更适合未来发电厂的涡轮机


作者: Christa Friedl 日期:2019/04/26 来源:MM《现代制造》

更适合未来发电厂的涡轮机

对气候有利的、低碳的、可再生的和联网的,欧盟的能源政策为未来的能源系统定下了基调。欧盟委员会的“2050年能源路线图”假设:到2020年时欧盟的绿色电力比例将上升到35%,到2050年时至少达到64%。在这一愿景中似乎没有古生物燃料和相关基础设施的空间了。“我们必须摆脱对煤炭、石油和天然气的依赖。”联邦环境部长Svenja Schulze先生代表布鲁塞尔的许多能源和气候政治人士提出了这样的要求。

未来谁还需要为确保生产不可动摇的电力而建造的大型古生物燃料的发电厂呢?谁还需要能最经济的、高效运行的、性能和转速以及流量都很少改变的涡轮机呢?换一种说法:欧洲的涡轮机生产厂家担心欧盟的低碳、可再生能源政策使涡轮机市场走下坡路。

图1 蒸汽涡轮机在可再生能源生产中承担着能量转化的任务,例如在生物质火力发电厂中或者太阳能发电设备中
图1 蒸汽涡轮机在可再生能源生产中承担着能量转化的任务,例如在生物质火力发电厂中或者太阳能发电设备中

可再生能源的火爆并不是欧洲工业的终结,总部地址位于布鲁塞尔的欧盟涡轮机制造商协会主席Michael Ladwig博士坚信:“火力发电厂将继续像以往一样是电力能源供应保障的必要条件。”之所以这样说是有原因的:首先,专家认为到2030年之后才能有经济的、性能强大的大型电力和热能储存设备。其次,在可以预见的未来,能够实现电力生产、储存和消耗之间信息交流的智能电网以及智能化平衡电力需求的电网还不可能用人们可以接受的成本费大面积的覆盖整个用电地区。

天气依赖型工业的救命稻草

即使是可再生能源的比例进一步增加、能源种类的波动进一步加剧,火力发电厂也不会过时。 “将来,当天空布满乌云、没有太阳、没有风时,火力发电仍然是电力供应的支柱。”Oberhausen市MAN Energy Solutions公司燃气轮机开发高级经理Alexander Wiedermann博士说。然而,这里需要的是工作运行非常灵活的涡轮机,能够快速应对负载频繁变化的涡轮机,可以快速上下调节且不受温度和流量变化影响的涡轮机。“必须能够非常灵活的运行新的和现有的发电厂,使它们能够像只在满负荷运行中运行的传统设备一样具有相同的可用性和使用寿命。”Wiedermann先生说。

涡轮机的结构复杂,而且需要根据每一台涡轮机的具体应用而量身定制,因此没有一种简简单单的操作手柄使涡轮机能够灵活的工作运行。只有通过对许许多多不同零件的种种改变才能使涡轮机适合在波动的水流、蒸汽供给下工作运行,修改的零部件数量越多,涡轮机就越灵活。

图2 涡轮机结构及其复杂,只有通过对不同部件的修改才能得到适应不同部分负载工况的整体性能
图2 涡轮机结构及其复杂,只有通过对不同部件的修改才能得到适应不同部分负载工况的整体性能

欧盟的Flexturbine和Turboreflex两个研究项目是开启灵活性涡轮机的入门项目。在这两个项目中,涡轮机生产厂家、大学和科研机构将一直合作到2020年,共同探索燃气涡轮机和蒸汽涡轮技术改造和优化的可能性,使其能够轻松的、迅速的对太阳能和风能的影响做出反应,并在可能的情况下不增加有害气体和二氧化碳的排放、并保证良好的成本和效益。欧洲10个国家、34个合作伙伴参加了这两个项目,包括涡轮机制造商GE公司、西门子公司,曼公司、Doosan公司和Skoda公司等。

技术改造和新材料

项目科研和开发有三个重点方面:密封和轴承的优化,抗颤振叶片以及在灵活的工作运行过程中也有着很好的疲劳耐久性能。经常在全负荷和部分负荷工况之间转换是一个非常艰巨的任务,尤其是对于蒸汽涡轮机。负载的变化以及由负载变化引起的转速变化常常要求涡轮机不断的在临界状态下运行;而在临界状态下运行时轴承的材料会开始振动,受到很大的应力作用。有多种方法可以减轻这种不利影响,例如:可移动轴承部件几何形状的改变可以抑制振动;其他材质的材料,例如用高性能聚合物或者聚合物涂层材料来减少轴承零部件承受的疲劳;改进轴承润滑油的特性、使用阻尼减振性能更好的润滑油等措施都是很好的辅助措施。

交替变化的工作状态也对涡轮机的密封件提出了挑战。当涡轮机的负载发生变化时,与负载变化有关的温度也会发生变化,涡轮机的定子和转子的膨胀也会随之而变化,这就会导致不希望的磨损出现。替代解决方案就是自适应系统:密封件的几何形状设计保证了在涡轮机各种工况下都有着最小间隙的密封系统。另外,这些密封件还应该是脆性金属材料制造的,以便能够在接触时产生变形,承受摩擦力。另一种方法就是有针对性的选择密封件的放置位置:尽可能的将其设计在热膨胀最低的地方。

图3 试验台上额定功率小于10 MW的工业燃气轮机。这一功率等级的燃气轮机已经经过了性能优化,可在分散式热电联产发电厂中使用
图3 试验台上额定功率小于10 MW的工业燃气轮机。这一功率等级的燃气轮机已经经过了性能优化,可在分散式热电联产发电厂中使用

利用大数据提高涡轮机的效率

高速旋转的涡轮机叶片对涡轮机的机械效率和使用寿命有着至关重要的作用和意义,它们不能容忍负载的变化。在涡轮机高灵活性工作运行方式中,质量流和与其相关的空气动力学载荷都是变化的,结果就是叶片尖端开始震颤,使叶片与涡轮机的工作运行不同步,在最坏的情况下会导致叶片破损。叶片越长、涡轮机越大,越容易受到影响。

针对这种情况,研发人员改进了叶片的设计,增加了叶片的刚性并使它在负载变化的工况下有着更高的稳定性。“模拟的结果和试验台上的试验结果都很有希望。但到目前为止还没有找到适合于所有涡轮机的叶片几何形状数据。” Wiedermann先生说。因此必须根据涡轮机的类型、大小和使用情况有针对性的重新设计。

第三个重点问题是涡轮机的疲劳耐久性能。在负载交替变化的运行状态下也必须保证涡轮机零部件、材料承受的不同应力也都在受控的范围内。只有保证了这一点才能保证涡轮机有很高的使用寿命,才能按照经济有利的运行成本工作。

不只是技术领域的优化改进能够使涡轮机适合于在负载频繁变化的工况下运行。在数字化世界中,大数据对于大型机械设备的设计也有着密切的关系。“大数据能够将涡轮机和发电厂的效率提高20%。”Wiedermann先生这样估计到。能源转换设备所有零部件的数字化网络能够实现各个零部件的最佳匹配,能够实现环保型的、非常灵活的工作运行。因此,欧盟项目框架内的设计师和科学家们关注的不仅仅是最佳阻尼的轴承、叶片的曲率和材料的疲劳,还关注着数字化工具和数字化系统的应用。例如,现代化的在线监控允许实时的检测分析和记录下直至涡轮机部件、组件层次的工作运行情况,能够及时的发现工作运行中出现的偏差并且及时的采取有效措施,能够避免零部件和材料的过载,降低维护保养和维修费用,最大限度的延长正常运行时间和使用寿命。

图4 灵活型涡轮机市场需求增长的原因是高效的联合循环发电厂的需求
图4 灵活型涡轮机市场需求增长的原因是高效的联合循环发电厂的需求

角色会改变,但需求一直在

欧盟项目的要求很高:在改善了部分负载工况下的工作运行能力之后,灵活性的和数字化的涡轮机每年的热启动次数要减少三分之一;涡轮机高速和低速运行的速度要提高一倍;同时涡轮机的使用运行费用要降低30%;其中最重要的是:涡轮机能够在部分负载工况下长期的运行并且明显的降低维护保养费用。参与欧盟项目的企业估计:到2030年时欧盟境内安装的古生物燃料发电产能中约有10%是灵活性发电厂发出来的电力能源。

而这一估计的前提条件是:“我们要摆脱依赖古生物燃料的糟糕形象。”欧盟涡轮机制造商协会的主席Ladwig先生说。涡轮机也有绿色的一面:今天,它在联合循环发电厂和热电联产发电厂中已经实现了很高的效率。在无碳化的能源世界里涡轮机将承担其他一些任务,但仍然保持不可或缺的地位。例如,燃气涡轮机的未来是使用生物甲醇和像氢一样的可再生能源;蒸汽涡轮机的未来不仅可以用煤发电,而且还可以用生物质发电。在太阳能发电厂中,它们将太阳能转化为电能。最重要的是:未来它们能够可靠的将储存的热能转换成电能。涡轮机制造商协会还申请了另外一个研究项目:大型储能器与热电厂之间的相互作用。对于工业余热来讲,较小的储能设备不是最理想的储能设备,这是迄今为止一直被忽视的一个领域。

在有关可持续发展的、和保护环境的能源供给公共讨论和政治辩论中几乎都没有涉及到涡轮机和火力发电厂的问题。但蒸汽涡轮机被视为与燃煤发电有着千丝万缕的联系。虽然燃气轮机的质量较轻、明显的更加便于操作,但它们在部分负载工况下通常是不经济的。因此,燃气发电厂被认为是一种不好的、但目前还离不开的东西,一种直到太阳能发电、风能发电能够接管权杖时的过渡技术。

因此,为了确保涡轮机行业的市场,就必须将其产品,涡轮机转换到能够利用可持续发展的可再生能源方面来,就要继续研究开发,以便涡轮机能够顺利的集成到可再生能源发电、大规模能源储存和分散式电力再转换的综合性供电系统中来。开发可以利用可再生能源的涡轮机也是今后新型涡轮机研发的重点与核心。