660MW超超临界机组-教材讲解

超临界机组专题安徽电力公司培训中心安徽电气工程职业技术学院何鹏第一部分概述电力发展趋势2019年我国燃煤发电机组的标准供电煤耗为379克／千瓦时，与世界先进水平相差50克／千瓦时至60克／千瓦时。因此，提高煤转化效率，节约煤炭资源，是未来煤电发展的重要目标，是实现煤电可持续发展的重要保障。提高电厂煤炭利用效率的途径，主要是提高发电设备的蒸汽参数。随着科技的进步，煤电的蒸汽参数已由低压、中压、高压、超高压、亚临界、超临界、高温超临界，发展到了超超临界和高温超超临界；发电净效率也由低压机组的20%，增加到了超超临界机组的48%；发电煤耗从500克/千瓦时下降到了250克/千瓦时。机组运行压力、温度的提高带来的变化是连锁的，通常机组效率每提高1%，二氧化碳的排放就会减少2%。如果超超临界机组能比常规亚临界机组效率提高7%，二氧化碳的排放量就可以减少14%。据预测，到2020年，我国煤电装机容量将新增2.4亿千瓦，如果新增煤电机组的90%都采用超超临界发电技术，那么我国每年可减少二氧化硫排放180万吨左右，减少氮氧化物排放90万吨左右，这相当于2019年我国发电企业排放总量的23%。何为超临界机组？有哪些特点？与同类比较优点是什么？超临界机组是指火力发电厂机组主蒸汽压力大于水的临界压力（22.12MPa）的机组。超临界再分为常规超临界（SC）（24MPa/540~560℃）和高效超临界(超超临界)机组（USC）（蒸汽温度不低于593℃或蒸汽压力不低于31MPa被称为超超临界）。蒸汽初参数与机组效率关系的一种估计从目前世界火力发电技术水平看，提高火力发电厂效率的主要途径是提高蒸汽的参数，即提高蒸汽的压力和温度。发展超临界和超超临界火电机组，提高蒸汽的参数对于提高火力发电厂效率的作用是十分明显的。如：亚临界机组的蒸汽压力及蒸汽温度为17MPa/540℃，其电厂效率为38%，供电煤耗为324克/kW.h;超临界机组的蒸汽压力及蒸汽温度为25.5MPa/567℃，其电厂效率为41%，供电煤耗为300克/kW.h;超超临界机组的蒸汽压力及蒸汽温度为25~31MPa/600℃，其电厂效率为48%，供电煤耗为256克/kW.h;国外已经有蒸汽压力及蒸汽温度更高的机组，如高温超超临界机组，其压力达到31MPa甚至更高，温度达到700℃及以上，其电厂效率可达57%及以上，供电煤耗为216克/kW.h或更低。超临界机组和亚临界机组特点比较超临界机组是指主蒸汽压力高于临界压力（22.13MPa）的锅炉和汽轮发电机组，它具有如下特点：(1）热效率高、热耗低。超临界机组比亚临界机组可降低热耗～2.5％，故可节约燃料，降低能源消耗和大气污染物的排放量。(2）超临界压力时水和蒸汽比容相同，状态相似，单相的流动特性稳定，没有汽水分层和在中间集箱处分配不均的困难，并不需要象亚临界压力锅炉那样用复杂的分配系统来保证良好的汽水混合，回路比较简单。(3)超临界锅炉水冷壁管道内单相流体阻力比亚临界汽包炉双相流体阻力低。(4)超临界压力下工质的导热系数和比热较亚临界压力的高。(5）超临界压力工质的比容和流量较亚临界的小，故锅炉水冷壁管内径较细，汽机的叶片可以缩短，汽缸可以变小，降低了重量与成本。(6）超临界压力直流锅炉没有大直径厚壁的汽包和下降管，制造时不需要大型的卷板机和锻压机等机械，制造、安装、运输方便。同时取消汽包而采用汽水分离器，汽水分离器远比亚临界锅炉的汽包小，内部装置也很简单，制造工艺也相对容易，相应地降低了成本。(7）启动、停炉快。超临界压力直流锅炉不存在汽包上下壁温差等安全问题，而且其金属重量和储水量小，因而锅炉的储热能力差，所以其增减负荷允许的速度快，启动、停炉时间可大大缩短。一般在较高负荷（80～100％）时，其负荷变动率可达10％/min。(8)超临界压力锅炉适宜于变压运行。(9）超临界锅炉机组的水质要求较高，使水处理设备费用增加，例如蒸汽中铜、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。(10）超临界压力锅炉的蓄热特性不及汽包炉，外界负荷变动时，汽温、汽压变化快而必须有相当灵敏可靠的自动调节系统，锅炉机组的自控水平要求也较高一些。超临界机组也存在着一些不足：(1)超临界压力锅炉由于参数高，锅炉停炉事故的概率比亚临界多，降低了设备的可用率和可靠性。另外，超临界压力锅炉出现管线破裂和起动阀泄漏故障时影响较大。(2)超临界压力锅炉虽然热效率高，但锅炉给水泵、循环泵却要消耗较多的电耗，压力参数的提高又会增加系统的漏泄量，实际上对热效率的提高和热耗的减少都会有一定的影响。(3)超临界压力锅炉为了保证水冷壁和过热器的冷却，启动时要建立一定的启动压力和流量，为此要配置一整套专用的启动旁路系统，因而启、停的操作较复杂，热损失也大。(4)超临界直流锅炉水冷壁的安全性较差。直流锅炉的水冷壁出口处，工质一般已微过热，故管内会发生膜态沸腾，自然循环有自补偿特性，而直流炉没有这种特性，因此，直流炉水冷壁管壁的冷却条件较差，较易出现过热现象。600MW超临界主机的一些特殊要求(1)锅炉部分由于超临界锅炉的温度和压力比亚临界锅炉高，因此对锅炉提出了一些特殊的要求：①超临界锅炉受热面工作条件就较亚临界锅炉为差，故对于受热面钢种、管道规格等选择上提出较高的要求。尤其是过热器管选择时，更应注意所用钢材的抗腐蚀性和晶粒度指标。沁北电厂采用SUS347替代在亚临界压力锅炉上常用的SUS321，就是考虑到SUS321的晶粒度大，易形成氧化层（Fe3O4），脱落后将引起汽轮机的“硬粒冲蚀”的问题。②保证锅炉在各种工况下水动力的可靠性，在各种负荷下，从超临界压力到亚临界压力广泛的运行工况范围内，各水冷壁出口温度上下幅度须限定在规定范围内，确保水动力稳定性不受破坏；尤其当水冷壁悬吊管系中设有中间联箱时，必须采取措施避免在启动分离器干湿转换、工质为两相流时，联箱中出现流量分配不均匀而使悬吊管温差超限，导致悬吊管扭曲变形等问题。③超临界变压运行锅炉水冷壁对炉内热偏差的敏感性较强，当采用四角切园燃烧方式时必须采取有效的消除烟气温度偏差的措施（锅炉出口两侧最大烟温差不得大于50℃）。沁北电厂采用前后墙对冲燃烧的方式。(2)汽轮机部分①对于汽轮机本体来说，由于超临界压力机组是由直流炉供汽，溶解于蒸汽中的其他物质较多，蒸汽在汽轮机的通流部分做功后压力降低，原先在高压下溶解的物质会释放出来，产生固体硬粒冲蚀。针对超临界机组固体硬粒冲蚀这一突出问题哈尔滨汽轮机厂采取了对通流部件进行表面硬化处理；从防磨角度优化通流部分进汽角度，减轻对叶片的冲蚀；采用全周进汽和调节汽门合理管理系统AMS以降低启动流速，减小硬粒冲击能量等。②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，因此，在选材问题给予了高度重视。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320℃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。③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。超临界机组发展现状美国是发展超临界发电技术最早的国家。世界第一台超超临界参数机组（125MW，31.03MPa，621/565/538℃）于1957年在美国投运。美国投运的超临界机组占大型火电机组的30%以上，容量以500～800MW为主。美国拥有超临界机组两个世界之最，即最大单机容量1300MW和最高蒸汽参数（费城电力公司EDDY-STONE电厂的#1机组，蒸汽参数为34.5MPa，649/566/566℃）。近年来，美国GE公司还为日本设计制造了蒸汽参数分别为26.6Mpa/577℃/600℃和25Mpa/600℃/610℃的超超临界机组。俄罗斯是发展超临界机组最坚决的国家。1963年，前苏联第一台300MW超临界机组投入运行，机组参数为23.5Mpa/580℃/565℃。现在共有超临界机组200多台，占总装机容量的50%以上，其300MW以上容量机组全部采用超临界参数。目前，俄罗斯研制的新一代大型超超临界机组采用参数为28～30Mpa/580～600℃。日本采用引进、仿制、创新的技术发展路线。日本的超临界机组占常规火电机组装机容量的60%以上，其450MW以上机组全部采用超临界参数，最初投运的两套超超临界机组由三菱公司设计，容量700MW、蒸汽参数34.5Mpa/620℃/650℃。我国于上世纪80年代后期开始从国外引进超临界机组，第一台超临界机组于1992年6月投产于上海石洞口二厂（2×600MW，25.4MPa，541/569℃）。目前我国已经投产的超临界机组共计10余台。2019年，我国首批国产超超临界百万千瓦机组（华能玉环电厂一期工程）相继投运，标志着我国电力工业技术装备水平和制造能力进入新的发展阶段。部分超临界机组可靠性举例部分超临界机组可靠性举例电厂\项目机组容量MW可用率%美国马歇尔电厂2×63088.7（1985年）勃鲁斯电厂2×112094（1985年）蒙太尔电厂2×1300连续运行607天AEP电力公司7×1130平均EAF=83.3韩国保宁电厂50088.92（1994）中国石洞口二厂2×60091.47（1994）华能南京电厂2×300连续运行1700多天（到2019年底部分超临界机组经济性举例电厂\项目蒸汽参数机组效率%投运年份丹麦Vesk电厂407MW25.1MPa,560/560°C45.31992法国STAUDINGE厂550MW25MPa,540/560°C42.51992德国ROSTOCK电厂559MW25MPa,540/560°C42.51994韩国500MW24MPa,538/538°C41石洞口二厂600MW24.2MPa,538/566°C41.091992西门子设计400～1000MW27.5MPa,589/600°C452019丹麦拟建设412MW28.5MPa,580/580/580°C492019平圩电厂600MW17MPa,537/537°C36.91989第二部分超临界锅炉超临界锅炉工作原理及基本型式§1基本工作原理一、工作原理及过程工质依靠给水泵的压头一次通过预热、蒸发、过热各受热面而加热成为过热蒸汽。给水流量G＝蒸发量D给水泵省煤器水冷壁过热器管内三类受热面无固定分界点G–工质流量Kgi–工质进口欠焓KJ/Kgq–管子平均热负荷KW/m2r–蒸发潜热KJ/Kgd–管内径m沿直流锅炉管子工质的状态和参数不断变化)KW(iGdqLrs)KW(GrdqLzf)KW(LLLLzfrsgr二、直流锅炉的特点1.本质特点无汽包工质一次通过各受热面，强迫流动受热面无固定界限2.水冷壁中工质流动特点受热不均对流动影响水动力多值性有脉动现象给水泵压头大；3.传热过程特点•在水冷壁中工质干度x由01，因此第二类传热恶化一定出现4.热化学过程特点•要求给水品质高5.控制调节过程特点•直流锅炉对自动控制系统要求高，原因如下①负荷变动时，直流锅炉的蓄热能力较低，依靠自身炉水和金属蓄热或放热来减缓汽压波动的能力较低②直流锅炉必须同时调节给水量和燃料量，以保证物质平衡和能量平衡，才能稳定汽压和汽温。所以直流锅炉对燃料量和给水量的自动控制系统要求高