電力工程師職稱論文1000MW超超臨界機(jī)組主機(jī)選型

　　【摘　要】本文電力工程師職稱論文針對(duì)2×1000MW超超臨界機(jī)組進(jìn)行選型論證。機(jī)組選型將從超超臨界機(jī)組的發(fā)展過(guò)程、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)際投運(yùn)情況、容量選擇、參數(shù)選擇、國(guó)內(nèi)制造技術(shù)裝備和能力等因素進(jìn)行論證，提出1000MW超超臨界機(jī)組主機(jī)配置的推薦意見(jiàn)。

　　【關(guān)鍵詞】1000MW蒸汽參數(shù);材料;結(jié)構(gòu)

　　一、技術(shù)發(fā)展情況及趨勢(shì)

　　1.超超臨界機(jī)組的發(fā)展

　　超超臨界機(jī)組技術(shù)始于上世紀(jì)50年代，當(dāng)前是超超臨界機(jī)組快速發(fā)展的階段，歐洲、日本和美國(guó)均在加緊開(kāi)發(fā)壓力超過(guò)34MPa、溫度超過(guò)700℃和二次中間再熱的超大容量超超臨界發(fā)電技術(shù)，可以預(yù)見(jiàn)當(dāng)前的技術(shù)參數(shù)會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)得到突破。

　　我國(guó)1000MW超超臨界機(jī)組技術(shù)發(fā)展迅速，從提高蒸汽參數(shù)、增加抽汽級(jí)數(shù)及再熱次數(shù)等方面進(jìn)行研究，發(fā)展成為新一代高效超超臨界技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了將汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)提高至27MPa/600℃/620℃、采用9級(jí)回?zé)岢槠�系統(tǒng)、采用二次再熱系統(tǒng)等技術(shù)創(chuàng)新，并基本解決了技術(shù)、制造、材料等方面存在的問(wèn)題，降低了機(jī)組熱耗，提高了總體經(jīng)濟(jì)性，故高效超超臨界機(jī)組是我國(guó)1000MW機(jī)組發(fā)展的必然方向。

　　2.超超臨界機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性

　　當(dāng)新蒸汽初溫不變僅提高初壓時(shí),一定范圍內(nèi)可提高機(jī)組熱效率。在超超臨界機(jī)組參數(shù)范圍的條件下，主蒸汽壓力提高1MPa，機(jī)組的熱耗率就可下降0.13%～0.15%。在經(jīng)濟(jì)性方面，壓力提高使得機(jī)組熱耗率有所降低，但是壓力提高后鍋爐所有承壓部件、主蒸汽管道、汽輪機(jī)高壓缸及很多輔機(jī)等設(shè)備的壁厚都要增加，投資要隨壓力的增加而增加。

　　在超超臨界機(jī)組參數(shù)范圍的條件下，主汽溫度每提高10℃，熱效率約可相對(duì)提高0.25%-0.30%;再熱蒸汽溫度每提高10℃，熱效率約可相對(duì)提高0.15%-0.20%。即600℃/600℃方案較580℃/580℃方案的熱效率約可相對(duì)提高0.92%;較580℃/600℃方案的熱效率約可相對(duì)提高0.56%;600/620℃方案較600℃/600℃方案的熱效率約可相對(duì)提高0.52%。提高溫度對(duì)提高機(jī)組熱效率的效果非常顯著。

　　高效超超臨界機(jī)組可將汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)提高至28MPa/600℃/620℃，從而進(jìn)一步提高機(jī)組熱效率。

　　二、主機(jī)選型

　　機(jī)組參數(shù)的選擇

　　1.國(guó)際及國(guó)內(nèi)同類型機(jī)組參數(shù)情況

　　日本于1989年在穿越(Kawagoe)電廠投運(yùn)了兩臺(tái)高效超臨界機(jī)組，機(jī)組的參數(shù)為31.0MPa/566/566℃，容量為700MW。但近年來(lái)日本各公司都轉(zhuǎn)為生產(chǎn)24.1～25MPa、593～610℃、一次中間再熱的超超臨界機(jī)組。

　　歐洲的丹麥和德國(guó)在1995～1999年間也投運(yùn)了9臺(tái)28.5～31.0MPa、545～583℃的超臨界機(jī)組。近年來(lái)在建的1000MW機(jī)組參數(shù)為26～29MPa、545～619℃。

　　從近年來(lái)國(guó)外高效超超臨界機(jī)組的蒸汽參數(shù)來(lái)看，并不是一味地追求高壓力，而是從高效超超臨界機(jī)組的高效性入手，盡量提高蒸汽溫度以其最大限度地“用足”現(xiàn)有材料的耐溫特性，以最低的制造成本獲得最大的經(jīng)濟(jì)利益。

　　2.蒸汽壓力的選擇

　　隨著蒸汽壓力的提高，其所獲得的熱效率的增加趨于平緩。如從亞臨界壓力提高到常規(guī)超臨界壓力，增加了2%～2.5%，而從超臨界壓力提高到超超臨界壓力，僅增加0.5～1%。與此不同的是，提高蒸汽溫度所獲得的熱效率的提高卻基本保持相同的水平。也就是說(shuō)，在超臨界參數(shù)向超超臨界參數(shù)的過(guò)渡中，提高蒸汽溫度所增加的熱效率比提高蒸汽壓力來(lái)得明顯，而且經(jīng)濟(jì)性也更好。而壓力提高后鍋爐所有承壓部件、主蒸汽管道、汽輪機(jī)高壓缸及很多輔機(jī)等設(shè)備的壁厚都要增加，投資也相應(yīng)增加。是而近年來(lái)，國(guó)外超超臨界機(jī)組的蒸汽壓力大多采用比常規(guī)超臨界機(jī)組稍高的壓力，國(guó)內(nèi)采用引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的已投運(yùn)或在建項(xiàng)目機(jī)組初壓也都選擇25～28MPa.之間。

　　從節(jié)約投資及國(guó)產(chǎn)化機(jī)型的設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況考慮，本工程選擇主汽壓力為28MPa。

　　3.蒸汽溫度的選擇

　　在超超臨界組參數(shù)范圍的條件下，主蒸汽溫度每提高10℃，熱效率約可提高0.25%～0.3%，再熱汽溫每提高10℃，熱效率可相對(duì)提高0.15%～0.20%。但參數(shù)的提高意味著對(duì)材料要求更加嚴(yán)格。

　　對(duì)于主蒸汽溫度，目前超超臨界鍋爐過(guò)熱器常用的材料為HR3C和TP347HFG，在主蒸汽的壓力參數(shù)下，該材料的安全使用極限溫度為630℃和615℃，有實(shí)際運(yùn)行業(yè)績(jī)的運(yùn)行溫度為600℃。根據(jù)相關(guān)研究表明：可盡可能提高主蒸汽溫度以其最大限度地“用足”現(xiàn)有材料的高溫強(qiáng)度性能，在溫度的選擇上應(yīng)著眼于先進(jìn)性和成熟性，取在600℃左右為宜。對(duì)于管道材料P91和P92而言，600℃左右的溫度已經(jīng)是其許用應(yīng)力快速下降的區(qū)間。主蒸汽溫度提升5℃增加的材料比壓力增加1MPa多出一倍以上，且隨著溫度上升，每提升1℃導(dǎo)致的壁厚增加都比前1℃要更多，兼顧流通內(nèi)徑后，會(huì)使得材料量大大增加。因此，主蒸汽600℃參數(shù)水平的機(jī)組在現(xiàn)有的材料體系下，不建議采用提升過(guò)熱蒸汽溫度的方式來(lái)提高機(jī)組效率，故本工程現(xiàn)階段推薦主蒸汽溫度為600℃。

　　一般而言，再熱蒸汽因?yàn)閴毫Φ�，其溫度可選擇較主蒸汽溫度高10℃～30℃。經(jīng)過(guò)咨詢主機(jī)廠，再熱蒸汽溫度是否能提高到620℃，關(guān)鍵影響因素有以下三個(gè)方面：汽輪機(jī)新的鍛件和鑄件材料選用;鍋爐再熱器受熱面材料的選用;再熱蒸汽溫度偏差的控制手段。

　　對(duì)于汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)600℃的超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)較多采用了日本研發(fā)的高溫轉(zhuǎn)子材料，不過(guò)當(dāng)再熱蒸汽溫度提高到620℃后，汽輪機(jī)高溫部件(如中壓轉(zhuǎn)子、中壓內(nèi)缸、中壓聯(lián)合、中壓高溫段隔板等)的材料需要采用高溫性能更好的FB2和CB2。FB2和CB2材料在620℃與現(xiàn)有材料在600℃強(qiáng)度性能相當(dāng)。FB2和CB2是歐洲COST522計(jì)劃中研制的兩種用于620℃等級(jí)的轉(zhuǎn)子和鑄件材料，歷時(shí)5年時(shí)間完成，共有16個(gè)歐洲國(guó)家參與。這兩種材料已經(jīng)應(yīng)用到日本和德國(guó)部分電廠中。所以，對(duì)于汽輪機(jī)來(lái)說(shuō)，使用新的鍛件和鑄件材料后，可以滿足再熱蒸汽提高到620℃的設(shè)計(jì)要求。

　　對(duì)于鍋爐來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)600℃超超臨界機(jī)組再熱器高溫部分受熱面使用的材料可以滿足620℃的使用條件。

　　目前，成熟的鍋爐材料中可用于超超臨界參數(shù)的集箱和管道的大口徑鋼管基本上只有四種鐵素體不銹鋼，如P91,P92、P911和P122，這些材料特別是P92/T92管材在600℃等級(jí)超超臨界鍋爐中都有過(guò)較多的使用業(yè)績(jī)，是否繼續(xù)適用于623℃等級(jí)超超臨界鍋爐，是623℃等級(jí)超超臨界參數(shù)鍋爐最關(guān)鍵的材料問(wèn)題。

　　ASME規(guī)范規(guī)定P92/T92管材最高使用溫度為650℃，而國(guó)內(nèi)《蒸汽鍋爐安全監(jiān)測(cè)規(guī)程》修訂其使用溫度不超過(guò)630℃。當(dāng)再熱蒸汽溫度提高到623℃，如果仍選用P92/T92材料，根據(jù)《蒸汽鍋爐安全監(jiān)測(cè)規(guī)程》材料的溫度安全裕量只有6～7℃，而按照ASME規(guī)范材料的溫度安全裕量為23℃左右，目前鍋爐廠的P92/T92材料的最高使用溫度都參考ASME規(guī)范。鍋爐高溫再熱蒸汽出口蒸汽溫度提高到623℃后，雖然用于聯(lián)箱及聯(lián)箱接頭的P92/T92材料安全裕量偏小，但是也是在安全范圍之內(nèi)，因此鍋爐能否安全運(yùn)行的關(guān)鍵是再熱器出口蒸汽溫度偏差能否控制在合理范圍內(nèi)。

　　綜合國(guó)內(nèi)三大鍋爐廠的相關(guān)設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)，在目前的材料結(jié)構(gòu)下，三大鍋爐廠均確認(rèn)再熱蒸汽溫度提高到623℃后，通過(guò)優(yōu)化鍋爐本體設(shè)計(jì)、合理的汽溫調(diào)節(jié)手段，從而能夠嚴(yán)格控制溫度偏差，保證鍋爐的安全運(yùn)行，能滿足再熱蒸汽溫度從603℃提高至623℃時(shí)聯(lián)箱及接頭P92/T92材料具有足夠的安全裕量。

　　因此，從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，再熱蒸汽溫度從603℃提高至623℃是可行的。

　　三、結(jié)論

　　我國(guó)超超臨界火電機(jī)組發(fā)展迅速，裝機(jī)數(shù)量不斷增加。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，接至2011年5約，全國(guó)投運(yùn)的1000MW級(jí)超超臨界火電機(jī)組已達(dá)37臺(tái)，且運(yùn)行情況良好。1000MW容量主機(jī)設(shè)備均已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，設(shè)備設(shè)計(jì)、制造技術(shù)成熟可靠。

　　高效超超臨界機(jī)組可將汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)提高至28MPa/600℃/620℃，從而進(jìn)一步提高機(jī)組熱效率，且從技術(shù)方面而言，再熱蒸汽參數(shù)提高至28MPa/600℃/620℃是可行的。

　　綜上所述，1000MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)推薦采用28MPa/600℃/620。

　　《電網(wǎng)與清潔能源》是國(guó)家權(quán)威部門(mén)解讀電網(wǎng)與清潔能源發(fā)展政策、引領(lǐng)發(fā)展方向的路標(biāo)，是著名院士專家和權(quán)威專業(yè)人士發(fā)布技術(shù)研究成果、開(kāi)展技術(shù)交流的平臺(tái)，是廣大企業(yè)高管和專業(yè)技術(shù)人員掌握前沿技術(shù)、了解技術(shù)動(dòng)態(tài)的窗口，是相關(guān)知名企業(yè)展示技術(shù)實(shí)力、推介高端產(chǎn)品的舞臺(tái)。