MW二次再热超超临界机组技术特点及经济性朱军.docx

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1、 mn 勘测设计 DWBB WE saw Dan 发 电设计 1000MW二次再热超超临界机组技术特点及经济性 1000MW二次再热超超临界 机组技术特点及经济性 朱军 (西北电力设计院，陕西西安 710075) 摘要： 简要介绍了火力发电厂二次再热机组的发展情况，并以 1000MW容量为例，从机组的参数选择、 主机、主耍热力系统三方面阐述了二次再热超超临界机组技术的特点，并从煤耗和投资的变化两方而对 1000MW二次再热机组与一次再热机组的经济性进行了比较，对二次再热技术的应用提出了建议。 关键词 ：二次再热；超超临界机组；特点：经济性。 中图分类号： T1V丨 621文献标志码： B文章编

2、号 ： 1671-9913(20丨 3)064024-06 Technical Characteristics and Economy of 1000MW Ultra-supercritical Unit with Double Reheat Cycles ZHU Jun (Northwest Electric Power Design Institute, Xian 710075, China) Abstract: The development situation of power unit with double reheat cycles of thermal power plant

3、are briefly introduced and the power unit with the capacity of 1000MW is cited as an example in this paper. The technical characteristics of ultra-supercritical unit with double reheat cycles is elaborated in three aspects such as selection of unit parameter, main machines and main thermal power sys

4、tem. A comparison between the economy of 1000MW ultra-supercritical unit with double reheat cycles and that of 1000MW ultra-supercritical unit with single reheat cycle is made in the two aspects of coal consumption rate and variation in investment. The proposal concerning the technical application o

5、f ultra-supercritical pressure power unit with double reheat cycles is also set forward. Key words: double reheat; ultra-supercritical unit; characteristics; economy. 我国超超临界机组经过近十年的发展，已 成为成熟的先进发电技术。截至目前，国内在 建和投产的 1000MW等级超超临界机组分别超 过 100台和 45台，为我国大幅降低平均发电煤耗 起到了重要作用，并使我国超超临界发电技术 水平跨入国际先行行列。 我国 “ 富煤、贫油

6、、少气 ” 的资源特点， 决定了燃煤发电在我国能源结构中的主要地 位。面对我国经济高速发展，电力需求和环境 保护的巨大压力对我国节能减排提出了新的要 求，而提高火电厂的发电效率，减少发电煤 耗，是从源头上降低烟气污染物和二氧化碳排 放的最有效手段。美国、欧洲、日本以及我国 都制定了发展 “70(TC” 超超临界发电技术的计 *收稿曰期： 2013-10-30 作者简介：朱军 (1963-),男，陕西杨陵人，教授级髙级工程师，现任中国电力工程顾问集团西北电力设计院总工程师，长期从 事火力发电厂设计、设计项目管理及设计技术管理工作。 24 201奔 12 月第 卜发 电设计 1000MW二次再热超

7、超临界机组技术特点及经济注 mn 划。但由于新的镍基耐高温材料在研制过程当 中一些问题尚未解决，致使应用计划将延迟至 2020年左右。在今后八至十年里，超超临界二 次再热技术的应用将是解决效率和环保问题的 切实选择，也可以为今后 70CTC机组实施二次再 热做好技术储备。 1二次再热机组的发展 对于二次再热机组，据不完全统计，全世 界至少有约 50台超 (超 )临界二次再热机组投入 运行。其中德国共投运 11台超 (超 )临界二次再 热机组，美国共投运 23台超 (超 )临界二次再热 机组，日本共投运 13台超 (超 )临界二次再热机 组，丹麦有 2台二次再热超超临界机组。从机组 投运的时间上

8、分析，大多数二次再热机组都在 上世纪六，七时年代投运，八、九十年代投运 的二次再热机组明显减少，从机组参数分析， 绝大多数机组的参数在 560 C和 25MPa左右。 个别机组的压力达到 31MPa,主蒸汽温度达到 600 C等级。 表 1国外投运的二次再热机组参数 机组 燃料 主汽压力 /MPa 蒸汽温度厂 C 投运时间 川越电厂 #1(700 MW) 天然气 31.0 566/566/566 1989 川越电厂 #2 (700MW) 天然气 31.0 566/566/566 1989 丹麦 Skaerbaek 电厂 #3(415MV) 天然气 29.0 582/582/582 1997 丹

9、麦 NordjyHand 电厂 #3 (385MW) 煤 29.0 582/582/582 1998 近几年，随着我国一批超超临界燃煤发 电机组的建设和投运，我国己经掌握的超超 临界机组设计、制造、安装和运行技术。基 于这样的条件，我国已经具有开发和应用二 次再热的能力。近期，随着国电泰州电厂二 期工程二次再热机组示范工程的开展，其它 发电公司在一些项目上也相继开展了二次再 热的建设工作。 表 2近期国内二次再热机组情况 机组 燃料 主汽 H力 /MPa 蒸汽温度 /C 计划投运时间 国电泰州电厂二期工程 (1000 MW) 烟煤 31 600/610/610 华能莱芜电厂一期工程 (M W)

10、 1000 烟煤 31 600/620/620 华能安源电厂 期工程 (660 MW) 烟煤 31 600/620/620 2 1000MW二次再热超超临界机组的 技术特点 2.1参数选择 (1主蒸汽压力 提高汽轮机进汽蒸汽参数是提高机组效 率的有效方法之一，当进汽压力在 27MPa 范围内，1 MPa进汽压力约影响汽机热耗 0.25% 0.2%,在更高压力及单流程容积流量较 小时， IMPa进汽压力影响汽机热耗 0.1%左右。 已经投运的超超临界二次再热机组的最高 运行压力为日本的川越电厂 #丨， #2机组，高压 缸进汽压力达到 31MPa 若继续提高主蒸汽压力，虽然能提高汽轮 机的效率，但

11、压力的提高增加了锅炉压力部件、 主蒸汽管道、给水管道、汽轮机主汽阀和调节 阀、汽轮机高压缸的设计压力，造成相关蒸汽管 道、设备部件壁厚增加，带来材料成本上升，尤 其是耐高温的热强钢的成本上升。管道及汽轮机 壁厚增加还会导致启动、停机灵活性下降，因此 考虑主汽压力控制在 31MPa应该比较合适。需要 注意的是，对于 “ 定一一滑 ” 运行模式的汽轮 机，应关注 3IMPa对应的汽轮机工况以及相应工 况下的锅炉过热器出口的压力。建议将 31MPa对 应到汽轮机 TMCR工况，并将 TMCR工况作为汽 轮机额定工况和热耗考核工况。 (2) 主蒸汽温度 一般来讲，每 HTC过热蒸汽温度影响热 2013

12、年 12月第 6朗 25 mn 勘测设计 DWBB WE saw Dan 发 电设计 1000MW二次再热超超临界机组技术特点及经济性 耗 0.25%,因此，提高温度对提高机组热效率 的效果非常显著。但是，由于主汽压力已经达 到31MPa， 如果主汽温度同时提高，则锅炉、 汽机、主汽管道的造价相应增加较多。同时对 比国外近期新建的先进铁素体材料超超临界机 组，主蒸汽温度也没有超过 600C,主蒸汽温度 采用 600 C是比较合适的。 (3) 热再热蒸汽温度 一般来讲，每 KTC热再热蒸汽温度影响热 耗0.15%。对于热再热蒸汽温度的选择，由于一 次热再热压力约为主汽压力 30%，二次热再热 压

13、力约为一次再热压力的 28%,远低于主蒸汽 压力，因此，锅炉再热器受热面及再热蒸汽管 道采用现阶段成熟材料的前提下，再热温度高 于新蒸汽温度是可行的。同时再热温度越高， 机组排汽湿度越小，对汽轮机末级的经济性安 全性越有利。下表为国外近年来投运的热再热 温度超过 600 C的电厂。 表 3投运的热再热温度超过 60(TC的机组 机组 锅炉 汽轮机 所属公司 投运 时间 橘湾 1 石川岛 东芝 J-Power 25-600/610 2001 橘湾 2 BHK 三菱 J-Power 25-600/610 2001 新矶子 1 石川岛 富士 J-Power 24.1-600/610 2002 新矶子

14、 2 石川岛 日立 J-Power 25-600/620 2009 Walsum 10 日立 steag 29-600/620 2010 Boxberg R 日立 Vattenfall 31.5-600/610 2010 RDK8 Alstom EnBW 27.5-600/620 2011 Datteln4 Alstom Alstom E.ON 28.5-600/620 2011 对于锅炉而言，现有高温受热面材料如 HR3C、 Super304H的温度控制极限值为 639。， 蒸汽联箱所用材料 P92的温度控制极限为 649 C(ASME/630 C(锅炉规程 )，因此，可将热 再热蒸汽温度提

15、高到 620 C。 需要关注的是，当 再热蒸汽超过 60CTC时，特别是达到 620 C时， 锅炉炉膛烟温偏差以及烟气流量分布的均匀性 应严格控制，以便控制热再热汽温度的偏差， 确保蒸汽温度不超过温度控制极限。 对于汽轮机而言，由于热再热蒸汽温度提 高到 62CTC,汽轮机中压转子、中压内缸、中压 隔板以及中压联合汽门等就需要使用更高等级 的新型铁素体材料。欧洲 COST522计划中研制 了两种用于 630 C等级的锻件和铸件新型材料， 代号 FB2和 CB2， 它是在 9%Cr材料中添加微量 Co和 B，其 10万小时高温持久性能比改良 12Cr 材料在同一温度条件下要高约 30 40M P

16、a。 目 前，欧盟及日本等公司已完成转子和铸件供货 的所有工艺技术准备， 并在美国、德国以及波 兰新建电厂中使用。 从提高机组经济性、目前现有的高温耐热 材料状况以及工程实际应用情况来看，将热再 热蒸汽温度提高到 620C 是可行和适宜的。 2.2锅炉 从国外己经运行的二次再热机组的情况来 看，二次再热锅炉炉型有 “71” 型炉和塔式炉。 对于热再热蒸汽温度为 62CTC二次再热锅 炉，由于再热级数的增加以及热再热蒸汽温度 基本达到了现有材料的温度极限值，因此二 次再热锅炉与一次再热锅炉相比具有自己的特 点，需要引起注意。 (1) 主蒸汽、一次热再热蒸汽以及二次热再 热蒸汽温度的调节和控制 由

17、于直流锅炉的特点，通过 “ 煤水比 +喷 水 ”的调节方式对主蒸汽温度进行调节和控制 是合适的。难点在于需要对一次再热和二次再 热蒸汽同时进行温度调节，无论是 ” 型炉 还是塔式炉，由于相互影响，加之实际运行过 程中外部条件如煤种、风量等的变化，协调控 制相对比较困难，需要对各再热受热面进行科 学合理的布置，并辅以适当的调节手段，结合 不同锅炉炉型，目前常用的再热器调温手段有 摆动燃烧器、烟气挡板、烟气再循环、汽一一 汽换热器以及喷水。 (2) 锅炉炉膛烟温偏差的控制需要更加关注 由于热再热蒸汽温度基本达到了现有材料 的温度极限值，因此，过大的炉膛烟温偏差将 会引起受热面温度超过极限值。所以需

18、要对容 易引起炉膛烟温偏差的这种因素进行控制。无 论是前后墙对冲燃烧，还是四角切圆燃烧，需 要对各燃烧器中煤粉及热风分配的均匀性进行 严格控制。 (3) 炉膛尺寸的变化与结焦性 由于采用二次再热，锅炉过热蒸汽吸热量 比较一次再热锅炉过热蒸汽吸热量有所下降， 26 201绅 12月第棚 卜发 电设计 1000MW二次再热超超临界机组技术特点及经济注 mn 而再热系统吸热量比一次再热锅炉再热器吸热 量有所增加，因此炉膛结构尺寸较一次再热锅 炉炉膛尺寸有所减小，而再热器的布置将更加 困难。由于炉膛尺寸的减小，对于易结焦性 的煤种来说，防止炉膛结焦的措施需要更为 关注。 (4) 省煤器入口给水温度升高

19、对于锅炉运行 的影响 由于增加了再热次数，汽轮机回热系统将 使得给水温度有所上升，达到 320C 左右，对于 压力为 35MPa的锅炉给水，容易在炉膛内的水 冷壁中形成沸腾，造成水冷壁过热，从而影响 锅炉的安全运行。 2.3汽轮机 10 00 MW容量二次再热机组继承了 1000MW超超临界一次再热先进技术，一般采 用五缸四排汽 (VHP HP IP 2LP)或者四缸四 排汽(VHP+HP-IP-2LP)单轴布置。 (1) 汽缸 由于超超临界二次再热机组主蒸汽压力提 升、再热蒸汽温度提升，使更高压力的超高压 缸和更高温度的再热中压缸设计成为重点。 超高压缸由于膨胀压比和焓降小，其直 径相对较小

20、，有利于降低汽缸的工作应力，汽 缸能承受更高的主汽压力。由于绝对压力的提 高，需对高压缸缸体强度、螺栓密封性能以及 高温蠕变强度进行了专门的考核计算，均满足 设计要求。 中压缸的通流型式与常规单流 (或双流 )中 压模块型式类似，一般采用水平中分面结构， 重点考虑中压缸进汽升高到 620 C,相关部件 的材料需要升级。同时，第一个再热缸体进汽 压力的提高，需要增加阀门、汽缸的壁厚，更 换外缸材料；第二个再热缸体进汽体积流量增 大，在通流设计中需要考虑。 低压缸的设计与一次再热的低压缸基本 相同。需要根据排汽容积流量选配合适的长叶 片，保证低压末几级叶片抗水蚀前提下，选择 合适的排汽湿度，提高机

21、组经济性。 为了提高转子的高温强度和使用寿命，一 般都会采用了不同的蒸汽对高压进汽区、中压 进汽区段和中压前两级叶轮 进行充分冷却，使 620 C高温再热蒸汽不会接触转子。 (2) 高温材料 参数为 31MPa/600 C/62(TC/620C 的超超临 界二次再热机组，对汽轮机高温部件材料提出了 较高的要求，涉及部件主要有超高、高、中压转 子；超尚、尚、中压汽缸；超尚、尚、中压主汽 阀、调节阀；高温段隔板、动叶、螺栓等。 因机组运行条件为高温、高工作应力及 高热应力 (尤其是启停、变负荷时 )， 使得高温 部件材料必须具有良好的高温蠕变强度和持久 强度。目前世界上此类高温材料己经有 ： Cr

22、 Mo V、 12Cr、 改良 12Cr、 新 12Cr、 FB2、 CB2。 超高、高、中压转子采用 FB2,轴颈堆焊 Cr Mo V钢材料，进一步提高机组转子安全 裕度，改善转子高温处的温度分布。 汽缸、阀壳铸件材料要求必须具有一定 的高温强度、组织稳定性、优异的持久一蠕变 性能、高温抗氧化性能、较好的焊接性能、铸 造性能、耐磨性能和耐冲蚀性能。根据综合分 析，1000MW二次再热超超临界汽轮机高压联 合汽阀、中压联合汽阀、超髙压一高压内缸、 中压内缸、部分高温级次隔板采用高温性能更 好的 CB2材料。其余汽缸、阀门类材料与原传 统 1000MW超超临界汽轮机相同。 (3) 轴系稳定问题

23、由于超超临界二次再热机组较一次再热 增加了一个缸体，轴系长度将会增加，需要从 汽缸结构上进行优化，并对二次再热汽轮发电 机的轴系稳定性进行了轴系静、动特性计算分 析，以及轴系扭振特性分析及性能评判等，确 保轴系的稳定性。 (4) 机组启动、调峰的问题 目前 1000MW超超临界机组采用三级串联 旁路系统，该系统适用于超高压、高压、中压 联合启动，可以保护再热器不被干烧。 1000MW机组应尽可能带基本负荷运行， 以发挥机组经济性优势。如果不要求机组参与 一次调频，可以采用阀门全开， 纯滑压方式运 行。运行时，根据负荷要求，通过增减锅炉燃 料调节负荷，满足调峰要求。如果需要机组参 2013年 1

24、2月第 6朗 27 mn 勘测设计 DWBB WE saw Dan 发 电设计 1000MW二次再热超超临界机组技术特点及经济性 与一次调频，机组采用滑一定运行方式，可利 用调节阀节流的方式实现机组的调峰调频，超 高压调节阀在滑压范围内应有 3%节流度，满足 电网一次调频的需要。 2.4主要热力系统特点 主蒸汽系统采用单元制。主蒸汽管道从 过热器出口联箱的两侧引出，平行接到汽轮机 前，接入超高压缸左右侧主汽关断阀。主蒸汽 系统材料选用 A335P92。 一次、二次高、低温再热蒸汽系统均采 用单元制系统。一次再热冷段管道由超高压 缸排汽口以单管接出，直至锅炉前分为两路 进入一次再热器入口联箱，材

25、料选用 A691 1 l/4CrGr22。 一次再热热段管道，由锅炉一次再 热器出口联箱双管接出，合并成单管后直至汽 机前分为两路分别接入汽轮机高压缸左右侧一 次再热联合汽门，材料选用 A335P92。 二次再 热冷段管道由 高压缸排汽口以双管接出，合并 成单管后直至锅炉前分为两路进入二次再热器 入口联箱，材料选用 A691 1 l/4CrGr22。 二次 再热热段管道，由锅炉二次再热器出口联箱双 管接出，分两路分别接入汽轮机中压缸左右侧 二次再热联合汽门，材料选用 A335P92。 旁路系统一般设置超高一高压、中压、 低压三级串联旁路系统，该系统适用于超高压 缸、尚压缸和中压缸联合启动，同时

26、可以保护 再热器不被干烧。 由于增加一级再热，汽轮机增加一个汽 缸，回热系统一般采用十级 (四高五低一除氧 )或 九级 (四高四低一除氧 )回热系统，并根据汽轮机 抽汽温度，在回热系统中增加多级外置式蒸汽 冷却器。 给水系统一般设置两台 5 0 %容量汽动给水 泵组或一台 100%汽动给水泵组；设置四台半容 量、双列、卧式、双流程高压加热器及 2台部分 容量的高加外置式蒸汽冷却器，四台高加及 2台 高加外置式蒸汽冷却器给水采用大旁路系统。 给水系统材料选择丨 5NiCuM oNb5 6 _ 4。 凝结水系统一般设置两台 100%或三台 50% 的凝结水泵、凝结水精处理系统、轴封冷却器 以及五台

27、 (或四台 )低压加热器。 高压加热器疏水采用逐级自流进入除氧 器，低压加热器采用逐级自流至凝汽器或采用 疏水泵至适当的低加出口凝结水系统。 3 1000MW二次再热超超临界机组的经济性 由于提高了汽轮机蒸汽初参数、增加了再 热次数以及增加了系统的回热级数，使得汽轮 机循环效率大大提高，汽轮机热耗大大降低， 从而降低了发电煤耗和年标准煤耗。同时，也 使得电厂的投资大大提高。表 4、表 5分别为目 前几种不同参数机组热耗、煤耗以及投资变化 的比较。 表 4不同参数机组热耗、煤耗比较 (一台机组 ) 汽轮机进汽参数 汽轮机热耗 /kJ/(kW.h) 发电标煤耗 /g/(kWii) 年标煤用 M/i

28、o4 t 年 标煤用 M差值 /104 t 26.25 MPa/6(XrC/60CrC 7316 268.24 147.53 基准 28 MPa /600rC/620rC 7278 266.85 146.77 -0.76 31M Pa/6 X： /62tTC/62CTC 7042 258.20 142.01 -5.52 注：锅炉效率按 94%，管道效率按 99%，机组年利用小时数按 5500h计算。 表 5不同参数机组的总初投资比较 （单位：万元 /台 ) 汽轮机进汽参数 汽轮机 锅炉 管道 设备 土建 总计 26.25MPa/600tC/600cC 基准 基准 基准 基准 基准 基准 28M

29、Pa/600rC/620fC +3000 +3500 + 1541 0 0 +8041 31M Pa/60(TC/62CrC/62(rC +8000 +15400 +7520 +680 +500 +32100 28 201难 12 月第 6M 卜发 电设计 1000MW二次再热超超临界机组技术特点及经济注 mn 从表 4 、表 5 可 以 看 出 ， 参 数 为 31M Pa/60(TC /620C /620C 的二次再热机组比 目前已投运或在建的 26.25 MPa/600 C/600 C和 28 MPa /600 C/620 C的一次再热机组发电标准 煤耗低 10 g/(kW.h)和 8.

30、65 g/(kW.h),年节省标煤 5.5 X 104t和 4.76X l 4t,若标煤价格按 700元 /t计 算，年节约燃煤费用 3850万元和 3332万元。 从表 4 、表 5 还 可 以 看 出 ， 参 数 为 31MPa/600 C/620 C/620 C的二次再热机组比目 前已投运或在建的 26.25 MPa/600 C/600 C和 28 M Pa /60CTC /620 C的一次再热机组的投资分别增 加了 3.21亿元和 2.4亿元。增加的投资通过节省 的燃煤费用约 7.2年 8.33年就可以回收。 4结论及建议 (1)超超临界二次再热机组将是我国未来 8年 1年燃煤火力发电

31、厂技术发展的方向。 (2 ) 结 合 材 料 技 术 的 现 状 以 及 投 运 机 组 的 实 践 ，二 次 再 热 机 组 的 参 数 采 用 31 MPa/600 C/620 C/62(TC是可行的和合适的。 (3由于超超临界二次再热机组相对一次再 热机组在参数上的变化，锅炉、汽轮机以及相 关的热力系统的设计均会发生比较大的变化， 需要在工作中引起关注。 (4) 单台 1000MW超超临界二次再热机组 比一次再热机组投资增加约 2.4 3.2亿元，节 约发电煤耗 8.65 10g/(kW.h,年节约燃煤费 用4.76X 104 t 5.5X 104t。 若标煤价格按 700元 /t计算，

32、增加的投资通过节省的燃煤费用约 7.2 年 8.33年就可以回收。 参考文献： II朱军，等 .1000MW级超超临界二次再热机组技术 研究总报告 R.西安：西北电力设计院 . 2】电力规划设计总院 .火电工程限额设计参考造价指标 (2012年水平 )M.北京：中国电力出版社， 2012. (上接第 09页） 7试打桩工程的思考 本案例在复杂地质条件下超长 PHC管粧 顺利沉粧，得益于多种辅助沉粧措施的成功 应用、更得益于强有力的统一组织、身经百 战的技术团队的支持，从而使多种技术路线 得以实施。打桩之前择优选择打桩队伍与制 桩厂商；制桩过程中工程设计人员、专家深 入车间，与一线技术工人共同探

33、讨如何加强 粧身强度、改进粧靴、改进灌装混凝土的工 艺；现场管理是有令必行、有令必果，遇到 问题邀请专家、技术人员现场商讨解决问题 和改进施工工艺。有力的组织和技术团队在 工程遇到困难时不仅可以使各种技术尝试得 到实施和检验，而且可以避免多头抢着管理 或多头都不作为的扯皮现象的发生。 8结语 根据不同的地质条件和打粧遇到的困 难， PHC桩辅助沉桩措施和工艺多种多样， 往往有针对性的选择其中一两种即可解决打 粧困难，如当以硬塑老粘土或全风化甚至强 风化地层作为持力层时，可以选择加强加长 桩靴、加水或其他介质润滑粧身等措施降低 锤击数增加贯入度；在密实砂性地层中 可以 选择粧端加箍加环等措施降低锤击数等。但 在同一个工程中同时用到本案例的多种辅助 沉粧措施的十分少见，本案例是对 PHC管桩 辅助沉桩措施与工艺的总结、实践和提高， 虽然只是确定工程粧适宜性的试打粧工程， 但其积累的辅助沉粧经验、施工参数值得其 他类似工程借鉴参考。 参考文献： 1 桩基工程手册编写委员会 .桩基工程手册 kl.北 京：中国建筑工业出版社， 1997,（ 3). 2 10G409,预应力混凝土管桩 S1. 2013年 12月第 6朗 29