600MW超临界和亚临界机组的技术特点的比较.pdf

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1、引言 随着我国电力事业的发展，降低机组每千瓦设备费用、基建投资、运行维护管理费用，提高机组的经济效益越来越引起人们的重视。蒸汽参数提高到超临界，则是提高机组热效率的有效方法之一。600MW级火电机组已经成为我国火电的发展方向，并即将成为电网的主力机组。甘肃省是一个少油多煤的省份，火电装机容量占全省总装机容量的 60以上，因此发展 600MW级火电机组对我省的电力建设有着深远的意义。甘肃景泰电厂 2 660MW机组是甘肃首台超临界机组，在此我主要结合景泰电厂 2 660MW机组和其他一些亚临界机组的参数特点对超临界和亚临界机组的技术特点做个比较。一、亚临界和超临界机组定义 水蒸汽的临界状态是指纯

2、物质的气、液两相平衡共存的极限热力状态。在此状态时,饱和液体与饱和蒸气的热力状态参数相同,气液之间的分界面消失,因而没有表面张力,气化潜热为零。处于临界状态的温度、压力和比容，分别称为临界温度、临界压力和临界比容。水蒸汽的临界温度 T=647.30K、临界压力 Tc=22.1287兆帕、临界比容vc=0.00317立方米/千克，临界焓:2107.3 x 103焦/千克。在气、液两相平衡共存的范围内,包括临界点,其定压比热容、容积热膨胀系数、等温压缩系数和绝热指数均趋于无限大。亚临界机组是指机组的主蒸汽参数（压力、温度等）均低于水蒸汽的临界参数，同理，主汽参数高于临界参数的机组成为超临界机组。超

3、 临界机 组一般可 分为两 个层次：一个是 常规超 临界机 组(Conventional Supereritica1)，其主蒸汽压力一般为 242 MPa，主蒸汽和再热蒸汽温度为 540560；另一个是高效超临界机组，通常也称为超超临界机组(Ultra Supereritica1)或者高参数超临界机组(Advanced Supereritica1)，其主蒸汽压力为 28 5 30 5MPa，主蒸汽和再热蒸汽温度为 580600。表一 甘肃省内部分机组技术参数对照表 电厂名称 锅炉类型 主汽参数 高压厂用电压等级 控制系统 单元机组I/O点数 备注 连城电厂二期 自然循环汽包炉 17.45MPa

4、 541 6KV I/A Series 5435 亚临界 张掖电厂 自然循环汽包炉 17.53 MPa 541 6KV OVATION 6226 亚临界 酒钢宏晟电厂二期 自然循环汽包炉 17.5 MPa 541 6KV OVATION 6298 亚临界 景泰电厂 直流炉 25.4MPa 571 10KV I/A Series 10580 超临界 二、亚临界和超临界机组的技术特点的比较 参照表 1，我们来比较亚临界和超临界机组的技术特点。1、电气部分 亚临界机组的高压厂用电电压电压为 6KV，超临界机组的高压厂用电电压电压为 10KV。2、辅机部分 在辅机配套方面，除了高压给水泵的扬程和高压加

5、热器管侧压力超临界机组比亚临界机组高以外，其余的设备超临界机组和亚临界机组基本相同。3、化学部分 超临界锅炉机组的水质要求较高。蒸汽中铜、铁和二氧化硅等固形物的溶解度是随着蒸汽比重的减小而增大，因而在超临界压力下，即使温度不高，铜、铁和二氧化硅等的溶解度也很高，为防止它在锅炉蒸发受热面及汽机叶片上结垢，超临界锅炉需 100的凝结水精处理，除盐除铁。4、汽轮机部分 1）超临界汽轮机由于主蒸汽参数及再热蒸汽参数的提高，特别是温度的提高，一些亚临界机组使用的材料，已不能适应超临界汽轮机的工作状况，主汽调节阀壳体和主蒸汽管采用 9%Cr锻钢，以适应主蒸汽温度和压力变化的要求。低压缸进汽温度由亚临界的3

6、20升至 370，亚临界使用的普通 30Cr2Ni4MoV转子材料的长期时效脆性敏感性高，不能满足长期安全运行的要求。因此采用了超纯30Cr2Ni4MoV转子材料，降低材料的长期时效脆性敏感性，使超临界的低压转子能够长期安全运行。2）结构设计上采取防止蒸汽旋涡振荡的措施，避免由于高压缸入口压力高、汽流密度大，使调节级复环径向间隙处发生蒸汽旋涡振荡所引起的轴承不稳定振动。通常以高压调节级处出现蒸汽振荡的可能性最大，设计上采用有成熟经验的叶型，并进行动强度核算，避免轮系振动频率与喷嘴尾迹扰动力频率重合所产生的共振。5、锅炉部分 1）锅炉结构 亚临界机组采用自然循环锅炉，自然循环锅炉设有汽包。图1

7、汽包炉汽水流程示意图 超临界机组采用的是直流锅炉，结构与自然循环锅炉不同，它没有汽包。图2 超临界直流炉汽水流程示意图 2）工作原理 自然循环锅炉其蒸发受热面中工质的流动是依靠下降管和上升之间工质的密度差来进行的。随着锅炉容量的增大，特别是压力的 提高，大大增加了自然循环和汽水分离的困难。因为根据水蒸汽性 质，压力愈高，汽水密度差愈小，所以自然循环形成就愈困难和愈不可靠，特别当压力达到甚至超过临界压力时，自然循环无法形成。在此情况下，锅炉蒸发受热面中工质的流动只有依靠外来能量(水泵)来进行，超临界锅炉就是这种依靠外来能量建立强迫流动的锅炉。直流锅炉蒸发受热面中工质的流动全部依靠给水泵的压头来实

8、现。给水在给水泵的压力作用下，顺次连续流过加热、蒸发、过热各区段受热面，一次将给水全部加热成过热蒸汽。3）启动方式 超临界锅炉与亚临界自然循环锅炉的结构和工作原理不同，因此，启动方法也有较大的差异。超临界锅炉的启动过程是非常复杂的，关键就是其启动过程分成三个阶段，一是亚临界自然循环阶段，二是亚临界直流运行，三是超临界直流运行。超临界直流炉在启动或较低负荷时，其运行方式和汽包炉相似，它用分离器来分离汽水。在转为纯直流状态运行后。分离器不再起作用。给水经省煤器、水冷壁、过热器，直接变成高温高压的过热蒸汽进入汽轮机。6、控制部分 超临界机组与亚临界机组相比，控制系统更为复杂，I/O点数有大幅增加。亚

9、临界机组单元系统的I/O点数在5000点至6000点左右，超临界机组单元系统的I/O点数在10000点以上。1）锅炉控制 超临界机组锅炉与亚临界机组锅炉在自动控制方面有所不同，其实质是直流锅炉与汽包锅炉之间的差别，因为超临界锅炉必须是直流锅炉；直流炉与汽包炉在运行原理及特性上有较大差别。在汽包锅炉中给水流量的变化，仅影响汽包水位，而在燃料量变化时又仅仅改变蒸汽压力和流量，因此锅炉给水量、燃料量、汽温控制等都是相对独立的，亦即：给水水位；燃料产汽量及汽压；喷水汽温。在直流锅炉中，由于没有汽包，蒸发与过热受热面之间没有固定的分界线，当给水量或燃料量变化时都会引起蒸发量、汽温和汽压的同步变化，相互有

10、牵制，关系密切。随着超临界机组蒸汽压力的升高，直流锅炉中间点汽温（通常取启动分离器出口汽温）和过热器出口汽温控制点的温度变动惯性增加（亦即比热增加），时间常数和延迟时间相应增大，在燃料或给水量扰动时，超临界锅炉的蒸汽温度变化具有更大惯性。在超临界机组起动和低负荷（小于最低直流负荷）运行期间，必须投入启动系统，因此也增加了锅炉启动系统对控制的要求。超临界锅炉在稳定运行期间，必须维持某些比率为常数，在变动工况时必须使这些比率按一定规律变化，以便得到稳定的控制，而在起动和低负荷运行时，要求大幅度地改变这些比率，以得到宽范围的控制。这些比率是：给水流量蒸汽流量：因为给水系统和蒸汽系统是直接连通的，给水

11、流量和蒸汽流量比率的偏差过大将导致较大的汽压波动，又由于超临界锅炉存贮能力较小，给水流量与蒸汽流量的比率，在锅炉负荷增加时必须限制。热量输入给水流量(即煤水比)：在稳定运行工况，煤水比必须维持不变以保证过热器出口汽温为设计值。而在变动工况下，煤水比必须按一定规律改变，以便既充分利用锅 炉蓄热能力，又按要求增减燃料，把锅炉热负荷调到与新的机组负荷相适应的水平。喷水流量给水流量，超临界锅炉仅能够瞬时快速改变汽温，但不能始终起到维持汽温的作用，因为过热受热面的长度和热焓都是不固定的。为了保持通过改变喷水流量来校正汽温的能力，控制系统必须不断地把喷水流量和总给水流量之比恢复到设计的百分数。超临界锅炉控

12、制系统要比亚临界汽包炉更复杂，在启动工况下要求更多地采用变参数、变定值技术，所有控制功能应在前馈技术的基础上完成，并要求连续地校正控制系统的增益。在控制系统设计时应事先考虑工艺过程内部的相互作用，采取合理的前馈、变定值、变增益、变参数控制策略，而不是象通常那样，仅根据偏差采取反馈控制策略。2）机组协调控制系统 超临界机组的蓄热能力相对较小，因而，表现出锅炉跟随系统的局限性。解决这个问题需改进协调控制系统。和亚临界的汽包锅炉机组一样，超临界机组的协调控制系统的基本目标是将锅炉和汽轮发电机作为一个整体操作运行，锅炉和汽机的控制指令，既应考虑稳态偏差也要考虑动态偏差。为了在机组负荷变化时机炉同时响应

13、，机组负荷指令要作为前馈信号分别送到锅炉和汽机的主控系统，以便将过程控制变量(机组发电量、蒸汽压力、烟气含氧量、炉膛风量和蒸汽温度)维持在一个可接受的限度内。如果在所要求的输出和实际的发电量之间存在偏差，则将偏置锅炉和汽轮机命令，重新校正由于循环系统变化后的系统。同样，节流压力误差用来校正蒸汽生成量和蒸汽使用量之间的平衡。为补偿锅炉和汽轮机不同的响应时间，这两个误差信号作为一个过渡过程变量使用，以便于利用锅炉蓄能变化使汽轮机快速响应，从而使发电量误差减到最小。图 3 超临界机组协调控制原理图 大唐景泰电厂 2 660MW机组协调控制系统的设计思想主要是将锅炉和汽机作为一个整体，完成对机组负荷、

14、锅炉主汽压力的控制，达到锅炉风、水、煤的协调动作。对于协调控制系统而言包含两层含义：锅炉汽轮机的协调与锅炉的协调。(1)、锅炉汽轮机的协调 锅炉汽轮机的协调被认为是机组的协调，由于汽轮机对压力和功率而言具有非常快的响应特性，而锅炉对与压力和功率而言是一个非常慢的控制环节，因此要协调控制锅炉和汽轮机，保证锅炉和汽轮机之间的能量平衡，必须要提高锅炉对燃料的响应性。协调控制系统的设计包含了两种协调控制方式，一种是以炉跟机为基础的协调控制系统，另一种是以机跟炉为基础的协调控制系统，设计的基本思想是：为提高机组的稳定性和响应性，在正常情况下应采用以炉跟机为基础的协调控制系统。在锅炉辅机出现故障影响机组处

15、力、以及机组出现RUNBACK运行工况，协调控制系统应切换到机跟炉为基础的协调控制系统。炉跟机为基础的协调控制系统采用的是以锅炉控制压力，汽机控制负荷的运行方式，为了提高锅炉的响应性，稳定控制锅炉主汽压力，保证机组的稳定性，系统对锅炉与汽轮机对负荷的响应特性作了动态协调的技术处理，当负荷指令增加时，锅炉指令以动态前馈的方式增加燃料，当机组压力偏差过大，系统对汽轮机控制指令进行动态闭锁，并根据偏差控制机组指令，动态协调锅炉与汽机的控制。机跟炉为基础的协调控制系统采用的是汽机控压力，锅炉控负荷，给水控制温度的运行方式，这种控制方式由于充分利用了汽机调门动作对压力响应快的特点，因此能很好的控制机组压力，在超临界机组中机跟炉控制方式能够更好的控制机组压力，稳定机组温度，为了提高机组对负荷的响应能力，系统在变负荷时充分利用锅炉的储能。（2）、锅炉协调 锅炉协调主要考虑锅炉风、水、煤之间的协调。根据机组的锅炉指令，利用煤水比的关系协调锅炉的煤和水，控制锅炉分离器出口温度，利用风煤比控制氧量。