孫即紅,林 偉

(山西省電力勘測設(shè)計(jì)院,山西太原 030001)

0 引言

發(fā)展大型超臨界火電機(jī)組,是降低我國火電機(jī)組平均發(fā)電煤耗、改善環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的有效途徑。在超超臨界機(jī)組建設(shè)項(xiàng)目中,采用標(biāo)準(zhǔn)系列參數(shù),保證機(jī)組投運(yùn)后具有良好性能和可靠性,是超超臨界機(jī)組主機(jī)選型中最重要的內(nèi)容。

1 汽輪機(jī)選型

1.1 容量選擇

汽輪機(jī)的功率與進(jìn)汽量和蒸汽焓降有關(guān)。在一定的蒸汽初終參數(shù)下,汽輪機(jī)的蒸汽焓降是一定的,所以汽輪機(jī)所能發(fā)出的最大功率主要決定于通過汽輪機(jī)的最大流量。而汽輪機(jī)的最大流量又決定于末級(jí)葉片的通流能力,因?yàn)檎羝蛎浀侥┘?jí)出口壓力時(shí),容積流量達(dá)最大值,所需要的通流面積也最大。

在不增大末級(jí)通流面積的情況下,增加汽輪機(jī)的進(jìn)汽量,是可以增大汽機(jī)功率的。但是,由于末級(jí)動(dòng)葉排汽速度增大了,余速損失亦隨之增大,使得汽輪機(jī)的效率降低。一般末級(jí)余速損失為整機(jī)理想焓降的 1.5%～3%,其絕對(duì)值不超過 25～42 kJ/kg,相應(yīng)的速度為 224～289 m/s。因此,為了提高汽輪機(jī)功率,只有通過增大汽機(jī)末級(jí)葉片的通流面積來實(shí)現(xiàn),有兩種途徑:增加低壓缸的數(shù)量,使排汽口的數(shù)量增多;或者是增大末級(jí)葉片的長度,使單個(gè)排汽口的面積增加。

但是,低壓缸的數(shù)量不能無限制地增加。因?yàn)榈蛪焊椎臄?shù)量越多,使得軸系越長、軸系的穩(wěn)定性就差,設(shè)計(jì)難度也大;此外,主廠房的投資也會(huì)因此增大。目前,國內(nèi)和國際上的大容量機(jī)組普遍采用的是兩個(gè)低壓缸四排汽型式,很少采用六排汽的方案?；谏鲜鲈?世界上各大汽機(jī)制造廠都相繼開發(fā)了大于1 000 mm的末級(jí)長葉片,增大單個(gè)排汽口的面積。例如德國西門子公司末級(jí)葉片長度1 150 mm,排汽面積達(dá)到11.5 m2;日本的東芝公司末級(jí)葉片長度為1219.2 mm,排汽面積11.87 m2;日立公司1 092.2 mm,排汽面積10.2 m2。在上海外高橋電廠二期2×900 MW的工程項(xiàng)目中,德國西門子即采用了1 150 mm的末級(jí)長葉片,在四缸四排汽、背壓 4.9 kPa的條件下,余速損失27.3 kJ/kg,排汽濕度0.893 8,余速損失適中,符合設(shè)計(jì)要求。若在相同條件下,采用該公司生產(chǎn)的860 mm末級(jí)長葉片,排汽面積9.2 m2,則余速損失將達(dá)到49.5 kJ/kg。如余速損失保持不變,則汽機(jī)的功率只能達(dá)到700 MW左右,因此必須采用五缸六排汽,才能滿足900 MW的發(fā)電功率。

隨著高強(qiáng)度、低重度的合金材料 (例如鈦合金)投入使用,由于葉片產(chǎn)生的離心力減少及許用應(yīng)力提高,就有可能在保證葉片工作安全的條件下,增加末級(jí)葉片的高度,使末級(jí)的通流面積增加。根據(jù)目前已成熟的末級(jí)葉片長度,900～1 000 MW機(jī)組容量的汽輪機(jī)可采用四缸四排汽,根據(jù)不同的排汽面積,容量略有不同。

1.2 汽輪發(fā)電機(jī)組的布置型式(單軸和雙軸)

從單軸、雙軸以及全速 (3 000轉(zhuǎn)/min)和半速(1 500轉(zhuǎn)/min)的組合情況來看,各類1 000 MW級(jí)的汽輪發(fā)電機(jī)組在布置型式上有如下幾種:單軸全速 (3 000轉(zhuǎn)/min),雙軸全速 (3 000轉(zhuǎn)/min),雙軸全速 (3 000轉(zhuǎn)/min)和半速 (1 500轉(zhuǎn)/min)的結(jié)合、全速和半速各為一軸,單軸半速(1 500轉(zhuǎn)/min)(用于核電機(jī)組)。

早期由于單機(jī)功率的增長發(fā)展很快,并受到當(dāng)時(shí)末級(jí)葉片長度 (包括材料)以及機(jī)組軸系不宜單軸布置的汽缸數(shù)過多的限制,在1 000 MW等級(jí)的大功率汽輪機(jī)組上有采用雙軸布置的應(yīng)用實(shí)例。由于低壓部分半速運(yùn)行,使低壓缸的通流能力增加,降低了排汽余速損失,單機(jī)功率可以有較大的提高。但低壓部分體積大,重量重,造價(jià)也增加不少。此外,雙軸布置還需配備兩臺(tái)發(fā)電機(jī),機(jī)組總的機(jī)械損失也增大了。

近年來,隨著末級(jí)長葉片的迅速發(fā)展以及低壓缸排汽面積的增大,在常規(guī)背壓下1 000 MW容量的汽輪機(jī)可以做到四缸四排汽,因此就為該等級(jí)的汽輪機(jī)組實(shí)現(xiàn)單軸布置提供了條件。國內(nèi)已建成的和在建的1 000 MW項(xiàng)目均為單軸布置。

1.3 參數(shù)選擇

對(duì)于1 000 MW等級(jí)超超臨界機(jī)組參數(shù)選擇,應(yīng)從國內(nèi)各家制造廠引進(jìn)技術(shù)的成熟程度、國外相應(yīng)的運(yùn)行業(yè)績和設(shè)備最大國產(chǎn)化的可能性角度幾個(gè)方面綜合考慮。

1.3.1 蒸汽初壓

主蒸汽的壓力提高后,再熱蒸汽壓力也就相應(yīng)提高,汽輪機(jī)高溫區(qū)的材料壁變厚,內(nèi)腔面積變小,從而造成汽輪機(jī)啟停過程中的熱應(yīng)力變大且汽缸熱膨脹速度減慢,動(dòng)靜部分的軸向相對(duì)脹差加大。如果啟停速度過快有可能使動(dòng)靜部分造成摩擦。根據(jù)初步推算,若初壓由 25 MPa提高到28 MPa之后,汽輪機(jī)冷態(tài)及溫態(tài)的啟動(dòng)時(shí)間將會(huì)延長30 min左右。再熱蒸汽壓力升高后,在相同的再熱蒸汽溫度下汽輪機(jī)的末級(jí)濕度增大,末級(jí)動(dòng)葉片的水蝕趨于嚴(yán)重。主汽壓力提高后,鍋爐受熱面內(nèi)壁形成氧化鐵及剝落速度加快,從而使汽輪機(jī)高壓進(jìn)汽通流部分受固體微粒沖刷的概率增加,既不利于葉片安全性,也不利于通流內(nèi)效率的持久保持。

20世紀(jì)90年代始,日本由31 MPa/654℃/566℃/566℃的超超臨界參數(shù),調(diào)整為壓力24～25 MPa,溫度由566℃/593℃向600℃/600℃穩(wěn)步發(fā)展,取得了顯著的成功。德國等歐洲國家 (丹麥除外)超超臨界機(jī)組的壓力在25～28 MPa范圍,溫度也上升為580℃/600℃及600℃/600℃。

針對(duì)國內(nèi)目前不同的技術(shù)流派,其對(duì)主蒸汽壓力的選取也有著不同的觀點(diǎn)。東汽 (東方汽輪機(jī)有限公司)-日立和哈汽 (哈爾濱汽輪機(jī)有限公司)-東芝均采用噴嘴調(diào)節(jié)方式。在部分進(jìn)汽情況下調(diào)節(jié)級(jí)葉片會(huì)遭遇強(qiáng)度和振動(dòng)問題,因此高壓模塊不得不使用雙流調(diào)節(jié)級(jí)+單流壓力級(jí),這種結(jié)構(gòu)對(duì)提高高壓缸效率稍有不利。上汽 (上海汽輪機(jī)有限公司)-西門子采用全周進(jìn)汽、節(jié)流調(diào)節(jié)方式,高壓第一級(jí)采用斜置 (西門子)靜葉,第一級(jí)動(dòng)葉的設(shè)計(jì)與一般壓力級(jí)無異,不存在特殊的強(qiáng)度和振動(dòng)問題,對(duì)提高汽輪機(jī)效率也較有利,但如要滿足電網(wǎng)調(diào)頻要求,運(yùn)行過程中必須節(jié)流 (保留約5%裕量),會(huì)降低機(jī)組效率。上汽-西門子技術(shù)的反動(dòng)式汽輪機(jī),其高壓缸采用筒體結(jié)構(gòu),提供或參與投標(biāo)的機(jī)型主蒸汽壓力一般比東汽-日立或哈汽-東芝機(jī)組選擇的壓力參數(shù)要高,在26 MPa以上,由于壓力提高、蒸汽的比容小,高壓缸所需的通流面積就相對(duì)較小。哈汽-東芝和東汽-日立技術(shù)生產(chǎn)沖動(dòng)式汽輪機(jī),雖然這兩家在汽機(jī)葉片型式上有所不同,但其在汽缸結(jié)構(gòu)上卻有一個(gè)共同的特點(diǎn),即均為水平中分面的結(jié)構(gòu)型式,其推薦的主蒸汽壓力參數(shù)大都在25 MPa左右。

國內(nèi)已投運(yùn)的玉環(huán)電廠、鄒縣電廠、泰州電廠和外高橋電廠1 000 MW超超臨界等機(jī)組中,玉環(huán)電廠蒸汽初壓為26.25 MPa,鄒縣電廠、泰州電廠為25 MPa,外高橋電廠為27 MPa。

根據(jù)上述分析,結(jié)合各技術(shù)流派的特點(diǎn),如采用東汽、哈汽引進(jìn)日本技術(shù)的汽輪機(jī),推薦蒸汽初壓為25 MPa;如采用上汽引進(jìn)西門子技術(shù)的汽輪機(jī),推薦蒸汽初壓為26.25 MPa。

1.3.2 蒸汽初溫

根據(jù)國內(nèi)三大動(dòng)力集團(tuán)提供的汽機(jī)熱平衡圖,均推薦蒸汽初溫為600℃。蒸汽溫度應(yīng)該說不會(huì)對(duì)機(jī)組的國產(chǎn)化比例產(chǎn)生很大的影響,但對(duì)于鍋爐的制造成本卻有一定的影響,特別是蒸汽初溫。超超臨界機(jī)組的蒸汽溫度大幅度提高,從鍋爐高溫級(jí)過熱器和再熱器管運(yùn)行的可靠性看,除要求管材具有高熱強(qiáng)度外,必須考慮由此引起的煙氣側(cè)高溫腐蝕和管子內(nèi)壁的蒸汽氧化問題。當(dāng)蒸汽溫度達(dá)到600℃,末級(jí)過熱器和再熱器最高壁溫可達(dá)到650℃以上,除了要求鋼材有很好的熱強(qiáng)性外,管子內(nèi)壁的蒸汽氧化和外壁的高溫腐蝕也不能忽視。針對(duì)此種情況,可相應(yīng)采用超級(jí)304H(18Cr10Ni3Cu)和HR3C(25Cr20NiNbN)材料。這兩種鋼材在日本的蒸汽溫度達(dá)600℃等級(jí)的超超臨界鍋爐已經(jīng)廣泛應(yīng)用并有良好的運(yùn)行業(yè)績。在高溫集箱和導(dǎo)管材料方面,雖然傳統(tǒng)的P91鋼材具有高的熱強(qiáng)性和良好的焊接性能,但由于鍋爐過熱器出口蒸汽溫度已經(jīng)達(dá)到605℃,在此條件下采用P91集箱壁厚將達(dá)到140 mm,抗高溫氧化能力也大大降低。因此,可采用新型鋼材P122和P92替代。水冷壁管材的使用主要決定于所選用的水冷壁出口溫度,由于水冷壁出口溫度在450℃以下,因此仍可采用低鉻的SA-213T12或15CrMoG管子,這種膜式水冷壁管屏不需作整屏的焊后熱處理,現(xiàn)場安裝對(duì)接焊口也不需要焊后熱處理。從總體情況分析,近年新建且已投運(yùn)的超超臨界火電機(jī)組主要集中在日本和歐洲市場,汽輪機(jī)主蒸汽溫度已普遍達(dá)到600℃。日本東芝、日立等公司已經(jīng)分別研發(fā)出600℃以上的高溫材料并準(zhǔn)備應(yīng)用到汽輪機(jī)部件中,以進(jìn)一步提高進(jìn)汽溫度。因此主汽溫度采用600℃,材料方面也是成熟可靠的。

1.3.3 再熱汽溫

再熱蒸汽溫度 (汽機(jī)側(cè))可有兩種方案:600℃和610℃,即鍋爐末級(jí)再熱器出口的溫度分別為603℃和613℃。影響再熱器管材允許使用溫度的限制因素有三個(gè):高溫蠕變斷裂強(qiáng)度、抗煙氣側(cè)高溫腐蝕能力和抗蒸汽側(cè)氧化能力。在不同使用條件下,三個(gè)因素中任何一個(gè)都有可能成為決定材料許用溫度極限的主要因素。以目前的鍋爐設(shè)計(jì)的技術(shù)水平來看,這兩種方案都是可行的,都有相應(yīng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。在鍋爐汽水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、受熱面的調(diào)整、燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上,兩種方案都不存在本質(zhì)區(qū)別。在目前的參數(shù)下,除強(qiáng)度方面的考慮外,材料的抗煙氣側(cè)腐蝕和蒸汽側(cè)氧化方面的性能及焊接性能成了最為重要的選材因素。對(duì)兩種溫度方案,各鍋爐廠普遍采用了超級(jí)304H或H R3C用于受熱面。根據(jù)材料科學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀,620℃是目前理論上可以實(shí)現(xiàn)的最高蒸汽參數(shù),到目前為止世界上還沒有一個(gè)成功運(yùn)行的商業(yè)項(xiàng)目采用此參數(shù)。而610℃方案鍋爐再熱器出口溫度約為613℃,再考慮溫度偏差后距離此溫度限已經(jīng)非常接近。兩方案在煙氣側(cè)的腐蝕方面均不存在風(fēng)險(xiǎn),然而,613℃方案最高的蒸汽出口溫度已接近鐵素體鋼和奧氏體鋼焊接的最高允許溫度。因此610℃方案在運(yùn)行時(shí)抗干擾能力略遜于600℃方案。

1.4 關(guān)于一次再熱和二次再熱

根據(jù)三菱公司有關(guān)資料,二次再熱與一次再熱比較,其熱效率一般略高出1.3%～1.5%,機(jī)組的造價(jià)也要高10%～15%,經(jīng)折算約要提高電廠投資4%～6.8%。當(dāng)既要滿足一次再熱汽溫,又要滿足二次再熱汽溫時(shí),除采用常規(guī)的再熱汽溫調(diào)節(jié)手段外,勢(shì)必將采用一部分噴水調(diào)溫的手段,這反而將影響到機(jī)組的效率。此外,二次再熱循環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜,壓力損失也增加了。采用二次再熱的超超臨界機(jī)組,除了早期美國的三臺(tái)機(jī)組外,只有日本川越兩臺(tái) (1989年)和丹麥的機(jī)組。目前無論是日本還是歐洲都趨向于采用一次再熱。從電廠投資以及熱經(jīng)濟(jì)性角度考慮,一般采用一次再熱是合適的。國內(nèi)已建和在建的百萬機(jī)組項(xiàng)目也均采用一次中間再熱。

2 鍋爐選型

2.1 鍋爐爐型

為了提高理論熱循環(huán)效率,大容量機(jī)組都向著高參數(shù)方向發(fā)展,目前國內(nèi)900～1 000 MW機(jī)組均采用超臨界或超超臨界參數(shù),在臨界點(diǎn)以上參數(shù)沒有明顯的汽水分相界面,超超臨界機(jī)組的汽水循環(huán)只能采用直流循環(huán)方式,汽水工質(zhì)一次通過鍋爐各個(gè)受熱面。

2.2 主蒸汽參數(shù)

鍋爐的參數(shù)及容量必須與汽輪機(jī)匹配,才能充分發(fā)揮汽輪機(jī)的性能。國內(nèi)引進(jìn)的1 000 MW容量汽輪機(jī)有兩種技術(shù)流派,一種是日本技術(shù),定型產(chǎn)品的主蒸汽參數(shù)為25.00 MPa,600℃;一種是德國西門子技術(shù),定型產(chǎn)品的主蒸汽參數(shù)為26.25 MPa,600℃。按照 《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5000—2000)的推薦意見進(jìn)行機(jī)爐主參數(shù)匹配,如果選用引進(jìn)日本技術(shù)的汽輪機(jī),鍋爐的主蒸汽參數(shù)按照26.25 MPa、605℃選取,如果選用引進(jìn)西門子技術(shù)的汽輪機(jī),鍋爐的主蒸汽參數(shù)按照27.56 MPa、605℃選取。

2.3 鍋爐布置型式

國內(nèi)1 000 MW容量的鍋爐布置型式有兩大類:“П”形布置和塔形布置 (見表1)。

目前國內(nèi)東方鍋爐 (集團(tuán))股份有限公司、哈爾濱鍋爐廠有限公司、上海鍋爐廠有限公司、北京巴布科克?威爾科克斯有限公司四大鍋爐制造廠都能設(shè)計(jì)制造1 000 MW容量 “П”形布置的鍋爐,其中上海鍋爐廠有限公司和北京巴布科克?威爾科克斯有限公司具有設(shè)計(jì)制造塔形布置鍋爐的技術(shù)。

3 發(fā)電機(jī)選型

相對(duì)鍋爐與汽輪機(jī),發(fā)電機(jī)的技術(shù)比較成熟,除了少數(shù)關(guān)鍵技術(shù),一般均能實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。且各制造廠均有一套完整的運(yùn)輸方案。對(duì)于1 000 MW等級(jí)單軸全速汽輪發(fā)電機(jī)一般需要24～27 kV電壓。上電 (上海電機(jī)有限責(zé)任公司)、哈電 (哈爾濱電機(jī)有限責(zé)任公司)及東電 (東方電機(jī)有限責(zé)任公司)均引進(jìn)并消化了該電壓等級(jí)的絕緣系統(tǒng),技術(shù)上是成熟的并已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際工程中。對(duì)于額定電壓26～27 kV來說,防暈體系將采用一次成型防暈或者涂刷型防暈,關(guān)鍵絕緣材料將采用進(jìn)口。發(fā)電機(jī)冷卻方式采用目前國際上較為普遍的 “水—?dú)洹獨(dú)洹狈绞?即定子繞組水冷、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷。勵(lì)磁系統(tǒng)為自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁或旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)。

表1 “П”形鍋爐和塔形鍋爐的特點(diǎn)對(duì)比表

[1] 電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.火電工程限額設(shè)計(jì)參考造價(jià)指標(biāo)(2009年水平)[M].北京:中國電力出版社,2010:4.

[2] DL5000—2000 火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定 [S].北京:中國電力出版社,2001:4.

[3] 柯文石,超超臨界機(jī)組新技術(shù)的應(yīng)用 [R].600 M W/1 000 M W超超臨界火電機(jī)組研討會(huì)報(bào)告文集.北京:中國動(dòng)力工程學(xué)會(huì),2008(9):82-88.

[4] 陳瑞克,潘軍.華電國際鄒縣四期工程主機(jī)參數(shù)的選擇[R].全國超超臨界火電機(jī)組現(xiàn)場研討會(huì)報(bào)告文集.北京:中國動(dòng)力工程學(xué)會(huì),2007(6):52-56.

[5] 林偉.建設(shè)1 000 MW級(jí)火電機(jī)組需重點(diǎn)研究的問題 [J].山西電力,2009(增刊):1-4.