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1000 MW 超超临界燃煤机组二次再热技术 现状及其市场前景分析 徐俊 刘启明 白英民 宋风强 东方电气股份有限公司, 成都

610036 摘要: 介绍了超超临界燃煤机组二次再热技术发展状况和关键技术问题, 以1000 MW 容量火电机组为例对二次再热机组经 济性进行了分析.

二次再热技术能有效地提高火力发电机组的热效率并降低污染物排放, 且目前的设备材料能够满足二次 再热超超临界机组的安全运行要求. 虽然二次再热技术相比一次再热机组存在结构复杂、 运行操作难度大及初投资成本增 加等问题, 但是在国内环保标准提高和发电设备成本下降背景下, 二次再热技术的节能减排和经济性优势将逐步体现, 大 容量超超临界二次再热机组将成为火电机组首选标的. 关键词: 二次再热;

超超临界;

关键技术;

经济性 中图分类号: TM621.

3 文献标识码: A 文章编号: 1001-9006(2015)03-0085-04 Market-prospect Analysis and Development Status of

1000 MW High-capacity Ultra-supercritical Coal-fired Unit with Double Reheat Cycles XU Jun, LIU Qiming, BAI Yingming, SONG Fengqiang ( Dongfang Electric Corporation Ltd. , 610036, Chengdu, China) Abstract: The key technical problems and development status of ultra-supercritical unit with double-reheat cycles are proposed and the economy of power unit with double-reheat cycles are analyzed with the capacity of

1000 MW is cited as an example in this paper. The thermal efficiency of the unit could be improved by the applying of double-reheat cycles and pollutants emission could also be reduced. The equipment materials which are mature now can meet the requirements of safe operation of double-reheat ultra-supercritical units. Although there are still some problems such as complicated structure, difficulty operation, high investment compared to one-reheat units, the advantage of double-reheat cycles in energy conservation, emissions reduction and economy will gradually reflect under the background of higher environmental standards and lower equipment price. The high capacity ultra-supercritical unit with double-reheat cycles will be the first option of thermal power unit. Key words: double-reheat;

ultra-supercritical;

key technical;

economy 收稿日期: 2015-04-19 作者简介: 徐俊(1982- ), 男,

2006 年毕业于华东科技大学热能与动力工程专业, 工学硕士, 工程师. 现在东方电气股份有限公司市场部 从事营销工作. 我国能源结构决定了以煤电为主的发电格局, 而在我国的煤炭消耗中, 电煤消耗量占到了煤炭 总产量的一半以上. 截止

2013 年末, 我国发电设 备装机容量为 12.

4 亿kW, 其中火电装机容量为 8.

6 亿kW, 降低燃煤发电机组的能耗是我国燃煤 发电机组可持续性发展的重要任务. 随着火电机 组向大型化、 高参数方向发展, 超临界、 超超临 界发电技术进入快速发展阶段. 从近年来国内火 电超超临界发电机组发展看, 机组的参数水平不 断提高, 目前主蒸汽压力和温度已达到

28 MPa、 620℃水平, 正在向

30 ~

35 MPa、 700℃ 水平发展. 随着蒸汽参数的不断提高, 采用二次再热对超超 临界机组热力性能的进一步提升已经具备可行性. 二次中间再热技术是指将汽轮机高压缸中膨

86 胀至某一中间压力的蒸汽全部引出, 送入到锅炉 再热器中再次加热后送回到汽轮机中压缸或低压 缸中继续做功. 相对于一次中间再热机组, 二次 再热机组能够进一步降低汽轮机的热耗率, 提高 机组效率, 同时二次再热还可以降低汽轮机低压 缸排气湿度, 有利于提高汽轮机运行的安全性. 本文从二次再热发展现状、 关键技术和经济性等 方面分析了其大规模商业化应用的可行性.

1 国内外二次再热机组的发展现状 目前, 国外二次再热机组数量有数

10 台, 这些 机组大多在

20 世纪

70 ~90 年代期间投运, 其中采 用超超临界参数的有

6 台. 目前国际上蒸汽温度最 高的二次再热机组是

1998 年投运的丹麦 Nordjyland 电厂 3#

410 MW 机组, 机组参数为29 MPa/ 580℃ / 580℃ / 580℃, 机组热效率高达 47% [1] . 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, 我国已经掌握大容量超超临界机 组的设计、 制造、 安装和运行技术. 基于上述条 件, 我国已经具有开发和应用二次再热机组的能 力. 目前正在建设的大容量超超临界二次再热机 组见表 1. 表1国内二次再热机组建设情况 机组名称 主蒸汽压力/ MPa 蒸汽温度/ ℃ 投资方 设计单位 国电泰州电厂二期工程(2 *

1000 MW)

31 600 /

610 /

610 国电集团 华东电力设计院 国电蚌埠电厂二期工程(2 *

660 MW)

31 600 /

620 /

620 国电集团 华东电力设计院 华能莱芜电厂一期工程(2 *

1000 MW)

31 600 /

620 /

620 华能集团 山东电力工程咨询院 华能安源电厂一期工程(2 *

660 MW)

31 600 /

620 /

620 华能集团 西北电力设计院 &

江西省电力设计院 粤电惠来电厂三期工程(2 *

1000 MW)

31 600 /

610 /

610 粤电集团 广东省电力设计院

2 二次再热机组的关键技术 2.

1 材料性能 参数为

31 MPa / 600℃ / 620℃ / 620℃ 的超超临 界二次再热机组对锅炉设备和汽轮机设备的高温 部件材料提出了更高的要求. 涉及部件主要有锅 炉设备的高温过热器、 屏式过热器和高温再热器管 材以及汽轮机设备的超高、 高、 中压转子, 超高、 高、 中压汽缸, 超高、 高、 中压主汽阀、 调节阀等. 对于锅炉设备而言, 现有技术成熟的高温受 热面材料如 HR3C、 Super304H 的最高使用温度接 近700℃, 有较大的温度裕度, 可以满足再热蒸汽 温度 623℃的要求. 需要特别注意的是, 锅炉高温 再热器出口炉外段与集箱连接的管接头(T92 材质) 温度裕度只有 10℃, 是锅炉设备中最薄弱的环节. 因此要尽量减少 T92 的用量, 减少高温爆管的风险. 对于汽轮机设备而言, 由于再热蒸汽温度提 高到

620 ℃, 汽轮机设备的超高、 高、 中压转子, 超高、 高、 中压汽缸, 超高、 高、 中压主汽阀, 调节阀等需要更高等级的新型铁素体材料. 欧洲 COST522 计划中研制了

2 种用于

630 ℃等级的锻件 新型材料, 分别是 FB2 和CB2. 它们与改良 12Cr 相比具有更高的高温蠕变强度和持久强度, 能够 适应二次再热机组运行时的高温、 高工作应力和 高热应力. 目前, 已经有欧盟及日本相关钢铁公 司能够批量生产 FB2 和CB2 转子铸件. 因此, 从目前的材料现状来看, 二次再热机 组蒸汽参数采用

31 MPa / 600℃ / 620℃ / 620℃ 是安 全可行的. 2.

2 汽温调节方式 目前大多数一次再热机组再热蒸汽气温调节 采用烟气挡板和喷水减温两种主要手段, 必要时 配合燃烧调整. 而对于二次再热机组, 为了减少 热损失, 再热器出口蒸汽温度应尽量减少使用或 者不使用喷水调节, 参照国外运行经验, 目前在 二次再热机组上采用的调温方式有: 烟气再循环、 烟气挡板和摆动燃烧器. 如日本川越电厂、 丹麦 Nordjyland 电厂采用烟气再循环调节方式;

国电泰 州电厂

2 *

1000 MW 塔式炉采用双烟道烟气挡板及 摆动燃烧器调节二次再热汽温;

华能莱芜电厂

2 *

1000 MW 塔式炉、 华能安源

2 *

660 MWπ 型炉均 采用烟气再循环和烟气挡板配合, 以及摆动燃烧 器调节二次再热蒸汽汽温. 此外还有三烟道挡板 调节方案, 但由于上述几种二次再热汽温调节方 案在大容量机组上还没有运行的案例, 实际效果 如何还有待运行实践进一步论证.

87 2.

3 轴系稳定性 由于超超临界二次再热机组相对于一次再热 机组增加了

1 个汽缸, 整个汽轮机轴系长度将会增 加, 因此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静、 动特性计 算分析, 以确保轴系的稳定性.

3 二次再热机组经济性 3.

1 热经济性 目前国内常规大容量超超临界机组(如图 1)已 经商业运行的机组参数( 汽轮机参数) 是25 MPa /

600 ℃ /

600 ℃(以下简称方案 1);

在建的大容量高 效一次再热机组参数是

28 MPa /

600 ℃ /

620 ℃ (以 下简称方案 2);

在建的大容量二次再热机组参数 是31 MPa /

600 ℃ /

620 ℃ /

620 ℃ ( 以下简称方案 3). 由于暂无一次高效再热机组和二次再热机组 投运数据, 就以常规

1000 MW 等级超超临界机组 (方案 1)作为参比机组来对比分析高参数一次再热 机组和二次再热机组热经济性指标. 图1常规

1000 MW 一次再热超超临界机组热力系统图 图1所示是目前我国已经投运的常规1000 MW 一次再热超超临界机组的简化系统图, 在本文中 作为参比机组. 该机组的锅炉为超超临界参数变 压直 流锅炉, 汽轮机为N1000 -25 MPa /

600 ℃ /

600 ℃ 型超超临界、 一次中间再热、 凝汽式汽轮 机. 该机组具有

8 级回热抽汽系统, 机组热耗约为

7320 kJ/ kWh, 发电效率约为 44. 5% , 供电煤耗约 为276 g / kWh. 根据西安热工研究院关于超超临界机组参数 与结构选型的研究[2] , 在超超临界范围内, 主蒸 汽压力每提高 1MPa, 机组热耗率降低 0. 13% ~ 0. 15% , 主蒸汽温度每提高

10 ℃, 机组热耗率降 低0. 25% ~ 0. 3% ;

一次再热蒸汽温度升高

10 ℃, 机组热耗率降低 0. 15% ~ 0. 2% ;

优化加热级数并 提高给水温度, 机组热耗率降低 0. 3% . 若采用二 次再热, 热耗率将进一步降低 1. 4% ~ 1. 6% 左右. 由此推论可知在相同系统设计条件下, 方案

2、 方案3比方案

1 热耗率降低值计算如下. 3. 1.

1 方案

2 比方案

1 降低热耗率 (1)主蒸汽压力提高

3 MPa, 热耗率降低 0. 39% ~0. 45% ;

(2)一次再热蒸汽温度提高

20 ℃, 热耗率降 低0. 3%~ 0. 4% ;

(3)优化加热级数并提高给水温度, 热耗率降 低0. 3% . 合计 降低热耗率为: A + B + C = 0. 99% ~ 1. 15% (取中间值 1. 07% ) 3. 1.

2 方案

3 比方案

1 降低热耗率 (1) 主蒸汽压力提高6MPa, 热耗率降低0. 78%~ 0. 9% ;

(2)一次再热蒸汽温度提高

20 ℃, 热耗率降 低0. 3%~ 0. 4% ;

(3)二次再热蒸汽温度提高

20 ℃, 热耗率降 低0. 3%~ 0. 4% ;

(4)优化加热级数并提高给水温度, 热耗率降 低0. 3% ;

(5)采用二次再热, 热耗率降低 1. 4%~ 1. 6% ;

合计降 低热耗率为: A + B + C + D + E = 3. 08% ~ 3. 6% (取中间值 3. 34% ). 基于通过热力学分析计算, 得到方案

2、 方案

88 3 和方案

1 的热耗率、 发电效率及发电煤耗率, 如表2所示. 表2方案

1 /

2 /

3 机组热经济性指标分析 参数 方案

1 方案

2 方案

3 机组热耗率/ (kJ・kWh -

1 )

7320 7241

7075 热效率/ % 44.

5 44.

98 46.

04 热效率提高/ % - 0.

48 1.

54 供电煤耗/ (g・kWh -

1 )

275 272 265.

8 供电煤耗降低/ (g・kWh -

1 ) -

3 9.

2 3.

2 投资经济性 根据目前国内常规

2 台套

1000 MW 等级超超 临界主机设备全厂静态投资测算估算(约70 亿), 方案

3 比方案

2 和方案

1 相比增加的初投资比例分 别为 6% 和7% , 即增加投资金额

4 ~

5 亿. 下面用 现值法来测算不同标煤价格条件下增加的投资通 过节省的燃煤费用需要的回收年限(设定机组年利 用小时数为

5500 h, 管道效率为 99% ). 3. 2.

1 计算条件........