jù)進(jìn)汽參數(shù)可以采用焊接轉(zhuǎn)子或分段熱處理轉(zhuǎn)子，進(jìn)汽高溫段高溫性能優(yōu)良，低溫部分強(qiáng)度高、脆性轉(zhuǎn)變溫度低，通過焊接、熱處理工藝滿足低壓轉(zhuǎn)子的各項(xiàng)要求，利于機(jī)組的快速啟停。為了降低廠房建設(shè)成本，降低排汽損失，光熱汽輪機(jī)大多采用軸向排汽結(jié)構(gòu)，可以提高機(jī)組效率0.25%～0.50%[6]。低壓后軸承布置在排汽缸內(nèi)，設(shè)計(jì)為不用開缸就能完成軸承檢修。

　　3.2.3模塊化

　　光熱電站建設(shè)、安裝周期緊張，要求機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量小，機(jī)組可靠性高，維護(hù)簡(jiǎn)單。為滿足運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)安裝需要，光熱汽輪機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，盡量做到整體發(fā)貨。

　　3.3運(yùn)行方式

　　機(jī)組采用滑參數(shù)運(yùn)行，在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)機(jī)組的進(jìn)汽參數(shù)降低，機(jī)組容積流量相對(duì)增大，在低負(fù)荷時(shí)能滿足運(yùn)行要求，機(jī)組缸效率變化不大;高壓缸配高排通風(fēng)閥與空冷島連接，在小容積流量下，保護(hù)高壓末級(jí)葉片不發(fā)生鼓風(fēng)損失;低壓缸配壓力限制及溫度保護(hù)，根據(jù)低負(fù)荷運(yùn)行原則，保護(hù)末級(jí)葉片安全;啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)，按高排溫度，自動(dòng)調(diào)整高壓調(diào)閥和再熱調(diào)閥開度，配合旁路，分配高壓缸、低壓缸的進(jìn)汽流量，保護(hù)機(jī)組安全可靠。

　　4結(jié)論

　　太陽(yáng)能光熱發(fā)電作為一種可再生清潔能源，利用方式迎來(lái)重大發(fā)展機(jī)遇，是未來(lái)解決資源與環(huán)境問題的重要途徑之一。汽輪發(fā)電機(jī)組作為光熱發(fā)電系統(tǒng)主要設(shè)備，其循環(huán)效率、可靠性、運(yùn)行靈活性等特性對(duì)整個(gè)光熱電站影響顯著，太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)將朝著高參數(shù)、大容量等方面發(fā)展，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)、制造提出更高要求。國(guó)內(nèi)光熱汽輪機(jī)還處于起步階段，隨著光熱示范電站的投運(yùn)，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展創(chuàng)新技術(shù)，為推進(jìn)能源供應(yīng)轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)力量。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]時(shí)璟麗.我國(guó)光熱發(fā)電發(fā)展面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[J].太陽(yáng)能，2016(11):5-9.

　　[2]袁煒東.國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能光熱發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].電力與能源，2015，36(4):487-490.

　　[3]郭麗萍.塔式、槽式太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)方案分析[J].學(xué)術(shù)交流，(7):44-46.

　　[4]李月親.兆瓦級(jí)槽式太陽(yáng)能汽輪機(jī)通流部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，2014.

　　[5]袁建華，張?jiān)?太陽(yáng)能光熱發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[C]//上海市電機(jī)工程學(xué)會(huì)、上海市電工技術(shù)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì).2011.

　　[6]吳智泉.太陽(yáng)能光熱發(fā)電汽輪機(jī)及主要技術(shù)特點(diǎn)[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2016，58(6):401-404.

　　電力方向期刊推薦：《電力與能源》 (原《能源技術(shù)》雙月刊) 1980年創(chuàng)刊。本刊系上海科學(xué)院主管，上海市能源研究所和上海市工程熱物理學(xué)會(huì)聯(lián)合主辦的技術(shù)類綜合性能源雜志。雜志積極宣傳國(guó)家能源政策，報(bào)道國(guó)內(nèi)外能源技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的最新發(fā)展動(dòng)向，新的研究成果和新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新產(chǎn)品以及工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中的節(jié)能和環(huán)保經(jīng)驗(yàn)和探索，特別是配合政府的能源政策和重大舉措，報(bào)道相關(guān)的熱點(diǎn)技術(shù)，滿足廣大能源工作者的需要。