蔣尋寒---超臨界機(jī)組和超超臨界機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計問題

1、大型火電機(jī)組的一些優(yōu)化設(shè)計問題蔣尋寒打馬啟磊打阮圣奇打曹祖慶2（1,安徽省電力科學(xué)研究院，合肥230601；東南大學(xué)，南京210018）摘要：從節(jié)能角度出發(fā)，對目前引進(jìn)型超超臨界火電機(jī)組的汽輪機(jī)、鍋爐方面一些典型的 設(shè)計問題進(jìn)行了分析，指出能耗增加的不良后果，建議新機(jī)組設(shè)計進(jìn)一步向節(jié)能傾斜，并 提出一些優(yōu)化設(shè)計方法，以便今后新建的超超臨界機(jī)組能夠充分發(fā)揮低能耗、低排放的優(yōu) 勢；對于節(jié)能相關(guān)運(yùn)行儀表的配置，也給出了一些技術(shù)建議。關(guān)鍵詞：超超臨界，火電機(jī)組，優(yōu)化設(shè)計some key points in optimizing design for large scale coal fired pow

2、er unitsabstract: for the super critical coal fired power units in china, there are some typical shortcomings for energy conservation in design，which are pointed out in this paper. improvements are presented for the units to be setup for lowest energy consumption and waste emission. instrunments con

3、figuration methods for most important parameters are also presented for thermo performance test and analysis*key words: ultra super critical, coal fired power unit, design optimization1刖吞由于種種原因，國內(nèi)的很多超臨界和超超臨界機(jī)組未能充分發(fā)揮英應(yīng)冇的低能耗、低 排放優(yōu)勢，需要從設(shè)計、安裝、調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)等諸多方面發(fā)現(xiàn)和解決問題。本文探討設(shè) 計方面節(jié)能相關(guān)的-些典型問題。這里的討論不涉及空冷機(jī)組。2鍋爐2.1

4、設(shè)計燃料選擇事先需要對燃煤帀場進(jìn)行深入的評估，盡可能選擇今后容易購買、即將實際主耍便用 的燃煤作為設(shè)計煤種。為節(jié)省投資，可以選擇優(yōu)質(zhì)煤種作為設(shè)計煤種，但投產(chǎn)后實際使用煤 種如果品質(zhì)偏離較大，則運(yùn)行屮鍋爐效率卜降、輔機(jī)用電增加，增加的代價很人，得不償失。2. 2輔機(jī)形式和容量根據(jù)合理的設(shè)計和校核燃料，優(yōu)選制粉系統(tǒng)、引風(fēng)機(jī)等重要輔機(jī)的形式和容量，保證 和機(jī)組的整體設(shè)計合理搭配。比如引風(fēng)機(jī)或一次風(fēng)機(jī)容量略偏小，一旦使用非設(shè)計煤種，熱 值偏低10%,如果加上空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率增加到10%,就難以滿足bmcrt況運(yùn)行要求。 輔機(jī)容量偏大的例子也很多。3汽輪機(jī)3. 1汽輪機(jī)的通流面積配置目前新國標(biāo)gb/t

5、5578-2007l2j尚未普遍使用，除了四門子引進(jìn)型超超臨界汽輪機(jī)以 外，其它的國產(chǎn)超臨界和超超臨界汽倫機(jī)普遍使用dl/t 892-2004 lfe準(zhǔn)確定銘牌，過于保 守。同時，國內(nèi)三人動力廠的設(shè)計，理念有所不同，有的為保證出力，通流面積放人5% 左右，通流能力太強(qiáng)，和整個機(jī)組搭配并不合理，低負(fù)荷運(yùn)行時，主汽壓力偏低，必然增加 損失；有的堅持節(jié)能的策略，面積安排比較緊，雖然很容易達(dá)到、超過ds892-2004的出 力要求，但汽輪機(jī)容最略低于鍋爐的能力，也冇改進(jìn)的余地。需要注意的是，針對開式循環(huán) 水和閉式循環(huán)水系統(tǒng)，山于背壓明顯不同，同容量、同參數(shù)、同系列汽輪機(jī)的通流血積應(yīng)有 不同的安排，差別

6、應(yīng)為23%。3.2保證銘牌出力關(guān)于容量，目前有一個比較人的理論問題：按設(shè)計規(guī)程，每年最熱的1()%時間的氣象 條件卜，是不保證機(jī)組發(fā)出銘牌出力的，但電網(wǎng)調(diào)度并不認(rèn)可這個概念，而是要求火電機(jī)組 在運(yùn)行中的任何吋候都有能力發(fā)出銘牌出力。這個問題目前并未顯現(xiàn)，主要原因是dltt 892-2004對汽輪機(jī)的性能要求較低，設(shè)備冇較大的余量。如果普遍使川gb/t 5578-2007標(biāo) 準(zhǔn)，問題就開始顯現(xiàn)，而使用iec-45-1的時候，問題可能會比較突出。3.3主、輔機(jī)容量搭配機(jī)、爐容雖需要合理匹配，600mw機(jī)組的鍋爐配660 mw汽輪機(jī)是非?；奶频拇钆?， 同樣，在660mw機(jī)組上配置600mw機(jī)組的輔機(jī)

7、，也不合理，必須制止。3. 4冷端設(shè)計3.4.1不均衡問題若額定背壓較低，又按tha工況設(shè)計，則選配較長的末級葉片可以獲得更好的經(jīng)濟(jì)性 5o而國內(nèi)600mw級別超臨界和超超臨界汽輪機(jī)冷端設(shè)計普遍存在的問題是，末級葉片過 長而冷端設(shè)備容雖:偏小。這個問題的主耍原因是設(shè)計規(guī)程陳舊。對于閉式循環(huán)水系統(tǒng)機(jī)組, 背壓額定值過于樂觀6。值得注意的是，北方機(jī)組冷卻塔面積小得多，循環(huán)水冷卻倍率也 較小，實際背壓條件和南方機(jī)組差別一般并不大。額定背壓取值不合理，往往造成汽輪機(jī)末 級葉片選擇過長，既增加能耗，乂降低汽輪機(jī)的夏季最大出力?？紤]機(jī)組多數(shù)需要調(diào)峰，則 損失更大。國內(nèi)600mw亞臨界、超臨界機(jī)組數(shù)量巨大，

8、這個損失累計起來是相當(dāng)驚人的。 90年代及以前，300-600mw亞臨界汽輪機(jī)末級葉片只有900mm左右的尺寸，沒有其它選 擇；引進(jìn)型超臨界汽輪機(jī)開始增加1000mm左右長度的末級葉片可選，但國內(nèi)600mw機(jī)組 多數(shù)選擇不當(dāng)，而660mw機(jī)紐直接套用600 mw汽輪機(jī)的低壓缸，情況就要好得多。3. 4. 2合理確定背壓和低壓缸配置的要點過喚的原始環(huán)境數(shù)據(jù)。對于閉式循環(huán)水系統(tǒng)，年平均氣象條件；對于開式循環(huán)水系統(tǒng), 真實的平均取水溫度。平均環(huán)境條件和額定出力下，合理的循環(huán)水調(diào)度方式。不能按夏季的調(diào)度方式考慮6。還必須考慮機(jī)組負(fù)荷特性的準(zhǔn)確定位：基荷述是調(diào)峰。這相當(dāng)困難。經(jīng)常參與調(diào)峰的機(jī) 組，應(yīng)考慮

9、適當(dāng)減少低壓缸排汽而積。設(shè)計院需要了解不同低壓缸配置下的汽輪機(jī)微增出力 的變化情況67。目前同容量的汽輪機(jī)，往往有2、3種不同的低壓缸配置可供選擇，但選對并不容易。通過大量驗收試驗，國內(nèi)一些電科院已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，總體趨勢上，越是高參數(shù)機(jī)組，部分負(fù) 荷卜似乎能耗增加幅度越大。很容易驗證，按廠家的設(shè)計數(shù)據(jù)，容量相同、低壓缸一致的不 同初參數(shù)汽輪機(jī)，低負(fù)荷下熱耗升高的比例人致相同。因此，出現(xiàn)這個現(xiàn)象，主要原因就是 高參數(shù)汽輪機(jī)排汽面積配置過大。至少可以冇結(jié)論：排汽面積增加一檔，同廠家、同初參數(shù)、 同容量、同技術(shù)系列的汽輪機(jī)，tha工況熱耗差別較小，但(50%負(fù)荷熱耗率-100%負(fù)荷熱 耗率)增加較多，可以

10、達(dá)到tha工況熱耗的1%上下。因此，排汽1僑積寧可稍偏小，不應(yīng) 偏人。國內(nèi)發(fā)電機(jī)紐備丿ij容量比例逐步增加的人趨勢是明確的，因此，即使是超超臨界機(jī)組, 般也要考慮在一定程度上參與調(diào)峰。3.4.3充分發(fā)揮雙背壓的優(yōu)勢目前600mw1000mw汽輪機(jī)普遍使用4排汽、雙背壓設(shè)計，因此，有些機(jī)組的兩個 低壓缸可以針對不同的背壓，分別選用不同長度的末級葉片，達(dá)到最大的節(jié)能效果。3. 4. 4 600660mw超超臨界汽輪機(jī)，能否采用雙排汽設(shè)計？基荷機(jī)組：一般不應(yīng)采用雙排汽設(shè)計，因為不經(jīng)濟(jì)，除非使用1270mm(50in)以上的鈦 合金末級葉片。11451220mm(4548in)的鋼制末級葉片,如果是雙

11、排汽設(shè)計,則排汽面積偏 小，只適合500550mw容量，用于600mw超超臨界機(jī)組，額定背壓要達(dá)到6.5 kpa左右 才合理，只適合海南、廣東等地配備閉式循壞水系統(tǒng)的少數(shù)機(jī)組。調(diào)峰機(jī)組：平均負(fù)荷率按8()%或以內(nèi)考慮，600mw,其至660mw汽倫機(jī)采用454&n 末級葉片的雙排汽設(shè)計，從汽輪機(jī)運(yùn)行角度看，可能是經(jīng)濟(jì)的選擇。另外，雙排汽設(shè)計造成凝汽器寬度和高度尺寸增加，而且低壓缸起吊高度增加，因此, 廠房深度和高度增加，體枳不減反增，總體投入增加；凝汽器高度增加，循環(huán)水泵需要提高 揚(yáng)程，增加廠用電消耗5；不能亨受雙背壓的好處。這都是需要考慮的。因此，如果60()660mw超超臨界機(jī)纟r

12、負(fù)荷率不按8()%或以內(nèi)考慮，則應(yīng)慎用雙排汽設(shè) 計。我們很容易看到國內(nèi)近幾年來大機(jī)組定位方面，思路的前后不一致、不連貫：超臨界 600mw級別汽輪機(jī)的末級葉片選擇顯然是按機(jī)組帶棊荷考慮的(呈木都是4x 1000mm), 而超超臨界600 mw級別機(jī)紐排汽總面積多數(shù)小一些(660mw機(jī)紐多為4x 1000mm或4 x900mm, 600 mw多為2x 1220mm),更多的是按調(diào)峰機(jī)組考慮的。為真正改進(jìn)汽輪機(jī)冷端設(shè)計，電廠和發(fā)電集團(tuán)盂要改變汽輪機(jī)的性能驗收條件，除了 tha t況外，應(yīng)增加80%負(fù)荷的熱耗驗收，并合理設(shè)置該工況的熱耗權(quán)重。3. 4. 5 1000mw級別汽輪機(jī)的低壓缸同樣的角度看

13、國內(nèi)己經(jīng)投產(chǎn)的1000mw級別機(jī)組，在that況f,末級葉片的安排是 大致合理或略偏長，但仍需要考慮機(jī)組的實際負(fù)荷定位，按8090%的平均負(fù)荷設(shè)計會更合 理。這樣，一些1000mw汽輪機(jī)，如果采用原末級葉片，則容量可以冇所增加，適當(dāng)增大 高、中壓缸通流面積即可：或者容量不變，高背壓的低壓缸采用短一級的末級葉片。3. 4. 6冷端設(shè)備容量末級葉片長較長，排汽面積偏大，則要求較低的背壓，而國內(nèi)機(jī)紐實際上冷端設(shè)備容量 普遍略偏小。具體表現(xiàn)在冷卻塔而積偏小，填料性能有改進(jìn)余地，循環(huán)水泵容量選型各不相 同，但揚(yáng)程普遍過大。相比歐美70年代及以前，國內(nèi)新建火電機(jī)組的冷卻塔容量是比較人 的，但相比90年代末

14、以后投產(chǎn)的歐洲機(jī)組，又明顯小一些。建設(shè)更大的冷卻塔，會受到技 術(shù)、投資、審批等多方血的限制。根據(jù)目而的實際情況，適當(dāng)增加循環(huán)水泵容量，降低揚(yáng)程 13m,是既節(jié)能，又節(jié)省投資的有效措丿施。循壞水泵一般不宜設(shè)置變頻器，投入太大，投 資回收期限過長。國內(nèi)目前還沒冇13000m2以上巨型冷卻塔的設(shè)計、建造技術(shù)，為此，針對10001100mw 的火電機(jī)組冷卻塔，建議電力設(shè)計院進(jìn)行12500m2 (長江沿岸地區(qū)1000mw f1前配12500m2 冷卻塔)和2x9000m2 (華東地區(qū)600mw機(jī)組一般k 9000m2冷卻塔)這樣不同配置的技 術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。國內(nèi)需要學(xué)握一機(jī)雙塔的設(shè)計和運(yùn)行技術(shù)。內(nèi)陸地區(qū)即將

15、建設(shè)一批大型核電機(jī) 組，由于汽輪機(jī)熱耗很高，冷卻塔負(fù)荷太人，必須是一機(jī)配置雙塔。3. 4. 7輔機(jī)凝結(jié)水泵揚(yáng)程普遍過大，完全沒有必要。從亞臨界機(jī)組到超超臨界機(jī)組，凝結(jié)水泵設(shè)計 揚(yáng)程只需要240280m就已經(jīng)足夠，而實際往往達(dá)到330380m,余量太大，浪費(fèi)嚴(yán)重?？?慮到這個因索，配備變頻器的時候，還可以顯著減少投資。小汽輪機(jī)的選配。小機(jī)的廠家較多，需要注意，小機(jī)必須能夠適應(yīng)在vwo和bmcr 工況下連續(xù)運(yùn)行的要求，還需要考慮鍋爐整體壓損可能不同，對小機(jī)的轉(zhuǎn)速要求也就不同。1000mw級別汽輪機(jī)，對于雙列高加配置，需要研究水側(cè)旁路容量的合理配置。3運(yùn)行儀表配置性能監(jiān)測需要的測點和儀表設(shè)置。國產(chǎn)機(jī)

16、組的dsc儀表為運(yùn)行和控制而設(shè)置，熱力性 能檢測、能耗分析等方曲存在缺陷，測點不足、儀表位置或設(shè)置不當(dāng)?shù)那闆r較多910o比 如，機(jī)側(cè)主汽壓力、溫度，機(jī)側(cè)再熱壓力、溫度，在主汽閥和中聯(lián)門前的支管上都應(yīng)有測點 設(shè)置；高、中壓缸排汽壓力、溫度，應(yīng)在離汽缸5米上下的位置設(shè)置測點，等等。很多現(xiàn)役 國產(chǎn)機(jī)組并不滿足這些要求。關(guān)于汽輪機(jī)的試驗測點，還有一個趨勢需要關(guān)注：汽缸內(nèi)外的汽流組織越來越復(fù)雜，其 至原本簡單的沖動式汽輪機(jī)，現(xiàn)在也有諸如高排端軸封到中排端軸封、中壓缸冷卻蒸汽、高 壓門桿漏汽到熱再等汽流，為此，廠家需要考慮在某些混合點前、后設(shè)置溫度測點和儀表, 以便熱力試驗中確定輔助流量，更有效地進(jìn)行能耗

17、分析。除氧器進(jìn)水流量m使用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴而不是孔板，共至較貴的asme標(biāo)準(zhǔn)長頸噴嘴都是良 好的選擇。90年代以前，國內(nèi)不能生產(chǎn)絕壓變送器，汽輪機(jī)背壓測量、考核都是用真空表，在口 前的條件下，為避免大氣壓變化的干擾，應(yīng)當(dāng)逐步淘汰真空概念，統(tǒng)一使川絕壓表測量汽輪 機(jī)背壓。很多機(jī)組建設(shè)時，沒有安裝網(wǎng)籠探頭，也會彫響背壓測量精度。鍋爐方而，氧量和排煙溫度測點位置不好，代表性較差，是比較普遍的問題°現(xiàn)階段鍋 爐廠的熱力計算中，普遍默認(rèn)的一次風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)的壓縮溫升分別為3°c和6°c,而實際運(yùn) 行屮此溫升遠(yuǎn)不止于此普遍情況是一次風(fēng)溫升超過10°c,二次風(fēng)溫升超過6

18、6;c,為此需要 配備空預(yù)器空氣側(cè)入口溫度測點。4解決問題的有效途徑節(jié)能技術(shù)監(jiān)督要從基建開始。解決以上這些問題，盂要在機(jī)組設(shè)計中，由當(dāng)?shù)氐碾娍圃?參與設(shè)計聯(lián)絡(luò)會議，根據(jù)長期的調(diào)試、熱力試驗和節(jié)能工作經(jīng)驗，提供相關(guān)的技術(shù)建議，并 形成固定的制度?；痣姍C(jī)組的相關(guān)設(shè)計規(guī)程，需耍盡快進(jìn)行必耍的更新。5結(jié)語國內(nèi)在近10年中，發(fā)展超臨界和超超臨界機(jī)組取得了巨大的成就，中國已經(jīng)是世界上 超臨界和超超臨界機(jī)組最多的國家，這些機(jī)組投產(chǎn)后，推動國內(nèi)火力發(fā)電行業(yè)的能耗水平急 劇卜降，貢獻(xiàn)是有目共睹的。同時應(yīng)當(dāng)看到，和發(fā)達(dá)國家相比，我們的機(jī)組在設(shè)計、建設(shè)方 而存在一些差距，需要盡快彌補(bǔ)。比如歐洲，山于嚴(yán)苛的節(jié)能減排法

19、規(guī)，在設(shè)計上，新建火 電機(jī)組明顯地更傾向于增加投入，降低能耗，新的褐煤鍋爐熱效率可以達(dá)到95%,除了煤 質(zhì)、燃料預(yù)處理等因素以外,增加鋼材用量也是重要的原因；1027mw機(jī)組（iec 045-1, 和當(dāng)于dl/t 892-2004標(biāo)準(zhǔn)下的950mw）的冷卻塔淋水面積達(dá)到14000m2,高200m,比國 內(nèi)同容量的機(jī)組的冷卻塔，容量大得多8,因此，機(jī)組額定廿壓只有3.3 kpae鄒縣電廠 1000mw機(jī)組（dl/t 892-2004標(biāo)準(zhǔn)）的冷卻塔淋水面積120（）011?, 165m高，但目前國內(nèi) 還不能建設(shè)13000m2以上的巨型冷卻塔,盂要大雖的科研和技術(shù)積累?；痣姍C(jī)組的節(jié)能設(shè)計, 部分和技術(shù)相關(guān)，但幾乎全部和成木有關(guān)。隨著國內(nèi)節(jié)能減排的要求不斷提高，在新建機(jī)組的設(shè)計建設(shè)方血，需要解決兩個問題： 逐步向節(jié)能設(shè)計方向傾斜，這需耍增加一些建設(shè)投資，開發(fā)一些新技術(shù)；優(yōu)化設(shè)計，準(zhǔn)確定 位機(jī)纟r的負(fù)荷性質(zhì)，優(yōu)選關(guān)鍵參數(shù)，優(yōu)選輔機(jī)形式，優(yōu)化主、輔機(jī)容呈搭配，防止出現(xiàn)既增 加投入，乂增加機(jī)組投