方 聯(lián)，呼和哈達(dá)

（1.東北電力設(shè)計院，長春 130021；2.華能呼倫貝爾能源開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008）

提高火電廠的發(fā)電效率，減少發(fā)電煤耗，從源頭上降低煙氣、污染物和二氧化碳排放的有效手段，是目前世界上高效清潔燃煤發(fā)電的發(fā)展方向。對于燃煤火力發(fā)電機(jī)組的熱力系統(tǒng)而言，可以采用2種手段提高機(jī)組的熱效率：提高蒸汽初參數(shù)，即提高朗肯循環(huán)的熱段平均溫度；優(yōu)化汽輪發(fā)電機(jī)組機(jī)組熱力系統(tǒng)，通過增加回?zé)峒墧?shù)、增加再熱級數(shù)等手段，可提高機(jī)組的發(fā)電效率。由于熱力系統(tǒng)的優(yōu)化受汽輪機(jī)和鍋爐本體結(jié)構(gòu)的限制，因此建設(shè)1000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組，提高蒸汽初參數(shù)是目前提高機(jī)組的熱效率主要方案。

1 二次再熱機(jī)組參數(shù)選擇

1.1 主蒸汽壓力的選擇

對于一次再熱機(jī)組，由于低壓缸排汽濕度不能太高（一般不高于10%），使主蒸汽壓力的上升受到限制。通常，對于再熱蒸汽溫度不超過620℃的一次再熱機(jī)組，主蒸汽壓力不超過28MPa。然而，對于二次再熱機(jī)組，其低壓缸排汽濕度有所下降，這樣在相同再熱蒸汽溫度條件下，為主蒸汽壓力的提高創(chuàng)造條件。主蒸汽壓力大于27MPa后壓力升高1 MPa能降低熱耗0.1%，但是當(dāng)壓力達(dá)到30 MPa以上時，壓力提高帶來的汽輪機(jī)效率的提高幅度越來越小，而壓力提高增加了鍋爐壓力部件、主蒸汽管道、給水管道、汽輪機(jī)高壓缸的設(shè)計壓力，帶來材料成本上升，尤其是耐高溫的熱強(qiáng)鋼的成本上升。

自1997年第一個百萬千瓦容量、標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)高中低模塊組成的黑泵電廠2×874 MW機(jī)組投運以來，西門子公司已完成28～30 MPa超超臨界參數(shù)汽輪機(jī)3個不同尺寸的高中壓模塊系列的開發(fā)，已具備該壓力參數(shù)超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品的設(shè)計制造能力。另外，西門子公司經(jīng)過初步研究，認(rèn)為基于目前現(xiàn)有汽輪機(jī)模塊，經(jīng)過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面的一些改進(jìn)，也可制造高達(dá)32MPa的超超臨界汽輪機(jī)。日本、美國目前運行的超超臨界汽輪機(jī)高壓缸最高進(jìn)汽壓力達(dá)到32MPa。

國內(nèi)三大主機(jī)制造廠推薦二次再熱機(jī)組主蒸汽壓力為30～35 MPa，其中上海汽輪機(jī)廠推薦35 MPa，東方汽輪機(jī)廠推薦30MPa，哈爾濱汽輪機(jī)廠推薦31MPa，考慮到主蒸汽壓力上升帶來的成本上升因素，暫推薦主蒸汽壓力為31MPa。

1.2 再熱蒸汽壓力選擇

根據(jù)國內(nèi)三大主機(jī)制造廠的資料，二次再熱循環(huán)中最佳再熱蒸汽壓力還與汽輪機(jī)相對內(nèi)效率、給水回?zé)嵯到y(tǒng)、再熱器及管道壓損等因素有關(guān)，實際再熱壓力可比無回?zé)岬睦硐朐贌嵫h(huán)的理論最佳再熱壓力值略高。對于主蒸汽壓力為24～32MPa的二次再熱機(jī)組，最佳的一次再熱蒸汽壓力可取為主蒸汽壓力的28%～35%，最佳的二次再熱蒸汽壓力可取一次再熱蒸汽壓力的30%。

1.3 主蒸汽、再熱蒸汽溫度選擇

超超臨界機(jī)組經(jīng)過10多年的發(fā)展，介質(zhì)溫度為600～620℃的高溫材料在鍋爐、汽輪機(jī)、閥門和管道各方面已有良好的運行業(yè)績，證明其可靠性很高。超超臨界機(jī)組主蒸汽壓力在25MPa以上，鍋爐高溫過熱器管束的壁厚很厚，在達(dá)到同樣蒸汽溫度的情況下，與壁厚薄的管束相比，管束的金屬溫度要高一些。因此，為了使鍋爐高溫過熱器管束的金屬溫度控制在安全工作范圍內(nèi)，目前超超臨界機(jī)組的主蒸汽溫度都不超過600℃。

對再熱蒸汽而言，由于壓力相對較低，鍋爐再熱器管束的壁厚較高溫過熱器薄，在保持管束金屬溫度相同的情況下，介質(zhì)溫度可以高一些。歐洲和日本已有多臺機(jī)組采用610～620℃的再熱蒸汽溫度，部分機(jī)組已經(jīng)投入運行。當(dāng)再熱器出口蒸汽溫度選用623℃后，考慮其設(shè)計再熱蒸汽溫度偏差（－10～＋5）℃，實際運行過程中，爐側(cè)再熱器蒸汽溫度最高628℃連續(xù)運行。

在現(xiàn)有成熟的9～12Cr鋼材中，再熱熱段蒸汽管道擬采用P92材料。對于P92材料的使用溫度要求，各種標(biāo)準(zhǔn)給出的數(shù)據(jù)不盡相同：ASME B31.12010《動力管道》中P92直徑大于89mm的許用溫度為621℃；TSG G0001—2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中給出10Cr9MoW2VNbBN（P92）的使用溫度限制，其在受熱面管子可用到650℃，聯(lián)箱和蒸汽管道上可用到620℃。10Cr9MoW2VNbBN與P92在成分分析上基本相同，TSG G0001—2012中規(guī)定10Cr9MoW2VNbBN集箱、管道的適用溫度能夠達(dá)到630℃，其管道制造標(biāo)準(zhǔn)按照國內(nèi)的GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》執(zhí)行。

綜上所述，在保證再熱器出口溫度偏差5℃情況下，可選用10Cr9MoW2VNbBN作為高溫再熱蒸汽管道材料，考慮主機(jī)現(xiàn)有模塊技術(shù)，借鑒國際上超超臨界大容量機(jī)組配置，推薦主蒸汽溫度600℃，一次再熱段溫度620℃，二次再熱段溫度620℃。

1.4 機(jī)組出力的選擇

西門子公司已完成了600～1300MW功率容量、超超臨界參數(shù)汽輪機(jī)相同結(jié)構(gòu)、3個不同尺寸的高中壓模塊系列的開發(fā)，已具備600～1300MW范圍內(nèi)、28～30MPa、600～620℃超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品的設(shè)計制造能力。

阿爾斯通公司在歐洲有多臺1000MW級超超臨界塔式鍋爐的運行業(yè)績。上海鍋爐廠引進(jìn)阿爾斯通公司的1000MW超超臨界鍋爐，并認(rèn)為設(shè)計并制造1200～1500 MW等級的一次或二次再熱超超臨界塔式鍋爐在技術(shù)上都是可行的。

哈爾濱鍋爐廠和上海汽輪機(jī)廠正在設(shè)計和制造華能萊蕪超超臨界1000MW二次再熱機(jī)組，汽輪機(jī)入口主蒸汽壓力為31MPa，溫度為600℃；一次再熱段溫度為620℃，二次再熱段溫度為620℃。上海鍋爐廠設(shè)計和制造惠來超超臨界1000MW二次再熱機(jī)組，汽輪機(jī)入口參數(shù)為主蒸汽壓力31 MPa，溫度為600℃；一次再熱段溫度為620℃，二次再熱段溫度為620℃。東方汽輪機(jī)有限公司設(shè)計和制造華能安源蕪超超臨界660 MW二次再熱機(jī)組，汽輪機(jī)入口參數(shù)為主蒸汽壓力28 MPa，溫度為600℃；一次再熱段溫度為620℃，二次再熱段溫度為620℃。

綜上所述，選擇出力為1000 MW等級單軸二次再熱汽輪發(fā)電機(jī)組。

2 投資比較

估算2×1000MW二次再熱機(jī)組投資為80億元左右，機(jī)組發(fā)電煤耗約為254～256g／（kW·h）。國內(nèi)常規(guī)2×1000MW一次再熱組投資為64億元左右，機(jī)組發(fā)電煤耗約為270g／（kW·h）。2×1000MW二次再熱機(jī)組投資比國內(nèi)常規(guī)2×1000 MW一次再熱機(jī)組投資高約16億元，投資方可進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后確定主機(jī)型式。

3 結(jié)論

a.1000 MW二次再熱機(jī)組經(jīng)濟(jì)性明顯提高，在現(xiàn)有超超臨界一次再熱機(jī)組技術(shù)基礎(chǔ)上降低發(fā)電煤耗14～16g／（kW·h）。

b.主機(jī)參數(shù)為容量1000 MW等級，汽輪機(jī)入口主蒸汽壓力31MPa，溫度為主汽600℃，一次再熱段620℃，二次再熱段620℃。

c.二次再熱機(jī)組比常規(guī)一次再熱機(jī)組投資偏高，但機(jī)組發(fā)電煤耗降低，可減少煙氣污染物排放，提高機(jī)組熱效率。

d.利用目前600℃超超臨界機(jī)組的成熟材料，開發(fā)初參數(shù)更高的二次再熱機(jī)組，不僅能夠使我國的超超臨界機(jī)組水平踏上一個新的臺階，同時為我國發(fā)展700℃超超臨界機(jī)組奠定基礎(chǔ)。