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超临界发电机组概述

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维普资讯 http://www.cqvip.com 《安徽电力}2002年第1期 超临界发电机组概述 国家电力公司华东分公司(I-海市200063) 摘要沈家民 本文简要回顾了火力发电机组的发展历程,介绍了超临界发电机组的原理和相关关键技 术。通过超,临界发电机组与目前我国主要采用的亚临界机组、超高压机组在技术、经济、可靠性等方面的 比较分析,作者认为:进入21世纪的中国,适当发展超临界发电机组很有必要。 关键词超临界发电机组锅炉 可靠性经济性运行 Abstract:Principles and relative key technologies of supercritical generating units are introduced, after briefly reviewing of developmcnt course of thermal generating unis.By comparing supercritical u— nits with existing subcritical units and other units in technology,economy and reliability,properly de— veloping supercritical units in China is proplsed. Keywords:supercritical generating unit boiler reliability economy operation 1电站机组的发展过程 1.1容量 (2)承担基本负荷的核电机组的比例在增长; (3)机组容量发展受电网容量的制约,一般为 7~1O ;但是对目前的大部分电网来说,这一制 为了降低单位发电容量(每kW)的基建投 约条件已不复存在; (4)对采用四角喷燃或对冲燃烧的单炉膛锅 炉来说,在目前的技术条件下,鉴于水动力、燃烧 特性以及炉膛出口烟温偏差等因素,锅炉的横截 面尺寸是有一定的,故容量也相应受制约; 资、设备费用、运行维护费用以及适应用电需求迅 速增长的要求,上个世纪发电机组容量不断增长。 从上世纪4O年代末到7O年代初的3O多年中,从 美国及日本火电机组发展情况来看,每5到1O年 单机容量增加约一倍左右。7O年代美、苏、日、德 分别投运了1300MW、1200MW、IO00MW和 720MW燃煤机组;尽管英国在发展大容量机组 方面较为保守,但800 IO00MW机组亦已投运。 目前,在我们国家电力公司范围内,200MW、 300MW、600MW等级的机组为主力机组。 1.2参数 众所周知,大容量机组应采用高参数,以提高 电站的经济性。从上世纪初的低、中压开始,到以 后的次高压、高压、超高压,直至五十年代初期的 亚临界和六十年始的超临界。目前,世界各国 大容量锅炉设计采用的蒸汽压力,一般可分为超 但是,从8O年代初开始机组平均容量有下降趋 势,原因之一为燃料的变化,另一原因则是 六、七十年代单机容量的迅速增长对大容量锅炉 的可用率产生了不利的影响。从经济角度看,目前 电力工业明显地趋向于要求发电设备有更高的可 用率。我们对大型燃煤机组的要求为:可用率> 9O ,故事停运率<2 。 另外,从技术角度讲,机组容量的发展是受到 下列条件制约的: (1)因电网需要,要求大机组带中间负荷运 行,这不仅要求发电机组有更大的运行灵活性,而 高压(14~16MPa)、亚临界(17~21MPa)和超临 界(24~27MPa)三个级别,而汽温则大多采用 540"C左右或568℃左右两种。 1.3锅炉的循环方式 锅炉有自然循环、强制循环和直流炉三种: (1)自然循环 自然循环是借助于汽水比重差来作为流动压 且在经济上会造成损失; 头。其倍率一般为6~8。目前,亚临界汽包锅炉中 维普资讯 http://www.cqvip.com 2 《安徽电力}2002年第1期 较大差异,例如矿口或沿海缺煤地区之间)。 ③运行及维修费用。 ④机组的可用率和强迫停运率。 ⑤运行方式(带基本负荷、尖峰负荷,还是两 班制运行)。 (2)从热力学技术角度考虑 从锅炉本体和热力系统设计而言,要提高技 术经济性有下列途径: 提高初参数;降低终参数;利用再热;利用回 热。 大都为自然循环锅炉。 (2)强制循环 在回路中用循环泵来提高循环回路的流动压 头,一般,其循环倍率为3~5。 强制循环汽包炉运行方式的优点为: ①因为有了循环泵,提高了克服阻力的能力, 故可采用偏小的锅筒直径及直径较小的上升、下 降管,而且强制循环汽包炉相对于汽包炉而言,高 度亦相应降低,这样均节省了材料。 ②更重要的是,重量流速更有保证,使任一循 环回路中的工质均处于核态沸腾工况。 对于提高循环热效率 的诸途径而言,降低 终参数受环境温度的;利用中间再热受锅炉 尾部热力条件(可能的吸热量)和布置(一般为一 级,极限二级)上的;利用回热则会受到技术 经济比较上的制约(一般,极限为七~八级)。于 ⑧具有较好的低负荷和动态变负荷能力,即 在该工况下水动力安全性更有保障。一般,汽包炉 的最低负荷大致为5O ,而控制循环汽包炉则可 达35 。 但是,强制循环炉的自补偿能力较自然循环 炉差。 (3)直流炉 是,提高初参数成为唯一通路。参数的提高包括压 力和温度,其中温度提高将受到当前材料性能的 制约,主要是高温性能和焊接性能(包括异种钢焊 接)。 当温度>600 ̄C时,T91已不能满足长期安全 运行的要求。另外,调峰任务重的电网,疲劳失效 直流炉也称“一次通过的锅炉”,也即循环倍 率为1的锅炉。 所谓锅炉的临界点压力其值是22.129MPa, 而超临界压力就显然还必须大于这一压力。超临 界锅炉是从直流炉发展起来的,是压力大于临界 压力的直流锅炉。 是一大问题。再则,当材料在高温下长期运行时, 多量蠕变孔洞出现之前对积累损伤的判断亦是当 前金属材料范畴的一大课题。 超临界机组的运行从安全性方面考虑,最重 2发展超临界机组的目的 发展超临界机组的目的无非是从技术经济比 要的是,金属材料要选妥并应有一定的裕度(材质 和壁厚)。当然,超临界机组压力高,若新材料的开 发研究跟不上,仅依靠壁厚,则机组重量的增加还 较和日益提高的环保要求这两个方面来考虑的, 同时作为一个大国,要有和国际接轨的先进发电 设备也是很正常的。我们的国策将决定我们发展 超临界机组的必要性和速度。 2.1从技术和经济性角度考虑 (1)从宏观上来看,影响一座电站技术经济性 的主要因素 在于次,更重要的是厚壁部件会增加机组起停和 变工况运行时的热应力,并会对机组起停速率提 出更严格的要求。 近年来,高温部件新材料和焊接技术发展很 快,尤其是美、日两国对新材料的开发和应用大大 地缓解了这一矛盾。 新材料和焊接问题有了突破,初参数的进一 ①由机组容量和参数决定的投资和电站循环 效率之间的比较。国外某些资料表明(仅作参考), 从450 1000MW范围内,超临界锅炉的初投资 比亚临界汽包炉提高4 (主要取决于高温高压 步提高亦就有了可能。 提高初参数能提高机组循环效率,降低汽机 热耗,于是煤耗也相应降低。尽管超临界机组的锅 炉效率和亚临界机组相比并无多大变化,但是,采 用了超临界机组后循环效率和发电厂效率都会有 明显提高。这便是超临界机组具有生命力的基本 合金钢管和承压部件的制造费用),而效率则可提 高4.5 ,o4左右。 ②取决于燃料价格(各国和某国不同地区有 点。这就是从热力技术角度要搞超临界机组的原 维普资讯 http://www.cqvip.com 《安徽电力 ̄2002年第 因。 3 (2)再以一台720MW机组为例,以亚临界参 (3)从业主的角度考虑 数作基准,当压力提至25MPa时,热耗改善2 ; 当压力继续增至31MPa时,则热耗可继续改善 0.75 ;当主汽和再热汽温提至560 ̄C,热耗可改 善1 ;如果增加再热级数,把一级增至二级,则 热效率可改善1.5~2 。若上述诸方案均予实 施,则经计算,3年的燃料节约即可抵偿初投资的 增加。当然,选择煤价较高的地区安装超临界机组 就更有利可图了。 (3)华东六台600MW机组虽其容量相同,但 作为业主,最终确定上什么形式和参数的机 组、搞什么规模的发电厂,其最为关心的问题仍是 投入产出比。当然,要综合诸多方面的因素来进行 比较。但是,比较必须有一个前提,即同容量、同可 用率、同发电量。(指基本一致)。 按国外资料说法,如机组寿命按40年设计, 对一台600MW的超临界参数机组来说,其所增 加的投资(相对于亚临界机组)若能在10年内(即 1/4寿命期)回收(由于超临界机组提高了效率、 节煤),应该认为是合理的(当然,这和煤价有极大 关系)。 由于参数、制造厂商、安装质量和运行水平不同, 其经济指标是有较大差异的。鉴于这几台锅炉的 效率基本相同这一前提,所以我们完全可以用机 另有国外资料表明,按1995、1996年的国际 行情,算煤价通常为40美元/t,超临界机组的单 位造价每kW统计为790美元,而亚临界为775 美元。我国规划院有关专家认为:以25年计,算煤 价超过300元/t时,则可采用超临界机组而在低 煤价区域,则仍以亚临界机组为宜。 总之,如国内外超临界机组的单位造价能控 制在比亚临界机组的造价不超过~3 ,则经粗 算,选用600MW及以上等级的超临界机组可获 得较好的经济效益。对我国来说,特别是在东部沿 海缺煤地区或在煤价较高的地区。 注:目前我国华东地区到岸的算煤价为300 ~组性能考核试验时汽机的热耗来作比较; 石洞口二厂(进口超临界)改造后的数据为 7554kJ/kW・h; 北仑电厂N_O2(进口亚临界)为7915kJ/kW・ h; 平圩电厂Ngl(引进技术,国内制造亚临界)为 8221kJ/kW・h。 可见,进口超临界的热耗比进口亚临界低4. 78 9,5,比国产亚临界低8.83 。 另外,鉴于1996年该三个厂三台NOl机组的 可用率、发电量比较接近,使其供电煤耗之间具有 可比性(负荷和煤耗关系甚大)。比较结果为: 石洞VI二厂超临界为31lg/kW・h; 北仑进口亚临界为322g/kW・h; 320元/t,而矿口价则为105 ̄110元/t。 以上所述均为是否采用超临界机组的考虑思 路。 平圩国产亚临界351g/kW・h。 即超临界机组供电煤耗比进口亚临界约低 3从国内外已投运的超I临界机组的运行 3.54 ,比引进技术、国产亚临界机组约低12. 86 。 实绩来看发展超I临界机组的必要性 由上可见,华东六台不同参数的600MW机 3.1提高经济性 (1)如在同一温度条件下,由超高压提高到亚 临界压力,例如,从14MPa540/540 ̄提高到 17MPa540/540℃,电厂经济性约可提高1.7 ; 而由亚临界压力提高到超临界压力,例如从 17MPa538/538℃提高到24MPa538/538℃,则电 厂经济性将提高约1.8 。 而如在同一压力条件下(例如24.6MPa),蒸 汽温度由538/566℃提高到600/610℃,则机组效 组之间的经济性指标差距是很明显的。 (4)下面让我们来比较一下国内外机组的运 行实绩: 华能石洞口二厂二台超临界机组的性能不仅 在国内为一流的,且与国外超临界机组相比,其经 济指标亦尚属先进(见表1)。 3.2从环保角度考虑 如上所述,采用超临界机组后,提高了效率, 降低了煤耗,节约了能源。这不仅降低了NO 和 SO 的排量,亦降低了会导致“温室效应”的日益 率可提高到3.5 左右。 维普资讯 http://www.cqvip.com 4 《安徽电力>>2002年第1期 增长的CO 排量。这是符合中国和国际范围内日 序 电厂名称 机组号 益增长的环保要求的。 机组容量 MW 表1 几种超临器机组技术经济指标 主汽压 MPa 主/再热汽温 ℃ 机组热耗 kJ/kW・h 1 2 3 4 5 6 华能石洞口二厂 日本碧南电厂 日本碧南电厂 日本新地电厂 日本新地电厂 美国Paradise电厂 2 1 3 1 2 1 600 700 700 1000 1000 115O 24.2 24.1 24.2 24.1 24.1 24.2 538/566 538/566 538/593 538/566 538/566 538/538 7595 7670 7569 7653.5 7649 7689 以,应该认为,上述问题均为当时尚未成熟的新产 4超临界机组和亚临界机组的比较 4.1超临界机组和亚临界机组在可靠性方面的 比较 品的完善化问题,而非超临界固有缺陷造成的问 题,即使在超临界机组发展的后期,同样也出现过 一些问题。例如,八十年代末期,华能上海石洞口 二厂引进的由Sulzer和ABB联合设计制造的产 品,即600MW、24.2MPa、538/566℃的锅炉机 组。这些问题是: 在欧、美、日等国,超临界机组自六十年代初 开始发展。超临界机组不仅有其经济性和环保方 面的优势,而且就其可靠性而言,从理论上讲,超 临界机组的锅炉与亚临界机组直流炉的汽水流程 第一,悬吊管扭曲变形; 第二,过热器出口集箱联接短管裂纹。 是相同的,没有什么特殊之处。就水动力特性来 说,在超临界压力下,工质为单相,分配均匀性较 好,可以避免因汽水二相分配不均而出现的问题。 但是,分析可以发现: 第一个问题是在300MW左右负荷亚临界工 况下水冷壁内存在两相流,管内阻力受热负荷影 响较大(后墙阻力因结构原因偏大),导致悬吊管 中工质流量偏差,特别是在240MW时,情况尤 甚。 因此,我们可以认为,超临界压力锅炉在超临界压 力下或在接近超临界压力时,其水动力的分配优 于亚临界锅炉。华东地区二台600MW超临界机 组和4台亚临界机组1996年可靠性数据说明,从 总体上看,超临界机组的可靠性已经接近或超过 了亚临界机组(见图1)。 l ∞第二个问题为设计时考虑弯头补偿不够,刚 性较大造成的。 九十年代初,该厂已分别通过加强运行调整 和加装补偿弯头解决了这二个问题。故超ll缶界机 因_置町用秉矗 j 口’ 藿运 ¨ 组发展后期,即华能上海石洞口二厂二台超ll缶界 机组刚投产初期出现的问题,同样不是超ll缶界机 组的固有问题。 石曩口二厂 .I翘‘,I 畜一口二厂 北仑.鼍厂 北仑宅厂 ・2置蓝,I ,I豆喀再 .2五喀,I 覃圩屯厂 ,I亚‘再 “竺 早圩电厂 .2亚喀再 再则,亚临界机组也曾出现过一些设计上考 第一,北仑电厂600MW机组(No3)投产后过 虑不周的问题。例如: 热器汽温偏低约21℃。后通过调整热面(减少省 图1 华东地区六台600MW超临界和 煤器受热面,增加低过受热面)和提高喷燃器标高 才基本解决。 第二,扬州第二发电厂600MW亚临界机组 亚临界机组可靠性数据比较 但是,初期超临界机组的可靠性明显地不如 亚临界机组。然而分析表明,导致可靠性低的原 因,不外乎炉膛设计的问题、锅炉的调峰性能尚不 (NO1)投产后过热器汽温偏高(使用的减温水量接 近300t/h),后经燃烧调整和在炉膛部位加装了 42只吹灰器后减温水量已降至200t/h左右(设 计值为80t/h)。 上述两问题虽至今尚未完全解决,但同样不 能满足要求,煤种和炉型的匹配问题以及复杂的 控制系统尚未完善等问题,而并没有出现由于运 行压力自亚临界提高到超临界而造成的问题。所 维普资讯 http://www.cqvip.com 《安徽电力))2002 筮 能说是亚临界压力锅炉的固有问题,乃设计上考 虑不周造成的。 的关键。 5 若采用滑压运行,稳态时低压缸过热度相对 提高,对末级叶片的安全有利;动态时差胀减小, 对汽机的安全性有利;当然,设计中必须确保锅炉 在各种工况下水动力的安全性。 总之,我们可以认为,只要加强全过程管理, 即只要设计上考虑周全,制造质量有保证,精心施 工,运行方式合理和良好的运行调节,超临界和亚 临界机组均可达到良好的可靠性指标。而超I临界 机组在达到或大于临界压力运行时,由于不存在 二相流可能导致的不均匀性,则相对于亚临界直 流锅炉将能达到更好的可靠性指标。可以说,任何 新产品的可靠性是在解决问题和完善化过程中不 断提高的。 4.2超临界机组和亚临界机组在结构上的差别 (1)由于压力不同而导致管壁厚度不一样。 (2)当为了进一步提高超临界机组的热效率 而采用较高的过热和再热汽温时,材料级别就会 相应提高。 (3)由于采用了超I临界压力,导致进入汽轮机 图2石洞口二J设计运行方式 ③定一滑一定,即复合变压运行方式,乃出于 安全和经济性的双重考虑。关于安全性上面已提 蒸汽比容的减少,故超临界机组汽机高压缸叶片 尺寸缩短了,缸体也就相应缩小。 4.3超临界机组的运行 及,经济性则是通过初参变化、节流损失的大小和 给泵压头变化这三者的综合比较来确定的。 (7)启动方式 (1)由于超临界机组运行压力高,若阀门稍有 超临界机组的启动方式同直流炉的启动方 式,常用的有下列几种: 泄漏,吹损将十分严重,也即阀门维修的难度增 加。 ①带内置式分离器的启动方式。若全部回收 (2)若超临界机组参加调峰,则由于压力差 大,则低周疲劳的影响会更显著。 (3)由于管壁温度相应提高,容易发生高温腐 蚀。 热量,则需增加循环泵引入水冷壁系统,欧洲 Sulzer有此做法。当负荷达37~4O%左右时,进 入纯直流运行状态。 ②带外置式分离器的启动方式,即UP炉的 启动方式。当负荷为3O左右时“切分”为直流运行 方式。 (4)超临界机组的直流炉,在达到临界压力点 时要稍加注意。 (5)超临界机组配备有较好的自控系统,具有 良好的调节性能,变负荷速率可达设计要求(一般 在≥5O 负荷时为5 ;<5O 负荷时为3 )且 启动速度较快。 (6)运行方式: 超临界机组运行方式有滑压和定压两种,但 以前者居多。目前华能上海石洞口二厂的超临界 机组晚间调峰负荷为5O AECR,设计的运行方式 o为定一滑一定(见图2)。 以下要说明几点: ③复合循环启动方式。低负荷时为保持循环 流速,采用循环泵。 (8)超临界机组的水质要求 超临界机组的水质要求和亚临界并无原则之 差,但对水质要求更趋严格。由于超临界机组均为 直流炉,无法采取传统的锅内水处理调节手段,唯 一的办法是严格控制杂质,不使其从给水进入,即 确保优质给水。为达此目的,可通过投入CPS(凝 结水精除盐系统)、防止凝汽器泄漏以及严格控制 补水水质来实现。 具体说,我们要控制的指标为给水氢导,它是 反映水中杂质含量的综合指标,包括Cl一和有机 物等。特别是Cl一,一定要严格控制在给水系统之 ①图2纵座标上6MPa的确定是考虑到直流 工况下最低的重量流速。 ②调峰运行时,汽机的温差是涉及到安全性 维普资讯 http://www.cqvip.com 6 前,以尽量减少对炉管的腐蚀。此外,C1一对奥氏 体钢易造成点蚀,对汽机叶片亦有较强的点蚀和 氯脆倾向,故国外先进国家均严格控制这一指标。 其次,超临界机组均采用无铜系统,其目的为 能较大幅度提高PH值,国家的标准为PH在9.4 ~9.6是适宜的。在此碱性条件下,钢材的腐蚀倾 向最小。若采用有铜系统,则PH最高只能控制在 9.0左右。若再高上去,则必须提高NH。,这就会 导致Cu ̄Cu ,汽水系统中的Cu 就会大大超 标,这样一则会加速炉管腐蚀,二来Cu 会沉积 在汽机叶片上,增加汽机的轴向推力,降低出力。 鉴于超临界参数时汽水物理特性趋于一致, 即此时蒸汽携带Fe、Cu的能力要比亚I临界参数 强得多(随压力增加,Fe、Cu在蒸汽中的溶解能力 加强)。为此,对超临界机组采用优质炉外水处理, 即通过在给水中加氧的方式(一般从CPS出口加 入),降低热力通道的结垢速率,在炉管内表面形 成致密的氧化铁保护膜(层),使水汽循环中产生 的腐蚀产物最少。从而使携带到蒸汽系统的Cu、 Fe量达最少,保证炉管内表面和叶片的光结、致 密和清洁度,降低运行压差,使机组在最经济、最 佳的状态下运行,并提高了机组的安全可靠性。 5对在我国发展超临界机组的一些看法 迄今,我国共有12台超临界机组,容量从 300 ̄800MW,共计6000MW。其中1O台为俄罗 斯的,上海石洞口二厂的二台600MW机组由 Sulzer和ABB联合制造。 原来,我们有不少专家认为当前亚临界汽包 炉比较适合中国的国情,当然不排除直流炉。但笔 者认为,随着形势的发展,这种观点应该改变。其 理由为: (1)原制约条件正在逐步解决,即新材料和焊 接问题(尽管某些高温材料尚需进口)、自动化水 平问题(直流炉难以控制)、人员素质问题(要熟练 掌握直流炉运行有一定难度)。 尽力先行 《安徽电力))2002年第1期 (2)大容量,高参数是国际发展方向,作为发 展中大国,我们亦应跟上。因此,是否发展超I临界 (并非指引进,而是指自己设计、制造,并用本国材 料)是中国发电设备设计制造水平是否进入世界 先进行列的指标,它可提高整个国家的技术水准 (包括设计、制造、运行和人员素质)。 (3)超临界机组良好的经济性和随着早、中期 设计上所存在的问题的解决,超I临界机组的可靠 性在提高。 (4)随着环保要求的El益提高,降低NO 、 SO 、cO 排放量势在必行。 (5)煤是不可再生能源,从可持续发展的要求 出发,我们应尽可能节约能源,造福于子孙后代。 此外,发电量越大节能就越显著;一般来说,一家 1200MW电厂每天耗煤约一艘万吨轮的煤。当 然,这1200MW的构成很重要,是6×200MW超 高压、4×300MW亚临界,还是2×600MW超临 界,其用煤量是有较大差别的,当然还取决于运行 工况,即带基荷还是调峰。 对于煤价,国内外相比,如果在双方都折算为 标煤,并分别按矿口煤或到岸煤来比,则国内煤价 约比国际市场煤价低3O%左右。尽管这样,国外, 如澳大利亚来的商品煤的质量(均匀性、成份、杂 质等)还是要大大优于国内商品煤的。另外,即使 在中国本土,煤的地区差价还是很大的,放在某些 煤价相对高的地区发展超临界机组还是很有条件 的。 (6)超临界机组均为直流炉,调峰性能和动态 特性更好。 (7)超临界机组一般选用大容量的,故在某些 土地资源紧张地区发展有其优势。 综上所述,21世纪,在我国适当发展超临界 机组还是很有必要的。 (收稿日期2001—11—20) 尽力服务 

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