超臨界機組和亞臨界機組的分析比較

1、超臨界機組和亞臨界機組的分析比較武漢大學 朱全利隨著我國電力工業(yè)的迅速發(fā)展，越來越多的高參數(shù)大容量機組陸續(xù)投產(chǎn)。從發(fā)展趨勢看，今后600MW及以上等級的機組將成為大電網(wǎng)的主力機組。這樣，在機組的選型上就面臨采用超臨界參數(shù)還是亞臨界參數(shù)的抉擇。對于亞臨界機組，我們已經(jīng)積累了運行、維護、檢修等方面的經(jīng)驗，但對于超臨界機組我們還知之不多，因此有一種生疏感。本文就已掌握的有關資料介紹一下超臨界機組的情況，并對兩種參數(shù)的機組作一粗略比較。1 國外超臨界機組發(fā)展概況目前世界上將近2/3的電能由火電站提供，因此提高其經(jīng)濟性就成為迫切的問題。提高經(jīng)濟性的主要方法有：提高蒸汽參數(shù)；用多次再熱和余熱來增加蒸汽循環(huán)

2、效率；降低排煙溫度；通過提高應力來強化受熱面和擴大單機容量等。提高蒸汽參數(shù)已成為大機組發(fā)展的一種趨勢。美國在1957年投入第一臺125MW超臨界機組，到60年代中期超臨界機組的投入量就達到了同期總投入量的50%。同時容量迅速增長，1968年投入第一臺1 300MW超臨界機組?，F(xiàn)在，美國已有159臺超臨界機組投產(chǎn)。大多數(shù)超臨界機組的額定容量為500800MW。與相同容量的汽包爐機組相比，超臨界機組的安裝時間大約要早68年。但美國從70年代開始，超臨界機組訂購臺數(shù)急劇下降，1978年以后除原有的機組外就沒有新訂貨的超臨界機組。其主要原因是核電站擔負起了發(fā)電成本很低的基本負荷，而燒礦物燃料的機組則帶

3、調(diào)峰負荷。美國電力部門選擇汽包爐機組擔負調(diào)峰負荷，是因為美國缺乏超臨界機組調(diào)峰運行的經(jīng)驗。而日本和歐洲情況則有所不同。蘇聯(lián)在1963年投入第一臺300MW超臨界機組，其熱耗率比超高壓的200MW機組降低5.2%。這促使蘇聯(lián)決定對300MW以上火電機組均采用超臨界參數(shù)。日本的第一臺直流爐建于1967年，而且前日本所有燒礦物燃料的新電廠都安裝超臨界機組。今后全部計劃投產(chǎn)的燃煤機組都將是超臨界機組。超臨界蒸汽壓力的應用始于20年代初，但在歐洲直流爐設計采用較低壓力的方案，這是由于它與汽包式爐相比投資較低。1950年西德就有50多臺亞臨界直流爐投入運行。此后因解決了高溫耐腐蝕材料，超臨界機組就應運而生

4、。2 美國的超臨界機組美國是廣泛使用超臨界機組的國家之一。剖析美國超臨界機組的情況具有一定的代表性?，F(xiàn)在在美國89個電廠中有159臺超臨界機組（最早投運的 Philo電廠6號機組已退役），占美國大型電廠的15%。其中70%以上的超臨界機組是按燃料設計的，65%是正壓爐膛，而且25%是二次中間再熱式。額定容量為500800MW的機組占大多數(shù)。其基本情況見表1。3 熱耗率3.1 超臨界機組具有預期的低熱耗率超臨界機組的原始生命力就在于它們有較低的熱耗率。預期的超臨界循環(huán)的熱耗率增益見表2。典型機組經(jīng)濟效益見表3。同時，美國電力研究院調(diào)查表明，有近一半電廠反映它們的超臨界機組熱耗率較低，在其系統(tǒng)中往

5、往占第1或第2位。而且，另一個重要指標是，在美國熱耗率最低機組一覽表中，除一年外，其它年度超臨界機組均占首位，并且從1971年以后一直占據(jù)前5位，因此可以說，超臨界機組具有計算所預期的低熱耗率。3.2 運行熱耗率表1 美國超臨界機組一覽表項 目機組數(shù)（臺）占總計的百分數(shù)%額定容量300以下11300499322050059943276007996038800以上2314（MW） 總計159100汽溫 主汽566 再熱汽418311燃 煤料 油和燃汽 116437327爐 微正壓型 循環(huán)通風10414659 再熱 一次 次數(shù) 二次134258416表2 預期的超臨界循環(huán)的熱耗率增益循環(huán)參數(shù)熱耗率

6、增益（%）16.5Mpa/538/538(2400磅·英寸-2/1000/1000F)作基本24.13Mpa/538/538(3500磅·英寸-2/1000/1000F)2.524.13Mpa/538/552/566(3500磅·英寸-2/1000/1025/1050F)531.07Mpa/538/552/566(4500磅·英寸-2/1000/11025/1050F)8*注：*包括其它節(jié)能裝置在內(nèi)的潛在增益。表3 750MW燃煤機組典型熱耗率改善狀況和節(jié)約的燃料費循環(huán)參數(shù)電站凈耗率變化率（%）年節(jié)約燃料費（美元）超過電站壽命的增資值（美元）16.56M

7、pa/538/538(2400磅·英寸-2 / 1000 / 1000F)10 023 kJ/kW·h作基本作基本作基本24.13Mpa / 538 / 538(3500磅·英寸-2 / 1000 / 1000F)9 875 kJ/kW·h1.61 930 00019 840 00024.13Mpa / 538 / 538 / 538(3500磅·英寸-2/ 1000/1000/1000F)9 691 kJ/kW·h3.34 140 00042 500 000熱耗率能否在整個運行期間保持良好，與可用率和運行、維修的水平有關。另一方面，

8、熱耗率的變化與超臨界機組的設計有關，多半歸結(jié)為汽機方面，即泄漏、葉片的腐蝕和結(jié)垢；少數(shù)屬于鍋爐方面，如蒸汽通過啟動系統(tǒng)的旁路閥泄漏到凝汽器。對19731982年10年間熱耗率的分析表明，部分負荷和兩次停機檢修之間的磨損對熱耗有所影響。因此，對每臺機組一定時期內(nèi)的熱耗率取平均值，而且在確定平均熱耗率和機組熱耗率之間的百分差值時，要考慮燃料和熱動力循環(huán)的影響。圖1列出了超臨界機組熱耗率性能的分布情況，可以看出，約1/5的超臨界機組的運行熱耗率比設計值大5%以內(nèi)，而有一半機組比設計值大10%以內(nèi)。對照美國所有發(fā)電廠的平均熱耗率比設計值約15%20%的情況，應該認為超臨界機組的運行熱耗率性能是很好的。

9、 雖然無法獲得亞臨界機組運行熱耗率的直接數(shù)據(jù)，但從聯(lián)邦能源管理委員會（FERC）提供的16.56Mpa(2400磅/英寸2)400MW及以上汽包式亞臨界機組熱耗率性能的鑒定中，可以圖1 超臨界機組熱耗率性能的分布情況得到超臨界機組熱耗率性能要優(yōu)于汽包式亞臨界機組的結(jié)論。3.3 固體顆粒磨損（SPE）對照熱耗率的影響固體顆粒磨損造成動靜葉表面粗糙和產(chǎn)生泄漏通路，因而降低了相應級的效率，由于SPE的影響要經(jīng)歷較長的時間，而且還有其它的磨損因素，故鑒定其性能的惡化是較困難的。Spencer介紹了有較嚴重磨損的機組熱耗率隨時間增長的情況，5年約惡化52.75kJ/kW·h)50Btu/(kW

10、·h)，即年均10.55kJ/kW·h)10Btu/(kW·h)。該數(shù)據(jù)與某廠對高壓汽機的效率測定數(shù)吻合。該廠測得的惡化率為3.177.39kJ/kW·h)37Btu/(kW·h)。上述數(shù)據(jù)均包含有多種因素的影響在內(nèi)。若假定SPE對熱耗率的惡化與葉片的磨損率成正比，根據(jù)AEP公司修復葉片的經(jīng)驗，在經(jīng)過5年運行之后，超臨界機組的熱耗率總計惡化比汽包式亞臨界機組要高15.8321.10kJ/kW·h)1520Btu/(kW·h),或者是年均高3.174.22kJ/kW·h)34Btu/(kW·h)。4 可用率

11、4.1 可用率不易比較超臨界機組和汽包式亞臨界機組間的可用率不容易比較，主要因為設計發(fā)生了變化，例如引入正壓型爐膛。此外，電廠的維修能力、運行方式和發(fā)電需求等也使比較工作復雜化。4.2 可用率比較的一些資料由歷史上停機數(shù)字得出的可用率與分析方式和采樣的選擇性有關。愛迪生電力研究所（EEI）匯編的停機數(shù)據(jù)和以后北美可靠性委員會（NERC）關于早期超臨界機組的運行記錄表明，汽包式亞臨界機組比超臨界機組可用率高3%4%，而且強迫停機率也低。由鍋爐和汽機制造廠調(diào)研所得的數(shù)據(jù)表明，可用率差別不大，Curley介紹了有較高可用率的新型超臨界機組，在分析亞臨界和超臨界機組的可用率時考慮了鍋爐設計的陳舊性和爐

12、膛微正壓的影響。當除去微正壓鍋爐機組時，則發(fā)現(xiàn)超臨界與亞臨界鍋爐之間可用率的差別縮小到2%，而且超臨界機組的強迫停機率比起汽包式亞臨界機組還低0.4 %(這個結(jié)論適用于第一個五年中已運行的400799MW燃料機組)。根據(jù)NERC Lofe分析的數(shù)據(jù)，在2000年之前投運的超臨界機組和亞臨界機組將具有相同的強迫停機率。600799MW燃煤機組（19751984年）的可靠性數(shù)據(jù)（包括超、亞臨界機組）列于表4。表4 600799MW機組的可靠性電站設備類別強迫停用率（%）等效強迫停用率（%）可用率（%）等效可用率（%）計劃停用率（%）等效非計劃降低小時數(shù)（h）等效計劃降低小時數(shù)（h）鍋爐除塵器汽輪機

13、發(fā)電機汽輪機發(fā)電機凝汽器電廠輔機調(diào)節(jié)器整 機7.130.242.010.872.850.271.470.0011.0511.461.452.510.953.440.672.950.0517.5283.7295.7692.5596.4291.4697.596.0599.6177.9879.6894.7692.2796.3690.9297.1694.8199.5671.7210.434.055.892.916.342.292.810.3912.89303.9878.8933.355.3839.3726.3997.63.31474.5342.325.317.670.087.702.498.540.3

14、831.77注:系統(tǒng)數(shù)為37個，機組總數(shù)77套，單機數(shù)5.6臺。為了說明超臨界機組的可用率，表5列出了Ebasco設計的3臺790MW超臨界機組中較早、同時也是可靠性數(shù)據(jù)較差的一臺機組的數(shù)據(jù)。不難看出，其數(shù)據(jù)也較全國同容量等級燃煤機組的平均值好。4.3 鍋爐與可用率的關系表5 Ebasco設計的790MW超臨界機組的可靠性電站設備類別強迫停用率（%）等效強迫停用率（%）可用率（%）等效可用率（%）計劃停用率（%）等效非計劃降低小時數(shù)（h）等效計劃降低小時數(shù)（h）鍋爐汽輪機發(fā)電機汽輪機發(fā)電機凝汽器電廠輔機調(diào)節(jié)器整 機7.211.690.281.960.170.540.019.519.982.00

15、0.302.170.331.760.0213.7982.2798.6099.7798.3799.8699.4899.9880.1879.1698.3199.7598.1699.7098.4499.9875.5511.500.020.000.020.000.880.0011.60210.2922.191.9515.0111.5686.090.21332.3361.932.880.253.132.844.390.5773.36一般而言，超臨界機組的可用率與亞臨界機組相當，這是最近由Ebasco為EPRI提供的。但是從統(tǒng)計的數(shù)字中可見，50%以上的強迫停運率是由鍋爐引起的，汽輪發(fā)電機組在約只占20%

16、25%，而所有輔機的強迫停用率大約為10%。換言之，鍋爐引起的強迫停運率約為汽輪發(fā)電機和輔助設備的2倍。（a）亞臨界鍋爐承壓部件造成的 （b）超臨界鍋爐承壓部件造成的每年停機小時數(shù) 每年停機小時數(shù)圖2 鍋爐承壓部件造成的停機小時數(shù)超臨界鍋爐和汽包鍋爐承壓部件原因造成的停機小時數(shù)見圖2。以上停機小時數(shù)包括強迫的、計劃的、維修的。從圖中可見，亞臨界機組的停機數(shù)據(jù)具有典型的“浴盆”曲線特性，即先經(jīng)過一段學習認識階段，對設計、制造和建設中存在的問題加以處理完善，然后進入無故障運行期，在46年之后就是磨損和惡化時期。在穩(wěn)定階段也存在磨損，故機組的部件要進行正常的維護和更換。機組的額定容量看來影響很小。容

17、量在600799MW范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)可能有人為的因素，其原因是這種容量的汽包爐不多，且許多這樣的機組配2臺鍋爐。超臨界機組的停機小時數(shù)連續(xù)升高，并在運行68年之后就穩(wěn)定在一年約500h/臺。顯然，學習認識階段延伸到磨損階段。在運行6年之后超臨界機組停機小時數(shù)穩(wěn)定下來，而亞臨界機組停機小時數(shù)則明顯上升。這可能是由于大多數(shù)亞臨界機組缺乏全流量凝結(jié)水處理設備，以致因腐蝕和結(jié)垢造成水冷壁泄漏。汽包爐機組和超臨界機組之間很大的不同是，超臨界機組水冷壁和過熱器的泄漏需要立即修理，以防損壞相鄰的管子；而汽包爐機組可以運行較長的時間（如堅持到周末），不太會增加損壞程度。故汽包爐機組的強迫停機較少，因這些修理工作可

18、定為維修停機。鍋爐的啟動系統(tǒng)閥門是需進行維修工作和支出費用的主要設備，但是相對來說引起強迫停機很少。而管子過熱則是降低可用率的主要原因。這兩個問題主要與機組的啟動方式和啟動系統(tǒng)的設計有關?；瘜W水處理不當和水冷壁管內(nèi)結(jié)垢可能引起管子的過熱。超臨界機組的啟動是個關鍵。啟動程序控制不當以及濕煤或輔助鍋爐故障等均會引起啟動系統(tǒng)閥門更快速的磨損。而且，在啟動階段，對水冷壁、過熱器管路和聯(lián)箱的溫度要嚴密地監(jiān)視。但由于水、汽和空氣流量小，且控制的靈敏度低，啟動時多數(shù)管道會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。在達到直流運行方式之后，超臨界機組的溫度控制是穩(wěn)定、精確的，并且負荷的改變更加快速和精確。4.4 汽輪機與可用率的關系通常，

19、主汽壓力對汽輪機的可用率影響很小，而且多數(shù)汽輪機的停機與汽壓、潤滑油、軸承或進水等無關。問題在于超臨界機組的汽機一般都應用于其可能的額定容量范圍的上限，此時應力為最大。這是因為相同容量的汽包式鍋爐機組出現(xiàn)之前超臨界機組已經(jīng)服役。但統(tǒng)計資料表明超臨界機組的停機次數(shù)與亞臨界機組沒有明顯差別。汽輪機中影響可用率的因素有：葉片和閥門的固體顆粒磨損（SPF）。雖然磨損過程要持續(xù)相當長的時間（210年）才會嚴重降低汽機葉片的強度，但仍應予以注意。對800臺運行15年以上的機組的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)有10次強迫停機，故對葉片和閥門的磨損應進行必要的整修或更換。如果因此而延長汽機的檢修時間，則認為SPE增加了機組的不可

20、用率。低壓葉片故障是汽機引起停電損失的最重要因素，估計其根本原因是腐蝕裂紋。高濃度的氧和pH值，以及污染物，比如鈉或氯離子會明顯降低12%Cr不銹鋼葉片的疲勞強度，從而產(chǎn)生裂紋。但是超臨界機組在低壓葉片裂紋方面比起汽包爐機組沒有多少差別。有的調(diào)查認為超臨界機組低壓葉片事故略多一些?？傊瑸榉乐垢g裂紋，關鍵是要避免凝汽器的循環(huán)水泄漏，并使凝結(jié)水凈化設備正常運行。同時，保持低壓部分良好的真空度也很必要。4.5 其它設備對可用率的影響給水加熱器、給水泵、電廠控制系統(tǒng)和凝結(jié)水處理設備等與機組的壓力相關，它們的可用率直接影響超臨界機組的可用率，但統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，它們引起的平均停機小時數(shù)比起水冷壁或汽機葉

21、片來是很少的。5 維修性能維修費用中最重要的部分是停機期間購買電力的費用，相比之下，勞動力和材料費用可以忽略不計。電廠維修分小修和大修，小修主要對鍋爐進行檢查和修理，大修則需同時對汽機進行開缸檢查和修理（這是歐美國家大小修的概念，其涵義與同有些差別）。5.1 維修時間調(diào)查結(jié)果，多半電廠認為超臨界機組與亞臨界機組的檢修時間大致相同，少數(shù)認為超臨界機組檢修期較長，對于超臨界機組，二次停機小修的間隔時間一般為一年，而兩次停機大修的間隔時間通常為45年。5.2 啟動系統(tǒng)的維修目前在美國運行的超臨界鍋爐上裝有兩套啟動閥，一套將水冷壁來的初始水汽混合物旁路至擴容箱，另一套在鍋爐進入直流運行時，將水冷壁的汽

22、壓降低，以便與擴容箱的數(shù)值相匹配。閥門及其旁路裝置的維修費用較高。維修的間隔時間與啟動的次數(shù)有關。對于旁路閥來說大約啟動20次就需要檢修。一套啟動系統(tǒng)閥門的年維修費用約為20萬美元。為減少維修費用，應使啟動閥的位置和空間便于維修，并備有足夠的閥門部件。大多數(shù)閥門的修理工作一天即可完成。5.3 汽機的維修無論超臨界還是亞臨界機組都存在高壓動、靜葉的固體顆粒磨損（SPE）問題。一般經(jīng)過67年運行之后超臨界機組需對高壓動、靜葉檢修或更換，檢修或更換的次數(shù)是亞臨界機組的11.5倍。檢修損壞的SPE葉片約需16星期。修理SPE葉片的費用約為410萬美元。為了縮短檢修時間應準備備用噴嘴組件和葉片，可以一機

23、專用或幾臺機共用。少數(shù)機組還有備用的高壓轉(zhuǎn)子和內(nèi)缸。超臨界機組SPE現(xiàn)象比較嚴重，可能是鍋爐系統(tǒng)設計存在問題所致。帶有組合式分離器的現(xiàn)代化鍋爐設計，能夠大大減少顆粒的析出，從而使SPE現(xiàn)象減少，這種情況與歐洲直流機組的經(jīng)驗相同。6 啟動調(diào)峰性能從日本三菱公司的500MW超臨界機組看，后夜8小時停機后啟動，從點火到滿負荷僅164min，其中點火到并網(wǎng)47min，并網(wǎng)到滿負荷117min。啟動參數(shù)為：壓力8.0Mpa；溫度450460；轉(zhuǎn)子上的最大熱應力為-117.6N/mm2（-12kg/mm2）；其壽命損耗對于新型轉(zhuǎn)子材料為0%次。新型的轉(zhuǎn)子材料為12%的高Cr珠光體耐熱鋼，其斷裂強度在500

24、時常規(guī)CrMoV鋼高25%，535時高30%，蠕變變形減小1/22/3，整個轉(zhuǎn)子的安全系數(shù)提高1.31.5倍。至于最低負荷，美國Ormond Beach shattion電廠一臺800MW超臨界燃油氣鍋爐創(chuàng)造了能在6%最大連續(xù)出力下運行的記錄。超臨界燃煤鍋爐最低負荷一般為4050%。7 造價這方面缺乏具體資料。大致來說，在發(fā)展初期超臨界機組所節(jié)約的供電煤耗在短期內(nèi)難以抵償其造價的增高。但今后超臨界機組的造價可望與亞臨界機組大致相同，因為省去了昂貴的汽包。8 國內(nèi)600MW等級超、亞臨界機組概況華東電網(wǎng)近年來陸續(xù)投產(chǎn)5臺600MW機組，其概況如表6所示。從表中可見，超臨界機組的供電煤耗、等效可用率、調(diào)峰能力等均較亞臨界機組為好。但是二者均未達到應有的水平。而且，美國600799MW共88臺燃煤機組19861990年五年的平均等效可用率為79.81%，相比之下我們還有較大差距。表6 華東電網(wǎng)5臺600MW機組概況項 目石洞口二廠北倉港電廠平圩電廠主汽等級超臨界亞臨界亞臨界投產(chǎn)日期1號機2號機1992.81992.121991.101989.111992.12制造廠家爐機美ABB-CE瑞士SULZER瑞士ABB美國CE日本東芝