350 MW供熱機(jī)組采用超超臨界參數(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

郝云燕

(中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

350 MW供熱機(jī)組采用超超臨界參數(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

郝云燕

(中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

350 MW超臨界供熱汽輪機(jī)是目前國內(nèi)大型供熱機(jī)組的主導(dǎo)機(jī)型，350 MW機(jī)組是否可進(jìn)一步提高蒸汽參數(shù)，向超超臨界參數(shù)發(fā)展從而進(jìn)一步提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，一直存有爭議。本文結(jié)合各主機(jī)廠的分析結(jié)論，針對350 MW供熱機(jī)組采用超超臨界參數(shù)的技術(shù)可行性、初參數(shù)選擇的合理性以及設(shè)備投資與運(yùn)行成本的經(jīng)濟(jì)性比較等方面進(jìn)行論述分析，對350 MW采用超超臨界參數(shù)的合理選擇提供了參考意見。

350 MW機(jī)組；超超臨界；經(jīng)濟(jì)性

0 引言

目前我國采用超超臨界參數(shù)的機(jī)組都是限于600～1 000 MW及以上大型機(jī)組，對于350 MW機(jī)組來說，是否可進(jìn)一步向超超臨界參數(shù)發(fā)展，從而進(jìn)一步提升機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益，一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注的問題。近年來陸續(xù)有熱電企業(yè)在350 MW供熱機(jī)組的參數(shù)選擇上趨向于采用超超臨界參數(shù)，以期達(dá)到更好的節(jié)能減排效果，國內(nèi)3大主機(jī)廠也在350 MW機(jī)組的參數(shù)選擇、經(jīng)濟(jì)效果以及投資成本方面進(jìn)行了論證分析。本文結(jié)合各主機(jī)廠的分析結(jié)論，針對350 MW機(jī)組若采用超超臨界參數(shù)，其單機(jī)容量是否有利于充分發(fā)揮超超臨界參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性效果，在制造技術(shù)上是否可行以及由此帶來的主輔設(shè)備、管道材料投資費(fèi)用等問題進(jìn)行簡要分析，以供350 MW機(jī)組參數(shù)選擇時參考。

1 350MW機(jī)組選超超臨界參數(shù)技術(shù)可行性

1.1機(jī)組容量對效率的影響

對于汽輪機(jī)來說，進(jìn)汽參數(shù)的提高是否能帶來經(jīng)濟(jì)效益，是與機(jī)組的容量有關(guān)的。超臨界及超超臨界蒸汽參數(shù)對應(yīng)著很高的蒸汽密度，若汽輪機(jī)單機(jī)容量偏小，則汽輪機(jī)高壓、通流部分的尺寸也偏小，造成二次流損失和汽封漏汽損失增加，這將會在一定程度上抵消由于蒸汽參數(shù)提高帶來的效益。從通流部分設(shè)計(jì)的角度分析，流量越大，高壓缸葉片高度越高，通流效率越高，加上軸封漏汽相對比例減小的原因，隨流量和功率的增加，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性越好。因此，在理論上超臨界機(jī)組及超超臨界機(jī)組具有最小單機(jī)容量限制。

試驗(yàn)研究表明：亞臨界參數(shù)300 MW/600 MW汽輪機(jī)高壓缸通流部分的損失中，葉型損失占總損失的30%～40%，端部損失占總損失的25%～35%，汽封漏汽損失占總損失的20%～25%。葉片越短，葉片端損的影響也就越大。對壓力更高的超臨界和超超臨界機(jī)組端損的比例更大。300 MW亞超臨界汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級葉高約30 mm。300 MW超臨界汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級葉高約20 mm，只有超臨界汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級葉高的2/3；端部損失、漏汽損失分別是超臨界汽輪機(jī)的1.5倍，甚至更多。

反動式汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級后容積流量與高壓缸效率差的關(guān)系曲線如圖1所示，隨著容積流量的減小，效率差的變化斜率增大。沖動式汽輪機(jī)的這種關(guān)系曲線變化更大。

圖1 反動式汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級后容積流量與高壓缸效率差關(guān)系

在決定通流部分容積流量的3個參數(shù)(壓力、溫度、流量)中，溫度的變化范圍小，對容積流量的影響最小，流量(功率)與高壓缸通流能力有關(guān)，比容則是壓力的函數(shù)。流量(功率)大小與壓力對高壓缸效率的影響程度是相同的。例如，在相同壓力參數(shù)下，同為單流程的亞臨界300 MW機(jī)組和600 MW機(jī)組，高壓缸采用相同的葉型、相同的焓降、轉(zhuǎn)子直徑和級數(shù)，但由于流量的不同，效率分別為85.0%和88.3%。

上述高壓缸效率與容積流量的關(guān)系表明，不同功率等級機(jī)組進(jìn)汽壓力對高壓缸效率的影響程度是不同的。

汽輪機(jī)生產(chǎn)廠家針對350 MW機(jī)組的不同參數(shù)選擇的理論設(shè)計(jì)結(jié)果顯示，對300 MW同功率的超臨界和亞臨界機(jī)組來說，由于蒸汽參數(shù)不同，容積流量的不同，300 MW超臨界機(jī)組高壓缸效率比亞臨界機(jī)組低2%～3%。但是參數(shù)的提高對中壓缸的效率有所增加，低壓缸的效率增加更加明顯，按高壓缸功率占汽輪機(jī)功率的1/3考慮，300 MW超臨界機(jī)組的整機(jī)的循環(huán)效率仍比亞臨界機(jī)組的循環(huán)效率提高2.3%～2.8%。而300 MW超超臨界機(jī)組與超臨界機(jī)組相比，高壓缸效率基本一致，其中低壓缸效率進(jìn)一步提高，因此，300 MW超超臨界機(jī)組的在循環(huán)效率上是3種參數(shù)的機(jī)組中最好的。

對于300 MW容量超臨界機(jī)組來說，將參數(shù)進(jìn)一步提高至超超臨界參數(shù)，主要關(guān)心的問題是超超臨界參數(shù)對應(yīng)很高的蒸汽密度與汽輪機(jī)高壓部分通流部分尺寸偏小的矛盾，從上面的論述可知，在300～350 MW范圍內(nèi)，機(jī)組容量應(yīng)該還是比較適合的，選擇上限350 MW容量，循環(huán)效率會進(jìn)一步提高，經(jīng)濟(jì)性也更好。根據(jù)輪機(jī)廠家的計(jì)算結(jié)論，350 MW機(jī)組由超臨界參數(shù)提高至超超臨界參數(shù)，其機(jī)組循環(huán)效率提高的幅度基本與600 MW和1 000 MW超超臨界機(jī)組相當(dāng)。因此，350 MW機(jī)組采用超超臨界參數(shù)在單機(jī)容量的匹配上應(yīng)該是比較合適的。

目前，雖然國內(nèi)600 MW以下容量的機(jī)組尚無采用超超臨界參數(shù)，但國外在300～400 MW等級的機(jī)組上早已有采用超超臨界參數(shù)的先例。丹麥的Nordjylloand電廠#3機(jī)組，單機(jī)容量415 MW ，進(jìn)汽參數(shù)29 MPa/582 ℃/580 ℃/580 ℃，于1998年投產(chǎn)。

1.2350MW機(jī)組進(jìn)汽參數(shù)選擇

我國現(xiàn)有常規(guī)超臨界機(jī)組的進(jìn)汽參數(shù)一般為24.2 MPa/566 ℃/566 ℃，常規(guī)超超臨界機(jī)組的進(jìn)汽參數(shù)一般為25 MPa/600 ℃/600 ℃。一般來說，在超超臨界機(jī)組范圍內(nèi)，主蒸汽壓力每提高1 MPa，機(jī)組熱耗將降低0.13%～0.15%，主蒸汽溫度每提高10 ℃，機(jī)組熱耗將降低0.20%～0.25%，再熱蒸汽溫度每提高10 ℃，機(jī)組熱耗將降低0.15%～0.20%，即提高蒸汽溫度對機(jī)組的熱循環(huán)效率更加有利。對于600 MW及以上容量的機(jī)組來說，超超臨界機(jī)組的熱效率與同容量的超臨界機(jī)組相比可提高4%左右。對于350 MW機(jī)組而言，雖然受容量較小的影響，提高蒸汽參數(shù)對效率的影響比600 MW以上機(jī)組略有減小，但提高蒸汽初參數(shù)熱效率仍會有明顯的提高。根據(jù)汽機(jī)廠的技術(shù)論證，350 MW采用超超臨界參數(shù)與超臨界參數(shù)相比，如果同時提高主蒸汽的壓力和溫度，對于高壓缸效率的影響并不大，甚至還會由于主蒸汽壓力的提高，蒸汽比容變小，高壓缸葉片高度降低，使得高壓缸效率略有下降。而對于中低壓缸而言，因再熱蒸汽溫度的提高，中壓缸的效率是有所提高的，而且隨著再熱溫度的提高，改善了低壓缸排汽區(qū)域的濕汽損失，使低壓缸的效率增加更加明顯，因此整機(jī)的效率仍有明顯提高的。對350 MW機(jī)組來說，受機(jī)組容量影響，若同時將蒸汽壓力提高至超超臨界的25 MPa，則汽缸通流面積變小，葉高降低，反而會對熱效率產(chǎn)生不利的影響，同時也需增加承壓部件的強(qiáng)度，造成設(shè)備投資增加，經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，僅將主蒸汽及再熱蒸汽由566 ℃提高至600 ℃，而主蒸汽壓力仍維不變，即24.2/600 ℃/600 ℃是較為合理的參數(shù)。

1.3350MW超超臨界機(jī)組的技術(shù)可靠性

目前國內(nèi)在超超臨界參數(shù)的大型發(fā)電機(jī)組使用已經(jīng)非常普遍，技術(shù)成熟可靠，運(yùn)行穩(wěn)定性好，可靠性高。提高進(jìn)汽溫度的新型350 MW高效超臨界機(jī)組，是在成熟的超臨界機(jī)組和超超臨界機(jī)組的技術(shù)上開發(fā)而來的，因此在技術(shù)上并沒有新的難度，針對350 MW采用超超臨界參數(shù)的問題，國內(nèi)幾家主機(jī)廠也都做了技術(shù)論證，均認(rèn)為在技術(shù)上是完全可行的。采用超超臨界參數(shù)后，汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)與超臨界相比幾乎沒變化，材料更換量也不多，因此在現(xiàn)有350 MW超臨界汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將其進(jìn)一步改進(jìn)成為超超臨界機(jī)組，其技術(shù)的成熟性和可靠性是有保證的。目前雖然國內(nèi)尚沒有350 MW超超臨界機(jī)組的生產(chǎn)制造業(yè)績，但國內(nèi)主要主機(jī)廠具備設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力。

2 350 MW超超臨界機(jī)組經(jīng)濟(jì)性分析

隨蒸汽參數(shù)的提高，主、輔機(jī)設(shè)備及高溫高壓管道等投資費(fèi)用將會有所增大。在機(jī)組供熱量和發(fā)電量相同的前提下，用最小年費(fèi)用法對350 MW超臨界和超超臨界機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(機(jī)組數(shù)據(jù)參考國內(nèi)汽輪機(jī)廠提供技術(shù)資料)進(jìn)行比較，見表1。

與超臨界機(jī)組相比，在20年經(jīng)濟(jì)運(yùn)行年限內(nèi)，350MW超超臨界機(jī)組每年節(jié)約運(yùn)行成本546萬元，扣減每年償還的初投資260萬元后，每年產(chǎn)生約286萬元的收益，具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。當(dāng)標(biāo)煤價由600元/t降至300元/t時，其經(jīng)濟(jì)效益仍然顯著。

表1 超臨界和超超臨界供熱機(jī)組的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

注：標(biāo)煤價(1)和標(biāo)煤價(2)為選取的2種有代表性的煤價，覆蓋了常見的煤價范圍。

3 結(jié)束語

在20年經(jīng)濟(jì)運(yùn)行年限內(nèi)，350 MW超超臨界機(jī)組與常規(guī)超臨界機(jī)組相比，經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)好，燃料消耗量降低，符合高效節(jié)能環(huán)保的產(chǎn)業(yè)政策。

350 MW超超臨界機(jī)組是在成熟的超臨界機(jī)組技術(shù)上開發(fā)而來的，在技術(shù)可靠性上是有充分保證的。

350 MW超超臨界供熱機(jī)組提供了一種選擇，兼顧節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)性要求，比較適用于煤價較高的大、中城市供熱所采用。在350 MW機(jī)組參數(shù)選擇中，需結(jié)合地域環(huán)境、煤價、節(jié)能減排和超低排放的要求進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

(本文責(zé)編：齊琳)

2017-07-25；

:2017-08-25

TK 229.2

：B

：1674-1951(2017)09-0052-02

郝云燕(1963—)，女，河北保定人，高級工程師，從事火力發(fā)電廠熱機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)工作(E-mail:haoyy@ncpe.com.cn)。