基于中溫中壓工業蒸汽需求的300 MW級供熱機組選型分析

李江波，閻占良

(河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031)

近年來，隨著經濟高速發展和人民生活水平的不斷提高，我國北方采暖地區大型熱電聯產熱電廠項目越來越多。目前，這些項目大多采用國產300 MW級亞臨界參數抽汽凝汽式供熱機組，由于這些機組以承擔采暖負荷為主，形成了采暖期熱電聯產+非采暖期純凝發電的運行模式，在某種程度上限制了熱電聯產優勢的發揮。基于上述原因，近期規劃建設的大型熱電聯產熱電廠已將采暖用熱和工業用汽統籌考慮，力求使項目建成后可常年在熱電聯產模式下運行，以期達到最好的熱經濟性和環保效果，并使工程有良好的經濟效益。下面以河北建投任丘熱電廠為例，對承擔中溫中壓工業蒸汽需求的300 MW級供熱機組進行選型分析。

1 機組承擔的熱負荷分析

根據《任丘市城市供熱規劃(2008-2020年)》(簡稱“供熱規劃”)和《任丘市熱電聯產規劃(2008-2020年)》(簡稱“熱電聯產規劃”)，河北建投任丘熱電廠是任丘市近、遠期的主力熱源，一期工程建設2臺300 MW級供熱機組，主要供應任丘市采暖供熱分區中A-G區的冬季采暖熱負荷和北部工業區的生產用蒸汽負荷。

1.1 工業蒸汽抽汽量

根據供熱規劃，由河北建投任丘熱電廠供汽的北部工業區現狀工業蒸汽抽汽量為75.5 t/h，近期工業蒸汽抽汽量為162.5 t/h，遠期工業蒸汽抽汽量為688.7 t/h，即河北建投任丘熱電廠一期工程應擔負的工業蒸汽抽汽量為162.5 t/h。

1.2 采暖熱負荷

根據供熱規劃，河北建投任丘熱電廠供熱區現有建筑面積1 601萬m2，近期建筑面積將達到1 988.65萬 m2，其中集中供熱面積1 610萬m2，即河北建投任丘熱電廠一期工程應承擔采暖面積1 610萬m2。

按照該地區氣象條件，采暖期室外計算溫度為-5.7 ℃，室外平均溫度為-0.2 ℃,采暖期122天(2 928 h)，近期熱負荷分別為：采暖期最大熱負荷790.19 MW；采暖期平均熱負荷=790.19 MW×[18-(-0.2)] ℃/[18-(-5.7)]℃=606.81 MW；采暖期最小熱負荷=790.19 MW×(18-5) ℃/(18-(-5.7))℃=433.44 MW。

另外，根據供熱規劃，河北建投任丘熱電廠要確保工業熱負荷的供應。在保證工業用汽時，其采暖供熱能力若無法承擔1 610萬m2，可由其它聯網熱源補充供熱。

1.3 工業熱負荷參數

河北建投任丘熱電廠位于北部工業區。根據熱電聯產規劃，一期工程承擔工業蒸汽抽汽量162.5 t/h，考慮管網損失等，確定工業蒸汽抽汽量為180 t/h，其中向中國石油天然氣股份有限公司華北石化分公司供160 t/h中溫中壓蒸汽(4.0 MPa、440 ℃)，向京東橡膠廠供20 t/h、280 ℃、0.8 MPa的蒸汽。

1.4 供熱方式

根據供熱規劃，采暖用熱將由設在電廠內的供熱首站將130 ℃的高溫熱水送至各二級換熱站，由二級換熱站向用戶供熱。換熱后70 ℃的熱網回水回到電廠供熱站。工業用蒸汽直接送至熱用戶。

2 裝機方案的確定

2.1 超臨界機組的設計要求

2.1.1 鍋爐

超臨界鍋爐受熱面工作條件比亞臨界鍋爐差，因此對于受熱面鋼種、管道規格等選用上需有專門要求，尤其是過熱器管材選擇時，應注意所用鋼材的抗腐蝕性和晶粒度指標。為保證鍋爐在各種工況下水動力的可靠性，在鍋爐廣泛的運行工況范圍內，應保證各水冷壁出口溫度在規定范圍內(設計要求為50 ℃)浮動，以確保水動力穩定性不受破壞。超臨界鍋爐水冷壁對爐內熱偏差的敏感性較強，采用四角切圓燃燒時，必須采取有效措施，消除爐內煙氣溫度偏差，一般鍋爐出口兩側最大煙氣溫差不得大于50 ℃。

2.1.2 汽輪機

由于超臨界汽輪機由直流鍋爐供蒸汽，溶解于蒸汽中的其它物質較多，針對超臨界機組固體硬粒沖蝕這一突出問題，汽輪機本體設計需要采取相應措施。由于主蒸汽參數及再熱蒸汽參數的提高，汽輪機關鍵部分的選材要比亞臨界高。超臨界汽輪機高壓缸入口壓力高、汽流密度大，在結構設計上，需要采取措施防止蒸汽旋渦振蕩，避免輪系振動頻率與噴嘴尾跡擾動力頻率重合所產生的共振。

2.2 國內300 MW級超臨界機組現狀及供熱優勢

自2003年初，國內建設投產多臺300～1 000 MW超臨界(超超臨界)機組。經過幾年來的不斷摸索改進，目前國產超臨界(超超臨界)機組在設計、生產和運行管理等方面已積累了豐富的經驗。

對于300 MW級超臨界機組，各制造廠額定容量大都采用350 MW，目前已有華能瑞金電廠(2007年底投產，純凝)、華能海南東方電廠、華能長春第四熱電廠(2009年底投產，供熱)、山東黃臺火力發電廠(2009年底投產，供熱)等項目投產，運行狀況良好。

350 MW超臨界供熱機組與300 MW級亞臨界供熱機組相比，由于初參數提高，其各級抽汽參數也相應提高。如常用來作為工業蒸汽抽汽的二、三、四段抽汽，抽汽壓力可提高約0.5～0.8 MPa，可滿足更多工業熱用戶的生產需求。這使得機組能夠在更大范圍內適應工業蒸汽參數要求，從而在供熱方面具有優勢條件。

由于超臨界汽輪機結構設計和主要材質上的特殊要求，其價格比亞臨界汽輪機高。對運行的安全性和操控方面的要求也較高。從安全性考慮，直流鍋爐水冷壁管壁的冷卻條件較差，容易出現過熱現象，而自然循環的汽包爐則有自補償特性，安全性較高。但國內大型超臨界機組已有較為成熟的設計、制造和運行管理經驗，這些問題都不構成制約條件。任丘熱電廠工程采用超臨界供熱機組在技術上是合理的。建議具有類似供熱要求的300 MW級熱電廠采用超臨界參數機組。

2.3 針對供熱需求的裝機方案分析

河北建投任丘熱電廠承擔的熱負荷中，工業蒸汽參數主要為中溫中壓參數，這給機組選型帶來一定的難度。常規國產亞臨界300 MW級供熱式汽輪機高壓缸排汽參數約為3.6 MPa/360 ℃，采暖抽汽參數為0.3～0.5 MPa/500～550 t/h，在減少采暖抽汽量的前提下，可具備100 t/h(約0.8 MPa)的工業蒸汽供汽能力。可見，若采用常規國產亞臨界300 MW級供熱式汽輪機，無法供出4.0 MPa/440 ℃的工業蒸汽。若從主蒸汽系統減溫減壓提供，將是一個經濟性和安全性都極不理想的辦法。經向制造廠咨詢后，任丘熱電廠一期工程選用了350 MW超臨界抽凝式供熱機組。

針對該工程熱負荷情況，采用350 MW超臨界抽凝式供熱機組是一個比較好的方案，不但滿足了較高參數工業熱用戶需求，還可提高機組熱經濟性，節能減排效果更好。

通過與汽輪機廠家溝通，幾家汽機廠均可在350 MW超臨界純凝機組基礎上改進設計，提供滿足工程需要的350 MW超臨界供熱機組。其高壓缸排汽壓力高于4.4 MPa，完全可以從再熱系統向外供應中溫中壓工業蒸汽。具體供應蒸汽的方式：一是征得鍋爐廠同意，從再熱器440 ℃ 蒸汽溫度區域直接對外供應蒸汽；二是從再熱器出口抽汽經減溫器供出。

根據該工程熱用戶用汽量要求，每臺機組的工業抽汽量確定為90 t/h，其中從高壓缸排汽(經鍋爐再熱器加熱)供出80 t/h的中溫中壓蒸汽，從四段抽汽抽10 t/h的高溫蒸汽，分別直接供給熱用戶。每臺350 MW超臨界供熱機組最大工業抽汽量可以達到266 t/h，在1臺機組停運的時候，另外1臺機組完全可以滿足工業用戶的蒸汽用量，從而保證了工業熱用戶的供熱可靠性。

3 機組選型的經濟性分析

3.1 機組選型初期投資比較

生產廠家對350 MW超臨界供熱機組三大主機(鍋爐、汽輪機、發電機)的報價為72 800元，對300 MW級亞臨界供熱機組三大主機的報價為61 200元，差價為11 600元。按照2009年的價格投資水平計算，2臺350 MW超臨界供熱機組的靜態投資為29.2億元，折合為4 170元/kW(靜態)，2臺300 MW級亞臨界供熱機組工程靜態投資為26.5億元，折合為4 416元/kW(靜態)。

3.2 機組熱經濟性分析

為分析350 MW超臨界供熱機組熱經濟性，對350 MW超臨界供熱機組熱經濟指標和具有類似熱負荷條件的常規300 MW亞臨界供熱機組熱經濟指標進行對比，對比情況見表1。

從表1可以看出，在采暖期工況下，采用350 MW超臨界供熱機組比采用300 MW亞臨界供熱機組全廠熱效率高6.5%；在非采暖期工況下，采用350 MW超臨界供熱機組比采用300 MW亞臨界供熱機組全廠熱效率高4.9%。上述比較中，2種機組的供熱條件不完全相同，但比較接近，因此可以定性地得出結論，采用350 MW超臨界供熱機組比采用300 MW亞臨界供熱機組全廠熱效率高。

表1 350 MW超臨界供熱機組與300 MW亞臨界供熱機組熱經濟指標對比

4 結論

通過對河北建投任丘熱電廠300 MW級供熱機組選型的比較分析，認為在有中溫中壓工業蒸汽需求，又要兼顧采暖供熱的條件下，采用350 MW超臨界供熱機組比300 MW亞臨界供熱機組，從各方面來說都具有一定得優勢。

a. 從機型對供熱需求的適應性看，若350 MW超臨界供熱機組高壓缸排汽壓力可滿足對外供應中溫中壓蒸汽的要求(溫度稍低)，可從鍋爐再熱器溫度合適的地方抽汽對外供熱或從再熱蒸汽熱段管道上抽汽減溫后對外供熱，其熱經濟性優于亞臨界機組。

b. 從熱經濟方面看，采用350 MW超臨界供熱機組比采用300 MW亞臨界供熱機組全廠熱效率高5%左右。