超臨界和亞臨界機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)的比較

1、引言隨著我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展，降低機(jī)組每千瓦設(shè)備費(fèi)用、基建投資、運(yùn)行維護(hù)管理費(fèi)用，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益越來(lái)越引起人們的重視。蒸汽參數(shù)提高到超臨界，則是提高機(jī)組熱效率的有效方法之一。  600MW級(jí)火電機(jī)組已經(jīng)成為我國(guó)火電的發(fā)展方向，并即將成為電網(wǎng)的主力機(jī)組。     甘肅省是一個(gè)少油多煤的省份，火電裝機(jī)容量占全省總裝機(jī)容量的60以上，因此發(fā)展600MW級(jí)火電機(jī)組對(duì)我省的電力建設(shè)有著深遠(yuǎn)的意義。甘肅景泰電廠(chǎng)2×660MW機(jī)組是甘肅首臺(tái)超臨界機(jī)組，在此我主要結(jié)合景泰電廠(chǎng)2×660MW機(jī)組和其他一些亞臨界機(jī)組的參數(shù)特點(diǎn)對(duì)超臨界和亞臨界

2、機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)做個(gè)比較。一、 亞臨界和超臨界機(jī)組定義水蒸汽的臨界狀態(tài)是指純物質(zhì)的氣、液兩相平衡共存的極限熱力狀態(tài)。在此狀態(tài)時(shí),飽和液體與飽和蒸氣的熱力狀態(tài)參數(shù)相同,氣液之間的分界面消失,因而沒(méi)有表面張力,氣化潛熱為零。處于臨界狀態(tài)的溫度、壓力和比容，分別稱(chēng)為臨界溫度、臨界壓力和臨界比容。 水蒸汽的臨界溫度T=647.30K、臨界壓力Tc=22.1287兆帕、臨界比容vc=0.00317立方米/千克，臨界焓:2107.3 x 103焦/千克。在氣、液兩相平衡共存的范圍內(nèi),包括臨界點(diǎn),其定壓比熱容、容積熱膨脹系數(shù)、等溫壓縮系數(shù)和絕熱指數(shù)均趨于無(wú)限大。亞臨界機(jī)組是指機(jī)組的主蒸汽參數(shù)（壓力、溫度等）均

3、低于水蒸汽的臨界參數(shù)，同理，主汽參數(shù)高于臨界參數(shù)的機(jī)組成為超臨界機(jī)組。超臨界機(jī)組一般可分為兩個(gè)層次：一個(gè)是常規(guī)超臨界機(jī)組(Conventional Supereritica1)，其主蒸汽壓力一般為242 MPa，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為540560 ；另一個(gè)是高效超臨界機(jī)組，通常也稱(chēng)為超超臨界機(jī)組(Ultra Supereritica1)或者高參數(shù)超臨界機(jī)組 (Advanced Supereritica1)，其主蒸汽壓力為285305MPa，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為580600。表一 甘肅省內(nèi)部分機(jī)組技術(shù)參數(shù)對(duì)照表電廠(chǎng)名稱(chēng)鍋爐類(lèi)型主汽參數(shù)高壓廠(chǎng)用電壓等級(jí)控制系統(tǒng)單元機(jī)組I/O點(diǎn)數(shù)備注連城電廠(chǎng)二期自

4、然循環(huán)汽包爐17.45MPa 5416KVI/A Series5435亞臨界張掖電廠(chǎng)自然循環(huán)汽包爐17.53 MPa 5416KVOVATION6226亞臨界酒鋼宏晟電廠(chǎng)二期自然循環(huán)汽包爐17.5 MPa 5416KVOVATION6298亞臨界景泰電廠(chǎng)直流爐25.4MPa 57110KVI/A Series10580超臨界二、亞臨界和超臨界機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)的比較參照表1，我們來(lái)比較亞臨界和超臨界機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)。1、電氣部分亞臨界機(jī)組的高壓廠(chǎng)用電電壓電壓為6KV，超臨界機(jī)組的高壓廠(chǎng)用電電壓電壓為10KV。2、輔機(jī)部分在輔機(jī)配套方面，除了高壓給水泵的揚(yáng)程和高壓加熱器管側(cè)壓力超臨界機(jī)組比亞臨界機(jī)組高

5、以外，其余的設(shè)備超臨界機(jī)組和亞臨界機(jī)組基本相同。3、化學(xué)部分超臨界鍋爐機(jī)組的水質(zhì)要求較高。蒸汽中銅、鐵和二氧化硅等固形物的溶解度是隨著蒸汽比重的減小而增大，因而在超臨界壓力下，即使溫度不高，銅、鐵和二氧化硅等的溶解度也很高，為防止它在鍋爐蒸發(fā)受熱面及汽機(jī)葉片上結(jié)垢，超臨界鍋爐需100的凝結(jié)水精處理，除鹽除鐵。4、汽輪機(jī)部分                  1）超臨界汽輪機(jī)由于主蒸汽參數(shù)及再熱蒸汽參數(shù)的提高，特別是溫度的提高，

6、一些亞臨界機(jī)組使用的材料，已不能適應(yīng)超臨界汽輪機(jī)的工作狀況，主汽調(diào)節(jié)閥殼體和主蒸汽管采用9%Cr鍛鋼，以適應(yīng)主蒸汽溫度和壓力變化的要求。低壓缸進(jìn)汽溫度由亞臨界的320升至370，亞臨界使用的普通30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子材料的長(zhǎng)期時(shí)效脆性敏感性高，不能滿(mǎn)足長(zhǎng)期安全運(yùn)行的要求。因此采用了超純30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子材料，降低材料的長(zhǎng)期時(shí)效脆性敏感性，使超臨界的低壓轉(zhuǎn)子能夠長(zhǎng)期安全運(yùn)行。                  

7、60;  2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取防止蒸汽旋渦振蕩的措施，避免由于高壓缸入口壓力高、汽流密度大，使調(diào)節(jié)級(jí)復(fù)環(huán)徑向間隙處發(fā)生蒸汽旋渦振蕩所引起的軸承不穩(wěn)定振動(dòng)。通常以高壓調(diào)節(jié)級(jí)處出現(xiàn)蒸汽振蕩的可能性最大，設(shè)計(jì)上采用有成熟經(jīng)驗(yàn)的葉型，并進(jìn)行動(dòng)強(qiáng)度核算，避免輪系振動(dòng)頻率與噴嘴尾跡擾動(dòng)力頻率重合所產(chǎn)生的共振。    5、鍋爐部分                1）鍋爐結(jié)構(gòu)亞臨界機(jī)組采用自然循環(huán)鍋爐，自

8、然循環(huán)鍋爐設(shè)有汽包。圖1 汽包爐汽水流程示意圖超臨界機(jī)組采用的是直流鍋爐，結(jié)構(gòu)與自然循環(huán)鍋爐不同，它沒(méi)有汽包。圖2 超臨界直流爐汽水流程示意圖2）工作原理自然循環(huán)鍋爐其蒸發(fā)受熱面中工質(zhì)的流動(dòng)是依靠下降管和上升之間工質(zhì)的密度差來(lái)進(jìn)行的。隨著鍋爐容量的增大，特別是壓力的 提高，大大增加了自然循環(huán)和汽水分離的困難。因?yàn)楦鶕?jù)水蒸汽性 質(zhì)，壓力愈高，汽水密度差愈小，所以自然循環(huán)形成就愈困難和愈不可靠，特別當(dāng)壓力達(dá)到甚至超過(guò)臨界壓力時(shí)，自然循環(huán)無(wú)法形成。在此情況下，鍋爐蒸發(fā)受熱面中工質(zhì)的流動(dòng)只有依靠外來(lái)能量(水泵)來(lái)進(jìn)行，超臨界鍋爐就是這種依靠外來(lái)能量建立強(qiáng)迫流動(dòng)的鍋爐。直流鍋爐蒸發(fā)受熱面中工質(zhì)的流動(dòng)全部

9、依靠給水泵的壓頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。給水在給水泵的壓力作用下，順次連續(xù)流過(guò)加熱、蒸發(fā)、過(guò)熱各區(qū)段受熱面，一次將給水全部加熱成過(guò)熱蒸汽。3）啟動(dòng)方式超臨界鍋爐與亞臨界自然循環(huán)鍋爐的結(jié)構(gòu)和工作原理不同，因此，啟動(dòng)方法也有較大的差異。超臨界鍋爐的啟動(dòng)過(guò)程是非常復(fù)雜的，關(guān)鍵就是其啟動(dòng)過(guò)程分成三個(gè)階段，一是亞臨界自然循環(huán)階段，二是亞臨界直流運(yùn)行，三是超臨界直流運(yùn)行。超臨界直流爐在啟動(dòng)或較低負(fù)荷時(shí)，其運(yùn)行方式和汽包爐相似，它用分離器來(lái)分離汽水。在轉(zhuǎn)為純直流狀態(tài)運(yùn)行后。分離器不再起作用。給水經(jīng)省煤器、水冷壁、過(guò)熱器，直接變成高溫高壓的過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)。6、控制部分超臨界機(jī)組與亞臨界機(jī)組相比，控制系統(tǒng)更為復(fù)雜， I/O

10、點(diǎn)數(shù)有大幅增加。亞臨界機(jī)組單元系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)在5000點(diǎn)至6000點(diǎn)左右，超臨界機(jī)組單元系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)在10000點(diǎn)以上。1）鍋爐控制超臨界機(jī)組鍋爐與亞臨界機(jī)組鍋爐在自動(dòng)控制方面有所不同，其實(shí)質(zhì)是直流鍋爐與汽包鍋爐之間的差別，因?yàn)槌R界鍋爐必須是直流鍋爐；直流爐與汽包爐在運(yùn)行原理及特性上有較大差別。在汽包鍋爐中給水流量的變化，僅影響汽包水位，而在燃料量變化時(shí)又僅僅改變蒸汽壓力和流量，因此鍋爐給水量、燃料量、汽溫控制等都是相對(duì)獨(dú)立的，亦即：給水水位；燃料產(chǎn)汽量及汽壓；噴水汽溫。在直流鍋爐中，由于沒(méi)有汽包，蒸發(fā)與過(guò)熱受熱面之間沒(méi)有固定的分界線(xiàn)，當(dāng)給水量或燃料量變化時(shí)都會(huì)引起蒸發(fā)量、汽溫和汽壓的

11、同步變化，相互有牽制，關(guān)系密切。隨著超臨界機(jī)組蒸汽壓力的升高，直流鍋爐中間點(diǎn)汽溫（通常取啟動(dòng)分離器出口汽溫）和過(guò)熱器出口汽溫控制點(diǎn)的溫度變動(dòng)慣性增加（亦即比熱增加），時(shí)間常數(shù)和延遲時(shí)間相應(yīng)增大，在燃料或給水量擾動(dòng)時(shí)，超臨界鍋爐的蒸汽溫度變化具有更大慣性。在超臨界機(jī)組起動(dòng)和低負(fù)荷（小于最低直流負(fù)荷）運(yùn)行期間，必須投入啟動(dòng)系統(tǒng)，因此也增加了鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)對(duì)控制的要求。超臨界鍋爐在穩(wěn)定運(yùn)行期間，必須維持某些比率為常數(shù)，在變動(dòng)工況時(shí)必須使這些比率按一定規(guī)律變化，以便得到穩(wěn)定的控制，而在起動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，要求大幅度地改變這些比率，以得到寬范圍的控制。這些比率是：    給水

12、流量蒸汽流量：因?yàn)榻o水系統(tǒng)和蒸汽系統(tǒng)是直接連通的，給水流量和蒸汽流量比率的偏差過(guò)大將導(dǎo)致較大的汽壓波動(dòng)，又由于超臨界鍋爐存貯能力較小，給水流量與蒸汽流量的比率，在鍋爐負(fù)荷增加時(shí)必須限制。    熱量輸入給水流量(即煤水比)：在穩(wěn)定運(yùn)行工況，煤水比必須維持不變以保證過(guò)熱器出口汽溫為設(shè)計(jì)值。而在變動(dòng)工況下，煤水比必須按一定規(guī)律改變，以便既充分利用鍋 爐蓄熱能力，又按要求增減燃料，把鍋爐熱負(fù)荷調(diào)到與新的機(jī)組負(fù)荷相適應(yīng)的水平。    噴水流量給水流量，超臨界鍋爐僅能夠瞬時(shí)快速改變汽溫，但不能始終起到維持汽溫的作用，因?yàn)檫^(guò)熱受熱面的長(zhǎng)度和熱焓都

13、是不固定的。為了保持通過(guò)改變噴水流量來(lái)校正汽溫的能力，控制系統(tǒng)必須不斷地把噴水流量和總給水流量之比恢復(fù)到設(shè)計(jì)的百分?jǐn)?shù)。超臨界鍋爐控制系統(tǒng)要比亞臨界汽包爐更復(fù)雜，在啟動(dòng)工況下要求更多地采用變參數(shù)、變定值技術(shù)，所有控制功能應(yīng)在前饋技術(shù)的基礎(chǔ)上完成，并要求連續(xù)地校正控制系統(tǒng)的增益。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)事先考慮工藝過(guò)程內(nèi)部的相互作用，采取合理的前饋、變定值、變?cè)鲆?、變參?shù)控制策略，而不是象通常那樣，僅根據(jù)偏差采取反饋控制策略。 2）機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)   超臨界機(jī)組的蓄熱能力相對(duì)較小，因而，表現(xiàn)出鍋爐跟隨系統(tǒng)的局限性。解決這個(gè)問(wèn)題需改進(jìn)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。 &#

14、160;  和亞臨界的汽包鍋爐機(jī)組一樣，超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)是將鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)作為一個(gè)整體操作運(yùn)行，鍋爐和汽機(jī)的控制指令，既應(yīng)考慮穩(wěn)態(tài)偏差也要考慮動(dòng)態(tài)偏差。為了在機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)機(jī)爐同時(shí)響應(yīng)，機(jī)組負(fù)荷指令要作為前饋信號(hào)分別送到鍋爐和汽機(jī)的主控系統(tǒng)，以便將過(guò)程控制變量(機(jī)組發(fā)電量、蒸汽壓力、煙氣含氧量、爐膛風(fēng)量和蒸汽溫度)維持在一個(gè)可接受的限度內(nèi)。 如果在所要求的輸出和實(shí)際的發(fā)電量之間存在偏差，則將偏置鍋爐和汽輪機(jī)命令，重新校正由于循環(huán)系統(tǒng)變化后的系統(tǒng)。同樣，節(jié)流壓力誤差用來(lái)校正蒸汽生成量和蒸汽使用量之間的平衡。為補(bǔ)償鍋爐和汽輪機(jī)不同的響應(yīng)時(shí)間，這兩個(gè)誤差信號(hào)作

15、為一個(gè)過(guò)渡過(guò)程變量使用，以便于利用鍋爐蓄能變化使汽輪機(jī)快速響應(yīng)，從而使發(fā)電量誤差減到最小。圖3 超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制原理圖大唐景泰電廠(chǎng)2×660MW機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想主要是將鍋爐和汽機(jī)作為一個(gè)整體，完成對(duì)機(jī)組負(fù)荷、鍋爐主汽壓力的控制，達(dá)到鍋爐風(fēng)、水、煤的協(xié)調(diào)動(dòng)作。對(duì)于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)而言包含兩層含義：鍋爐汽輪機(jī)的協(xié)調(diào)與鍋爐的協(xié)調(diào)。 (1)、鍋爐汽輪機(jī)的協(xié)調(diào)鍋爐汽輪機(jī)的協(xié)調(diào)被認(rèn)為是機(jī)組的協(xié)調(diào)，由于汽輪機(jī)對(duì)壓力和功率而言具有非?？斓捻憫?yīng)特性，而鍋爐對(duì)與壓力和功率而言是一個(gè)非常慢的控制環(huán)節(jié)，因此要協(xié)調(diào)控制鍋爐和汽輪機(jī)，保證鍋爐和汽輪機(jī)之間的能量平衡，必須要提高鍋爐對(duì)燃料的響應(yīng)性。協(xié)調(diào)控制

16、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含了兩種協(xié)調(diào)控制方式，一種是以爐跟機(jī)為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，另一種是以機(jī)跟爐為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的基本思想是：為提高機(jī)組的穩(wěn)定性和響應(yīng)性，在正常情況下應(yīng)采用以爐跟機(jī)為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。在鍋爐輔機(jī)出現(xiàn)故障影響機(jī)組處力、以及機(jī)組出現(xiàn)RUNBACK運(yùn)行工況，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)切換到機(jī)跟爐為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。爐跟機(jī)為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用的是以鍋爐控制壓力，汽機(jī)控制負(fù)荷的運(yùn)行方式，為了提高鍋爐的響應(yīng)性，穩(wěn)定控制鍋爐主汽壓力，保證機(jī)組的穩(wěn)定性，系統(tǒng)對(duì)鍋爐與汽輪機(jī)對(duì)負(fù)荷的響應(yīng)特性作了動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)的技術(shù)處理，當(dāng)負(fù)荷指令增加時(shí)，鍋爐指令以動(dòng)態(tài)前饋的方式增加燃料，當(dāng)機(jī)組壓力偏差過(guò)大，系統(tǒng)對(duì)汽輪機(jī)控制指令進(jìn)行動(dòng)態(tài)閉鎖