CN101042058B - 一种高低位分轴布置的汽轮发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高低位分轴布置的汽轮发电机组，至少包括锅炉及其中的过热器、再热器，锅炉上对应过热器、再热器的蒸汽进出口联箱处为联箱连接区；蒸汽管道系统包括至少连通锅炉与高压缸、中压缸和低压缸，用于输送高温高压蒸汽的管道；高压缸与第一发电机组成高置轴系，高置轴系设置在锅炉外侧临近联箱连接区处。本发明还包括一低位设置的低置轴系。本发明由于将高、低轴系错落布置，显著减小了蒸汽管道系统中昂贵的高温高压蒸汽管道的长度和管道系统的压降和散热损失，提高了机组的做功能力，还降低了再热系统的储汽量和机组的调节惯性，并能使两次再热机组的经济性得以充分体现。

Description

一种高低位分轴布置的汽轮发电机组

技术领域

本发明涉及发电技术领域，尤其是一种高低位分轴布置的汽轮发电机组。 

背景技术

汽轮发电机组作为火力发电的核心技术经历一百多年的发展历程，近年来，随着燃料价格的不断攀升和环保压力的增加，各发达国家开始竞相发展高效超临界汽轮发电机组。在通过不断提升机组运行参数以提高机组循环效率的同时，二次再热循环机组也再次成为设计下一代高效超超临界机组的主要技术方案之一。 

目前，就设计效率而言，世界上效率最高的燃煤发电机组为丹麦的400MW二次再热超超临界机组，其蒸汽参数为29MPa/580℃/580℃/580℃。该机组循环效率高达47％，相比于一次再热超临界机组41～42％和一次再热超超临界机组44～45％的循环效率要更胜一筹。 

但相对于传统的一次再热机组，以增加一次再热的31.1MPa/566℃/566℃/566℃的二次再热超临界机组和仅提高蒸汽温度的24.5MPa/600℃/600℃的一次再热超超临界机组相比，前者的循环效率比后者仅提高了0.5％。而相对于一次再热超(超)临界机组来说，二次再热超(超)临界机组的系统更复杂且造价显著增加。因此，1990年代以来，世界各国基本上都倾向于建造一次再热600℃等级的超超临界机组。 

 如图1所示为若采用现有技术的1000MW级塔式锅炉1与二次再热汽轮机组2的常规布置示意图，汽轮机组2中的高压缸21、中压一缸22、中压二缸23、两低压缸24五缸单轴布置在汽轮机房内。一般地，从锅炉1的过热器13出口到高压缸21之间主蒸汽管道31单根约160米长；此后高压缸21排汽通过单根约180米长的低温一次再热蒸汽管道32返回锅炉1；从一次再热器12 出口至中压一缸22的高温一次再热蒸汽管道33的长度与低温一次再热蒸汽管道32大致相同，单根约190米；随后，从中压一缸22排汽返回锅炉1的低温二次再热蒸汽管道34单根约180米长；从二次再热器16出口至中压二缸23的高温二次再热蒸汽管道35的长度与低温二次再热蒸汽管道34大致相同，单根约190米长。其中主蒸汽管道31、高温一次再热管道33和高温二次再热管道35需要使用600℃等级的耐高温合金钢。根据不同的管道设计方案，主蒸汽管道和再热蒸汽管道还存在半容量管道和四分之一容量管道。因此，实际需要使用耐高温合金钢的高温高压管道长度会成倍增加。 

如图2所示为若采用现有技术的1000MW级塔式锅炉1与双轴二次再热汽轮机组2的常规布置示意图，汽轮机组2由两个轴系分别自带发电机并列布置在常规汽机房内组成。汽轮机组2中的第一个轴系21由高压缸211、中压一缸212组成并自带一个发电机，第二轴系22由中压二缸221、两低压缸222组成并自带发电机。对于图2所示的二次再热双轴汽轮发电机组来说，其高温高压管道的布置情况与图1所示的单轴二次再热汽轮机组类似，其中主蒸汽管道31、高温一次再热管道33和高温二次再热管道35需要使用600℃等级的耐高温合金钢，且单根长度也均在160m左右。 

当前，发电机组的单位造价随着机组效率的提高而不断增加。特别是二次再热机组尽管已属成熟技术，但锅炉需增加一级再热器、汽轮机需要增加一个中压缸外、另外还要增加一级再热蒸汽管道等，因此系统复杂、投资更高，与一次再热机组相比，其获得的效率收益的增值尚不能补偿投入的增加值。对于传统设计的二次再热机组来说，首先，再热蒸汽在锅炉与汽轮机房之间来回穿越，尤其是现代百万等级的超(超)临界大机组，锅炉越来越高，加上横隔在机、炉之间的除氧间和煤仓间等结构因素，单根蒸汽管道的平均长度就达160m~190m。一方面600℃等级的大直径及厚壁管道价格昂贵，另一方面是再热管道的系统阻力增加，降低了汽轮机的做功能力，而使二次再热系统的理论效益被部分吞噬。其次，二次再热系统大大的增加了系统存储的蒸汽量。这使得机组的调节惯性显著增加，从而加大了机组的控制难度。 

上世纪90年代末，美、日、欧盟制定了下一代高效超超临界机组的发展计划。这些计划都是以镍基超级合金为基础材料的一次再热和二次再热机组。目前700℃等级的耐热镍基合金钢的价格为600℃等级的耐热合金钢的5倍以上，若将这种材料应用于二次再热2×1000MW超超临界机组，仅四大管道的投资就将超过25亿人民币，如果采用二次再热循环，锅炉、汽轮机和高温高压蒸汽管道使用镍基合金钢所增加的投资成本相对于目前的燃料价格，毫无投资收益可言。

由此可见，在目前的技术条件、材料条件和常规设计方案下，汽轮发电机组效率的提高存在着投入和产出比的矛盾，这也成了制约下一代高效超超临界机组发展的瓶颈。此外，在环保压力和CO₂减排的压力下，对于目前火力发电的主力——亚临界、超临界机组而言，如何进行下—步的“升级”也将成为电力工业发展的另一个问题。 

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种高温高压蒸汽管道极短、管道压降损失极少、调节惯性较小，循环效率明显提高的汽轮发电机组。 

为实现上述目的，本发明提供了一种高低位分轴布置的汽轮发电机组，所述汽轮发电机组包括： 

一锅炉，所述锅炉包括炉体及设置在所述炉体内的至少一级过热器、至少一级再热器；所述过热器、所述再热器分别具有蒸汽进出口并形成蒸汽进出口联箱，所述炉体上对应所述蒸汽进出口联箱处为联箱连接区； 

一汽轮机组，所述汽轮机组分为凝汽式汽轮机组和背压式汽轮机组两种类型。凝汽式汽轮机组包括至少一高压缸、至少一中压缸和至少一低压缸，中压缸可以任意与高压缸或低压缸组合布置在高置轴系或低置轴系。背压式汽轮机组至少包括高压缸的高置轴系，若干数量的中压缸可以任意布置在高置轴系或低置轴系。 

一发电机组，所述发电机组包括至少一与所述高压缸连接的第一发电机及至少一与所述低压缸连接的第二发电机。 

所述高压缸与所述第一发电机组成高置轴系，所述低压缸与所述第二发电机组成低置轴系。 

所述高置轴系和所述低置轴系的蒸汽进出口与所述过热器、所述再热器的所述蒸汽进出口联箱之间通过所述蒸汽管道系统连接；所述蒸汽管道系统至少包括所述锅炉与所述高压缸之间传输工质的管道，即主蒸汽管道和一次低温再热蒸汽管道；所述锅炉和所述中压缸之间传输工质的管道，即高温再热蒸汽管道；还可以包括所述中压缸与所述锅炉之间传输工质的管道，即二次低温再热蒸汽管道；以及所述中压缸和所述低压缸之间的普通蒸汽管道。 

所述高置轴系设置在所述炉体外侧临近所述联箱连接区处，即高位布置。 

所述锅炉中来自所述过热器的高温高压蒸汽首先经所述高温高压蒸汽管道进入所述高置轴系的所述高压缸中，所述高温高压蒸汽做功后，所述高压缸排汽进入所述再热器中加热后生成高温再热蒸汽；所述高温再热蒸汽进入所述中压缸做功后排出；所述汽轮发电机组由于将所述高置轴系设置在所述炉体外侧临近所述联箱连接区处，所述蒸汽管道系统中的所述高温高压蒸汽管道的长度得以被极大地缩短。 

以所述凝汽式汽轮发电机组按如下配置为例： 

所述锅炉包括至少一级所述过热器，只有一级所述再热器；所述高位布置的高置轴系包括一个所述高压缸，一个所述中压缸和所述第一发电机；所述低位布置的低置轴系包括一个所述低压缸和所述第二发电机。 

所述锅炉中来自所述过热器的高温高压蒸汽首先经所述主蒸汽管道进入高位布置的所述高置轴系的所述高压缸中，所述高温高压蒸汽做功后，所述高压缸排出的蒸汽通过低温再热蒸汽管道进入所述再热器中后加热；经过加热后生成的再热蒸汽通过所述高温再热蒸汽管道进入所述中压缸做功，所述中压缸排出的蒸汽压力、温度已经大大降低，通过所述普通蒸汽管道进入低位布置的所述低置轴系的所述低压缸中继续做功后排出；所述汽轮发电机组由于将所述高置轴系高位设置在所述炉体外侧临近所述联箱连接区处，所述主蒸汽管道、所述低温再热蒸汽管道和所述高温再热蒸汽管道的长度得以被极大的缩短。 

对于所述凝汽式汽轮机组而言，所述高置轴系还可以包括若干数量的中压 缸。所述高压缸、所述若干数量的中压缸与所述第一发电机共同组成所述高置轴系。 

对于所述凝汽式汽轮机组而言，所述低置机组还可以包括若干数量的中压缸。所述若干数量的中压缸、所述低压缸与所述第二发电机共同组成所述低置轴系。 

对于所述背压式汽轮机组而言，可以只包括所述高置轴系，所述高压缸、所述若干数量的中压缸与所述第一发电机组成所述高置轴系。 

对于所述背压式汽轮机组而言，也可以包括所述高置轴系和所述低置轴系，所述高压缸、所述若干数量的中压缸与所述第一发电机组成所述高置轴系；所述若干数量的中压缸与所述第二发电机组成所述低置轴系。 

本发明的上述实施方案中，所述高置轴系设置在所述炉体外侧贴靠所述联箱连接区处，以极大的缩小高温高压蒸汽管道的长度。 

本发明的汽轮发电机组采用了高置轴系与低置轴系高、低错落布置的设计方案，将高置轴系设置在紧靠锅炉联箱连接区处，将低置轴系按照常规低位设置。由于高置轴系紧靠锅炉联箱连接区设置，使用于输送高温高压蒸汽的高温高压管道极大的缩短，与原长度相比几乎可以忽略，极大的减少了汽轮发电机组的高温高压管道成本，降低了蒸汽管道中高压蒸汽的压力和散热损失。 

本发明的汽轮发电机组还由于缩短了再热蒸汽管道的长度，降低了再热蒸汽管道中高压蒸汽的压力和散热损失，同时减少了再热系统中存储的蒸汽量，从而提高了汽轮发电机组的效率，机组的调节惯性得到了极大的改善。 

本发明的汽轮发电机组的布局构思，主要适用于凝汽式汽轮发电机组(包括抽凝式发电机组)的布局设计，其运行方式与原有双轴机组传统设计几乎相同。 

虽然本发明的汽轮发电机组的高置轴系的第一发电机向地面送电时需要延伸封闭母线，但目前成熟的封闭母线投资成本及增加的其他送电成本，相对于价格昂贵的高参数合金钢蒸汽管道来说，有着数量级的差距。 

由于采用了高、低错落布置的设计方案，本发明的新型汽轮发电机组与现有技术中的汽轮发电机组具有以下优点： 

(1)消除绝大部分的高温高压蒸汽管道的压降，增加了汽轮机发电机组的做功能力，这种优点对于二次再热机组更为明显； 

(2)消除绝大部分的高参数、高价值的管道及相应的支吊架、保温材料等的投资成本； 

(3)减少了有害蒸汽容积，极大的提高了汽轮发电机组的调节性能； 

(4)简化了由于高温高压管道布置所需的厂房结构设计，降低了相应的地基载荷，降低了相应的土建的成本； 

(5)为下一代700℃等级高效超超临界机组发展的消除了最主要的制约因素，为目前的亚临界、超临界机组提供了一条可行的“升级”之路。 

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。 

图1是现有技术中的塔式锅炉与二次再热汽轮机组常规布置示意图； 

附图说明

图2是现有技术中的塔式锅炉与双轴二次再热汽轮机组常规布置示意图； 

图3a是本发明的第一具体实施例的汽轮发电机组布置方案示意图； 

图3b是图3a中A向示意图； 

图3c是图3a中B向示意图； 

图4a是本发明的第二具体实施例的汽轮发电机组布置方案示意图； 

图4b是图4a中A向示意图； 

图4c是图4a中B向示意图； 

图5a是本发明的第三具体实施例的汽轮发电机组布置方案示意图； 

图5b是图5a中A向示意图； 

图5c是图5a中B向示意图； 

图6a是本发明的第四具体实施例的汽轮发电机组布置方案示意图； 

图6b是图6a中A向示意图； 

图6c是图6a中B向示意图； 

图7a是本发明的第五具体实施例的汽轮发电机组布置方案示意图； 

图7b是图7a中A向示意图； 

图7c是图7a中B向示意图； 

图8a是本发明的第六具体实施例的汽轮发电机组布置方案示意图； 

图8b是图8a中A向示意图； 

图9是本发明的第二具体实施例中高置轴系的另一种布置方案示意图。 

如图3a、图3b及图3c所示，为本发明的第一具体实施例------锅炉为塔式炉的双轴二次再热超超临界凝汽式汽轮机组的布置方案示意图。该机组为五缸四排汽，其中高压缸211一个，中压一缸212、中压二缸221各一个，低压缸222两个，其中高压缸211与中压一缸212合缸，设计参数为28MPa/600℃/600℃/600℃。 

具体实施方式

本实施例的双轴超临界汽轮发电机组包括： 

一锅炉1，锅炉1为本领域常用的塔式炉，包括炉体14及设置在炉体14内的省煤器18、三个过热器11、13、15、两个再热器12、16；各过热器及各再热器分别具有蒸汽进出口并根据现有技术中的常用方式形成蒸汽进出口联箱，炉体14上对应蒸汽进出口联箱处为联箱连接区17。 

一汽轮机组2，汽轮机组2分为包括高压缸211与中压一缸212的高置机组2 1及包括2个低压缸222及中压二缸221的低置机组22，高置机组21与低置机组22通过管道连接。 

一发电机组，包括与高置机组21连接的高置发电机41及与低置机组22连接的低置发电机42。 

还包括蒸汽管道系统3，蒸汽管道系统3包括连通锅炉1的过热器13出口与高压缸211、用于输送高温高压蒸汽的主蒸汽管道31，连通高压缸211与锅炉1的一次再热器12、用于输送低温一次再热蒸汽的低温一次再热蒸汽管道32，连通一次再热器12出口至中压一缸212的高温一次再热蒸汽管道33，连通中压一缸212至锅炉1的二次再热器16的低温二次再热蒸汽管道34，连通 二次再热器16出口至中压二缸221的高温二次再热蒸汽管道35。还包括连通中压二缸221至2个低压缸222的普通蒸汽管道。其中，主蒸汽管道31、高温一次再热管道33和高温二次再热管道35需要使用600℃等级的耐高温合金钢。 

如图3b所示，高置机组21与高置发电机41组成高置轴系。如图3c所示，低置机组22与低置发电机42组成低置轴系，低置轴系低位设置。 

如图3a所示，本发明的特殊之处在于，高置机组21带一台高置发电机41组成高置轴系，设置在一高位平台5上。高位平台5设置在炉体14外侧，位置大致对应于联箱连接区17。将高压缸211和中压一缸212的合缸作为高置机组21高位布置在塔式炉前部设置的高位平台5上，并使高压缸211和中压一缸212的蒸汽进出口尽可能地贴近联箱连接区17。高置机组21的蒸汽进出口与各过热器、各再热器的蒸汽进出口联箱通过高温高压管道3连接。低置机组22包括中压二缸221与两个低压缸222带一台低置发电机42组成低置轴系，仍然低位布置在常规汽机房内。 

高位平台5及其上的高置轴系可以与炉体14后部的烟道19平衡重量，保证整体钢结构设计的安全性。在本发明的其他实施例中，也可以省略高位平台，而采取悬挂的方式吊装高置轴系。 

按此布置方案，由于高置机组21中的高压缸211与中压一缸212贴近联箱连接区17设置，从锅炉1的过热器13出口到汽轮机高压缸211的主蒸汽管道31大大缩短，而此后高压缸211排汽即低温一次再热蒸汽通过低温一次再热蒸汽管道32直接返回锅炉一次再热器12加热。经过加热的高温一次再热蒸汽也只通过高温一次再热管道33送入中压一缸212。随后，做功后的低温二次再热蒸汽经低温二次再热蒸汽管道34直接返回锅炉1。最后，经过二次再热器加热后的高温二次再热蒸汽，按常规路径的蒸汽管道35送到低位布置的汽轮发电机房，进入低置机组22的中压二缸222和低压缸221继续做功发电。这样一来，现有技术中原五个回路的蒸汽管道系统：主蒸汽管31，低温一次再热蒸汽管32、高温一次再热蒸汽管33、低温二次再热蒸汽管34、高温二次再热蒸汽管35在本发明的高、低轴系错落布置的汽轮机组中变化为其中主蒸汽管31，低温一次再热蒸汽管32、高温一次再热蒸汽管33、低温二次再热蒸汽管 34被缩短到极小。若忽略锅炉1与高置机组21之间的距离，则该四个回路的管道长度基本可以省去，只剩下高温二次再热蒸汽管35。 

就管道系统3而言，采用高、低轴系错落布置的发电机组的高温高压蒸汽管道的投资成本将大大降低。 

而且就再热系统所存储的蒸汽量来说，如图3a所示，本实施例的发电机组可以大量减少常规布置中二次再热系统的蒸汽存储量，这使得本发明的发电机组的调节性能与常规的一次再热发电机组相当。 

本实施例的双轴二次再热超超临界汽轮发电机组由于采用了高、低轴系错落布置，相对现有技术的超临界汽轮发电机组而言，其主蒸汽管，低温一次再热蒸汽管、高温一次再热蒸汽管、低温二次再热蒸汽管长度缩短到几乎可以忽略不计，蒸汽管道系统中的高温高压蒸汽管道投资大幅下降。 

在这种布置设计的实际应用中，还可以通过旁路作用，高置机组和低置机组分别独立并网，互不影响。将中压一缸和中压二缸错位分开布置，在高置机组出现问题跳机的情况下，蒸汽通过旁路进入低置机组仍可正常发电。同理，中压一缸排汽可以通过旁路直接进入凝汽器，在低置机组跳闸时仍可维持高置机组的运行。 

把中压二缸布置于常规平台上可以减小高位平台的荷载和轴系长度，对于初次进行此类高置机组的设计，可以减小设计难度。 

由此，本实施例的超超临界汽轮发电机组的高温高压蒸汽管道大大缩短，具有以下优点： 

首先，高温高压蒸汽管道系统的投资大幅下降。 

其次，管道系统阻力大大下降，虽增加了一次再热，但汽轮机总做功能力损失并未因此上升。计及再热器自身的压降本实施例的二次再热系统的总做功能力损失与常规一次再热机组相当。 

再次，高温高压蒸汽管道大幅减少，相应减少了系统散热损失。同时，再热系统的蒸汽存储量没有增加，所以本实施例的发电机组的调节惯性仍与常规一次再热机组相当。通常情况下，再热系统的设计压降为再热蒸汽压力的6.7~10％。这一压降一般由再热管道及再热器对分。以本实施例中的高置机组 为高压缸、中压一缸，低置机组为中压二缸和两个低压缸，且两次再热循环方案为例。本实施例的发电机组，一次再热系统消除了低温再热和高温再热管道，故只剩下再热器压降，相当于减少一半。而二次再热系统只取消了二次低温再热管道，压降又减少了1/4，增加了一级再热器，总当量压降仅增加了约1/4。因此，整个两次再热循环与现有技术中的一次再热循环相比只增加了1/4的压降。若考虑到本实施例中主蒸汽管道也被减少到忽略不计的长度，则综合而言，二次再热的系统总做功能力损失将与一次再热系统基本持平。 

以上的优点使得二次再热循环的理论热经济增量得到了几乎没有折扣的充分体现。 

如图4a、图4b、图4c所示是本发明第二具体实施例的汽轮发电机组布置方案示意图。本实施例的结构与第一实施例的结构基本相同，所不同之处在于，发电机组2还包括中压二缸213。将中压二缸213布置在高置机组21的高位平台5上，使高压缸211、中压一缸212、中压二缸213和高置发电机41组成高置轴系，布置在锅炉1蒸汽进出口联箱区17附近的高位平台5上，两低压缸221和低置发电机42组成的低置轴系布置在常规汽机房平台。本实施例中高压缸和中压缸全部置于高位，所有高温高压管道的长度可忽略，低位平台上只布置有低压缸，低压缸则可配置半速机，末级叶片长度可增加，其余速损失可大幅下降，低压缸效率增加，但此时半速发电机的造价又将有所上升。 

本发明应用于二次再热机组的上述两种实施方案各有所长，具体采用哪种布置方案，还需结合工程实际情况进行技术和经济性比较后再做出决定。 

本实施例中，蒸汽管道系统3中所有的高温高压蒸汽管道都紧靠锅炉1的蒸汽进出口联箱区17，其长度可忽略不计，此时，从高位向下的管道仅为中压二缸213出口至低压缸221的中压二缸排汽管36，采用普通碳钢材料就足以满足参数要求。采用这种方案后，所有的高温高压蒸汽管道主蒸汽管31、低温一次再热蒸汽管32、高温一次再热蒸汽管33、低温二次再热蒸汽管34、高温二次再热蒸汽管35的长度被尽可能的缩短，传统“四大管道”的投资费用被降到最低，蒸汽管道系统3的投资大幅下降。但此时为了确保后置机组的安全，需在低压缸221进口前加装一个大口径快关碟阀(图中未示出)，以防止低压 缸超速。目前这种压力等级下大口径快关碟阀的制造技术已属常规技术。 

因此，对于特大容量或更高蒸汽参数(＞600℃)的机组，鉴于两次再热管道的价格也很高，可以优先考虑将中压二缸213布置在高位平台5上。 

如图5a、图5b、图5c所示是本发明第三具体实施例的汽轮发电机组布置方案示意图。本实施例的结构与第一实施例的结构基本相同，所不同之处在于，本实施例为本发明应用在一次再热超临界汽轮发电机组。本实施例的结构与第一实施例的结构区别在于，将发电机组2中高压缸211和高置发电机41所组成的高置轴系就近布置在锅炉1的蒸汽进出口联箱17附近的高位平台5上，中压缸221、低压缸222组成的低置机组22和低置发电机42组成的低置轴系布置在常规汽机房平台。这样的布局设计获得的技术效果是，蒸汽管道系统3中的主蒸汽管道31、冷再热蒸汽管道32长度缩短到几乎可以忽略不计，只有热再热蒸汽管道33的长度与原来相当，高温高压蒸汽管道系统投资大幅下降。 

如图6a、图6b、图6c所示是本发明第四具体实施例的汽轮发电机组布置方案示意图。本实施例也为本发明应用在一次再热超临界汽轮发电机组。本实施例的结构与第三实施例的结构基本相同，所不同之处在于，本实施例的结构为，将发电机组2中的高压缸211、中压缸212组成的高置机组21和高置发电机41组成的高置轴系布置在锅炉1的蒸汽进出口联箱区17附近的高位平台5上，低压缸221和低后置发电机42组成的低后置轴系布置在常规汽机房平台。这样的布局设计获得的技术效果是，蒸汽管道系统3中主蒸汽管道31、冷再热蒸汽管道32、热再热蒸汽管道33长度几乎可以忽略不计，所有高温高压蒸汽管道的长度都被缩到最短，从高位向下的管道仅为从中压缸212出口至低压缸221的中压缸排汽管34，采用普通碳钢材料就足以满足参数要求，管道系统投资得以大幅下降。 

如图7a、图7b、图7c所示是本发明第五具体实施例的二次再热汽轮发电机组布置方案示意图。本实施例的结构与第一具体实施例的结构基本相同，所不同之处在于，本发明应用于机组锅炉为∏型炉。图7a中将发电机组2中的高压缸211和中压一缸212的合缸作为高置机组21高位布置在∏型炉1顶部设置的平台5上，∏型炉的钢结构可以承受这部分重量，低置机组22由低压 缸221和中压二缸222组成，仍按照常规的低位布置。高置机组21带一台高置发电机41组成高置轴系，低置机组22带一台低置发电机42组成低置轴系。由于高置轴系高位贴近设置在锅炉1的蒸汽进出口联箱区17边，使得蒸汽管道系统3中的高温高压管道31、32、33、34的长度基本可以省去，只剩下高温二次再热蒸汽管道35，大大降低管道投资成本，减少阻力损失，提高机组的调节性能。 

如图8a、图8b所示是本发明的第六具体实施例------背压式汽轮发电机组布置方案示意图。本实施例的结构与第一实施例的结构基本相同，所不同之处在于：背压式汽轮机组取消了低置机组。本实施例中，将高压缸211、中压缸212组成高置机组21和高置发电机4组成的高置轴系布置在锅炉1的蒸汽进出口联箱区17附近的高位平台5上，而将常规位于低位平台的低置轴系取消，从中压缸212出口的排汽直接送往供热用户。 

由于上述布置，本实施例的发电机组的蒸汽管道系统3中的高温高压管道31、32、33的长度可以大大缩短，只剩下从中压缸出口向下的普通排汽管道34，降低了投资成本，减少阻力损失，提高机组的调节性能。 

本说明书中只例举了将本发明应用于背压式机组的其中一种布置方案。在本发明的其他实施例中，也可将中压缸置于常规低位平台而只将高压缸置于高位平台；或对于二次再热机组也同样适用。 

本发明的汽轮发电机组采用高、低轴系布置的设计方案后，汽轮发电机组被分成错落布置的高置轴系、低置轴系两个轴系。与常规发电机组不同的就是高置轴系与低置轴系的布置。高置轴系就近布置在锅炉的过热器出口联箱和再热器出口联箱附近的高位平台上，而低置轴系布置在常规汽机房平台。 

从锅炉角度而言，高置轴系及其整体平台重量相对于锅炉的总重量而言只是“九牛一毛”，因此，将高置轴系和整体平台悬吊在大板梁上并不难实施，对于∏型炉来说，将高置轴系安装在炉顶则更非难事。在进行设计时，关键是考虑炉顶或炉前上部高置的第一汽轮发电机的布置和基础设计、高置轴系振动能量的吸收，与锅炉钢结构及其基础的综合衔接问题。而这些课题都是在现有的技术平台上能够解决的问题。 

就电气系统而言，高、低位分散布置对电气系统并无特殊要求：发电机、主变压器、封闭母线，或者发电机出口断路器等与常规双轴汽轮发电机组的普通电厂一样，设备均为目前成熟的产品，且设计、建设、运行经验丰富。电气主接线可根据工程情况采用扩大单元接线，设置一台主变压器；亦可采用发变组单元接线，设置两台主变压器，高置发电机和低置发电机分别并网，这是目前国内电厂普遍采用的主接线方式，经验丰富，投资较少；或在发电机出口设置断路器，高置发电机和低置发电机的并网点可在高压侧，也可在低压侧，优点是可以主变倒送电带厂用电，省去了启动备用变压器，但增加了发电机断路器，两方面投资可以平衡。上述主接线方式均适用于本发明的不同实施例。 

对于分散布置的发变组单元接线，主变压器可集中布置在主厂房外升压站侧，即两台主变压器布置在一起，高置发电机封闭母线从主厂房中穿过。如果条件允许，主变压器亦可分散布置在各自的发电机附近，如一台主变压器布置在主厂房外升压站侧，另一台主变压器布置在高置发电机平台或锅炉附近，缩短封闭母线。 

上述主接线方式和布置方案，发电容量受限于原动机出力，但以目前锅炉和汽轮机的成熟技术，原动机出力可达1300～1500MW(锅炉：烟煤，汽轮发电机组：双轴)，故本设计的单机容量大大超过目前单轴机组的1000MW；即体现了大机组的规模效应，又能满足电力送出要求。 

单台大容量发电机拆分为两台小容量发电机，在总价上不会有明显的上升。当然，采用本发明中的高、低轴系布置设计方案的二次再热系统会带来锅炉和汽轮机投资的增加。但由于高温高压蒸汽管道等投资的大幅降低，总单位造价应与目前机组相当，从效率提升角度来看，采用高、低布置双轴二次再热汽轮机还可以有以下优点，这使得本发明的发电机组性价比更高，容量跨度更大。 

首先，将中压一缸设计为单流，与单流的高压缸合缸。单流中压缸增加了叶片高度，将显著提高中压一缸的效率；其蒸汽流向与高压缸相反，能与高压缸形成的推力基本平衡，从而省去平衡鼓，降低漏气损失，提高高压缸的效率；而且由于合缸后的高压缸轴封漏汽直接进入中压一缸，既减少了高压缸轴封漏 汽，又消除了中压一缸的进汽侧轴封漏汽，进一步提高了整体效率。中压一缸的排汽压力较高，可达2~3MPa，其末级叶片不会过长，故高压缸和中压一缸的合缸较易实现。 

如图9所示，为本发明的第二实施例中高置轴系的另一种布置方案示意图。本实施例的高置轴系与第二实施例采用的高压缸211、中压一缸212合缸布置方案不同，本实施例中高压缸211与中压一缸212采用分缸布置的设计方案，即将高压缸211、中压一缸212分缸，在总体上可以达到与合缸布置相同的技术效果。 

在本发明的其他实施例中，多缸的高置轴系均可以采用如此的分缸布置，本发明书中不再一一例举。 

本发明的双轴高低布局的设计构思，可以应用在下表所列的各种配置的发电机组中。如本领域技术人员所熟知，其中中压缸的数量并不局限于两个。 

注：凝汽式机组包括抽凝式机组。 

由于发电机组采用双轴布置，汽轮发电机的容量可以大大超越现有水平。对于高压缸，当不采用调节级后，增加功率不会影响首级叶片的安全，而且质量流量的提高能补偿主蒸汽压力提高造成的比容下降，确保高压缸的内效率。同样对于中压缸来说，质量流量的提高也有利于提高内效率。对于低置机，质量流量提高后，为确保排汽面积，可以增加一个低压缸，即使中压二缸加上三个低压缸，后置机四缸未超出现有单轴机组的轴系稳定配置。如果按照后置机四缸，低压缸排汽面积3×12.5m²推算，机组容量可以达到1500MW水平。 

以目前28MPa/600℃/600℃等级的一次再热2×1000MW超超临界机组为例，总投资约80亿元人民币，其中“四大管道”(主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道、低温再热蒸汽管道和高压给水管道)的价格约为3.5亿元人民币。若采用同温度同压力等级的二次再热方案28MPa/600℃/600℃/600℃，机组循环效率能相对提高近5％，此时再热蒸汽管道数量增加一倍，每台汽轮机需增加一个中压缸，加上多了一级再热，锅炉的造价也会增加。另外，新增的二次高温、低温再热蒸汽管道的布置需要更大的厂房空间，厂房建设的投资将明显上升。但采用本发明方案后，高温蒸汽管道的价格将节省80％以上，用节省下来的这部分投资来弥补增加一次再热后锅炉、汽机投资的上升，总体而言，其造价将与同温度同压力等级的一次再热同等级的超超临界机组相当，考虑到管道压降的减少和汽轮机整体效率的提高，机组效率将比后者提高5％～6％左右，机组热效率可望超过48％。一个两台1000MW机组的超超临界电厂，若采用这种设计，节煤将超过20万吨/年。 

除只带高置机的背压式机组外，应用于本发明的汽轮发电机组启动和运行方式与传统双轴机无异。而对于高置机的电量输送问题，目前的封闭母线技术成熟，且其造价与昂贵的高合金蒸汽管道根本无法相提并论，经济优势明显。本发明的设计构思在各种发电机组中的应用既能够突破下一代700℃等级高效超超临界机组发展的瓶颈，又可为目前的亚临界、超临界机组提供了一条可行的“升级”之路。 

本发明具有以下优点和效果：汽轮发电机组高、低位分散布置，大大减小了高温高压管道的长度和系统阻力，降低了再热系统的储汽量和机组的调节惯性，并使二次再热，或者多次再热的理论效益达到没有折扣的回收。在同等造价下大大提高系统热效率；使机组容量突破目前瓶颈；为未来火力发电机组提供崭新发展空间。 

综上所述，本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例。凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的权利要求保护范围内。 

Claims (7)

1.一种高低位分轴布置的汽轮发电机组，所述汽轮发电机组包括：

一锅炉，所述锅炉包括炉体及设置在所述炉体内的至少一级过热器、至少一级再热器；所述过热器、所述再热器分别具有蒸汽进出口并形成蒸汽进出口联箱，所述炉体上对应所述蒸汽进出口联箱处为联箱连接区；

一汽轮机组，所述汽轮机组包括至少一高压缸、至少一中压缸和至少一低压缸；

一发电机组，所述发电机组包括至少一与所述高压缸连接的第一发电机及至少一与所述低压缸连接的第二发电机；

所述低压缸与所述第二发电机组成低置轴系，所述低置轴系低位设置；

蒸汽管道系统，所述蒸汽管道系统至少包括连通所述锅炉与所述高压缸、连通所述锅炉与所述中压缸并用于输送高温高压蒸汽的高温高压蒸汽管道；所述蒸汽管道系统还包括连通所述中压缸与所述低压缸的普通蒸汽管道；

其中：

所述高压缸与所述第一发电机组成高置轴系；所述高置轴系设置在所述炉体外侧临近所述联箱连接区处；

所述锅炉中来自所述过热器的高温高压蒸汽首先经所述高温高压蒸汽管道进入所述高置轴系的所述高压缸中，所述高温高压蒸汽做功后，所述高压缸排汽进入所述再热器中加热后生成高温再热蒸汽；所述高温再热蒸汽进入所述中压缸做功后排出；所述中压缸做功后排出的蒸汽通过所述普通蒸汽管道输送到所述低置轴系的所述低压缸中做功后排出；所述汽轮发电机组由于将所述高置轴系设置在所述炉体外侧临近所述联箱连接区处使得所述蒸汽管道系统中的所述高温高压蒸汽管道的长度被缩短。

2.如权利要求1所述的汽轮发电机组，其特征在于：所述中压缸高位设置并与所述高压缸、所述第一发电机共同组成所述高置轴系。

3.如权利要求1所述的汽轮发电机组，其特征在于：所述中压缸低位设置并与所述低压缸、所述第二发电机共同组成低置轴系。

4.如权利要求1所述的汽轮发电机组，其特征在于：所述汽轮机组包括二中压缸，二所述中压缸高位设置并与所述高压缸、所述第一发电机共同组成所述高置轴系。

5.如权利要求1所述的汽轮发电机组，其特征在于：所述汽轮机组包括二中压缸，一所述中压缸高位设置并与所述高压缸、所述第一发电机共同组成所述高置轴系；另一所述中压缸低位设置并所述低压缸、所述第二发电机共同组成低置轴系。

6.如权利要求1所述的汽轮发电机组，其特征在于：所述汽轮机组包括二中压缸，二所述中压缸与所述低压缸、所述第二发电机共同组成所述低置轴系。

7.如权利要求1至6任一所述的汽轮发电机组，其特征在于：所述高置轴系设置在所述炉体外侧贴靠所述联箱连接区处。

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