中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：主要介紹哈汽公司自主研發(fā)的大容積流量300MW壓縮空氣儲(chǔ)能二次再熱空氣透平。該空氣透平能夠滿足壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)全滑壓運(yùn)行并且全過(guò)程額定功率發(fā)電的需求。啟停靈活，能夠適應(yīng)系統(tǒng)頻繁啟停的運(yùn)行模式。該空氣透平氣耗率低，有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
新型非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能全過(guò)程無(wú)污染和排放，具有大容量、高效率、長(zhǎng)壽命、零排放等優(yōu)點(diǎn)，是目前大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域極具潛力的發(fā)展方向之一。開(kāi)展新型非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)，有利于提升電力發(fā)展質(zhì)量和效益、全面推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。300MW新型壓縮空氣儲(chǔ)能是目前非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域單機(jī)功率最大、儲(chǔ)能規(guī)模最大的項(xiàng)目，必將成為壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域的重要支撐。300MW空氣透平作為壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心設(shè)備，同樣有著廣闊的市場(chǎng)前景。本文針對(duì)哈汽公司自主研發(fā)的300MW壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)二次再熱空氣透平設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹。
1 整體方案
該300MW空氣透平機(jī)組為二次再熱、單軸、兩缸、軸排透平機(jī)組，是融合哈汽公司最新研制的火電、核電汽輪機(jī)技術(shù)，重新優(yōu)化完善各氣缸閥門模塊設(shè)計(jì)而成的。機(jī)組整體布置如圖1所示。
300MW空氣透平屬于大容積流量透平，主要具有如下技術(shù)特點(diǎn)：
（1）與蒸汽透平相比，空氣透平總焓降小、質(zhì)量流量大、再熱次數(shù)多、通流級(jí)數(shù)少，單級(jí)葉片做功負(fù)荷大。
（2）與燃?xì)馔钙较啾?，空氣透平再熱次?shù)多、膨脹比大、通流級(jí)數(shù)多。
（3）壓縮空氣儲(chǔ)能循環(huán)過(guò)程中有熱量剩余，空氣透平主要經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)為氣耗率，而非熱耗率，設(shè)計(jì)過(guò)程中要盡量提高效率、減少漏氣，降低整體氣耗率。
（4）壓縮過(guò)程耗功多，建立壓力付出代價(jià)大，空氣透平進(jìn)氣、排氣過(guò)程要盡量減少壓損。
（5）空氣透平無(wú)回?zé)嵯到y(tǒng)。
（6）空氣透平要求啟停頻繁、啟動(dòng)和變負(fù)荷速度快，設(shè)計(jì)過(guò)程中要同時(shí)兼顧啟停、壽命和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。
（7）空氣透平要求具有在全滑壓范圍內(nèi)保持額定負(fù)荷運(yùn)行的能力。
2 本體結(jié)構(gòu)
2.1 高壓缸模塊
該機(jī)組的高壓模塊為雙分流結(jié)構(gòu)，共有2×8級(jí)反動(dòng)式壓力級(jí)，壓力級(jí)的隔板分別裝入隔板套的環(huán)形凹槽中。機(jī)組第4級(jí)后設(shè)有補(bǔ)氣口。高壓缸模塊技術(shù)特點(diǎn)如下：
（1）通流采用反動(dòng)式全三維設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)一步提高高壓缸效率。
（2）各級(jí)動(dòng)葉采用倒Ｔ型葉根，漏氣損失小。
（3）缸體設(shè)計(jì)借鑒AP1000高壓缸和超超臨界660MW中壓缸技術(shù)。
（4）高壓缸2×180°切向渦殼進(jìn)氣技術(shù)：渦殼結(jié)構(gòu)能夠減小進(jìn)口部分的流動(dòng)損失，并優(yōu)化第一級(jí)徑向葉片空氣的出口?？諝庠谒俣群头较虿话l(fā)生驟變的情況下流入葉片。在渦殼上的流量損失明顯降低，可允許提高空氣流速，并具有很高的動(dòng)能轉(zhuǎn)換效率。這種流道特征結(jié)構(gòu)的改進(jìn)使透平可采用緊湊堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。
高壓模塊剖面如圖2所示。
主氣通過(guò)兩個(gè)裝在高壓缸兩側(cè)的主氣調(diào)節(jié)聯(lián)合閥進(jìn)入高壓缸。每個(gè)主氣調(diào)節(jié)聯(lián)合閥包括一個(gè)主氣閥、一個(gè)調(diào)節(jié)閥和一個(gè)補(bǔ)氣閥，如圖3所示。閥門通過(guò)調(diào)節(jié)閥的擴(kuò)壓延長(zhǎng)段與氣缸相連。閥殼通過(guò)法蘭連接在外缸上。閥門與氣缸之間沒(méi)有蒸氣管道，結(jié)構(gòu)緊湊、損失小、附加推力小。主氣閥是保安系統(tǒng)的一部分，并且是“力作用打開(kāi)”的設(shè)計(jì)。主氣管道施加在閥上的力和力矩經(jīng)由氣缸和閥門支架傳遞到基礎(chǔ)上。
每個(gè)高壓主氣調(diào)節(jié)閥為一個(gè)主氣閥、一個(gè)調(diào)節(jié)閥和一個(gè)補(bǔ)氣閥組成，主氣閥是一個(gè)內(nèi)部帶有預(yù)啟閥的單閥座式提升閥，調(diào)節(jié)閥為單座平衡閥，補(bǔ)氣閥與調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)相同。
調(diào)節(jié)閥通過(guò)進(jìn)氣法蘭與高壓缸相連，主氣離開(kāi)調(diào)節(jié)閥通過(guò)進(jìn)氣導(dǎo)管進(jìn)入高壓缸。閥門與氣缸之間的進(jìn)氣導(dǎo)管很短，這有利于控制主氣閥關(guān)閉時(shí)引起的飛升轉(zhuǎn)速。新研制的高壓主氣調(diào)節(jié)閥總的壓損很小，經(jīng)濟(jì)性良好，能夠滿足最大通流量的要求，而且其力在全行程范圍內(nèi)都很小，能夠保證閥門的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
2.2 中低壓缸模塊
中低壓部分采用一個(gè)單層中低壓合缸結(jié)構(gòu)，中壓3級(jí)隔板，低壓2級(jí)隔板，整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。中低壓氣缸是低合金鋼鑄件，并考慮到啟動(dòng)和升負(fù)荷過(guò)程做了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用水平中分面螺栓連接結(jié)構(gòu)。在中壓部分的排氣側(cè)，氣缸貓爪固定在2號(hào)軸承座上，貓爪為上、下支承形式。中低壓氣缸和排氣缸通過(guò)垂直法蘭螺栓連接。在檢修的時(shí)候，中低壓缸和排氣缸的上半部可同時(shí)起吊而無(wú)需拆卸垂直法蘭上的螺栓。
排氣缸采用軸向排氣結(jié)構(gòu)以降低排氣流動(dòng)損失。本方案在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)軸向排氣結(jié)構(gòu)和下排氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了內(nèi)部流場(chǎng)分析對(duì)比，核算結(jié)果見(jiàn)表1。
相比下排氣結(jié)構(gòu)，軸向排氣結(jié)構(gòu)靜壓恢復(fù)系數(shù)和整機(jī)效率更優(yōu)。另一方面，采用軸向排氣結(jié)構(gòu)能降低機(jī)組運(yùn)行層和廠房的高度，有利于降低項(xiàng)目的投資成本。排氣缸為碳鋼結(jié)構(gòu)，3號(hào)軸承位于排氣缸內(nèi)，通過(guò)移除排氣缸頂部的檢修蓋板檢查3號(hào)軸承。排氣缸固定在基座上。排氣缸的結(jié)構(gòu)及氣動(dòng)分析效果如圖5、圖6所示。
2.3 滑銷系統(tǒng)
機(jī)組2號(hào)軸承箱設(shè)為絕對(duì)死點(diǎn)。在2號(hào)軸承箱內(nèi)設(shè)置推力軸承，整個(gè)軸系以此為死點(diǎn)向兩端膨脹。高壓缸受熱后以2號(hào)軸承座為死點(diǎn)向機(jī)頭方向膨脹，中低壓缸以2號(hào)軸承座為中心向排氣缸側(cè)膨脹。此種布置的高壓缸和中低壓缸既能保證氣缸與轉(zhuǎn)子向同一方向膨脹減小高、中壓氣缸動(dòng)靜間的脹差，又能有效減小每個(gè)氣缸的絕對(duì)膨脹量，有利于機(jī)組快速啟動(dòng)和變負(fù)荷。具體結(jié)構(gòu)布置如圖7所示。
3 配氣調(diào)節(jié)方案
常用的配氣調(diào)節(jié)方式主要有全周進(jìn)氣節(jié)流調(diào)節(jié)、全周進(jìn)氣＋補(bǔ)氣閥調(diào)節(jié)、噴嘴節(jié)流調(diào)節(jié)3種。對(duì)于300MW等級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目，一般利用廢棄的鹽穴等天然密閉的空間存儲(chǔ)壓縮后的空氣。在發(fā)電過(guò)程中，隨著儲(chǔ)氣庫(kù)內(nèi)的空氣量的減少，空氣的壓力也會(huì)逐漸降低，要求配套空氣透平必須具備整個(gè)發(fā)電周期能夠滑壓運(yùn)行并且保證滿負(fù)荷發(fā)電的能力。結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際特點(diǎn)以及與其它配氣方案的計(jì)算比優(yōu)，確定本項(xiàng)目采用全周進(jìn)氣＋補(bǔ)氣閥調(diào)節(jié)的配氣方案。對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。
透平從設(shè)計(jì)的進(jìn)氣壓力滑壓運(yùn)行，最終滑壓至最低壓力點(diǎn)，期間保持額定出力不變。根據(jù)上述計(jì)算對(duì)比，本項(xiàng)目采用全周進(jìn)氣＋補(bǔ)氣閥的進(jìn)氣調(diào)節(jié)方式。設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置一個(gè)補(bǔ)氣閥，當(dāng)主氣壓力達(dá)到額定壓力時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行，補(bǔ)氣閥關(guān)閉，空氣依次流過(guò)各級(jí)透平；當(dāng)主氣壓力低于額定壓力時(shí)，打開(kāi)補(bǔ)氣閥，進(jìn)入系統(tǒng)的空氣一部分進(jìn)入第１級(jí)葉片并依次流過(guò)其它各級(jí)另一部分從補(bǔ)氣閥直接進(jìn)入某級(jí)后，然后流過(guò)各級(jí)，如此就可以通過(guò)增大機(jī)組流量保證機(jī)組整體出力不變。基本原理如圖8所示。
儲(chǔ)氣庫(kù)壓力隨發(fā)電時(shí)間變化是連續(xù)降低的狀態(tài)，那么在補(bǔ)氣閥開(kāi)啟之前為了防止透平功率超過(guò)額定功率，就需要對(duì)主氣進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，控制進(jìn)氣流量；在補(bǔ)氣閥開(kāi)啟后為了防止透平功率低于額定功率，就需要通過(guò)補(bǔ)氣閥對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)氣。節(jié)流和補(bǔ)氣會(huì)引起效率損失，因此，在補(bǔ)氣閥開(kāi)啟之前透平存在節(jié)流損失，在補(bǔ)氣閥開(kāi)啟之后存在補(bǔ)氣損失，在整個(gè)發(fā)電過(guò)程中總的節(jié)流損失和補(bǔ)氣損失最小對(duì)應(yīng)的補(bǔ)氣閥開(kāi)啟點(diǎn)壓力才是最合理的。
通過(guò)對(duì)比計(jì)算，得到平均氣耗率與補(bǔ)氣閥開(kāi)啟點(diǎn)壓力關(guān)系曲線，如圖9所示。最優(yōu)的補(bǔ)氣閥開(kāi)啟點(diǎn)壓力為7.35MPa。
4 總結(jié)
哈汽公司依托成熟的核電、火電機(jī)組技術(shù)，自主開(kāi)發(fā)了適應(yīng)全滑壓運(yùn)行的300MW壓縮空氣儲(chǔ)能空氣透平，整體設(shè)計(jì)方案先進(jìn)、合理、可行，能夠滿足壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行需求，具有很好的市場(chǎng)推廣前景。
