1、前言

随着世界脱碳潮流的加速，各国正在推行向可再生能源的转型；另一方面，由于电力供需关系，预计未来火力发电设施仍将继续存在，同时为了抑制温室气体的排放，需要进一步提高火力发电的效率。特别是由于可再生能源的供电能力的不稳定性等，燃气轮机联合循环（以下简称“GTCC”）变得越来越重要。

如图1所示，日本三菱动力株式会社（以下简称“三菱动力”）计划同时实现脱碳化和稳定供电，并以日本政府提出的2050年实现碳中和为目标，建立可持续能源系统。

三菱动力开发了1650℃级M501 JAC型燃气轮机作为最新的GTCC，并在第二T点（即三菱动力的实证试验发电设备）实施了试运行验证。此外，作为燃气轮机的底部设备，开发了侧排式高性能蒸汽轮机，同样在第二T点实施了试运行验证。

在发电厂用蒸汽轮机中，低压涡轮机末级所用的长叶片不仅决定了低压舱的数量和整个涡轮机的尺寸，而且输出占比很高，是对涡轮机的整体效率具有重大影响的最重要部分。由于低压涡轮机的性能很大程度上取决于排气性能，因此最大限度地提高排气性能会对蒸汽轮机的整体性能产生很大的影响。

因此，本文将介绍低压涡轮机的最新开发成果和验证结果，其中低压涡轮机是GTCC底部的蒸汽轮机的重要部件。

图1 可持续能源系统的渐进式路线图

2、最新侧排式高性能蒸汽轮机的概要

应用于最新蒸汽轮机的高性能反作用式叶片、末级叶片组、侧排式涡轮机、间隙预测技术、密封技术和高表面压力轴承不仅可应用于面向GTCC的蒸汽轮机、还可应用于中小型机器、大型燃煤机、核电设备、地热涡轮机以及售后服务中的内部更换。应用这些技术，向第二T点（即三菱动力的实证试验发电设备）交付的高效蒸汽轮机的外观如图2所示，所应用的最新技术的概要如图3所示，规格如表1所示。

该蒸汽轮机是最新的蒸汽轮机，其蒸汽温度为600℃，额定输出功率为170MW，通过SSS离合器与燃气轮机、发电机连接，构成566MW的GTCC设备。本文中，将主要介绍低压涡轮机的开发和验证，其他元件技术的开发和验证结果可查阅参考文献。

图2 第二T点的蒸汽轮机

表1 第二T点的蒸汽轮机的规格

图3 最新蒸汽轮机的设计理念

3、低压蒸汽轮机的开发

3.1 低压涡轮机内的侧方排气室的特点

低压涡轮机内的排气室具有扩散器的功能。低压蒸汽轮机的扩散器起到增加末级的输出并提高涡轮机的整体性能的作用。扩散器本身将末级叶片出口处的动能转化为冷凝器处的静压。由于该静压水平由冷凝器决定，通过扩散器效应，末级可利用的焓差会变大，从而导致了涡轮机输出变高。基本机制如图4所示。

图4 无扩散器（左）和有扩散器（右）时的压力恢复和对末级功率转换的影响

如上所述，低压涡轮机内的排气室（扩散器）是提高低压涡轮机输出的一个非常重要的构成部件，为了获得足够的压力恢复，需要扩大排气室。然而，增加排气室的尺寸极大地增大了涡轮机的建造成本。因此，三菱动力在采用双流排气的同时，通过采用侧方排气结构，与以往的下方排气相比，大幅降低了基础高度和涡轮机厂房高度，该结构有助于降低建设成本。图5所示为下方排气和侧方排气的比较。

图5 下排式与侧排式结构的比较

3.2 使用最新的数值分析方法，开发低压涡轮机排气室

在低压涡轮机的开发中，为了提高输出需要开发高性能排气室，然而连接到扩散器的低压涡轮机末级旋转叶片的周围是一个包含冲击波的复杂流场，排气扩散器内部流动也呈现出复杂的三维涡流流场。许多研究人员将这部分的流动分析作为了研究主题，但特别是随着最近计算机技术的发展，使得大规模分析成为了可能。三菱动力还开发了包括密封件在内的叶片列和排气室的整体分析方法（One-through Integral CFD，以下简称“整体分析”），并确认该分析方法与验证试验结果相比具有足够的准确性。

在此次最新蒸汽轮机的开发中，也采用该整体分析方法来评价排气扩散器周围的流场。图6所示为对第二T点的低压蒸汽轮机全体进行的整体分析的实例（三维流线图）。如图6所示，对从低压涡轮机的蒸气入口到冷凝器的整个过程进行建模，并对排气室内部的所有加强件的建模进行详细分析。图7所示为低压涡轮机末级周围和扩散器部分的马赫数等值线。由此可以看出，排气扩散器的内部流动不会发生剥离而呈现出正常的流场，并显示出达到充分压力恢复的状态。

图6 第二T点处低压涡轮机的整体分析结果

图7 子午面上末级出口和扩散器周围的马赫数等值线

4、通过实证试验发电设备，对低压蒸汽轮机进行验证

利用最新的数值分析方法，在第二T点（即实证试验发电设备）对设计优化后的低压蒸汽轮机进行了验证。位于三菱动力的高砂工厂的第二T点如图8所示。第二T点于2020年1月开始试运营，2021年7月1日开始商业运营。第二T点的蒸汽轮机如上述图2所示，其规格也如上述表1所示。

图8 长期验证试验设施（第二T点）

在末级入口和出口处，实施了低压蒸汽轮机的验证（整体性能包括排气性能在内的总效率（ηOA）和压力恢复系数（Cp））以及流型验证（利用5孔皮托管的横向流场测量）。总效率(ηOA)和压力恢复系数(Cp)的定义如下所示。

图9和图10所示为总效率(ηOA)和压力恢复系数(Cp)的预测结果与实际测量结果之间的比较。图9和图10的横轴表示体积流量，代表涡轮机的工作点。从图9和图10可以看出，预测结果很接近实际测量情况。这意味着图6和图7所示的整体分析的预测很好地表示了实际机器的性能。图11所示为末级入口和出口处的流型（投影到子午面上的速度矢量）的分析预测与实际测量之间的比较。末级入口和出口呈现出复杂的三维涡流流场，特别是末级出口处的流型与排气性能密切相关，但可以看出，预测结果很接近实际测量情况。

图9 CFD（分析预测）与实际验证的比较：整体性能

图10 CFD（分析预测）与实际验证的比较：压力恢复系数

图11 CFD（分析预测）与实际验证的流型对比

5、结语

通过采用最新的分析技术，开发出对蒸汽轮机的性能有很大影响的低压部件，并在实际工厂中确认了其满足预测的性能。特别是由于这种面向低压涡轮机的扩散器的排气性能评价和开发方法，可以应用于从中小型涡轮机到大容量机器等各种规模的设备，因此有助于在售后服务时提供最合适的扩散器。三菱动力今后也将以进一步提高发电设备的效率为目标，开发新技术，并开发应用新技术的高性能蒸汽轮机，从而为抑制温室气体的排放作出贡献。

参考文献：

1. 森本一毅，松村嘉和，铃木健太郎，若园进，片冈正人，由里雅则，具有1650℃级M501 JAC型燃气轮机的第二T点的实证试验发电设备的运行状况，三菱重工技术报，Vol.58,No.3,(2021)。 2. Munyoki, D., Schatz, M., and Damian, V. M., DETAILED NUMERICAL STUDY OF THE MAIN SOURCES OF LOSS AND FLOW BEHAVIOR IN LOW PRESSURE STEAM TURBINE EXHAUST HOOD, Proceedings of ASME Turbo Expo 2017, (2017), GT2017-63269。 3. 中野隆，梭谷直人，松野成之，牧野雅臣，李宏元，田畑创一朗，最新侧排式高性能蒸汽轮机的开发，三菱重工技术报，Vol.58，No.3（2021）。 4. Stein, P., Galpin, P., and Hansen, T., CFD MODELING OF LOW PRESSURE STEAM TURBINE RADIAL DIFFUSER FLOW BY USING A NOVEL MULTIPLE MIXING PLANE BASED COUPLING – SIMULATION AND VALIDATION, Proceedings of ASME Turbo Expo 2015, (2015), GT2015-42632。 5.Tabata, S., Fukushima, H., Segawa, K., Ishibashi, K., Kuwamura, Y., and Sugishita, H., EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATION OF STEAM TURBINE EXHAUST HOOD FLOW FIELD WITH TWO TYPES OF DIFFUSERS, Proceedings of ASME Turbo Expo 2019, (2019), GT2019-90640。

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最新侧排式低压蒸汽轮机的开发与验证