一種新型汽輪發電機組的制作方法

專利名稱：一種新型汽輪發電機組的制作方法
技術領域：
本發明涉及發電技術領域，尤其是一種新型汽輪發電機組。
背景技術：
汽輪發電機組作為火力發電的核心技術經歷一百多年的發展歷程，近年來，隨著燃料價格的不斷攀升和環保壓力的增加，各發達國家開始競相發展高效超臨界汽輪發電機組。在通過不斷提升機組運行參數以提高機組循環效率的同時，二次再熱循環機組也再次成為設計下一代高效超超臨界機組的主要技術方案之一。
目前，世界上效率最高的燃煤發電機組為丹麥的400MW二次再熱超超臨界機組，其蒸汽參數為29MPa/580℃/580℃/580℃。該機組循環效率高達47％，相比于一次再熱超臨界機組41~42％和一次再熱超超臨界機組44~45％的循環效率要更勝一籌。
但相對于傳統的一次再熱機組，以增加一次再熱的31.1MPa/566℃/566℃/566℃的二次再熱超臨界機組和僅提高蒸汽溫度的24.5MPa/600℃/600℃的一次再熱超超臨界機組相比，前者的循環效率比后者僅提高了0.5％。而相對于一次再熱超(超)臨界機組來說，二次再熱超(超)臨界機組的系統更復雜且造價顯著增加。因此，1990年代以來，世界各國基本上都傾向于建造一次再熱600℃等級的超超臨界機組。
如圖1所示為若采用現有技術的1000MW級塔式鍋爐1與二次再熱汽輪機組2的常規布置示意圖，汽輪機組2中的高壓缸21、中壓一缸22、中壓二缸23、兩低壓缸24五缸單軸布置在汽輪機房內。一般地，從鍋爐1的過熱器13出口到高壓缸21之間主蒸汽管道31單根約160米長；此后高壓缸21排汽通過單根約180米長的低溫一次再熱蒸汽管道32返回鍋爐1；從一次再熱器12出口至中壓一缸22的高溫一次再熱蒸汽管道33的長度與低溫一次再熱蒸汽管道32大致相同，單根約190米；隨后，從中壓一缸22排汽返回鍋爐1的低溫二次再熱蒸汽管道34單根約180米長；從二次再熱器16出口至中壓二缸23的高溫二次再熱蒸汽管道35的長度與低溫二次再熱蒸汽管道34大致相同，單根約190米長。其中主蒸汽管道31、高溫一次再熱管道33和高溫二次再熱管道35需要使用600℃等級的耐高溫合金鋼。根據不同的管道設計方案，主蒸汽管道和再熱蒸汽管道還存在半容量管道和四分之一容量管道。因此，實際需要使用耐高溫合金鋼的高溫高壓管道長度會成倍增加。
如圖2所示為若采用現有技術的1000MW級塔式鍋爐1與雙軸二次再熱汽輪機組2的常規布置示意圖，汽輪機組2由兩個軸系分別自帶發電機并列布置在常規汽機房內組成。汽輪機組2中的第一個軸系21由高壓缸211、中壓一缸212組成并自帶一個發電機，第二軸系22由中壓二缸221、兩低壓缸222組成并自帶發電機。對于圖2所示的二次再熱雙軸汽輪發電機組來說，其高溫高壓管道的布置情況與圖1所示的單軸二次再熱汽輪機組類似，其中主蒸汽管道31、高溫一次再熱管道33和高溫二次再熱管道35需要使用600℃等級的耐高溫合金鋼，且單根長度也均在160m左右。
當前，發電機組的單位造價隨著機組效率的提高而不斷增加。特別是二次再熱機組盡管已屬成熟技術，但鍋爐需增加一級再熱器、汽輪機需要增加一個中壓缸外、另外還要增加一級再熱蒸汽管道等，因此系統復雜、投資更高，與一次再熱機組相比，其獲得的效率收益的增值尚不能補償投入的增加值。對于傳統設計的二次再熱機組來說，首先，再熱蒸汽在鍋爐與汽輪機房之間來回穿越，尤其是現代百萬等級的超(超)臨界大機組，鍋爐越來越高，加上橫隔在機、爐之間的除氧間和煤倉間等結構因素，單根蒸汽管道的平均長度就達160m~190m。一方面600℃等級的大直徑及厚壁管道價格昂貴，另一方面是再熱管道的系統阻力增加，降低了汽輪機的做功能力，而使二次再熱系統的理論效益被部分吞噬。其次，二次再熱系統大大的增加了系統存儲的蒸汽量。這使得機組的調節慣性顯著增加，從而加大了機組的控制難度。
上世紀90年代末，美、日、歐盟制定了下一代高效超超臨界機組的發展計劃。這些計劃都是以鎳基超級合金為基礎材料的一次再熱和二次再熱機組。目前700℃等級的耐熱鎳基合金鋼的價格為600℃等級的耐熱合金鋼的5倍以上，若將這種材料應用于二次再熱2×1000MW超超臨界機組，僅四大管道的投資就將超過25億人民幣，如果采用二次再熱循環，鍋爐、汽輪機和高溫高壓蒸汽管道使用鎳基合金鋼所增加的投資成本相對于目前的燃料價格，毫無投資收益可言。
由此可見，在目前的技術條件、材料條件和常規設計方案下，汽輪發電機組效率的提高存在著投入和產出比的矛盾，這也成了制約下一代高效超超臨界機組發展的瓶頸。此外，在環保壓力和CO2減排的壓力下，對于目前火力發電的主力——亞臨界、超臨界機組而言，如何進行下一步的“升級”也將成為電力工業發展的另一個問題。

發明內容
有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種高溫高壓蒸汽管道極短、管道壓降損失極少、調節慣性較小，循環效率明顯提高的汽輪發電機組。
為實現上述目的，本發明提供了一種高低位分軸布置的汽輪發電機組，所述汽輪發電機組包括一鍋爐，所述鍋爐包括爐體及設置在所述爐體內的至少一級過熱器、至少一級再熱器；所述過熱器、所述再熱器分別具有蒸汽進出口并形成蒸汽進出口聯箱，所述爐體上對應所述蒸汽進出口聯箱處為聯箱連接區；一汽輪機組，所述汽輪機組分為凝汽式汽輪機組和背壓式汽輪機組兩種類型。凝汽式汽輪機組至少包括高壓缸的高置機組及至少包括低壓缸的低置機組，若干數量的中壓缸可以任意布置在高置機組或低置機組；背壓式汽輪機組至少包括高壓缸的高置機組，若干數量的中壓缸可以任意布置在高置機組或低置機組；一發電機組，所述發電機組包括至少一與所述汽輪機組連接的發電機；蒸汽管道系統，所述蒸汽管道系統至少包括所述鍋爐與所述高壓缸之間傳輸工質的管道，即主蒸汽管道和一次低溫再熱蒸汽管道；所述鍋爐和所述中壓缸之間傳輸工質的管道，即高溫再熱蒸汽管道；還可以包括所述第一中壓缸與所述鍋爐之間傳輸工質的管道，即二次低溫再熱蒸汽管道；以及所述中壓缸和所述低壓缸之間的普通蒸汽管道；所述高置機組和低置機組的蒸汽進出口與所述過熱器、所述再熱器的所述蒸汽進出口聯箱之間通過所述蒸汽管道連接；所述高置機組與所述高置發電機組成高置軸系，所述低置機組與所述低置發電機組成低置軸系；所述高置軸系設置在所述爐體外側臨近所述聯箱連接區處，即高位布置。
所述鍋爐中來自所述過熱器的高溫高壓蒸汽首先經所述高溫高壓蒸汽管道進入所述高置軸系的所述高壓缸中，所述高溫高壓蒸汽做功后，所述高壓缸排汽進入所述再熱器中加熱后生成高溫再熱蒸汽；所述高溫再熱蒸汽進入所述中壓缸做功后排出；所述汽輪發電機組由于將所述高置軸系設置在所述爐體外側臨近所述聯箱連接區處，所述蒸汽管道系統中的所述高溫高壓蒸汽管道的長度得以被極大地縮短。
以所述凝汽式汽輪發電機組按如下配置為例所述鍋爐包括至少一級所述過熱器，只有一級所述再熱器；所述高位布置的高置軸系包括一個所述高壓缸，一個所述中壓缸和所述高置發電機；所述低位布置的低置軸系包括一個所述低壓缸和所述低置發電機。
所述鍋爐中來自所述過熱器的高溫高壓蒸汽首先經所述主蒸汽管道進入高位布置的所述高置軸系的所述高壓缸中，所述高溫高壓蒸汽做功后，所述高壓缸排出的蒸汽通過低溫再熱蒸汽管道進入所述再熱器中后加熱；經過加熱后生成的再熱蒸汽通過所述高溫再熱蒸汽管道進入所述中壓缸做功，所述中壓缸排出的蒸汽壓力、溫度已經大大降低，通過所述普通蒸汽管道進入低位布置的所述低置軸系的所述低壓缸中繼續做功后排出；所述汽輪發電機組由于將所述高置軸系高位設置在所述爐體外側臨近所述聯箱連接區處，所述主蒸汽管道、所述低溫再熱蒸汽管道和所述高溫再熱蒸汽管道的長度得以被極大的縮短。
對于所述凝汽式汽輪機組而言，所述高置機組還可以包括若干數量的中壓缸，所述高置機組的所述高壓缸、所述若干數量的中壓缸與所述高置發電機組成所述高置軸系。
對于所述凝汽式汽輪機組而言，所述低置機組還可以包括若干數量的中壓缸，所述低置機組的所述若干數量的中壓缸、所述低壓缸與所述低置發電機組成所述低置軸系。
對于所述背壓式汽輪機組而言，可以只包括所述高置機組，所述高置機組的所述高壓缸、所述若干數量的中壓缸與所述高置發電機組成所述高置軸系。
對于所述背壓式汽輪機組而言，也可以包括所述高置機組和所述低置機組，所述高置機組的所述高壓缸、所述若干數量的中壓缸與所述高置發電機組成所述高置軸系；所述低置機組的所述若干數量的中壓缸與所述低置發電機組成所述低置軸系。
本發明的上述實施方案中，所述高置軸系設置在所述爐體外側貼靠所述聯箱連接區處，以極大的縮小高溫高壓蒸汽管道的長度。
本發明的汽輪發電機組采用了高置軸系與低置軸系高、低錯落布置的設計方案，將高置軸系設置在緊靠鍋爐聯箱連接區處，將低置軸系按照常規低位設置。由于高置軸系緊靠鍋爐聯箱連接區設置，使用于輸送高溫高壓蒸汽的高溫高壓管道極大的縮短，與原長度相比幾乎可以忽略，極大的減少了汽輪發電機組的高溫高壓管道成本，降低了蒸汽管道中高壓蒸汽的壓力和散熱損失。
本發明的汽輪發電機組還由于縮短了再熱蒸汽管道的長度，降低了再熱蒸汽管道中高壓蒸汽的壓力和散熱損失，同時減少了再熱系統中存儲的蒸汽量，從而提高了汽輪發電機組的效率，機組的調節慣性得到了極大的改善。
本發明的汽輪發電機組的布局構思，除了適用于背壓式汽輪發電機組外，主要適用于凝汽式汽輪發電機組(包括抽凝式發電機組)的布局設計，兩者的運行方式與原有雙軸機組傳統設計幾乎相同。
雖然本發明的汽輪發電機組的高置發電機向地面送電時需要延伸封閉母線，但目前成熟的封閉母線投資成本及增加的其他送電成本，相對于價格昂貴的高參數合金鋼蒸汽管道來說，有著數量級的差距。
由于采用了高、低錯落布置的設計方案，本發明的新型汽輪發電機組與現有技術中的汽輪發電機組具有以下優點(1)消除絕大部分的高溫高壓蒸汽管道的壓降，增加了汽輪機發電機組的做功能力，這種優點對于二次再熱機組更為明顯；(2)消除絕大部分的高參數、高價值的管道及相應的支吊架、保溫材料等的投資成本；(3)減少了有害蒸汽容積，極大的提高了汽輪發電機組的調節性能；(4)簡化了由于高溫高壓管道布置所需的廠房結構設計，降低了相應的地基載荷，降低了相應的土建的成本；(5)為下一代700℃等級高效超超臨界機組發展的消除了最主要的制約因素，為目前的亞臨界、超臨界機組提供了一條可行的“升級”之路。
以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。


圖1是現有技術中的塔式鍋爐與二次再熱汽輪機組常規布置示意圖；圖2是現有技術中的塔式鍋爐與雙軸二次再熱汽輪機組常規布置示意圖；圖3a是本發明的第一具體實施例的汽輪發電機組布置方案示意圖；圖3b是圖3a中A向示意圖；圖3c是圖3a中B向示意圖；圖4a是本發明的第二具體實施例的汽輪發電機組布置方案示意圖；圖4b是圖4a中A向示意圖；圖4c是圖4a中B向示意圖；圖5a是本發明的第三具體實施例的汽輪發電機組布置方案示意圖；圖5b是圖5a中A向示意圖；圖5c是圖5a中B向示意圖；圖6a是本發明的第四具體實施例的汽輪發電機組布置方案示意圖；圖6b是圖6a中A向示意圖；
圖6c是圖6a中B向示意圖；圖7a是本發明的第五具體實施例的汽輪發電機組布置方案示意圖；圖7b是圖7a中A向示意圖；圖7c是圖7a中B向示意圖；圖8a是本發明的第六具體實施例的汽輪發電機組布置方案示意圖；圖8b是圖8a中A向示意圖；圖9是本發明的第二具體實施例中高置軸系的另一種布置方案示意圖。
具體實施例方式
如圖3a、圖3b及圖3c所示，為本發明的第一具體實施例------鍋爐為塔式爐的雙軸二次再熱超超臨界凝汽式汽輪機組的布置方案示意圖。該機組為五缸四排汽，其中高壓缸211一個，中壓一缸212、中壓二缸221各一個，低壓缸222兩個，其中高壓缸211與中壓一缸212合缸，設計參數為28MPa/600℃/600℃/600℃。
本實施例的雙軸超臨界汽輪發電機組包括一鍋爐1，鍋爐1為本領域常用的塔式爐，包括爐體14及設置在爐體14內的省煤器18、三個過熱器11、13、15、兩個再熱器12、16；各過熱器及各再熱器分別具有蒸汽進出口并根據現有技術中的常用方式形成蒸汽進出口聯箱，爐體14上對應蒸汽進出口聯箱處為聯箱連接區17。
一汽輪機組2，汽輪機組2分為包括高壓缸211與中壓一缸212的高置機組21及包括2個低壓缸222及中壓二缸221的低置機組22，高置機組21與低置機組22通過管道連接。
一發電機組，包括與高置機組21連接的高置發電機41及與低置機組22連接的低置發電機42。
還包括蒸汽管道系統3，蒸汽管道系統3包括連通鍋爐1的過熱器13出口與高壓缸211、用于輸送高溫高壓蒸汽的主蒸汽管道31，連通高壓缸211與鍋爐1的一次再熱器12、用于輸送低溫一次再熱蒸汽的低溫一次再熱蒸汽管道32，連通一次再熱器12出口至中壓一缸212的高溫一次再熱蒸汽管道33，連通中壓一缸212至鍋爐1的二次再熱器16的低溫二次再熱蒸汽管道34，連通二次再熱器16出口至中壓二缸221的高溫二次再熱蒸汽管道35。還包括連通中壓二缸221至2個低壓缸222的普通蒸汽管道。其中，主蒸汽管道31、高溫一次再熱管道33和高溫二次再熱管道35需要使用600℃等級的耐高溫合金鋼。
如圖3b所示，高置機組21與高置發電機41組成高置軸系。如圖3c所示，低置機組22與低置發電機42組成低置軸系，低置軸系低位設置。
如圖3a所示，本發明的特殊之處在于，高置機組21帶一臺高置發電機41組成高置軸系，設置在一高位平臺5上。高位平臺5設置在爐體14外側，位置大致對應于聯箱連接區17。將高壓缸211和中壓一缸212的合缸作為高置機組21高位布置在塔式爐前部設置的高位平臺5上，并使高壓缸211和中壓一缸212的蒸汽進出口盡可能地貼近聯箱連接區17。高置機組21的蒸汽進出口與各過熱器、各再熱器的蒸汽進出口聯箱通過高溫高壓管道3連接。低置機組22包括中壓二缸221與兩個低壓缸222帶一臺低置發電機42組成低置軸系，仍然低位布置在常規汽機房內。
高位平臺5及其上的高置軸系可以與爐體14后部的煙道19平衡重量，保證整體鋼結構設計的安全性。在本發明的其他實施例中，也可以省略高位平臺，而采取懸掛的方式吊裝高置軸系。
按此布置方案，由于高置機組21中的高壓缸211與中壓一缸212貼近聯箱連接區17設置，從鍋爐1的過熱器13出口到汽輪機高壓缸211的主蒸汽管道31大大縮短，而此后高壓缸211排汽即低溫一次再熱蒸汽通過低溫一次再熱蒸汽管道32直接返回鍋爐一次再熱器12加熱。經過加熱的高溫一次再熱蒸汽也只通過高溫一次再熱管道33送入中壓一缸212。隨后，做功后的低溫二次再熱蒸汽經低溫二次再熱蒸汽管道34直接返回鍋爐1。最后，經過二次再熱器加熱后的高溫二次再熱蒸汽，按常規路徑的蒸汽管道35送到低位布置的汽輪發電機房，進入低置機組22的中壓二缸222和低壓缸221繼續做功發電。這樣一來，現有技術中原五個回路的蒸汽管道系統主蒸汽管31，低溫一次再熱蒸汽管32、高溫一次再熱蒸汽管33、低溫二次再熱蒸汽管34、高溫二次再熱蒸汽管35在本發明的高、低軸系錯落布置的汽輪機組中變化為其中主蒸汽管31，低溫一次再熱蒸汽管32、高溫一次再熱蒸汽管33、低溫二次再熱蒸汽管34被縮短到極小。若忽略鍋爐1與高置機組21之間的距離，則該四個回路的管道長度基本可以省去，只剩下高溫二次再熱蒸汽管35。
就管道系統3而言，采用高、低軸系錯落布置的發電機組的高溫高壓蒸汽管道的投資成本將大大降低。
而且就再熱系統所存儲的蒸汽量來說，如圖3a所示，本實施例的發電機組可以大量減少常規布置中二次再熱系統的蒸汽存儲量，這使得本發明的發電機組的調節性能與常規的一次再熱發電機組相當。
本實施例的雙軸二次再熱超超臨界汽輪發電機組由于采用了高、低軸系錯落布置，相對現有技術的超臨界汽輪發電機組而言，其主蒸汽管，低溫一次再熱蒸汽管、高溫一次再熱蒸汽管、低溫二次再熱蒸汽管長度縮短到幾乎可以忽略不計，蒸汽管道系統中的高溫高壓蒸汽管道投資大幅下降。
在這種布置設計的實際應用中，還可以通過旁路作用，高置機組和低置機組分別獨立并網，互不影響。將中壓一缸和中壓二缸錯位分開布置，在高置機組出現問題跳機的情況下，蒸汽通過旁路進入低置機組仍可正常發電。同理，中壓一缸排汽可以通過旁路直接進入凝汽器，在低置機組跳閘時仍可維持高置機組的運行。
把中壓二缸布置于常規平臺上可以減小高位平臺的荷載和軸系長度，對于初次進行此類高置機組的設計，可以減小設計難度。
由此，本實施例的超超臨界汽輪發電機組的高溫高壓蒸汽管道大大縮短，具有以下優點首先，高溫高壓蒸汽管道系統的投資大幅下降。
其次，管道系統阻力大大下降，雖增加了一次再熱，但汽輪機總做功能力損失并未因此上升。計及再熱器自身的壓降本實施例的二次再熱系統的總做功能力損失與常規一次再熱機組相當。
再次，高溫高壓蒸汽管道大幅減少，相應減少了系統散熱損失。同時，再熱系統的蒸汽存儲量沒有增加，所以本實施例的發電機組的調節慣性仍與常規一次再熱機組相當。通常情況下，再熱系統的設計壓降為再熱蒸汽壓力的6.7~10％。這一壓降一般由再熱管道及再熱器對分。以本實施例中的高置機組為高壓缸、中壓一缸，低置機組為中壓二缸和兩個低壓缸，且兩次再熱循環方案為例。本實施例的發電機組，一次再熱系統消除了低溫再熱和高溫再熱管道，故只剩下再熱器壓降，相當于減少一半。而二次再熱系統只取消了二次低溫再熱管道，壓降又減少了1/4，增加了一級再熱器，總當量壓降僅增加了約1/4。因此，整個兩次再熱循環與現有技術中的一次再熱循環相比只增加了1/4的壓降。若考慮到本實施例中主蒸汽管道也被減少到忽略不計的長度，則綜合而言，二次再熱的系統總做功能力損失將與一次再熱系統基本持平。
以上的優點使得二次再熱循環的理論熱經濟增量得到了幾乎沒有折扣的充分體現。
如圖4a、圖4b、圖4c所示是本發明第二具體實施例的汽輪發電機組布置方案示意圖。本實施例的結構與第一實施例的結構基本相同，所不同之處在于，發電機組2還包括中壓二缸213。將中壓二缸213布置在高置機組21的高位平臺5上，使高壓缸211、中壓一缸212、中壓二缸213和高置發電機41組成高置軸系，布置在鍋爐1蒸汽進出口聯箱區17附近的高位平臺5上，兩低壓缸221和低置發電機42組成的低置軸系布置在常規汽機房平臺。本實施例中高壓缸和中壓缸全部置于高位，所有高溫高壓管道的長度可忽略，低位平臺上只布置有低壓缸，低壓缸則可配置半速機，末級葉片長度可增加，其余速損失可大幅下降，低壓缸效率增加，但此時半速發電機的造價又將有所上升。
本發明應用于二次再熱機組的上述兩種實施方案各有所長，具體采用哪種布置方案，還需結合工程實際情況進行技術和經濟性比較后再做出決定。
本實施例中，蒸汽管道系統3中所有的高溫高壓蒸汽管道都緊靠鍋爐1的蒸汽進出口聯箱區17，其長度可忽略不計，此時，從高位向下的管道僅為中壓二缸213出口至低壓缸221的中壓二缸排汽管36，采用普通碳鋼材料就足以滿足參數要求。采用這種方案后，所有的高溫高壓蒸汽管道主蒸汽管31、低溫一次再熱蒸汽管32、高溫一次再熱蒸汽管33、低溫二次再熱蒸汽管34、高溫二次再熱蒸汽管35的長度被盡可能的縮短，傳統“四大管道”的投資費用被降到最低，蒸汽管道系統3的投資大幅下降。但此時為了確保后置機組的安全，需在低壓缸221進口前加裝一個大口徑快關碟閥(圖中未示出)，以防止低壓缸超速。目前這種壓力等級下大口徑快關碟閥的制造技術已屬常規技術。
因此，對于特大容量或更高蒸汽參數(＞600℃)的機組，鑒于兩次再熱管道的價格也很高，可以優先考慮將中壓二缸213布置在高位平臺5上。
如圖5a、圖5b、圖5c所示是本發明第三具體實施例的汽輪發電機組布置方案示意圖。本實施例的結構與第一實施例的結構基本相同，所不同之處在于，本實施例為本發明應用在一次再熱超臨界汽輪發電機組。本實施例的結構與第一實施例的結構區別在于，將發電機組2中高壓缸211和高置發電機41所組成的高置軸系就近布置在鍋爐1的蒸汽進出口聯箱17附近的高位平臺5上，中壓缸221、低壓缸222組成的低置機組22和低置發電機42組成的低置軸系布置在常規汽機房平臺。這樣的布局設計獲得的技術效果是，蒸汽管道系統3中的主蒸汽管道31、冷再熱蒸汽管道32長度縮短到幾乎可以忽略不計，只有熱再熱蒸汽管道33的長度與原來相當，高溫高壓蒸汽管道系統投資大幅下降。
如圖6a、圖6b、圖6c所示是本發明第四具體實施例的汽輪發電機組布置方案示意圖。本實施例也為本發明應用在一次再熱超臨界汽輪發電機組。本實施例的結構與第三實施例的結構基本相同，所不同之處在于，本實施例的結構為，將發電機組2中的高壓缸211、中壓缸212組成的高置機組21和高置發電機41組成的高置軸系布置在鍋爐1的蒸汽進出口聯箱區17附近的高位平臺5上，低壓缸221和低后置發電機42組成的低后置軸系布置在常規汽機房平臺。這樣的布局設計獲得的技術效果是，蒸汽管道系統3中主蒸汽管道31、冷再熱蒸汽管道32、熱再熱蒸汽管道33長度幾乎可以忽略不計，所有高溫高壓蒸汽管道的長度都被縮到最短，從高位向下的管道僅為從中壓缸212出口至低壓缸221的中壓缸排汽管34，采用普通碳鋼材料就足以滿足參數要求，管道系統投資得以大幅下降。
如圖7a、圖7b、圖7c所示是本發明第五具體實施例的二次再熱汽輪發電機組布置方案示意圖。本實施例的結構與第一具體實施例的結構基本相同，所不同之處在于，本發明應用于機組鍋爐為Π型爐。圖7a中將發電機組2中的高壓缸211和中壓一缸212的合缸作為高置機組21高位布置在Π型爐1頂部設置的平臺5上，Π型爐的鋼結構可以承受這部分重量，低置機組22由低壓缸221和中壓二缸222組成，仍按照常規的低位布置。高置機組21帶一臺高置發電機41組成高置軸系，低置機組22帶一臺低置發電機42組成低置軸系。由于高置軸系高位貼近設置在鍋爐1的蒸汽進出口聯箱區17邊，使得蒸汽管道系統3中的高溫高壓管道31、32、33、34的長度基本可以省去，只剩下高溫二次再熱蒸汽管道35，大大降低管道投資成本，減少阻力損失，提高機組的調節性能。
如圖8a、圖8b所示是本發明的第六具體實施例------背壓式汽輪發電機組布置方案示意圖。本實施例的結構與第一實施例的結構基本相同，所不同之處在于背壓式汽輪機組取消了低置機組。本實施例中，將高壓缸211、中壓缸212組成高置機組21和高置發電機4組成的高置軸系布置在鍋爐1的蒸汽進出口聯箱區17附近的高位平臺5上，而將常規位于低位平臺的低置軸系取消，從中壓缸212出口的排汽直接送往供熱用戶。
由于上述布置，本實施例的發電機組的蒸汽管道系統3中的高溫高壓管道31、32、33的長度可以大大縮短，只剩下從中壓缸出口向下的普通排汽管道34，降低了投資成本，減少阻力損失，提高機組的調節性能。
本說明書中只例舉了將本發明應用于背壓式機組的其中一種布置方案。在本發明的其他實施例中，也可將中壓缸置于常規低位平臺而只將高壓缸置于高位平臺；或對于二次再熱機組也同樣適用。
本發明的汽輪發電機組采用高、低軸系布置的設計方案后，汽輪發電機組被分成錯落布置的高置軸系、低置軸系兩個軸系。與常規發電機組不同的就是高置軸系與低置軸系的布置。高置軸系就近布置在鍋爐的過熱器出口聯箱和再熱器出口聯箱附近的高位平臺上，而低置軸系布置在常規汽機房平臺。
從鍋爐角度而言，高置機組及其整體平臺重量相對于鍋爐的總重量而言只是“九牛一毛”，因此，將高置機組和整體平臺懸吊在大板梁上并不難實施，對于Π型爐來說，將高置機組安裝在爐頂則更非難事。在進行設計時，關鍵是考慮爐頂或爐前上部高置汽輪發電機的布置和基礎設計、高置機組振動能量的吸收，與鍋爐鋼結構及其基礎的綜合銜接問題。而這些課題都是在現有的技術平臺上能夠解決的問題。
就電氣系統而言，高、低位分散布置對電氣系統并無特殊要求發電機、主變壓器、封閉母線，或者發電機出口斷路器等與常規雙軸汽輪發電機組的普通電廠一樣，設備均為目前成熟的產品，且設計、建設、運行經驗豐富。電氣主接線可根據工程情況采用擴大單元接線，設置一臺主變壓器；亦可采用發變組單元接線，設置兩臺主變壓器，高置發電機和低置發電機分別并網，這是目前國內電廠普遍采用的主接線方式，經驗豐富，投資較少；或在發電機出口設置斷路器，高置發電機和低置發電機的并網點可在高壓側，也可在低壓側，優點是可以主變倒送電帶廠用電，省去了啟動備用變壓器，但增加了發電機斷路器，兩方面投資可以平衡。上述主接線方式均適用于本發明的不同實施例。
對于分散布置的發變組單元接線，主變壓器可集中布置在主廠房外升壓站側，即兩臺主變壓器布置在一起，高置發電機封閉母線從主廠房中穿過。如果條件允許，主變壓器亦可分散布置在各自的發電機附近，如一臺主變壓器布置在主廠房外升壓站側，另一臺主變壓器布置在高置發電機平臺或鍋爐附近，縮短封閉母線。
上述主接線方式和布置方案，發電容量受限于原動機出力，但以目前鍋爐和汽輪機的成熟技術，原動機出力可達1300～1500MW(鍋爐煙煤，汽輪發電機組雙軸)，故本設計的單機容量大大超過目前單軸機組的1000MW；即體現了大機組的規模效應，又能滿足電力送出要求。
單臺大容量發電機拆分為兩臺小容量發電機，在總價上不會有明顯的上升。當然，采用本發明中的高、低軸系布置設計方案的二次再熱系統會帶來鍋爐和汽輪機投資的增加。但由于高溫高壓蒸汽管道等投資的大幅降低，總單位造價應與目前機組相當，從效率提升角度來看，采用高、低布置雙軸二次再熱汽輪機還可以有以下優點，這使得本發明的發電機組性價比更高，容量跨度更大。
首先，將中壓一缸設計為單流，與單流的高壓缸合缸。單流中壓缸增加了葉片高度，將顯著提高中壓一缸的效率；其蒸汽流向與高壓缸相反，能與高壓缸形成的推力基本平衡，從而省去平衡鼓，降低漏氣損失，提高高壓缸的效率；而且由于合缸后的高壓缸軸封漏汽直接進入中壓一缸，既減少了高壓缸軸封漏汽，又消除了中壓一缸的進汽側軸封漏汽，進一步提高了整體效率。中壓一缸的排汽壓力較高，可達2~3MPa，其末級葉片不會過長，故高壓缸和中壓一缸的合缸較易實現。
如圖9所示，為本發明的第二實施例中高置軸系的另一種布置方案示意圖。本實施例的高置軸系與第二實施例采用的高壓缸211、中壓一缸212合缸布置方案不同，本實施例中高壓缸211與中壓一缸212采用分缸布置的設計方案，即將高壓缸211、中壓一缸212分缸，在總體上可以達到與合缸布置相同的技術效果。
在本發明的其他實施例中，多缸的高置軸系均可以采用如此的分缸布置，本發明書中不再一一例舉。
本發明的雙軸高低布局的設計構思，可以應用在下表所列的各種配置的發電機組中。如本領域技術人員所熟知，其中中壓缸的數量并不局限于兩個。

注凝汽式機組包括抽凝式機組。
由于發電機組采用雙軸布置，汽輪發電機的容量可以大大超越現有水平。對于高壓缸，當不采用調節級后，增加功率不會影響首級葉片的安全，而且質量流量的提高能補償主蒸汽壓力提高造成的比容下降，確保高壓缸的內效率。同樣對于中壓缸來說，質量流量的提高也有利于提高內效率。對于低置機，質量流量提高后，為確保排汽面積，可以增加一個低壓缸，即使中壓二缸加上三個低壓缸，后置機四缸未超出現有單軸機組的軸系穩定配置。如果按照后置機四缸，低壓缸排汽面積3×12.5m2推算，機組容量可以達到1500MW水平。
以目前28MPa/600℃/600℃等級的一次再熱2×1000MW超超臨界機組為例，總投資約80億元人民幣，其中“四大管道”(主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道、低溫再熱蒸汽管道和高壓給水管道)的價格約為3.5億元人民幣。若采用同溫度同壓力等級的二次再熱方案28MPa/600℃/600℃/600℃，機組循環效率能相對提高近5％，此時再熱蒸汽管道數量增加一倍，每臺汽輪機需增加一個中壓缸，加上多了一級再熱，鍋爐的造價也會增加。另外，新增的二次高溫、低溫再熱蒸汽管道的布置需要更大的廠房空間，廠房建設的投資將明顯上升。但采用本發明方案后，高溫蒸汽管道的價格將節省80％以上，用節省下來的這部分投資來彌補增加一次再熱后鍋爐、汽機投資的上升，總體而言，其造價將與同溫度同壓力等級的一次再熱同等級的超超臨界機組相當，考慮到管道壓降的減少和汽輪機整體效率的提高，機組效率將比后者提高5％～6％左右，機組熱效率可望超過48％。一個兩臺1000MW機組的超超臨界電廠，若采用這種設計，節煤將超過20萬噸/年。
除只帶高置機的背壓式機組外，應用于本發明的汽輪發電機組啟動和運行方式與傳統雙軸機無異。而對于高置機的電量輸送問題，目前的封閉母線技術成熟，且其造價與昂貴的高合金蒸汽管道根本無法相提并論，經濟優勢明顯。本發明的設計構思在各種發電機組中的應用既能夠突破下一代700℃等級高效超超臨界機組發展的瓶頸，又可為目前的亞臨界、超臨界機組提供了一條可行的“升級”之路。
本發明具有以下優點和效果汽輪發電機組高、低位分散布置，大大減小了高溫高壓管道的長度和系統阻力，降低了再熱系統的儲汽量和機組的調節慣性，并使二次再熱，或者多次再熱的理論效益達到沒有折扣的回收。在同等造價下大大提高系統熱效率；使機組容量突破目前瓶頸；為未來火力發電機組提供嶄新發展空間。
綜上所述，本說明書中所述的只是本發明的幾種較佳具體實施例。凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在本發明的權利要求保護范圍內。
權利要求
1.一種新型汽輪發電機組，所述汽輪發電機組包括一鍋爐，所述鍋爐包括爐體及設置在所述爐體內的至少一級過熱器、至少一級再熱器；所述過熱器、所述再熱器分別具有蒸汽進出口并形成蒸汽進出口聯箱，所述爐體上對應所述蒸汽進出口聯箱處為聯箱連接區；一汽輪機組，所述汽輪機組包括至少一高壓缸和至少一中壓缸；一發電機組，所述發電機組包括至少一與所述汽輪機組連接的發電機；蒸汽管道系統，所述蒸汽管道系統至少包括連通所述鍋爐與所述高壓缸、連通所述鍋爐與所述中壓缸并用于輸送高溫高壓蒸汽的高溫高壓蒸汽管道；其特征在于所述高壓缸與所述發電機組成高置軸系；所述高置軸系設置在所述爐體外側臨近所述聯箱連接區處；所述鍋爐中來自所述過熱器的高溫高壓蒸汽首先經所述高溫高壓蒸汽管道進入所述高置軸系的所述高壓缸中，所述高溫高壓蒸汽做功后，所述高壓缸排汽進入所述再熱器中加熱后生成高溫再熱蒸汽；所述高溫再熱蒸汽進入所述中壓缸做功后排出；所述汽輪發電機組由于將所述高置軸系設置在所述爐體外側臨近所述聯箱連接區處使得所述蒸汽管道系統中的所述高溫高壓蒸汽管道的長度被極大地縮短。
2.如權利要求1所述的汽輪發電機組，其特征在于所述汽輪機組還包括一低置機組，所述低置機組包括至少一低壓缸；所述發電機組還包括與所述低置機組連接的低置發電機；所述低置機組與所述低置發電機組成低置軸系，所述低置軸系低位設置；所述蒸汽管道系統還包括連通所述中壓缸與所述低壓缸的普通蒸汽管道；所述中壓缸做功后排出的蒸汽通過所述普通蒸汽管道輸送到所述低置軸系的所述低壓缸中做功后排出。
3.如權利要求1所述的汽輪發電機組，其特征在于所述中壓缸高位設置并與所述高壓缸組成高置機組，所述高置機組與所述發電機組成所述高置軸系。
4.如權利要求1所述的汽輪發電機組，其特征在于所述中壓缸低位設置并與一低置發電機組成低置軸系。
5.如權利要求1所述的汽輪發電機組，其特征在于二所述中壓缸高位設置并與所述高壓缸組成高置機組，所述高置機組與所述發電機組成所述高置軸系。
6.如權利要求1所述的汽輪發電機組，其特征在于一所述中壓缸高位設置并與所述高壓缸組成高置機組，所述高置機組與所述發電機組成所述高置軸系；另一所述中壓缸低位設置并與一低置發電機組成低置軸系。
7.如權利要求2所述的汽輪發電機組，其特征在于所述中壓缸高位設置并與所述高壓缸組成高置機組，所述高置機組與所述發電機組成所述高置軸系。
8.如權利要求2所述的汽輪發電機組，其特征在于所述中壓缸低位設置并與所述低壓缸及所述低置發電機組成所述低置軸系。
9.如權利要求2所述的汽輪發電機組，其特征在于所述高壓缸與二所述中壓缸組成高置機組，所述高置機組與所述發電機組成所述高置軸系。
10.如權利要求2所述的汽輪發電機組，其特征在于所述高壓缸與一所述中壓缸組成高置機組，所述高置機組與所述發電機組成所述高置軸系；所述低置機組還至少包括另一中壓缸，所述低置機組與所述低置發電機組成所述低置軸系。
11.如權利要求1至10任一所述的汽輪發電機組，其特征在于所述高置軸系設置在所述爐體外側貼靠所述聯箱連接區處。
全文摘要
本發明公開了一種新型汽輪發電機組，至少包括鍋爐及其中的過熱器、再熱器，鍋爐上對應過熱器、再熱器的蒸汽進出口聯箱處為聯箱連接區；蒸汽管道系統包括至少連通鍋爐與高壓缸和中壓缸、用于輸送高溫高壓蒸汽的管道；高壓缸與發電機組成高置軸系，高置軸系設置在鍋爐外側臨近聯箱連接區處。本發明還可以包括一低位設置的低置軸系。本發明由于將高、低軸系錯落布置，顯著減小了蒸汽管道系統中昂貴的高溫高壓蒸汽管道的長度和管道系統的壓降和散熱損失，提高了機組的做功能力，還降低了再熱系統的儲汽量和機組的調節慣性，并能使兩次再熱機組的經濟性得以充分體現。
文檔編號F01D15/10GK101042058SQ200710040128
公開日2007年9月26日 申請日期2007年4月27日 優先權日2007年4月27日
發明者馮偉忠 申請人:馮偉忠