外三重大技術(shù)創(chuàng)新和項目優(yōu)化.doc

外高橋第三發(fā)電廠21000MW超超臨界機組技術(shù)創(chuàng)新和項目優(yōu)化摘要外高橋電廠三期 21000MW超超臨界機組工程在其建設過程中實施了多項重大技術(shù)創(chuàng)新和設備/設計/工藝優(yōu)化。其內(nèi)容涉及:FCB技術(shù)和防 S.P.E技術(shù),主輔設備選型、主系統(tǒng)設計和安裝運行工藝的優(yōu)化,節(jié)能技術(shù),鍋爐沖管、啟動準則和運行模式的更新等一系列領(lǐng)域。在取得優(yōu)化效益的同時，還對一些傳統(tǒng)的設計理念和運行模式有所實破。關(guān)鍵詞 FCB；S.P.E；設備/設計/工藝優(yōu)化；直流鍋爐蒸汽加熱啟動法；空氣預熱器密封技術(shù)引言上海外高橋三期 21000MW超超臨界機組工程 (以下簡稱 “外三”工程)的 2臺機組已先后于 2007年 12月 17日及 2008年 4月 28日并網(wǎng)發(fā)電,并于 2008年 3月 26日及 2008年 6月 7日順利完成 168h連續(xù)滿負荷試運行,以及在此前所進行的 75%和 100%負荷 FCB試驗。第 1臺機組從吊裝鍋爐第 1根鋼柱到并網(wǎng)發(fā)電共用了 24.5個月;第 2臺機組的進度緊隨其后,2臺機組投入商業(yè)運行的時間僅相差不到 3個月,這在國內(nèi)百萬千瓦機組建設速度中位居前列。 “外三”工程的突出亮點是在建設過程中由業(yè)主牽頭組織實施了多項重大技術(shù)創(chuàng)新和設備/設計優(yōu)化。在業(yè)主的創(chuàng)意、策劃和統(tǒng)一組織領(lǐng)導下,各參建單位都積極參與了這些創(chuàng)新和優(yōu)化項目設計部分的具體實施或論證確認工作。從設計監(jiān)理角度而論, “外三”工程建設中所實現(xiàn)的多項重大技術(shù)創(chuàng)新和設計優(yōu)化是具有推廣或參考價值的,同時也對現(xiàn)行火電廠設計標準、設計規(guī)范、傳統(tǒng)的以及其他流派的設計理念提出了新的挑戰(zhàn)。本文介紹該工程建設中所實現(xiàn)的重大技術(shù)創(chuàng)新和設備/設計優(yōu)化。 1主設備選型 1.1在充分吸取“外二”工程 2900MW超臨界機組成功實踐經(jīng)驗的基礎上 ,采用了塔式鍋爐、 SIEMENS單軸反動式四缸四排汽的機型、100%容量/帶安全功能的高壓旁路和具備 FCB功能的保護系統(tǒng)等,構(gòu)成一整套符合先進引進技術(shù)規(guī)范的主設備和主系統(tǒng)配置方式。 1.2在機型、機組蒸汽初參數(shù)和運行方式選擇上,對中標機型進行了全面優(yōu)化1。1.2.1基本機型的優(yōu)選。對采用預節(jié)流調(diào)頻(“外二”工程 900MW機型)和帶補汽閥調(diào)頻(玉環(huán) 1000MW機型)這 2種無調(diào)節(jié)級的滑壓運行機型進行了比選,為兼顧一次調(diào)頻與滑壓運行經(jīng)濟性,選用了開啟點參數(shù)優(yōu)化后的補汽閥調(diào)頻-滑壓運行機型。 1.2.2基本參數(shù)選擇的優(yōu)化。在玉環(huán) 1000MW機組選型及參數(shù)選擇工作的基礎上,結(jié)合當?shù)厝昶骄涠藴囟冗\行圖進行分析,將補汽閥開啟點選定為 TMCR工況 (相當于夏季最高冷卻水溫時對應的額定功率),以保證在全年的 1000MW及以下工況可不開補汽閥。而為了使在其他較低冷卻水溫度運行工況下,與額定功率對應的汽輪機運行初壓又不致于過低而影響到循環(huán)效率。將本工程主蒸汽的初壓定為 27MPa,比國內(nèi)其他幾個百萬千瓦機組的參數(shù)高。 1.2.3滑壓與定壓(開補汽閥)分界的優(yōu)化。優(yōu)化后的分界點不按功率分,而采用壓力準則,此時與平均冷卻水溫相對應的最高滑壓功率可達 1043MW,且冷卻水溫愈低最高滑壓功率愈高。當汽機主汽門前壓力不大于 27MPa時,采用純滑壓運行,與負荷及冷卻水溫無關(guān)。 1.2.4再熱蒸汽系統(tǒng)壓降的優(yōu)化。通過對再熱蒸汽管道的設計優(yōu)化,將再熱蒸汽系統(tǒng)的壓降從國內(nèi)現(xiàn)行設計規(guī)范中的 10%高壓缸排汽壓力降到大約 7%,機組熱耗可下降 18kJ/(kWh)。 1.2.5冷端溫度及背壓的優(yōu)化。根據(jù)全年冷卻水溫運行圖,將本期冷卻水溫選定為 19,與此對應的汽機設計背壓從 4.19kPa/5.26kPa下降為 3.86kPa/ 4.88kPa,熱耗可下降 19kJ/(kWh)。 1.3最終選定的機組蒸汽參數(shù)為:鍋爐出口 27.9 MPa(g),605/603;汽機入口 27MPa(a),600/600;蒸汽流量為 2955t/h(最大)。在機組的熱經(jīng)濟性上 ,機組優(yōu)化前的設計熱耗率為 7 320 kJ/(kWh)(THA保證值),按考核點的汽機熱耗率與玉環(huán) 7 316 kJ/(kWh)處于同一水平上。據(jù)測算,優(yōu)化后的機組額定熱耗率將下降 37kJ/(kWh)以上,而由上述優(yōu)化分析可以預計,實際運行熱耗將進一步降低 2431kJ/(kWh)。 1.4機爐出力匹配基準的優(yōu)化:按全年實際冷端溫度運行圖優(yōu)化了機組額定工況 TRL與設計工況 THA、TMCR、BMCR之間的容量匹配。其結(jié)果與國內(nèi)大型火電機組通常采用的準則相比有所不同,見表 1。 2.技術(shù)原則擬定和論證澄清 2.1 FCB功能的必要性著眼于高參數(shù)超超臨界機組特點,從前瞻性角度分析大機組實現(xiàn) FCB功能的必要性2。 2.1.1對于高參數(shù)的超超臨界機組來說,高溫蒸汽氧化和固體顆粒侵蝕(S.P.E)是一個危及鍋爐和汽輪機安全經(jīng)濟運行的關(guān)鍵技術(shù)問題,使機組具備 FCB功能則可最大限度地達到減少鍋爐啟停次數(shù),是防治 S.P.E的有效手段。相對于亞臨界機組來說,超超臨界機組對 FCB功能的利用率將要高得多。 2.1.2對于以煤電為主、缺乏水電支撐的電網(wǎng),若有部分大型火電機組具備 FCB功能,在電網(wǎng)故障時機組可維持小網(wǎng)或作為黑啟動電源快速恢復電網(wǎng)運行,這對于電網(wǎng)和電廠的安全運行來說都有很大實際價值。從國內(nèi)有的電廠在高負荷工況下多次成功實現(xiàn) FCB的實例表明,FCB不但有其實用價值,而且對減少機組誤停,減緩溫差應力,降低能耗都有貢獻,可以認為 FCB功能的價值體現(xiàn)于“功在電網(wǎng),利在電廠”3。 2.2 FCB功能的可行性立足于“外二 ”工程實踐經(jīng)驗 ,分析 1000MW機組實現(xiàn) FCB功能的可行性。根據(jù)“外二”工程 900 MW機組上成功實施事先無人工干預的 FCB實踐經(jīng)驗,確認在采用 100%高壓旁路及大容量低壓旁路這一前提條件下,通過合理設計,在技術(shù)上是完全能夠?qū)崿F(xiàn) FCB功能的。應該指出,與常規(guī)的帶調(diào)節(jié)級汽輪機相比,SIEMENS設計的無調(diào)節(jié)級汽輪機也為實現(xiàn) FCB的可行性創(chuàng)造了更有利的條件。 2.3通過可行性論證工作澄清的問題 2.3.1以龐大的旁路系統(tǒng)容量為代價來實現(xiàn)停機不停爐功能是否值得的問題。在設備招投標階段對全容量高壓旁路和 40%高壓旁路加過熱器安全閥這 2個方案進行了技術(shù)經(jīng)濟比較,發(fā)現(xiàn)這兩者在投資上是基本相當?shù)?而從可能實現(xiàn)的功能來說,全容量高壓旁路方案具有無可比擬的明顯優(yōu)勢 (當對全容量高壓旁路配置調(diào)節(jié)型再熱器安全閥時,其投資稍有增加)。 2.3.2為實現(xiàn)停機不停爐功能需要在發(fā)電機出口裝設斷路器而增加投資問題?！巴馊惫こ贪l(fā)電機出口裝設了斷路器 GCB,主要是為了使機組從啟動到并網(wǎng)發(fā)電,可直接從主變倒送取得啟動電源,無須進行廠用電源的切換,大大提高了機組運行的安全可靠性,并簡化了備用電源的容量和接線。而且由于發(fā)電機斷路器是三相機械連動,減少了主變高壓側(cè)斷路器非全相操作造成的危害,同時也給停機不停爐創(chuàng)造了方便條件。 2.3.3高壓熱源引入除氧器的安全風險問題。以往在超臨界機組上有過因高壓熱源引入除氧器而發(fā)生設備部件損傷或潛在安全隱患的報導。但通過調(diào)研得知這些案例都發(fā)生在鍋爐啟動凝結(jié)水高壓回路上,且屬于接口設計配合中存在的問題。而 FCB工況下除氧器緊急汽源系統(tǒng)是按照 SIEMENS設計準則來設計的,所配置的調(diào)壓閥是符合歐盟標準的所謂“負安全閥”,在結(jié)構(gòu)上具有安全功能,閥門若能被打開,同時也就具備了安全功能。萬一在正常運行時誤開該閥,只要除氧器壓力升高閥門即能可靠自動閉鎖,這與上述鍋爐啟動凝結(jié)水高壓回路上所配置減壓閥本身不帶安全功能的設計是完全不同的,故可認為并不存在安全隱患。 2.3.4為機組實現(xiàn) FCB功能而要求給水泵容量選擇超大火規(guī)標準問題。對于已配置 100%容量帶安全功能高壓旁路的機組來說 ,即使不考慮機組 FCB功能,給水泵容量的選擇也應滿足“電力工業(yè)鍋爐壓力容器監(jiān)察規(guī)程”中的有關(guān)規(guī)定。對裝有 100%高壓旁路并為安全-旁路三用閥的直流鍋爐來說,給水泵設計容量的選擇是基于安全要求,而并非基于 FCB的要求,否則,不僅在汽輪機甩負荷工況下要停機停爐,而且因其他原因引起高旁閥超壓起跳時也要啟動停爐停機程序,實際上是大大降低了采用 100%容量高壓旁路的價值。 2.4 全面落實與機組實現(xiàn)停機不停爐及帶廠用電運行相關(guān)的一些設計技術(shù)原則 2.4.1機組連鎖保護的設計。在以往火電機組工程設計中多采用爐、機、電相互連鎖跳閘的橫向大連鎖保護方式,這種連鎖方式中,機、爐、電中任何一處跳閘即導致機組連鎖停機,這與 FCB要求之間是不相兼容的。本期設計中參照歐洲流派的設計理念,采用了單向大連鎖方式,即(1)停線(路)不停電,即 FCB; (2)停電(發(fā)電機)不停機,即甩負荷;(3)停機不停爐。這種連鎖保護方式在“外二”工程 900MW機組已經(jīng)積累了成功實踐經(jīng)驗。 2.4.2配置調(diào)節(jié)型再熱器安全閥。考慮到高負荷工況下 FCB時若配置常規(guī)再熱器安全閥只能全開,這將導致大量蒸汽被排至大氣,加劇了工質(zhì)不平衡及噪聲污染,為此采用可控的調(diào)節(jié)式安全閥,當開啟時按不超壓原則控制其排量。 2.4.3廠用電切換方式。由于在發(fā)電機出口配有出口開關(guān),為機組實現(xiàn) FCB提供了方便,廠用電切換與否可視情況而定,只有在主變或高廠變本身故障時,才需要進行廠用電切換,其他情況下(如發(fā)電機故障或線路故障)均不需要進行廠用電切換。2.4.4汽動給水泵汽源快速切換。采用具有特殊內(nèi)切換功能的專用小汽輪機,當 FCB工況時,再熱蒸汽這路汽源的調(diào)門可自動開大并維持給水泵的正常運行,確保了汽源切換期間(1)鍋爐煤水比的不平衡仍在允許范圍內(nèi),即汽溫不超標;(2)鍋爐水動力的穩(wěn)定,即水冷壁出口溫度控制在允許值內(nèi)。 2.4.5除氧器水箱容量問題。針對直流鍋爐沒有汽包這一特點,除氧水箱作為汽水循環(huán)中主要的蓄水和緩沖環(huán)節(jié),其容量配置標準應高于汽包鍋爐。根據(jù) “外二”實踐經(jīng)驗,本期設計中將除氧器水箱容量調(diào)高至 6min的鍋爐蒸發(fā)量。 3設計優(yōu)化 3.1高度重視超超臨界機組在長期運行中所存在的高溫蒸汽氧化和固體顆粒侵蝕 S.P.E這一突出的技術(shù)難點,除了從機組選型、旁路容量、機組甩負荷工況保護系統(tǒng)的設計進行優(yōu)化外,還在主蒸汽管路終端增設了 20%BMCR附加旁路的完善化設計措施。 3.2采用了“直流鍋爐蒸汽加熱啟動法”這種全新理念的鍋爐啟動方式。機組冷態(tài)啟動時的給水溫度從傳統(tǒng)的 90100 提高到 215240 ,為此設計了專用的鍋爐加熱系統(tǒng)及新的機組啟動操作程序 (圖 1)。 3.3給水系統(tǒng)中采用了(1)取消電動給水泵;(2)設置單臺 100%容量的汽動給水泵;(3)設置 100%容量的單列高壓加熱器等新的優(yōu)化配置方式,使之達到既簡化系統(tǒng),節(jié)省投資,又降低熱耗的目標。 3.4電氣系統(tǒng)設計中進行了下列優(yōu)化:(1)廠用電啟動/備用電源接線的簡化。在業(yè)主建議下, “外三” 設計中利用二期 10kV及 3kV備用電源下設的公用段上的富裕容量引接三期的安全停機備用電源,不考慮專設高壓備用變壓器。(2)廠高變選型的優(yōu)化。業(yè)主牽頭組織設計單位經(jīng)過反復計算,根據(jù) 500 kV系統(tǒng)電壓變化范圍考慮到各種運行工況及發(fā)電機 AVR的控制方式,最后確定廠高變不必采用帶負荷調(diào)壓,采用一般無載調(diào)壓的變壓器即可滿足各種運行工況下電壓偏移的要求,既節(jié)省了近 30%的變壓器投資,又提高了變壓器運行的安全性、可靠性。工程投產(chǎn)后經(jīng)過多次啟動、并網(wǎng)發(fā)電及 FCB試驗等,電壓波動平穩(wěn),實踐證明是可行的。(3)對電纜工程設計的優(yōu)化。在業(yè)主的倡議及組織下,設計院對 “外三”電纜工程的設計優(yōu)化進行了論證,計算表明:對 10kV、3kV電纜大于 120 mm2的回路和 400V大于 95mm2的回路來說,采用單芯比采用三芯電纜更經(jīng)濟;對低壓動力電纜由 PVC改為 XLPE電纜,由于允許的工作溫度提高,同樣截面的電纜載流量得以提高。在敷設條件上,盡量因地制宜地考慮減少各種降低容量的敷設系數(shù),在施工及訂貨過程中要求逐根丈量準確長度,從而實現(xiàn)了整個電纜工程設計的優(yōu)化。 3.5在主廠房布置設計中進行了下列優(yōu)化:(1)“除氧器-給水泵”布置標高的優(yōu)化:將給水泵的布置標高從傳統(tǒng)的汽機房運轉(zhuǎn)層(+17m)降到+8.6m層;將除氧器標高從 46.5m層降到 40.5m層。優(yōu)化方案不但降低了主廠房的土建造價,也為給水泵小汽輪機排汽配置獨立凝汽器系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件。(2)高壓加熱器布置順序的優(yōu)化。國內(nèi)以往工程設計中,按布置標高層大多采取:A6高加 (+25m層)A7、A8高加+8.6m層和運轉(zhuǎn)層這種方式,此時給水管道和高加疏水管道上下往返竄插,布置與工藝流程不相適應。本工程改為在除氧間+25m層布置 A6高加,運轉(zhuǎn)層上布置 A7、A8高加,這一布置方案減少了管道投資費用,且更加符合與工藝流程配合順暢合理的要求。 3.6四大管道設計中進行了設計參數(shù)、流速取值、管件選擇、與主機接口受力配合、疏水和暖管系統(tǒng)、保溫設計標準等多方面的優(yōu)化,使管系壓降、應力、造價適應機組變工況運行性能等指標都能控制在一個穩(wěn)妥而先進的水平上。 3.7設置了脫硫增壓風機的煙氣旁路,以便在低負荷工況下有可能采取停用增壓風機而不停脫硫吸收塔的運行方式(實際運行中,當機組負荷在 530MW以下時,可實現(xiàn)增壓風機旁路運行方式,此時只投 1臺引風機)。 3.8為實現(xiàn)低污染排放發(fā)電,設計中除配置高效率濕法脫硫裝置外,對降低煙氣氮氧化物排放則采取了:(1)鍋爐配置低 NOx同軸燃燒系統(tǒng)(LNTFSTM);(2)制粉系統(tǒng)按 “細煤粉燃燒技術(shù) ”要求 ,煤粉細度達到 200目篩通過率不小于 85%(R9010%);(3)對 2臺 1000MW鍋爐按 1臺預留 1臺同步建設的方式配置 SCR煙氣脫硝系統(tǒng);(4)根據(jù)本工程燃用“高鈣煤”的特點,擇優(yōu)選用高性能催化劑等多種技術(shù)措施,使 NOx排放濃度設計值達到國際上的先進水平。 3.9煙氣脫硫流工程中取消了 GGH,與此同時在煙道布置及增壓風機選型中均預留了在脫硫吸收塔前安裝全容量低溫省煤器的方案。論證分析表明,若低溫省煤器選型得當,采用這一系統(tǒng)可能獲得2g/(kWh)節(jié)能和 63t/h節(jié)水的效益。 4施工安裝 “外三”工程 1000MW塔式鍋爐安裝中參考了德國的經(jīng)驗而又有所改進。對主鋼架吊裝加大了吊機的配置,主吊機采用引進 1臺 M1280D塔吊,其最大額定起重能力為 140t,布置在鍋爐中間為主吊機,鍋爐主鋼架吊裝完成后直接進行受熱面吊裝。與 “外二”工程相比,鍋爐從主鋼架吊裝到受熱面吊裝之間的工期縮短了 5個月,對整個工程施工進度的加快起了至關(guān)重要的推動作用。 5沖管啟動并網(wǎng) 5.1利用外來蒸汽加熱鍋爐,形成熱水、熱風、熱爐膛這一新穎啟動方式在沖管階段得到十分成功的應用。7號爐整個沖管階段的 8次穩(wěn)壓沖管過程中,點火燃油耗量為 185t,而 8號爐僅為 60t,僅為 600 MW機組沖管耗油量指標 3500t的 1.7%5.3%。與其他節(jié)油方式相比,本工程為實現(xiàn)節(jié)油目標而增加的投資最少且運行安全性更好。 5.2利用靜壓實現(xiàn)了不用啟動給水泵的無動力向鍋爐上水及進行熱態(tài)清洗的方式,不但節(jié)約了能耗,而且其清洗效果遠優(yōu)于傳統(tǒng)的清洗方法。 5.3大型汽動給水泵實現(xiàn)低速啟動及全程調(diào)速運行方式:根據(jù)制造廠原設計,為避開臨界轉(zhuǎn)速區(qū)所采用的給水泵組最低運行轉(zhuǎn)速應為 2700r/min。簡化給水系統(tǒng)的控制方式,降低啟動階段的能耗,業(yè)主方研究提出了低速啟動和運行理論,通過與供貨外商溝通協(xié)調(diào),得到了外方支持。從機組啟動調(diào)試至今的每次啟動中都成功地實施了全程調(diào)速這一新的運行方式。5.4對沖管操作參數(shù)的優(yōu)化問題進行了專題性試驗探討,發(fā)現(xiàn)沖管溫度,尤其是水冷壁出口溫度的改變對沖管效果有著極為明顯的影響。通過試驗可以解釋為什么有些機組通過沖管后,啟動期間仍出現(xiàn)鍋爐受熱面因雜物堵塞導致頻繁爆管的原因,這表明了傳統(tǒng)沖管理念的不足。并可推論,對于超超臨界機組的沖管理念應當加以更新,除了符合動量準則外還應制訂相應的溫度準則。 6帶負荷調(diào)試和 168h階段 6.1鄰汽加熱啟動技術(shù)的成功實踐 “外三”工程在試運行階段中對直流鍋爐加熱啟動法和穩(wěn)燃方法這種專利技術(shù)進行了成功的實踐,并取得了下列成果: (1)試驗期間鍋爐啟動質(zhì)量流量從傳統(tǒng)的 30% BMCR降為 15%BMCR。(2)由于啟動期間鍋爐水動力工況的改善及水冷壁啟動流量大幅度降低等原因,啟動期間未使用爐水循環(huán)泵,電廠已決定取消此泵,這也為簡化和優(yōu)化直流鍋爐的啟動系統(tǒng)開拓了一條新途徑。 (3)由于鍋爐在點火時爐膛已被均勻加熱至相當?shù)臏囟?使通常的冷態(tài)啟動變?yōu)闊釕B(tài)和熱風啟動。因鍋爐點火穩(wěn)燃和煙風系統(tǒng)運行條件大大改善而產(chǎn)生了下列效益:啟動階段的廠用電率大幅下降,只有“外二”機組的約 1/5;最低斷油穩(wěn)燃負荷大幅降低