超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景

超超臨界汽輪機的發(fā)展、問題和前景

蔣尋寒安徽電力科學(xué)研究院2013年10月天津超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!

基于中國的資源稟賦，50年內(nèi)，燃煤火電的地位難以改變。發(fā)展高參數(shù)大機組，是國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的關(guān)鍵組成部分之一。中國已經(jīng)是世界上超超臨界機組最多的國家，數(shù)量大大超過其它國家的總和，建設(shè)規(guī)模和速度前所未有。發(fā)展700℃發(fā)電技術(shù)尚需時日。因此，完善超超臨界發(fā)電技術(shù)，包括改進超超臨界汽輪機及熱力系統(tǒng)的設(shè)計和運行，降低機組能耗，是今后較長時期內(nèi)的重要課題。前言節(jié)能降耗任重道遠超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!主要內(nèi)容超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!2機組容量–冷端配置限制汽輪機容量的主要因素是高壓缸通流面積，低壓缸排汽面積。目前國內(nèi)引進的高壓缸技術(shù)和模塊，可以應(yīng)付1200~1300MW的容量。排汽方面，閉式循環(huán)水系統(tǒng)：華北和以南地區(qū)，如果配備閉式循環(huán)水系統(tǒng)，則基于目前的冷端設(shè)備標準，低壓缸合理設(shè)計應(yīng)當(dāng)是：額定背壓搭配80%負荷，或者背壓6kPa左右搭配額定出力，以此為出發(fā)點進行排汽面積優(yōu)化配置。為此，采用4排汽、1219mm的末級葉片和比較高的給水溫度，可以良好應(yīng)付1200MW的機組容量。超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!600~660MW容量，2排汽/1146~1219mm末級葉片配置，排汽面積較小，適合較高的循環(huán)水溫和背壓。廠房體積、建設(shè)投入、循環(huán)水泵揚程增加；不能享受雙背壓的好處。

對于4排汽設(shè)計，660MW容量比600MW好。

對于大量的閉式循環(huán)水系統(tǒng)機組，應(yīng)推廣660MW容量和4排汽/900mm末級葉片的搭配。

設(shè)計余速損失較小的汽輪機，比如600~660MW容量搭配4排汽/1000mm末級葉片，如果條件具備，可以考慮增加銘牌容量5%，讓冷端工作更平衡一些。超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!3冷端設(shè)計的問題和實例某廠2臺1000MW機組，投產(chǎn)不足1年，增加銘牌出力到1050MW，實際負荷率80%。汽輪機廠家為東方。開式循環(huán)水系統(tǒng)，海水冷卻，平均水溫17℃。循環(huán)水系統(tǒng)為單元制，每臺機組配備3臺循環(huán)水泵。凝汽器為雙壓型，換熱面積45000m2（已經(jīng)增加，初設(shè)為40000m2），設(shè)計冷卻倍率55。額定背壓4.725kPa。汽輪機末級葉片1092mm。如果采用常規(guī)的冷端設(shè)計，凝汽器面積50000m2，冷卻倍率60，額定背壓即可降低到4.0kPa，相應(yīng)地，搭配1219mm的末級葉片，機組能耗可降低近1%。超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!4二次中間再熱–容量限制二次中間再熱，是降低熱耗、減少排汽濕度的有效手段。投入增加很多。運行、控制復(fù)雜，國內(nèi)尚無經(jīng)驗。不建議再熱汽溫620℃。超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!5.1高、中壓缸

對于高、中壓缸，小根徑、多級數(shù)是當(dāng)今趨勢，可以有效提高通流效率。Alstom將增加級數(shù)做到了極致。西門子的變反動度設(shè)計技術(shù)，進一步挖掘了潛力。

對于中壓缸進汽區(qū)的冷卻，一般思路是用少量低溫蒸汽將高溫蒸汽和金屬部件隔開。西門子用中壓缸進汽的一小部分作為冷卻蒸汽，節(jié)流加速后溫度降低約15℃。Alstom則采用焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)，高溫區(qū)采用高級別的金屬材料，不需要冷卻。都是巧妙的節(jié)能設(shè)計。

超臨界參數(shù)、高效輔機僅僅是節(jié)能設(shè)計的必要條件5一些重要的節(jié)能設(shè)計技術(shù)

超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!因此，在超超臨界汽輪機上，節(jié)流配汽有重要的應(yīng)用價值，重新受到重視。國內(nèi)原來不采用節(jié)流配汽的廠家也在積極研究，在新建超超臨界機組上采用。

補汽閥的設(shè)置，提高了部分負荷下的主汽壓力。實質(zhì)是損失過負荷時的效率，提高部分負荷下的效率，有節(jié)能效益。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高壓缸，難以開大口徑孔洞，不易設(shè)置補汽閥。如用節(jié)流配汽，則提高額定主汽壓力是有價值的。低負荷下，復(fù)合配汽損失較大，可以在順序閥模式下進行滑壓優(yōu)化，節(jié)能效果更好。超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!5.5

降低管道壓損–主汽，冷、熱再，連通管從外三項目建設(shè)開始，屬于設(shè)計院范圍的工作。目前一般認為，可降低熱耗約20kJ/kWh。中、低壓缸連通管，是汽輪機廠家進行優(yōu)化，目的同樣是降低壓損。5.6

低壓缸相關(guān)雜項抽空氣管系并聯(lián)設(shè)計，充分發(fā)揮雙背壓的優(yōu)勢。夏季循環(huán)水溫高，則為真空泵設(shè)置低溫水源。

低背壓低壓缸接近中壓缸，讓低背壓低壓缸多做功。

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電廠的實踐–續(xù)補汽閥后導(dǎo)汽管上設(shè)置三通，用高壓缸5級后的蒸汽加熱給水，設(shè)置0號高加。進汽管設(shè)置調(diào)節(jié)閥，可以保證40%負荷以上，給水溫度保持額定。給水溫度升高，則鍋爐排煙溫度升高，實現(xiàn)脫硝系統(tǒng)全天候運行，還有很多其它優(yōu)點。鍋爐效率降低，理論上，損失和汽輪機得到的效益相當(dāng)或稍大。通過低溫省煤器，將排煙溫度降低到90℃，挽回鍋爐的全部損失以外，尚有大量收益。汽輪機抽汽加熱空預(yù)器進風(fēng)，消除空預(yù)器堵灰。超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!7煤耗目標

下表是大致的煤耗目標，以燃用煙煤、平均負荷80%為依據(jù)。單位1234額定工況試驗熱耗kJ/kWh7290720070007320運行熱耗kJ/kWh7320724070607420鍋爐運行熱效率0.935管道效率0.99發(fā)電廠用電率0.0350.0350.0350.04運行供電煤耗g/kWh280.0276.9270.0285.3注：1，較低背壓（~4.7kPa），采用0號高加和低溫省煤器2，極低背壓(~3.6kPa)，采用0號高加和低溫省煤器3，二次再熱，極低背壓，采用0號高加和低溫省煤器

4，常規(guī)設(shè)計(~5.2kPa)，閉式循環(huán)水系統(tǒng)超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!8結(jié)語基建設(shè)計優(yōu)化-電廠節(jié)能工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵組成部分。在超超臨界發(fā)電技術(shù)方面，國內(nèi)消化吸收引進技術(shù)取得了一些成果和進步，已經(jīng)開始在原有基礎(chǔ)上進行一些創(chuàng)新性的設(shè)計。同時，借鑒兄弟廠的先進技術(shù)，進行集成創(chuàng)新，是可見的趨勢。電廠、科研單位摸索出一些重要的節(jié)能經(jīng)驗和創(chuàng)新成果電站設(shè)計方面仍有較大的節(jié)能潛力，目前的一些設(shè)計規(guī)范和標準流程、數(shù)據(jù)已經(jīng)過時，需要更新。總體上，一次再熱的超超臨界機組設(shè)計尚未達到成熟的階段，二次再熱剛起步，都需要大量的摸索。超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!主汽壓力

技術(shù)經(jīng)濟比較：機組煤耗降低，鍋爐、給水泵和給水、主汽管道投資增加。即將建設(shè)的新機多為28MPa。西門子和Alstom的桶型高壓缸，對于30MPa以內(nèi)的主汽壓，不需要改變設(shè)計，超過30MPa，變化也小。主汽壓力增加，需要配合再熱汽溫升高，降低能耗，同時減少排汽濕度。1提高初參數(shù)再熱蒸汽溫度

2012年以來，新機設(shè)計中普遍采用610℃甚至620℃的再熱汽溫。業(yè)內(nèi)對620℃存在劇烈的爭論，因為材料安全余量太小，對鍋爐熱偏差和汽溫波動限制過于嚴格。超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!開式循環(huán)水系統(tǒng)：對于開式循環(huán)水系統(tǒng)，需要根據(jù)水溫，合理配置冷端設(shè)備容量，以及額定背壓，合理安排排汽面積。對于17~18℃循環(huán)水溫，水量充沛的條件，1000MW汽輪機可以而且需要配置3.6~4.0kPa的額定背壓，搭配4排汽/1219mm末級葉片（排汽面積~48m2）或6排汽/1000mm末級葉片(排汽面積~55m2)，顯著降低汽輪機熱耗。

1200~1300MW機組，輔機有困難，需要大量進口。基于調(diào)峰需求和電網(wǎng)安全考慮，1000MW及以上機組不能太多，主力應(yīng)為600MW級別機組。超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!關(guān)于雙背壓設(shè)計雙背壓設(shè)計可以使平均背壓降低0.2~0.3kPa。一般地，循環(huán)水溫越低，水量越充沛，越不適合雙背壓設(shè)計。這是業(yè)內(nèi)熟知的。另一方面，汽輪機排汽面積越大，熱耗-背壓修正曲線越陡，膨脹極限背壓越低，因此，越適合雙背壓設(shè)計。國內(nèi)汽輪機末級葉片普遍較長，因此，國內(nèi)的4排汽汽輪機，適合雙背壓的循環(huán)水溫、水量條件較寬。換句話說，其中的絕大多數(shù)適合雙背壓設(shè)計。超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!3冷端設(shè)計的問題和實例–續(xù)為保證機組安全，冬季仍維持1機2泵的調(diào)度方式?，F(xiàn)有條件下，膨脹極限（出力阻塞）背壓較高，冬季背壓很容易更低。如采用較大的冷端設(shè)計，增設(shè)循環(huán)水聯(lián)絡(luò)管，冬季采用2機3泵的運行方式，就可以避免這個問題。以上優(yōu)化設(shè)計投入增加很少，機組能耗降低共計1%。很顯然，機組設(shè)計沒有充分利用循環(huán)水溫低、水量充沛的優(yōu)勢。冷端設(shè)計是平衡的，但方向是節(jié)省投資，相應(yīng)地增加煤耗，且雙背壓有些勉強。困難是難以改造。冷端優(yōu)化設(shè)計的問題相當(dāng)普遍。妥善解決類似的優(yōu)化設(shè)計問題，往往能以較少的投入，獲得很大的節(jié)能效果。超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!二次再熱–續(xù)需要設(shè)置超高壓缸。不應(yīng)采用高、中壓缸合缸設(shè)計。這樣，1000MW級別4排汽汽輪機，軸系長度可能超過40m，有困難。低壓缸6排汽設(shè)計也往往受困于此。歐洲機型沒有這個問題。泰州2期是世界上首次在1000MW機組上采用超超臨界、二次再熱。初參數(shù)31MPa/600℃/610℃/610℃。動力循環(huán)優(yōu)化的結(jié)果：增加主汽壓到28MPa或以上；增加回?zé)峒墧?shù)到9~10級，提高給水溫度到300℃以上，泰州2期機組為330℃；溫度過高的抽汽，可以增設(shè)冷卻器，加熱最終給水，降低過熱度后再進入高加。需要摸索減少投資的節(jié)能設(shè)計方案。超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!

5.2

調(diào)門管理超超臨界汽輪機的調(diào)節(jié)級設(shè)計難度很大，必須在材料安全和效率之間尋求妥協(xié)。1000MW機組容量太大，必須設(shè)置雙流調(diào)節(jié)級，效率受損。

不設(shè)調(diào)節(jié)級，則高壓缸設(shè)計大大簡化。取消效率很低的調(diào)節(jié)級，對高壓缸效率有好處。只要調(diào)門全開時，高壓缸效率提高3%（絕對），則部分負荷運行時，相對順序閥方式，總體上仍有節(jié)能優(yōu)勢。節(jié)流配汽汽輪機，部分負荷運行時，原則上調(diào)門閥位應(yīng)位于45~50%，以減少節(jié)流損失。超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!5.3

高、中壓分缸高、中壓合缸設(shè)計，可以有效縮短汽輪機長度，但熱耗代價很大，設(shè)計為40kJ/kWh左右，實際損失更大，因為過橋漏汽量一般明顯大于設(shè)計要求。

5.4

改進低壓缸設(shè)計，提高實際效率

降低分缸點–結(jié)構(gòu)級減少，有效率優(yōu)勢。中壓缸進出口溫差大，設(shè)計難度可能有所增加。降低低壓缸進汽溫度，降低低壓缸膨脹變形的動力。低壓缸尺寸減小，剛性增加。軸承座落地，軸瓦中心固定。改變內(nèi)缸結(jié)構(gòu)，增強內(nèi)缸剛性。低壓缸改造的主要手段。

總體效果：低壓缸效率提高，且維持時間長；實際軸系長度減少。

超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!迄今為止，外三的2臺1000MW機組仍是世界上供電煤耗最低的常規(guī)燃煤火電機組（純凝）。參數(shù)27MPa/600℃/600℃，背壓4.3kPa。4排汽/末級葉片1146mm。汽輪機設(shè)備和玉環(huán)相同，并無特殊之處。基建階段的節(jié)能措施：提高主汽壓力；減少主管路壓損；設(shè)置單臺高效汽泵；小機單獨設(shè)置凝汽器，降低大機背壓。年平均循環(huán)水溫19℃，難以采用6排汽設(shè)計。機組沒有增加銘牌出力。補汽閥從未使用，因為主汽壓力提高，不需要。6電廠的實踐–

外三的0號高加超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!電廠的實踐–續(xù)2富有想象力、成效顯著、系統(tǒng)性的創(chuàng)新節(jié)能減排技術(shù)。但給水溫度可以不必提得那么高，關(guān)鍵是脫硝系統(tǒng)入口煙溫達到要求。低溫省煤器出口煙溫保持達到90℃，節(jié)能效果就可以差別不大，但投入節(jié)省。更重要的是—該技術(shù)應(yīng)用不應(yīng)僅限于歐洲技術(shù)汽輪機。對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)高壓缸，可以考慮開較小的孔（新機），只要給水溫度有所提高，保證AGC下限負荷時，脫硝設(shè)備進口煙氣溫度高于300℃即可。汽輪機和鍋爐廠家需要聯(lián)合研究，配合一些輔助措施。行業(yè)管理避免片面提高脫硝效率，電廠注意脫硝設(shè)備維護。如果成功并形成標準設(shè)計，則有里程碑式的節(jié)能減排意義。超超臨界汽輪機的發(fā)展問題和前景共24頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!可以看到，常規(guī)設(shè)計下，由于實際背壓條件較差，供電煤耗達到285g/kWh也非