Лейзерович А. Ш.
К концу 2001 г. была завершена обработка и частично опубликованы данные первого года работы и приемочных испытаний двух новейших энергоблоков, введенных в эксплуатацию на ТЭС Германии и Японии - стран, являющихся в настоящее время несомненными лидерами развития мировой теплоэнергетики. Это первый из двух блоков мощностью 907 МВт ТЭС Boxberg в составе восточно-германского энергообьединения VEAG (Vereinigte Energiewerke AG) и блок № 2 1050 МВт ТЭС Tachibanawan в префектуре Токусима, остров Сикоку, в составе энергообъединения “Electric Power Development Со” (EPDC).
Блок № 1 ТЭС Boxberg с турбиной производства “Siemens Power Generation” был включен в сеть в июне 2000 г. и прошел приемочные тепловые испытания в октябре того же года, продемонстрировав КПД нетто 42,7% при КПД турбины брутто (по мощности на зажимах генератора) 48,5% [1,2]. Блок №2 ТЭС Tachibana-wan с турбиной фирмы “Mitsubishi Heavy Industries” (MHI) был сдан в промышленную эксплуатацию в декабре 2000 г.; с КПД брутто 49% турбина этого блока признана на сегодняшний день самой экономичной в мире [3].
Приведенные показатели, достигнутые в первый год нового столетия, как бы дают отметку уровня экономичности, на который должно быть ориентировано новое проектируемое энергооборудование. Знаменательно, что оба рассматриваемых энергоблока работают на буром угле, так же как построенные ТЭС Schwarze Pumpe (2 х 800 МВт) и Lippendorf (2 х 933 МВт), а также сооружаемый блок “К” ТЭС Niederaussem (965 МВт). Вместе они составили основу новых энергомощностей Германии [4, 5].
ТЭС Tachibanawan, с вводом блока №2, достигшая установленной мощности 2100 МВт, стала крупнейшей, наряду с ТЭС Hekinan (3 х 700 МВт) энергообъединения “Chubu Electric”, и наиболее экономичной углесжигающей ТЭС Японии [3].
Обращает на себя внимание весьма близкий уровень значений КПД для турбин с существенно различным уровнем параметров пара. Параметры пара на блоке ТЭС Boxberg: 26,6 МПа, 545/581°С, на блоке № 2 ТЭС Tachibanawan - 25 МПа, 600/610°С,
Расчетные оценки MHI показывают, что повышение температур пара с 538/593°С до 600/600°С при неизменном уровне давления свежего пара 24,5 МПа дает улучшение экономичности турбины на 2,2%, т.е. повышение КПД примерно на 0,9% [3]. По немецким оценкам [5], повышение параметров с 25 МПа, 540/560°С до 27 МПа, 585/600°С должно давать увеличение КПД на 1,3% и дальнейшее повышение до 28,5 МПа, 600/620°С - еще на 0,6%.
Близость фактических значений КПД турбин одного класса мощности, одного поколения, существенно отличающихся по уровню параметров пара, свидетельствует о наличии, по крайней мере, у некоторых из этих турбин существенных резервов повышения экономичности сокращением потерь в проточной части, совершенствования конструкции, повышения качества изготовления.
Турбины двух рассматриваемых энергоблоков при примерно одинаковом уровне мощности существенно отличаются по используемым конструктивным решениям. Начать с того, что турбина Siemens мощностью 907 МВт с частотой вращения 3000 об/мин - одновальная пятицилиндровая (однопоточный ЦВД, двухпоточный ЦСД и три двухпоточных ЦНД1), тогда как турбина MHI 1050 МВт для энергообъединения с частотой сети 60 Гц - двухвальная: с быстроходным валом, на котором располагаются двухпоточные ЦВД и ЦСД, и тихоходным (1800 об/мин) валом с двумя цнд.
Как известно, предельная мощность турбины, ее общая конфигурация и конструктивная схема во многом определяются длиной используемых лопаток последней ступени (ЛПС). На новых мощных турбинах Siemens на 3000 об/мин, в том числе для ТЭС Boxberg, устанавливаются свободностоящие (необандаженные, без проволочных связей) стальные ЛПС длиной 991 мм, обеспечивающие кольцевую площадь одного выхлопа 10 м2. В процессе разработки находятся стальные ЛПС длиной 1144 мм, обеспечивающие кольцевую площадь выхлопа 12,5 м2 (первый объект, на котором предполагается их использовать, - блок Niederaussem “К”), и титановые ЛПС длиной 1350 мм [6].
На турбине блока № 2 ТЭС Tachibanawan использованы ЛПС с цельнофрезерованным бандажом длиной 1170 мм, что существенно сокращает потери с выходной скоростью и позволяет выполнить турбину той же конфигурации мощностью до 1300 МВт [3]. Вместе с тем, фирма Hitachi объявила о готовности к выпуску одновальных четырехцилиндровых (ЦВД+ЦСД+2 х ЦНД) быстроходных турбин мощностью 1000 МВт с титановыми ЛПС длиной 1016 мм на частоту 60 Гц и стальными ЛПС длиной 1093 мм на частоту 50 Гц [7]. Аналогичные проекты разрабатываются и фирмой MHI; при этом планируется использовать титановые ЛПС длиной 1144 мм для частоты 60 Гц и стальные ЛПС длиной 1220 мм для частоты 50 Гц [3].
MHI традиционно выпускает турбины с реактивным облопачиванием ЦВД и ЦСД. При мощности 1000 МВт и выше оба цилиндра делаются двухпоточными, симметричными относительно оси паровпуска, в частности, - с двухдисковой регулирующей ступенью и двойной сварной сопловой коробкой в ЦВД. Рабочие лопатки двухпоточной регулирующей ступени собраны в пакеты по три. Все роторы турбины цельнокованые с центральным сверлением. Выход на уровень температур пара 600-610°С потребовал применения стали 12Сг для роторов ЦВД и ЦСД [8, 9], при этом предусматривается паровое охлаждение обоих роторов в зоне паровпуска и первых ступеней. Ввиду высокой твердости роторных сталей с высоким содержанием хрома на шейках роторов делаются наплавки, уменьшающие износ подшипников.
Сопловые коробки, внутренние корпуса ЦВД и ЦСД, обоймы первых ступеней выполнены из отливок стали 12Сг; корпуса стопорно-регулирующих клапанов и паровпускные патрубки ВД сделаны из поковок стали 9Сг. Рабочие лопатки первых ступеней изготовлены из жаропрочного сплава R26. Для сокращения потерь от вентиляции и паразитных протечек пара рабочие лопатки всех ступеней, включая ЛПС, выполнены с цельнофрезерованными бандажами. Для расчета и проектирования прогонной части используются новейшие компьютерные программы в трехмерной постановке.
Повышение параметров пара, сокращение выходных потерь благодаря увеличению площади выходного сечения ЛПС, использование более совершенных профилей лопаточного аппарата и трехмерное проектирование проточной части, по оценкам MHI, дали снижение удельного расхода тепла на 4% по сравнению с турбинами на параметры пара 24,2 МПа, 538/566°С, выпускавшимися до 1993 г.
Как уже отмечалось, по сравнению с современными японскими блоками турбина фирмы Siemens блока ТЭС Boxberg рассчитана на существенно более скромные параметры пара. Применение ЛПС сравнительно умеренной длины обусловливает выполнение турбины в пяти цилиндрах (с тремя ЦНД). Для лучшей организации теплового расширения турбины стулья всех подшипников жестко закреплены на фундаменте, а наружные корпуса ЦВД и ЦСД и внутренние корпуса ЦНД, опираясь на них, скользят по направляющим на корпусах подшипников.
Тепловое расширение роторов идет от упорноопорного подшипника, расположенного между цилиндрами ВД и СД. Siemens традиционно выполняет свои турбины большой мощности с комбинированными стопорно-регулирующими клапанами, дроссельным парораспределением без сопловых коробок ВД, однопоточным ЦВД с наружным корпусом “горшковой” конструкции (без горизонтального фланцевого разъема). Существенно, что, несмотря на достаточно внушительную общую массу ЦВД в 120 т, весь цилиндр может быть доставлен и установлен на станцию полностью собранным на заводе-изготовителе.
При традиционной ориентации, как и MHI, на использование реактивного облопачивания в частях ВД и СД в последних своих проектах Siemens реализует идею индивидуального выбора оптимальной степени реактивности для каждой ступени, варьируя ее в широких пределах [10]. Повышение экономичности достигается также проектированием всей проточной части турбины в трехмерной постановке с использованием закрученных, изогнутых и наклоненных направляющих и рабочих лопаток. По оценкам, совершенствование проточной части дало повышение внутреннего относительного КПД примерно на 2%.
В числе других факторов, направленных на сокращение потерь, следует отметить увеличение поперечного сечения и специальное профилирование пароподводящих и выхлопных патрубков с использованием при необходимости дополнительных направляющих козырьков, отражателей, экранов для предотвращения завихрений и обратных течений, снижения потерь давления, бандажирование рабочих лопаток всех ступеней, кроме ЛПС, с использованием усовершенствованных лабиринтовых надбандажных уплотнений, тепловую изоляцию наружных корпусов ЦНД, перепускных и пароотборных труб НД.
В результате всех этих мероприятий, по данным приемочных испытаний, были получены приведенные в начале статьи значения КПД энергоблока и турбины. Относительные внутренние КПД цилиндров ВД и СД были равны 94,2% и 96,1% соответственно [1,2].
При всей значимости достигнутых показателей экономичности рассматриваемых турбин они будут, по-видимому, перекрыты уже в ближайшем будущем. Потенциальным “рекордсменом” является упомянутая турбина блока Niederaussem “К” - при сохранении основных конструктивных решений, таких, как в турбине ТЭС Boxberg, новая машина будет выгодно отличаться более высокими параметрами пара (27,5 МПа, 580/600°С) и увеличенной на 25% площадью выхлопов НД благодаря применению более длинных ЛПС. Расчетный КПД нетто для этого блока составляет 45,2% [5, 11].
Можно также ожидать высоких показателей экономичности и от новых блоков мощных японских ТЭС за счет использования сверхвысоких параметров пара (вплоть до 30 МПа, 630/630°С к 2005 г.) в сочетании с дальнейшим совершенствованием проточной части и выхлопов НД турбины.
Список литературы
- Hoffstadt U. Boxberg achieves world record for efficiency. - Modem Power Systems, 2001, October.
- Siemens: Weltrecord im Turbinenwirkungsrad Braunkohlek-raftwerk Boxberg markiert Benchmark im Dampfiturbinenbau. - VGB PowerTech, vol. 81, 2001, № 12.
- Tachibana-wan unit 2 takes a supercritical step forward for Japan. - Modem Power Systems, 2001, December.
- DubslaffE. Lignite-Based Power Generation by Modem Units - an Important Option for German Utilities. - VGB PowerTech, vol. 80, 2000, № 6.
- Jager G., Theis K. A. Increase of Power Plant Efficiency. - VGB PowerTech, vol. 81, 2001, № 11.
- Oeynhausen H., DrosdziokA., Ulm W., Tennuehlen H., Advanced 1000 MW Tandem-Compound Reheat Steam Turbine / Proceedings of the American Power Conference, vol. 58 (1996), Chicago.
- Development of Tandem-Compound 1000-MW Steam Turbine and Generator / Nameki Y., Murohoshi T., Hiyama F., Na- mura K. - Hitachi Review, vol. 47, 1998, № 5.
- ObaraL, Yamamoto I, Tanaka Y. Design of 600°C Class 1000 MW Steam Turbine. - Mitsubishi Heavy Industries - Technical Review, vol. 32, 1995, № 3.
- Design and Operating Experience of a 1000-MW Steam Turbine for the Chugoku Electric Power Co., Inc. Misumi No. 1 Unit / Ward M., Fukuda H., Tsuchiya M., Fujikawa T., Yamamoto T. - Mitsubishi Heavy Industries - Technical Review, vol. 36, 1999, № 3.
- Impulse Blading? Reaction Blading? Variable Reaction Blading / Simon V, Oeynhausen H., Burkner R., Eich K.-J. - VGB Kraftwerkstechnik (VGB PowerTech), vol. 77, 1997, №9.
- Lignite-fired NiederauPem К aims for efficiency of 45 per cent and more / Heitmiiller J., Fischer H., Sigg J., Bell R., Hartlieb N. - Modem Power Systems, 2000, № 1.
