摘要:介紹了東方光熱汽輪發電機組技術特點，以及為了滿足光熱發電系統特殊要求而采取的技術措施。

　　關鍵詞:太陽能光熱發電,清潔能源,汽輪機

　　太陽能光熱發電是一種高品質新能源電力生產產業，具有穩定可調、綠色環保等優點，是需求和應用潛力巨大的可再生能源應用技術。目前國際光熱發電已進入多區域發展的持續增長時期，西班牙、美國光熱電站裝機容量占世界總裝機容量90%以上[1]，印度、沙特、泰國、南非等國家均有50MW及以上光熱電站投運。隨著技術進步、產業發展、成本下降和環保壓力，我國光熱電站項目迅猛發展。

　　國家能源局發布通知明確20個項目入選中國首批光熱發電示范項目名單，標志著我國光熱發電示范和推廣進入實質性實施階段。汽輪發電機組占光熱發電系統總投資比重約為4%[2-3]，但其熱功轉化效率對整個系統光電轉換效率影響顯著[4]，其循環效率、可靠性、啟停速度、穩定負荷范圍等特性對整個系統運行具有重要影響，因此對光熱汽輪發電機組技術特點進行研究具有重要現實意義。收稿日期:2018—02—08作者簡介:錢勇(1985—)，男，碩士，工程師，從事汽輪機設計。

　　1太陽能光熱發電技術

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

　　隨著技術的發展，塔式與菲涅爾式電站所占比重逐漸增加。中國首批光熱發電示范項目名單包括9個塔式電站，7個槽式電站和4個菲涅爾電站。塔式、槽式和菲涅爾電站熱電轉化設備均采用汽輪發電機組，塔式、槽式、碟式光熱電站主要技術參數見表1[5]。

　　2光熱汽輪機特殊要求

　　太陽能光熱汽輪機由最初的工業汽輪機演變而來，隨著光熱發電技術進步而發展。目前光熱電站汽輪機國外供應商以西門子、GE、MAN公司為主，國內供應商主要為東汽、上汽、哈汽三大動力廠，其中東汽已有供貨業績。

　　2.1光熱發電系統對汽輪機特殊要求

　　由于太陽能熱發電收集和利用太陽熱能隨外界條件變化大的特點，存在較多的低負荷運行工況，以及快速啟動和拉升負荷的運行特點，汽輪機能適應以下的要求:(1)快速啟動能力:目前啟動時間一般要求極熱態啟動15min，熱態啟動20min，溫態啟動30min，冷態啟動60min內完成啟動，遠遠高于常規火電機組啟動時間要求。(2)頻繁啟停能力:在25年的壽命周期內，基本上每天都需要啟停。(3)負荷變化適應性強:要求機組在15%～100%范圍內穩定運行。(4)高效穩定:汽輪機循環效率對整個系統光電轉化效率影響顯著，要求光熱汽輪機效率高，穩定性好。

　　2.2建造安裝對汽輪機特殊要求

　　國內光熱電站基本都建設在新疆、青海、西藏、甘肅、內蒙等光照條件好，風沙較大，水資源缺乏的戈壁、荒漠地區，廠房建設成本相對較高，且運輸條件受限制，這些現實條件對國內光熱汽輪機提出以下特殊要求:(1)因為缺少水資源，國內光熱機組大多采用直接空冷，且西北、西藏等地區晝夜溫差大，機組背壓變化較大。(2)廠房建設成本相對較高，要求機組盡量采用低位單層布置，盡量降低廠房高度，減少廠房成本，汽輪機采用軸向排汽結構。(3)建設、安裝周期緊張，要求機組結構緊湊，現場安裝工作量小，盡量做到整體發貨，機組可靠性高，維護簡單。

　　3光熱汽輪機技術特點

　　針對太陽能光熱發電系統及建造安裝對光熱汽輪機的特殊要求，從光熱汽輪機熱力系統、本體結構、運行方式等方面進行分析50～100MW等級光熱汽輪機技術特點。

　　3.1熱力系統

　　3.1.1采用循環形式

　　熱力系統采用再熱循環形式，以水蒸汽為介質的朗肯循環，提高蒸汽的初參數是提高熱力循環效率的有效途徑。在提高蒸汽壓力的同時采用再熱循環，可以提高機組的平均吸熱溫度，同時降低排汽濕度，機組的循環效率將顯著提高。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，同時中低壓缸進汽過熱度不能太低，防止排汽濕度的增加造成末級葉片發生水蝕現象。

　　3.1.2選擇最佳給水溫度

　　提高最終給水溫度，可以提高工質在熱交換器內吸熱過程的平均溫度，從而提高機組的熱效率。對于采用熔鹽為導熱介質的系統，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、管道及儲熱罐成本，給水溫度的選擇需要綜合考慮汽輪機效率與整個儲/換熱系統、導熱介質投資成本的最佳匹配范圍。

　　3.1.3優化回熱抽汽級數

　　增加機組的回熱級數可以明顯增加機組整體的循環效率，同時也會增加機組成本和運行維護費用，增加設備的投資。對于光熱電站而言，汽輪機占總體投資比例較常規火電機組低，其循環效率對整個電站效率影響顯著，經過綜合對比分析后，選擇8級回熱抽汽。為了充分利用低壓第一段回熱抽汽的過熱度，增加外置式蒸汽冷卻器，低壓缸第一級回熱抽汽引到蒸汽冷卻器來加熱給水，然后再回到相應的回熱加熱器，利用該段蒸汽的過熱度來提高最終給水溫度，以提高整體循環效率。

　　3.2本體結構

　　3.2.1機組布置

　　3.2.1.150MW等級光熱汽輪機

　　為避免葉片過早進入濕蒸汽區影響安全，同時提高循環效率，50MW等級光熱汽輪機采用高低壓分缸一次再熱技術，高壓部分參數高，主蒸汽容積流量偏小，設計成反動式高轉速，保證各級速比處于0.48～0.52，提高輪周效率。低壓部分采用沖動式，轉速為3000r/min。高壓與低壓之間設置變速箱。

　　3.2.1.2100MW等級光熱汽輪機

　　100MW等級光熱汽輪機蒸汽容積流量相比50MW大幅增加，可以采用常規單軸一次再熱，轉速為3000r/min，不用設置變速箱，采用發電機前置。

　　3.2.2結構設計

　　閥門采用低型損型線，閥桿與閥桿套筒之間設計錐形密封面，機組50%～100%負荷下采用全滑壓運行，閥門全開，閥桿零泄漏，提高機組效率。閥門支架采用浮動支撐，能吸收閥與基礎的脹差。為了減少進汽損失，機組采用水平切向進汽，進汽腔室設計成變截面，減小進汽壓損。

　　采用熔鹽為導熱介質的光熱發電系統，蒸汽初參數可以達到壓力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構;高壓內缸采用筒形缸套環結構，內外缸熱應力小。低壓缸為單層缸結構，汽缸絕對壓差小，一次應力非常低;外壁絕熱，內外溫差小，二次應力(熱應力)極小;無傳統隔板套定位大肩胛，減少結構漏氣損失;采用窄高法蘭，加熱快。

　　通過合理的結構設計，汽缸設置了預暖系統，滿足機組快速啟停，快速升降負荷。采用一次再熱技術后，低壓轉子根據進汽參數可以采用焊接轉子或分段熱處理轉子，進汽高溫段高溫性能優良，低溫部分強度高、脆性轉變溫度低，通過焊接、熱處理工藝滿足低壓轉子的各項要求，利于機組的快速啟停。為了降低廠房建設成本，降低排汽損失，光熱汽輪機大多采用軸向排汽結構，可以提高機組效率0.25%～0.50%[6]。低壓后軸承布置在排汽缸內，設計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、安裝周期緊張，要求機組結構緊湊，現場安裝工作量小，機組可靠性高，維護簡單。為滿足運輸及現場安裝需要，光熱汽輪機采用模塊化設計，盡量做到整體發貨。

　　3.3運行方式

　　機組采用滑參數運行，在低負荷運行時機組的進汽參數降低，機組容積流量相對增大，在低負荷時能滿足運行要求，機組缸效率變化不大;高壓缸配高排通風閥與空冷島連接，在小容積流量下，保護高壓末級葉片不發生鼓風損失;低壓缸配壓力限制及溫度保護，根據低負荷運行原則，保護末級葉片安全;啟動和低負荷時，按高排溫度，自動調整高壓調閥和再熱調閥開度，配合旁路，分配高壓缸、低壓缸的進汽流量，保護機組安全可靠。

　　4結論

　　太陽能光熱發電作為一種可再生清潔能源，利用方式迎來重大發展機遇，是未來解決資源與環境問題的重要途徑之一。汽輪發電機組作為光熱發電系統主要設備，其循環效率、可靠性、運行靈活性等特性對整個光熱電站影響顯著，太陽能光熱發電技術將朝著高參數、大容量等方面發展，對汽輪發電機組設計、制造提出更高要求。國內光熱汽輪機還處于起步階段，隨著光熱示范電站的投運，不斷積累經驗，發展創新技術，為推進能源供應轉型貢獻力量。

　　參考文獻

　　[1]時璟麗.我國光熱發電發展面臨的機遇和挑戰[J].太陽能，2016(11):5-9.

　　[2]袁煒東.國內外太陽能光熱發電發展現狀及前景[J].電力與能源，2015，36(4):487-490.

　　[3]郭麗萍.塔式、槽式太陽能光熱發電技術方案分析[J].學術交流，(7):44-46.

　　[4]李月親.兆瓦級槽式太陽能汽輪機通流部分的優化設計，2014.

　　[5]袁建華，張云.太陽能光熱發電的發展現狀與前景[C]//上海市電機工程學會、上海市電工技術學會學術年會.2011.

　　[6]吳智泉.太陽能光熱發電汽輪機及主要技術特點[J].汽輪機技術，2016，58(6):401-404.

　　電力方向期刊推薦：《電力與能源》 (原《能源技術》雙月刊) 1980年創刊。本刊系上海科學院主管，上海市能源研究所和上海市工程熱物理學會聯合主辦的技術類綜合性能源雜志。雜志積極宣傳國家能源政策，報道國內外能源技術領域內的最新發展動向，新的研究成果和新技術、新工藝、新設備、新產品以及工業生產實踐中的節能和環保經驗和探索，特別是配合政府的能源政策和重大舉措，報道相關的熱點技術，滿足廣大能源工作者的需要。