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在火力发电工程的设计中，机组类型和参数的选择是最为关键的要素，直接影响到机组的经济性。本文以越南某2×220 MW火力发电厂工程的设计、采购、施工(EPC)合同要求为出发点，从技术、能耗方面进行分析，提出220 MW等级汽轮机可采用亚临界参数方案，并最终在工程中顺利实施，既能很好的满足合同要求，又极大地提高机组的经济性，创造了较大的经济效益，为后续同类项目的汽轮机选型提供参考。
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对于火力发电机组参数的选择，国内一般按照《大中型火力发电厂设计规范》GB 50660—2011中“5.1.2机组新蒸汽参数系列宜符合现行国家标准《发电用汽轮机参数系列》GB/T 754—2007的有关规定”[1]。而在《发电用汽轮机参数系列》GB/T 754—2007“表2再热式汽轮机新蒸汽参数及再热温度系列”对各等级汽轮机采用的参数进行详细的要求[2]。根据上述规范的要求，200 MW等级汽轮机为超高压机组，新蒸汽压力为12.7/13.2 MPa，新蒸汽温度/再热蒸汽温度为535～540℃/535～540℃。因此，国内投产的200 MW等级的汽轮机均为超高压汽轮机。
项目 高压缸效率 中压缸效率 低压缸效率 200 MW超高压机组 80%～82% 90%～90.8% 78.5%～81.5% Table 1.
Cylinder Efficiency of 200 MW Turbine in China -
200 MW等级汽轮机在国内是非常成熟的产品，各大汽轮机制造厂商均有大量的制造业绩。200 MW汽轮机均为超高压机组，参数一般为12.75～13.2 MPa/535℃/535℃，机组型式为单轴、两缸两排汽或三缸双排汽、一次中间再热式、超高压凝汽机组，高压缸为双层缸结构，高压缸配有法兰螺栓加热装置、夹层加热装置等。抽汽回热的级数为7级(即2个高加，1个除氧器，4个低加)，或者八级回热抽汽(即3个高加，1个除氧器，4个低加) 。由于国内200 MW等级汽轮机通流部份设计较为落后，蒸汽流动效率较低，故其高、中、低压缸效率也较低，在额定工况下其热耗一般不低于8 200 kJ/kW·h。根据有关统计资料显示，200 MW超高压汽轮机高、中、低压缸效率如表1所示。
项目 高压缸效率 中压缸效率 低压缸效率 300 MW亚临界机组 ～87.3% ～92.1% ～89.8% Table 2.
Cylinder Efficiency of 300 MW Turbine in China -
国内早期投产的300 MW等级机组均为亚临界机组，在早期作为国内主力发电机型，投运的机组数量众多，也是非常成熟的定型产品。汽轮机参数一般为16.7 MPa/537℃/537℃，机组型式为亚临界、一次中间再热，单轴、高中压合缸、双缸双排汽(或三缸双排汽)、凝汽式，机组的启动方式可以选择高中压缸联合启动及中压缸启动方式[3]。有关统计资料显示[4-7]，300 MW亚临界汽轮机高、中、低压缸效率如表2所示。
1.1 国内200 MW等级超高压机组特点
1.2 国内300 MW等级亚临界机组特点
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从上述对国产200 MW等级的超高压汽轮机和国产300 MW等级的亚临界汽轮机热耗水平、机组结构、使用材料等方面的对比分析可以看出[6]，国产200 MW等级的超高压汽轮机热耗在8 200 kJ/kWh以上，而国产300 MW等级的亚临界汽轮机其热耗可以降低至8 000 kJ/kWh左右，两者热耗相差约200 kJ/kWh。引起热耗差别大的最主要原因就是主蒸汽参数的不同和各个汽缸的效率差异。
在国产成熟200 MW等级超高压机组和国产300 MW等级亚临界机组基础上，采用高效新型的220 MW亚临界汽轮机，将使其热耗降低至300 MW等级亚临界汽轮机的水平。
因此，高效新型220 MW机组必须具备下列要求：
1)汽轮机的额定参数为16.7 MPa/538℃/538℃，达到亚临界参数。
2)为提高机组的经济性，给水回热级数按8级考虑，即3高加＋1除氧＋4低加。
3)机组的额定功率在220 MW左右。
4)机组的热耗水平与300 MW亚临界机组相当。
通过与常规超高压200 MW等级汽轮机和亚临界300 MW汽轮机的研究和对比，根据模块化设计理念，对高效新型220 MW汽轮机可以做出下列分析判断：
1)主蒸汽参数从超高压的12.75 MPa提高至亚临界16.7 MPa以后，在汽轮机相同发电能力的基础上，主蒸汽的流量将会比200 MW等级超高压汽轮机略微减少。
2)由于常规200 MW超高压汽轮机的主蒸汽流量与高效新型220 MW亚临界汽轮机相差不大，其各个汽缸的通流可在原来常规200 MW超高压汽轮机的基础上进行调整。
3)由于上述两种汽轮机的中压缸排汽压力及流量差别不大，低压缸可采用常规200 MW超高压汽轮机的低压缸模块。
4)由于主蒸汽、高温再热蒸汽温度基本一致，常规200 MW超高压汽轮机使用的材料基本满足使用要求。
5)鉴于高、中压缸进汽压力的提高，对高、中压缸的进行优化设计，满足压力提高的要求。
6)优化叶形状，提高叶片效率，减少叶顶漏气。
7)轴封系统的工作情况会影响到滑油中水分含量、凝汽器真空，从而对机组热经济性和安全性产生很大影响[8]。因此，优化轴封型式，采用新型轴封，减少轴封漏气量。
8)对关键部件的结构强度采用当代最先进的有限元进行计算校核，使机组具有最高的可靠性，确保机组能长期安全、可靠运行[9]。
通过与汽轮机制造厂商的密切配合，220 MW等级汽轮机采用亚临界参数的方案具有可实施性，通过综合原来积累的200 MW等级超高压汽轮机和300 MW等级亚临界汽轮机技术，可以开发出符合上述要求的高效新型220 MW汽轮机。
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高效新型的220 MW亚临界汽轮机主要特点如下：
1)汽轮机采用亚临界参数，主蒸汽压力为16.7 MPa，主蒸汽温度538℃，再热蒸汽温度538℃，220 MW等级汽轮机采用亚临界参数为全国首创。
2)汽轮机为三缸两排汽、单轴布置的冲动式凝汽式机组，高、中压部分为分缸结构，具有独立的高压缸和中压缸，低压部分为双流、双排汽的低压缸。因进汽参数较高，为减小汽缸应力，增加机组启停及变负荷的灵活性，高压部分设计为双层缸。低压缸为对称分流式，为三层缸结构。为简化汽缸结构和减小热应力，高压和中压阀门与汽缸之间都是通过管道联接。高压阀悬挂在汽机前运行层下面，中压阀置于中压缸两侧。机组总长约20 m。
高压缸为双层缸，高压通流部分为反向流动，内有1个单列调节级，11个压力级，第9级后有一抽汽口，将第一段抽汽送往8号高压加热器，由高压缸排出的蒸汽由二个排汽口引至再热器，其中一部分抽汽作为第二段抽汽送至7号高压加热器。
再热蒸汽通过2根热段再热汽管进入中压联合汽阀，再经2根Φ 610 mm×55 mm中压主汽管从中压外缸前部下半两侧进入中压通流部分。
中压缸全部采用隔板套结构，中压缸内有10个压力级，在中压第3级后设有第三段抽汽口，将抽汽送入6号高压加热器。在中压第6级后设有第四段抽汽口，将抽汽送入除氧器(DTR)。在中压第8级后设有第五段抽汽口，将抽汽送入4号低压加热器。中压排汽一部分从上半的两个Φ 1 100 mm中压排汽口进入连通管通向低压缸，另一部分抽汽由从中压外缸下半的六段抽汽口送至3号低压加热器。
低压部分为对称分流三层缸结构。蒸汽由低压缸中部进入通流部分，分别向前后两个方向流动，经2 × 5个压力级做功后向下排入凝汽器。在低压第1和3级后分别设有第七段和第八段抽汽口，分别供2个低压加热器。
3)汽轮机总内效率为89.23%，其中高压缸效率83.75%，中压缸效率为92.1%，低压缸效率为86.92%，均比200 MW超高压汽轮机各效率高。
4)启动方式：机组采用高、中压缸联合启动方式。
5)机组运行可以按定压和定-滑-定两种方式。调峰运行时宜采用定-滑-定运行方式。机组在90%ECR负荷以上时采用定压运行，在40%～90%ECR负荷时采用滑压运行，在40%ECR以下负荷时采用定压运行。
6)机组在运行中可以进行两种方式的无扰切换。两种控制方式对应两种不同的进汽方式，其中顺序阀方式可以实现机组的喷嘴调节运行；单阀方式可以实现机组的节流调节运行。为减小启动过程中的热冲击，以单阀方式启动即采用节流配汽(全周进汽方式)，避免汽缸及转子应力过大，保证机组顺利启动，在达到目标负荷且温度场趋于稳定后可切换到顺序阀方式即喷嘴配汽，保证较好的经济性。
采用喷嘴配汽(部分进汽)：高压部分共有4个调节阀，对应于4组喷嘴，当Ⅰ、Ⅱ号调节阀阀杆开启到29.25 mm时，Ⅲ号调节阀开启；当Ⅲ号调节阀阀杆行程达到19.5 mm时，Ⅳ号调节阀开始开启。
采用节流配汽(全周进汽)：高压部分4个调节阀根据控制系统的指令按相同的阀位开启，对应于4组喷嘴同时进汽。
7)高效新型220 MW汽轮机主要参数如下：
型号：N226-16.7/538/538
型式：亚临界、一次中间再热、单轴、三缸双排汽、凝汽式汽轮机
最大功率(VWO)：236.520 MW
额定功率(TMCR)：230.440 MW
能力工况出力(TCC)：226.473 MW
额定转速：3 000 r/min
主蒸汽压力：16.67 MPa(a)
主蒸汽温度：538℃
再热蒸汽压力：3.34 MPa(a)
再热蒸汽温度：538℃
排汽压力：8.0 kPa(a)
额定进汽量(TMCR工况)：695.492 t/h
最大进汽量(VWO工况)：716.357 t/h
省煤器入口给水温度：269.3℃
回热抽汽系统：3(高加)＋4(低加)＋1(除氧器)。
高效新型220 MW亚临界汽轮机外形图见图1。
Figure 1. Outline Drawing of high Efficient 220 MW Subcritical Turbine
高效新型220 MW亚临界汽轮机相关热平衡数据见表3。
项目 发电机功率/MW 汽轮发电机组热耗值/(kJ/kWh) 主蒸汽压力/MPa(a) 再热蒸汽压力/MPa(a) 高压缸排汽压力/MPa(a) 主蒸汽温度/℃ 再热蒸汽温度/℃ 主蒸汽流量/(t·h-1) 再热蒸汽流量/(t·h-1) 平均背压/kPa(a) 补水率/% 最终给水温度/℃ VWO工况 236.1 8 019 16.67 16.67 3.712 538 538 716.36 611.13 8 0 269.3 TMCR工况 230.2 8 026 16.67 3.25 3.611 538 538 695.5 594.3 8 0 267.5 TCC工况 226.5 8 063 16.67 3.232 3.591 538 538 695.5 591.4 10.1 3 267.3 FCB工况 13.6 / 16.67 2.619 2.91 538 538 0 77.3 8 0 230.5 Table 3.
Parameters of HBD
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越南某2×220 MW火力发电厂工程机组主要以基本负荷运行，年平均发电功率为208.44 MW，年利用小时数为6 500 h。
根据相关设备制造厂家提供的资料，高效新型的220 MW汽轮机与常规200 MW等级的超高压汽轮机相比，造价增加约10%。
该工程由于采用高效新型的220 MW汽轮机，其热耗仅为8 026 kJ/kWh，与常规200 MW等级的超高压汽轮机热耗高达8 200 kJ/kWh相比，发电煤耗大大降低，机组具有较好的经济性。
1)机组年利用小时数为6 500 h。
2)机组年发电量为：208.44×6 500＝1 354 860 MWh。
3)机组每年节省标煤量：1 354 860×7.5/103＝10 161.5 t/a。
4)越南某标煤价为410元/t。
超高压220 MW机组与高效新型220 MW机组经济比较如表4：
年利用小时数/h 热耗差/(kJ/kWh) 年耗标煤量差/(t·a-1) 年燃料费差/(万元/a) A B A B A B 6 500 基准 -174 基准 -10 161.5 基准 -416.6 Table 4.
Comparing Super high Pressure 220 MW unit with high Efficient Subcritical 220 MW unit in Economy 虽然高效新型220 MW机组比高效新型220 MW机组设备价格增加约10%的投资，但是从上表可以看出，采用高效新型220 MW机组后，相比超高压220 MW机组，每台机组每年可以节约煤达10 161.5 t/a，每年节省燃料成本为416.6万元，两台机组每年节省燃料成本为833.2万元，因此，高效新型亚临界220 MW机组比超高压220 MW机组具有较大的经济性。
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综上所述，相对于原来国内投产的200～220 MW超高压汽轮机，高效新型220 MW汽轮机采用亚临界参数，且高、中和低压汽缸具有更高的效率，可使热耗下降174 kJ/kWh，机组投产后每年可节约10 161.5吨标煤，具备较大的经济性和先进性。
自从该工程在2012年9月通过720 h试运行投产至今，机组运行稳定，汽轮机各项指标满足要求。该工程汽轮机选型方案的顺利实施为后续200 MW等级汽轮机的选型多提供了一种方案选择，也为后续同类项目的实施提供了参考。
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