蔣尋寒---超臨界機組和超超臨界機組的優(yōu)化設計問題

1、大型火電機組的一些優(yōu)化設計問題蔣尋寒打馬啟磊打阮圣奇打曹祖慶2（1,安徽省電力科學研究院，合肥230601；東南大學，南京210018）摘要：從節(jié)能角度出發(fā)，對目前引進型超超臨界火電機組的汽輪機、鍋爐方面一些典型的 設計問題進行了分析，指出能耗增加的不良后果，建議新機組設計進一步向節(jié)能傾斜，并 提出一些優(yōu)化設計方法，以便今后新建的超超臨界機組能夠充分發(fā)揮低能耗、低排放的優(yōu) 勢；對于節(jié)能相關運行儀表的配置，也給出了一些技術建議。關鍵詞：超超臨界，火電機組，優(yōu)化設計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組未能充分發(fā)揮英應冇的低能耗、低 排放優(yōu)勢，需要從設計、安裝、調(diào)試、運行和維護等諸多方面發(fā)現(xiàn)和解決問題。本文探討設 計方面節(jié)能相關的-些典型問題。這里的討論不涉及空冷機組。2鍋爐2.1

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

5、5578-2007l2j尚未普遍使用，除了四門子引進型超超臨界汽輪機以 外，其它的國產(chǎn)超臨界和超超臨界汽倫機普遍使用dl/t 892-2004 lfe準確定銘牌，過于保 守。同時，國內(nèi)三人動力廠的設計，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，和整個機組搭配并不合理，低負荷運行時，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，雖然很容易達到、超過ds892-2004的出 力要求，但汽輪機容最略低于鍋爐的能力，也冇改進的余地。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)、同系列汽輪機的通流血積應有 不同的安排，差別

6、應為23%。3.2保證銘牌出力關于容量，目前有一個比較人的理論問題：按設計規(guī)程，每年最熱的1()%時間的氣象 條件卜，是不保證機組發(fā)出銘牌出力的，但電網(wǎng)調(diào)度并不認可這個概念，而是要求火電機組 在運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對汽輪機的性能要求較低，設備冇較大的余量。如果普遍使川gb/t 5578-2007標 準，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、輔機容量搭配機、爐容雖需要合理匹配，600mw機組的鍋爐配660 mw汽輪機是非?；奶频拇钆?， 同樣，在660mw機組上配置600mw機組的輔機

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

8、這個損失累計起來是相當驚人的。 90年代及以前，300-600mw亞臨界汽輪機末級葉片只有900mm左右的尺寸，沒有其它選 擇；引進型超臨界汽輪機開始增加1000mm左右長度的末級葉片可選，但國內(nèi)600mw機組 多數(shù)選擇不當，而660mw機紐直接套用600 mw汽輪機的低壓缸，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。還必須考慮機組負荷特性的準確定位：基荷述是調(diào)峰。這相當困難。經(jīng)常參與調(diào)峰的機 組，應考慮

9、適當減少低壓缸排汽而積。設計院需要了解不同低壓缸配置下的汽輪機微增出力 的變化情況67。目前同容量的汽輪機，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)機組，部分負 荷卜似乎能耗增加幅度越大。很容易驗證，按廠家的設計數(shù)據(jù)，容量相同、低壓缸一致的不 同初參數(shù)汽輪機，低負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)汽輪機排汽面積配置過大。至少可以冇結論：排汽面積增加一檔，同廠家、同初參數(shù)、 同容量、同技術系列的汽輪機，tha工況熱耗差別較小，但(50%負荷熱耗率-100%負荷熱 耗率)增加較多，可以

10、達到tha工況熱耗的1%上下。因此，排汽1僑積寧可稍偏小，不應 偏人。國內(nèi)發(fā)電機紐備丿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汽輪機普遍使用4排汽、雙背壓設計，因此，有些機組的兩個 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，達到最大的節(jié)能效果。3. 4. 4 600660mw超超臨界汽輪機，能否采用雙排汽設計？基荷機組：一般不應采用雙排汽設計，因為不經(jīng)濟，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、排汽設計,則排汽面積偏 小，只適合500550mw容量，用于600mw超超臨界機組，額定背壓要達到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)機組。調(diào)峰機組：平均負荷率按8()%或以內(nèi)考慮，600mw,其至660mw汽倫機采用454&n 末級葉片的雙排汽設計，從汽輪機運行角度看，可能是經(jīng)濟的選擇。另外，雙排汽設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超超臨界機纟r

12、負荷率不按8()%或以內(nèi)考慮，則應慎用雙排汽設 計。我們很容易看到國內(nèi)近幾年來大機組定位方面，思路的前后不一致、不連貫：超臨界 600mw級別汽輪機的末級葉片選擇顯然是按機組帶棊荷考慮的(呈木都是4x 1000mm), 而超超臨界600 mw級別機紐排汽總面積多數(shù)小一些(660mw機紐多為4x 1000mm或4 x900mm, 600 mw多為2x 1220mm),更多的是按調(diào)峰機組考慮的。為真正改進汽輪機冷端設計，電廠和發(fā)電集團盂要改變汽輪機的性能驗收條件，除了 tha t況外，應增加80%負荷的熱耗驗收，并合理設置該工況的熱耗權重。3. 4. 5 1000mw級別汽輪機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，但仍需要考慮機組的實際負荷定位，按8090%的平均負荷設計會更合 理。這樣，一些1000mw汽輪機，如果采用原末級葉片，則容量可以冇所增加，適當增大 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)機紐實際上冷端設備容量 普遍略偏小。具體表現(xiàn)在冷卻塔而積偏小，填料性能有改進余地，循環(huán)水泵容量選型各不相 同，但揚程普遍過大。相比歐美70年代及以前，國內(nèi)新建火電機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)的歐洲機組，又明顯小一些。建設更大的冷卻塔，會受到技 術、投資、審批等多方血的限制。根據(jù)目而的實際情況，適當增加循環(huán)水泵容量，降低揚程 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計、建造技術，為此，針對10001100mw 的火電機組冷卻塔，建議電力設計院進行12500m2 (長江沿岸地區(qū)1000mw f1前配12500m2 冷卻塔)和2x9000m2 (華東地區(qū)600mw機組一般k 9000m2冷卻塔)這樣不同配置的技 術經(jīng)濟比較。國內(nèi)需要學握一機雙塔的設計和運行技術。內(nèi)陸地區(qū)即將

15、建設一批大型核電機 組，由于汽輪機熱耗很高，冷卻塔負荷太人，必須是一機配置雙塔。3. 4. 7輔機凝結水泵揚程普遍過大，完全沒有必要。從亞臨界機組到超超臨界機組，凝結水泵設計 揚程只需要240280m就已經(jīng)足夠，而實際往往達到330380m,余量太大，浪費嚴重?？?慮到這個因索，配備變頻器的時候，還可以顯著減少投資。小汽輪機的選配。小機的廠家較多，需要注意，小機必須能夠適應在vwo和bmcr 工況下連續(xù)運行的要求，還需要考慮鍋爐整體壓損可能不同，對小機的轉(zhuǎn)速要求也就不同。1000mw級別汽輪機，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運行儀表配置性能監(jiān)測需要的測點和儀表設置。國產(chǎn)機

16、組的dsc儀表為運行和控制而設置，熱力性 能檢測、能耗分析等方曲存在缺陷，測點不足、儀表位置或設置不當?shù)那闆r較多910o比 如，機側(cè)主汽壓力、溫度，機側(cè)再熱壓力、溫度，在主汽閥和中聯(lián)門前的支管上都應有測點 設置；高、中壓缸排汽壓力、溫度，應在離汽缸5米上下的位置設置測點，等等。很多現(xiàn)役 國產(chǎn)機組并不滿足這些要求。關于汽輪機的試驗測點，還有一個趨勢需要關注：汽缸內(nèi)外的汽流組織越來越復雜，其 至原本簡單的沖動式汽輪機，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，更有效地進行能耗

17、分析。除氧器進水流量m使用標準噴嘴而不是孔板，共至較貴的asme標準長頸噴嘴都是良 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，應當逐步淘汰真空概念，統(tǒng)一使川絕壓表測量汽輪 機背壓。很多機組建設時，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，普遍默認的一次風機和送風機的壓縮溫升分別為3°c和6°c,而實際運 行屮此溫升遠不止于此普遍情況是一次風溫升超過10°c,二次風溫升超過6

18、6;c,為此需要 配備空預器空氣側(cè)入口溫度測點。4解決問題的有效途徑節(jié)能技術監(jiān)督要從基建開始。解決以上這些問題，盂要在機組設計中，由當?shù)氐碾娍圃?參與設計聯(lián)絡會議，根據(jù)長期的調(diào)試、熱力試驗和節(jié)能工作經(jīng)驗，提供相關的技術建議，并 形成固定的制度。火電機組的相關設計規(guī)程，需耍盡快進行必耍的更新。5結語國內(nèi)在近10年中，發(fā)展超臨界和超超臨界機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組最多的國家，這些機組投產(chǎn)后，推動國內(nèi)火力發(fā)電行業(yè)的能耗水平急 劇卜降，貢獻是有目共睹的。同時應當看到，和發(fā)達國家相比，我們的機組在設計、建設方 而存在一些差距，需要盡快彌補。比如歐洲，山于嚴苛的節(jié)能減排法

19、規(guī)，在設計上，新建火 電機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到95%,除了煤 質(zhì)、燃料預處理等因素以外,增加鋼材用量也是重要的原因；1027mw機組（iec 045-1, 和當于dl/t 892-2004標準下的950mw）的冷卻塔淋水面積達到14000m2,高200m,比國 內(nèi)同容量的機組的冷卻塔，容量大得多8,因此，機組額定廿壓只有3.3 kpae鄒縣電廠 1000mw機組（dl/t 892-2004標準）的冷卻塔淋水面積120（）011?, 165m高，但目前國內(nèi) 還不能建設13000m2以上的巨型冷卻塔,盂要大雖的科研和技術積累?；痣姍C組的節(jié)能設計, 部分和技術相關，但幾乎全部和成木有關。隨著國內(nèi)節(jié)能減排的要求不斷提高，在新建機組的設計建設方血，需要解決兩個問題： 逐步向節(jié)能設計方向傾斜，這需耍增加一些建設投資，開發(fā)一些新技術；優(yōu)化設計，準確定 位機纟r的負荷性質(zhì)，優(yōu)選關鍵參數(shù)，優(yōu)選輔機形式，優(yōu)化主、輔機容呈搭配，防止出現(xiàn)既增 加投入，乂增加機組投