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    21－我国超超临界机组参数与结构选型研究－49

    时间：2021-08-12 00:18:09 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人 蒲公英阅读网手机站

    相关热词搜索：选型 机组 参数

    　我国超超临界机组参数与结构选型的争辩 朱宝田

    　苗廼金

    　雷兆团

    　李续军

    　张

    　心

    　张亚夫 (西安热工争辩院有限公司,陕西省 西安市 710032)

    　摘

    　要：按热效率与蒸汽参数的关系、高温材料、设计技术、制造技术、运行技术、国外业绩、技术经济、环境疼惜等层面，对我国超超临界火电机组技术选型的几个主要问题：主要蒸汽参数（主蒸汽压力、温度、再热蒸汽温度）、再热次数、机组容量（600MW 或 1000MW 等级）、锅炉主要结构型式（炉型、燃烧方式、水冷壁型式）、汽轮机主要结构型式（汽缸数、排汽口数、末级叶片、单轴或双轴布置）等进行了争辩论证。推举了我国进展超超临界机组的蒸汽参数：(25—28)MPa/600℃/600℃和技术选型。所推举的方案是可行的，已开头工程实施。

    　关键词：

    　超超临界机组；效率；蒸汽参数； 锅炉；汽轮机；容量；结构；选型

    　1 1

    　前言

    　依据我国的能源资源状况和电力技术进展的水平，乐观进展作为洁净煤发电技术之一的高效、节能、环保的超超临界火电机组是迫切的和必要的。超超临界机组主要蒸汽参数与技术选型的争辩是我国超超临界机组的进展中是关键的第一步。

    　2 2

    　超超临界机组主要蒸汽参数与结构选型争辩的基本条件和范围

    　 基于目前国际上可选购到的成熟高温材料，研发我国超超临界发电机组。

    　对超超临界发电机组在可行的参数范围内就以下几个主要技术问题进行分析论证:再热次数，主要蒸汽参数（主蒸汽压力、温度、再热蒸汽温度），机组容量（600MW 或 1000MW 等级），锅炉主要结构型式（炉型、燃烧方式、水冷壁型式），汽轮机主要结构型式（汽缸数、排汽口数、末级叶片、单轴或双轴布置等。

    　3 3

    　超超临界机组再热次数及主要蒸汽参数 3.1 超超临界机组 再热 次数、主要蒸汽参数与热效率

    　提高蒸汽参数（蒸汽的初始压力和温度）、接受再热系统、增加再热次数，都是提高机组效率的有效方法。

    　一般，常规亚临界机组的典型参数为 16.7MPa/538℃/538℃，其发电效率约为 38％。常规超临界机组的主蒸汽压力一般为 24MPa 左右，主蒸汽和再热蒸汽温度为 538℃～560℃；常规超临界机组的典型参数为 24.1MPa/538℃/538℃，对应的发电效率约为 41％。超超临界机组的主蒸汽压力为 25MPa～31MPa 及以上，主蒸汽和再热蒸汽温度为 580℃～600℃及以上。常规超临界机组的热效率比亚临界机组的高 2%～3%左右，而超超临界机组的热效率比常规超临界机组的高 4%以上。

    　在超超临界机组参数范围的条件下，主蒸汽压力提高 1MPa，机组的热耗率就可下降0.13%～0.15%；主蒸汽温度每提高 10℃，机组的热耗率就可下降 0.25%～0.30%；再热蒸汽温度每提高 10℃，机组的热耗率就可下降 0.15%～0.20%；即提高蒸汽的温度对提高机组热效率更有益。假如增加再热次数，接受二次再热，则其热耗率可下降 1.4%～1.6%。

    　图 1 表示蒸汽温度参数确定时蒸汽压力变化对机组热效率的影响。当压力低于 30MPa 时

    　机组热效率随压力的提高上升很快，高于 30MPa 时上升幅度较小。图 2、3 分别表示一次再热、二次再热机组蒸汽温度参数确定时蒸汽压力变化对机组热效率的影响。

    　 图 1

    　不同蒸汽参数时机组热效率相对提高值

    　 0.001.002.003.004.005.006.0020 25 30 35 40主蒸汽压力(MPa)机组热效率提高(%)566/566 566/593 593/593 600/600 610/610630/630 538/5660.002.004.006.008.0010.0018 20 22 24 26 28 30 32 34 36主蒸汽压力(MPa)热效率提高(%)540/540 565/565 580/600 600/600 600/6200.002.004.006.008.0010.0018 20 22 24 26 28 30 32 34 36主蒸汽压力(MPa)热效率提高(%)540/540 565/565 580/600 600/600 600/620

    　图 2

    　一次再热机组热效率相对提高值

    　图 3

    　二次再热机组热效率相对提高值

    　 3.2 再热次数

    　（1）二次再热将进一步提高机组的热效率 接受二次再热的目的是为了进一步提高机组的热效率，并满足机组低压缸最终排汽湿度的要求。在所给参数范围内，接受二次再热使机组热经济性得到提高，其相对热耗率改善值约为1.43%～1.60%。

    　（2）二次再热使机组更加简洁 有两个再热器——锅炉结构简洁化；增加一个超高压缸，增加一根再热冷管与再热热管，增加一套超高压主汽、调整阀，机组长度增加，轴系趋于简洁——汽轮机结构简洁化。存在大量需要解决的技术问题。

    　（3）近五年来新投运的超超临界机组基本上没有接受二次再热 除了早期美国的三台机组外，只有日本川越电站两台700MW机组(31MPa/566℃/566℃/566℃/1989年)和丹麦二台415MW(28.5 MPa,580/580/580/1998)机组接受二次再热的超超临界机组。近五年来新投运的超超临界机组没有接受二次再热。

    　（4）二次再热机组的技术经济性较差 在目前参数下，二次再热的经济性得益为 1.4%—1.6%左右，但机组的造价要高 10%~15%，而机组的投资一般约占电厂总投资的 40%~45%左右，电站投资要增加 4%—6.8%。技术经济性较差。

    　(5)接受一次再热是适宜的 接受二次再热存在大量需要解决的技术问题，国外制造运行业绩少，技术经济性较差。我国在进开放头超超临界机组的阶段接受一次再热是适宜的。

    　3.3 主蒸汽温度和再热蒸汽温度

    　（1）提高温度对提高机组热效率的效果格外显著 在超超临界机组参数范围的条件下，主汽温度每提高 10℃，热效率约可相对提高0.25%-0.30%；再热汽温度每提高 10℃，热效率约可相对提高 0.16%-0.20%。即 600℃/600℃0.002.004.006.008.0010.0018 20 22 24 26 28 30 32 34 36主蒸汽压力(MPa)热效率提高(%)540/540 540/540/540 565/565/565 600/600/600

    　方案比 580℃/580℃方案的热效率约可相对提高 0.92%；比 580℃/600℃方案的热效率约可相对提高 0.56%。提高温度对提高机组热效率的效果格外显著。

    　（2）技术问题 目前国际上可选购到的成熟材料可满足 620℃蒸汽参数的要求，不存在无法解决的拒绝性的技术问题和技术瓶颈。

    　先进国家有相当数量超超临界机组的温度参数达到和超过 600℃/600℃，已有多年的运行业绩，其牢靠性与亚临界及超临界机组处于同一水平。

    　600℃/600℃方案与 580℃/600℃方案的技术问题只有微小的差别，不是左右温度方案选择的打算性因素。

    　充分考虑材料的烟气侧腐蚀性能，汽水侧氧化性能，制造、加工、热处理、异种材料焊接等工艺性能，着眼于尽量提高蒸汽温度以期最大限度地“用足”现有材料的高温强度性能，在温度的选择上应既考虑先进性，又既考虑成熟性，取在 600℃左右为宜。

    　3.4 主蒸汽压力

    　（1）提高压力对提高机组热效率的效果没有提高温度的效果显著 在超超临界机组参数范围的条件下，28MPa 方案比 25MPa 方案的热效率约可相对提高0.45%，31MPa 方案比 28MPa 方案的热效率又约可相对提高 0.4%。

    　（2）目前接受 31MPa 主蒸汽压力是不适宜的 压力提高使过程线在焓熵图上向左移动，汽轮机末级湿度增大，末级动叶片的水蚀趋于严峻。低压缸的排汽湿度最大不应超过 12%。若蒸汽参数选择 28.0MPa、580℃/600℃，汽机背压 4.9kPa 时，排汽湿度将达到 10.7%。在主蒸汽温度/再热蒸汽温度 600℃/600℃、主蒸汽压力>30MPa 条件下，若不接受二次再热，汽轮机末级的湿度已超出设计规范。

    　近十多年投运的超超临界机组中，主蒸汽压力>（30—31）MPa 的机组台数仅三台,其中两台是二次再热机组。

    　鉴于技术难度、风险、技术瓶颈（汽轮机末级的湿度）及国外业绩和阅历的考虑，我国在开头进展超超临界机组的阶段，主蒸汽压力接受（30—31）MPa 不适宜的。

    　以下只对典型的 25MPa 与 28MPa 初压方案进行综合比较分析。

    　（3）技术问题 压力提高，蒸汽汽流对转子的激振增加；固体颗粒的冲蚀趋于严峻；末级湿度增大，湿汽损失加大，末级动叶片的水蚀趋于严峻；关键零部件的疲乏损耗趋于严峻。这些问题都是能够解决的，但压力提高的技术风险相对提高。

    　主蒸汽压力 25MPa 与 28MPa 两方案均不存在无法解决的拒绝性的技术问题和技术瓶颈。

    　（4）国外进展超超临界机组的业绩和阅历 在材料成熟前提下，提高温度、压力基本不变的技术路线,是问题单一、技术继承性好、热效率提超群显、不派生牢靠性问题、投资增加少、综合优点突出的技术路线。近十年来，世界上新设计、新投运的机组，这类机组是主角。

    　日本超超临界机组仍在接受 25MPa 左右的主蒸汽压力；徳国目前>700MW 的超超临界机组也未接受 27.5MPa 以上的主蒸汽压力。日本的东芝、日立、三菱三公司所设计制造的超临界机组的压力均为≤25.0MPa；只有 SIEMENS 公司近年才有 25.0MPa~30.0MPa 的业绩。

    　综上述，25MPa 压力方案和 28MPa 压力方案属于同一层次。25MPa 压力方案在技术可行性、设计制造模式、国外业绩及与国外合作、技术经济方面稍好；而 28MPa 压力方案的热效率稍高，其技术经济性需要依据实际工程而定。

    　4 4

    　机组容量

    　大容量机组具有以下的优势：效率高、单位千瓦投资省、同容量电厂（如 2×900MW 与 3×600MW）建筑占地少、同容量电厂（如 2×900MW 与 3×600MW）建设周期短、电厂人员少、维护费用低等综合优点。

    　单机容量的上限由关键技术问题、材料强度、汽轮机末级排汽面积（叶片高度）、汽轮发电机组（单轴）转子长度、加工制造设备及力气、运输、电网等打算。

    　1 4.1 锅炉容量

    　目前，螺旋管圈单炉膛布置型式的最大单机容量为 1050MW，可滑压运行的垂直管屏布置型式的最大单机容量为 1000MW。

    　从我国现有设计制造基础及技术可行性上考虑，1000MW 及以下容量的超超临界锅炉在技术都是可行的。

    　4.2

    　汽轮机容量

    　汽轮机大容量化需要很大的排汽面积。增加通流面积有两种途径：增大末级叶片的长度，使单个排汽口的面积增加；或增加低压缸的数量，使低压排汽口的数量增多。

    　单个排汽口的面积取决于末级叶片的长度，末级叶片的长度受限于合金钢或钛合金的强度极限。低压缸的数量也不能无限制的增加，低压缸的数量越多，轴系越长，轴系稳定性越差。目前大容量单轴汽轮机有业绩的汽缸总数最多为五个，即双流低压缸不超过三个，排汽口不超过六个。

    　背压影响汽轮机排汽面积，从而影响机组容量。我国地域宽敞，各地气侯差异很大。进展超超临界机组，应有不同排汽口与不同高度末级叶片的组合，来适应不同背压及不同功率的机组，并通过技术经济比较以达到最佳的综合经济性。

    　解决汽轮机大容量化的冲突还可接受汽轮机双轴设计方案。

    　从我国现有设计制造基础及技术可行性上考虑，选择 1000MW 级和 600MW 级超超临界汽轮机都是可行的。

    　4.3

    　发电机容量

    　国外具有运行业绩的最大容量发电机为：西门子 1100MW，三菱 900MW，阿尔斯通 930MW，东芝 1000MW。

    　当电厂为沿海（江）电厂或大路可至时，汽轮发电机定子为整体运输。大路可用大型平板车运输，水路可用船运至沿海（江）的码头。当电厂为内陆电厂、只能用铁路运输时，汽轮发电机定子接受内外机座，外机座运输重量为 100 吨，内机座（包括定子铁心、定子线圈等）运输重量为 360 吨。发电机的内、外机座现场组装的工作量较大。

    　双轴方案不存在以上发电机大型化及随之带来的运输问题。

    　我国大容量发电机的进展，选择 1000MW 级容量是可行的。

    　4.4 容量的综合比较

    　从技术可行性、设计制造模式、国外业绩及与国外合作问题、技术经济等问题考虑：

    　1000MW 等级超超临界机组方案具有效率高、单位千瓦投资省、人员少、维护费用低及同容量电厂建设周期短、用地少等综合优点。

    　600MW 等级超超临界机组，能适应我国宽敞内陆地区的低背压条件，适用于国内各个电网条件，适用于现有的设备运输条件，并可与 1000MW 等级容量机组形成系列化。

    　5 5

    　机组主要结构型式 1 5.1 锅炉结构型式

    　(1) 炉型与燃烧方式 大型超临界锅炉的整体布置主要接受∏型布置和塔式布置，也有T型布置方式。美国800MW到 1300MW 超临界锅炉接受∏型布置。阿尔斯通公司生产的超临界锅炉有接受塔式布置，也有（阿尔斯通-CE）接受∏型布置。西门子公司大型超临界锅炉既有∏型布置，也有塔式布置。日本超超临界锅炉主要是∏型布置。俄罗斯超临界锅炉接受 T 型布置。接受某种布置方式往往取决于锅炉厂家的传统技术。

    　600MW 和 1000MW 级锅炉有∏型布置、T 型布置和塔式布置，均有运行阅历。

    　T 型布置蒸汽系统简洁，钢材耗量大，我国进展超超临界锅炉可在∏型布置和塔式布置中选择考虑。

    　燃用高灰分煤，从减轻受热面磨损方面考虑，接受塔式布置较为合适。接受切园燃烧方式锅炉，从减小炉膛出口烟温偏差角度考虑，应选用塔式布置型式。地震风险大的地区，应避开接受塔式布置。接受对冲燃烧方式锅炉，可选用∏型布置型式。

    　锅炉整体布置型式的选择需要依据电厂燃煤条件、投资费用、运行牢靠性及经济性等，进行全面地技术经济比较选定。

    　锅炉布置型式与燃烧方式有确定关系，两者应合理搭配。1000MW 级超超临界机组锅炉可接受四角单切圆塔式布置、墙式对冲塔式布置、单炉膛双切圆∏型布置及墙式对冲∏型布置。600MW 级超超临界机组锅炉还可接受四角单切圆∏型布置。

    　（2）水冷壁型式 变压运行超临界直流锅炉水冷壁有两种型式：炉膛上部用垂直管、下部用螺旋管圈，及内螺纹垂直管屏。

    　螺旋管圈水冷壁在超临界和超超临界锅炉上应用最广泛，欧洲、日本的其它电厂和我国均接受螺旋管圈水冷壁以适应机组变压运行。螺旋管圈水冷壁炉也有两种型式，一种是光管，另一种是内螺纹管。后者可强化传热，使水冷壁运行更平安牢靠，但成本将增加10%－15%。

    　内螺纹垂直管屏变压运行超临界锅炉系三菱重工上世纪80年月开发的产品，已有8...

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