李永生，徐 星，孫俊威

(國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210023)

超超臨界二次再熱機(jī)組性能試驗(yàn)及分析

李永生，徐 星，孫俊威

(國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210023)

介紹了國內(nèi)外二次再熱機(jī)組發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合國內(nèi)超超臨界二次再熱1000MW機(jī)組性能考核試驗(yàn)情況，分析比較了目前已投產(chǎn)的超超臨界二次再熱機(jī)組的主要性能指標(biāo)，對(duì)今后二次再熱機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行具有重要指導(dǎo)意義。

超超臨界；二次再熱；性能試驗(yàn)

1 國內(nèi)外二次再熱機(jī)組發(fā)展?fàn)顩r

中國是以煤電為主的國家，煤電在電力生產(chǎn)中的主導(dǎo)地位在較長一段時(shí)間內(nèi)無法改變。發(fā)展高效率超超臨界燃煤機(jī)組是高效清潔燃煤發(fā)電的方向，對(duì)我國建設(shè)節(jié)約環(huán)保型社會(huì)具有重要意義。中國超超臨界火電機(jī)組發(fā)展最快，至2016年底僅1000MW超超臨界機(jī)組就已建成投產(chǎn)90余臺(tái)，是世界上數(shù)量最多的國家之一。目前，中國27MPa，600℃/600℃等級(jí)一次再熱超超臨界發(fā)電技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，運(yùn)行性能先進(jìn)，發(fā)電效率達(dá)到45%以上，處于世界領(lǐng)先水平。在此基礎(chǔ)上為了進(jìn)一步提高火電機(jī)組發(fā)電效率、降低煤耗，需要進(jìn)一步提高機(jī)組蒸汽參數(shù)，而材料的高溫性能成為關(guān)鍵制約因素。如果要進(jìn)一步提高參數(shù)，只能采用鎳基合金材料，但目前發(fā)展更高參數(shù)火電機(jī)組所需要的鎳基合金材料并不具備商業(yè)化的條件。

在現(xiàn)有一次再熱超超臨界發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)上采用二次再熱技術(shù)，原蒸汽參數(shù)基本不變或適當(dāng)提高，可以不需要更換新材料，仍采用現(xiàn)有成熟金屬材料，可進(jìn)一步提高循環(huán)效率3%左右，是目前技術(shù)條件下提高火力機(jī)組熱效率的合理途徑。

但采用二次再熱技術(shù)，在提高發(fā)電機(jī)組循環(huán)熱效率的同時(shí)，也帶來系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，使投資增加，運(yùn)行復(fù)雜。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界至少有52臺(tái)二次再熱超臨界機(jī)組投入運(yùn)行，其中德國共投運(yùn)11臺(tái)二次再熱超臨界機(jī)組，美國共投運(yùn)23臺(tái)二次再熱超臨界機(jī)組，日本共投運(yùn)13臺(tái)二次再熱超臨界機(jī)組，丹麥投運(yùn)2臺(tái)二次再熱超超臨界機(jī)組。其中，丹麥的Nordjylland電廠3號(hào)機(jī)組采用二次再熱、深海水冷卻等技術(shù)，是當(dāng)時(shí)世界上機(jī)組效率(發(fā)電效率47%)最高的燃煤發(fā)電機(jī)組。從投產(chǎn)機(jī)組參數(shù)分析，二次再熱機(jī)組基本不采用亞臨界機(jī)組，絕大多數(shù)是超臨界機(jī)組，二次再熱技術(shù)更適用于主蒸汽壓力達(dá)到27MPa以上的超超臨界機(jī)組。

目前國內(nèi)隨著燃料成本及環(huán)保壓力的不斷上升，二次再熱技術(shù)重新得到關(guān)注。東方電氣集團(tuán)、哈爾濱電氣集團(tuán)、上海電氣集團(tuán)三大火電設(shè)備制造商均有在建二次再熱機(jī)組項(xiàng)目，已投產(chǎn)二次再熱機(jī)組6臺(tái)，目前已有9個(gè)電廠、18臺(tái)機(jī)組在建。

2 國內(nèi)已投運(yùn)超超臨界二次再熱機(jī)組性能

目前國內(nèi)已投產(chǎn)二次再熱機(jī)組達(dá)6臺(tái)，其中1000MW超超臨界機(jī)組4臺(tái)，660MW超超臨界機(jī)組2臺(tái)。包括：華能安源電廠1、2號(hào)660MW超超臨界二次再熱機(jī)組，國電泰州發(fā)電公司二期3、4號(hào)1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組，華能萊蕪發(fā)電公司6、7號(hào)1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組。已投產(chǎn)二次再熱機(jī)組主要設(shè)計(jì)性能參數(shù)見表1。

表1 已投產(chǎn)二次再熱機(jī)組主要設(shè)計(jì)性能參數(shù)

項(xiàng) 目泰州電廠萊蕪電廠安源電廠機(jī)組容量/MW10001000660鍋爐制造商上鍋哈鍋哈鍋汽輪機(jī)制造商上汽上汽東汽汽機(jī)總進(jìn)汽量/t·h-12586．202562．8471732．100主蒸汽壓力/MPa30．123029．2主蒸汽溫度/℃600600600超高壓排汽壓力/MPa10．66710．60410．791超高壓排汽溫度/℃425．6426432．9一次再熱蒸汽流量2289．952274．8441526．044高壓缸進(jìn)口壓力/MPa9．9839．96710．143高壓缸進(jìn)口溫度/℃610620620二次再熱蒸汽流量/t·h-11983．311963．0221309．011中壓缸進(jìn)口壓力/MPa3．0553．0483．196中壓缸進(jìn)口溫度/℃610620620背壓/kPa4．54．84．92最終給水溫度/℃324．3324．8323．7低壓缸排汽量/t·h-11369．241365．444881．581排汽焓/kg·kg-12397．42409．82404．5廠用電率/%3．70/3．36鍋爐效率/%94．6595．0494．50機(jī)組熱耗/kJ·(kW·h)-1707070647187發(fā)電煤耗/g·(kW·h)-1257．79256．16262．13供電煤耗/g·(kW·h)-1267．70/271．24全廠發(fā)電熱效率/%47．7147．9546．92

目前，國內(nèi)百萬超超臨界一次再熱機(jī)組純凝工況供電煤耗率的先進(jìn)水平約272g/(kW·h)。從設(shè)計(jì)指標(biāo)看，超超臨界二次再熱機(jī)組已全面超過一次再熱機(jī)組。同等級(jí)的百萬超超臨界機(jī)組中，二次再熱機(jī)組設(shè)計(jì)供電煤耗率比一次再熱先進(jìn)機(jī)組降低約6g/(kW·h)。據(jù)2016年機(jī)組運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，國電泰州二次再熱1000MW機(jī)組運(yùn)行供電煤耗為272.0g/(kW·h)；華能萊蕪二次再熱1000MW機(jī)組運(yùn)行供電煤耗271.2g/(kW·h)；華能安源二次再熱660MW機(jī)組運(yùn)行供電煤耗282.8g/(kW·h)。二次再熱機(jī)組運(yùn)行供電煤耗率比一次再熱機(jī)組平均值降低約10g/(kW·h)，充分說明了百萬超超臨界二次再熱機(jī)組性能的先進(jìn)性。

3 超超臨界二次再熱1000MW火電機(jī)組性能試驗(yàn)

3.1 N1000-31/600/610/610汽輪機(jī)熱耗率

3.1.1 設(shè)備概況

N1000-31/600/610/610型汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的超超臨界、單軸、五缸四排汽、二次中間再熱凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組采用高、中、低壓三級(jí)串聯(lián)旁路系統(tǒng)，高壓旁路容量為100%BMCR，中、低壓旁路為啟動(dòng)容量。四級(jí)高壓加熱器、一級(jí)除氧器和五級(jí)低壓加熱器、一臺(tái)疏水冷卻器組成十級(jí)回?zé)嵯到y(tǒng)，2、4號(hào)高壓加熱器分別設(shè)有外置蒸汽冷卻器，8號(hào)低壓加熱器(按壓力由高到低排列)設(shè)有疏水泵，低溫省煤器水側(cè)進(jìn)口取自9號(hào)低壓加熱器出口，出口回到8號(hào)低加入口。9、10號(hào)低壓加熱器的疏水分別進(jìn)入位于10號(hào)低加與汽封加熱器之間的疏水冷卻器。汽機(jī)二個(gè)低壓缸排汽排入凝汽器，第五級(jí)抽汽用于除氧器加熱、驅(qū)動(dòng)給水泵汽輪機(jī)及廠用輔助蒸汽系統(tǒng)。給水泵汽輪機(jī)正常運(yùn)行汽源采用汽輪機(jī)第五級(jí)抽汽，備用汽源采用三級(jí)抽汽，啟動(dòng)、調(diào)試及低負(fù)荷汽源采用輔助蒸汽。廠用輔助蒸汽汽源采用汽輪機(jī)五級(jí)抽汽，備用汽源采用汽輪機(jī)三級(jí)抽汽。

3.1.2 試驗(yàn)工況

主汽調(diào)閥全開；汽輪機(jī)主汽閥前蒸汽壓力為30.12MPa；汽輪機(jī)主蒸汽溫度為600℃；一次再熱蒸汽溫度為610℃；二次再熱蒸汽溫度為610℃；汽輪機(jī)背壓為4.5kPa；補(bǔ)給水率為0%；機(jī)組運(yùn)行熱力系統(tǒng)按制造廠家提供的THA工況熱平衡圖進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整和隔離。

3.1.3 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)《汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程》(ASME PTC6-2004);國際公式化委員會(huì)(IFC)《具有火用參數(shù)的水和水蒸汽性質(zhì)參數(shù)手冊(cè)》(1997年工業(yè)用IFC公式計(jì)算)。

3.1.4 試驗(yàn)方法

熱力循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的流量以凝結(jié)水流量為基準(zhǔn)流量，采用已標(biāo)定并安裝在6號(hào)低加出口至除氧器入口之間的凝結(jié)水管道上的標(biāo)準(zhǔn)ASME長徑噴嘴進(jìn)行測(cè)量。再熱減溫水流量等輔助流量均采用現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量；超高壓軸封漏汽至高排、高壓軸封漏汽至中排流量均采用加裝的標(biāo)準(zhǔn)孔板進(jìn)行測(cè)量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用IMP分散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。除氧器水箱、凝汽器熱井等系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)水容器水位變化用就地水位計(jì)人工讀數(shù)或現(xiàn)場表盤讀數(shù)。漏出和漏入試驗(yàn)熱力系統(tǒng)的無法隔離的明漏量，用秒表和量筒進(jìn)行人工測(cè)量。

3.1.5 試驗(yàn)結(jié)果

各工況主要試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 各工況主要試驗(yàn)結(jié)果

項(xiàng) 目THA工況750MW500MW機(jī)組負(fù)荷/MW997．6747．99500．17主汽流量/t·h-12625．61918．941297．50主汽壓力/MPa30．5524．6516．89主汽溫度/℃602．51601．57587．16一次再熱壓力10．217．585．13一次再熱溫度/℃609．44596．06584．37二次再熱壓力3．072．291．55二次再熱溫度/℃608．39595．24563．85給水溫度/℃320．63297．5274．03機(jī)組背壓/kPa5．324．083．38超高壓缸效率/%91．2787．3385．42高壓缸效率/%89．2188．4788．44中壓缸效率/%92．7692．7092．68修正后熱耗率/kJ·(kW·h)-17064．877351．657589．75

THA工況下考慮軸封泄漏、低壓旁路泄漏等影響因素，修正后汽輪機(jī)熱耗率7064.87kJ/(kW·h)。750MW負(fù)荷投運(yùn)低溫省煤器條件下，運(yùn)行參數(shù)修正后的機(jī)組熱耗率為7351.65kJ/(kW·h)。500MW負(fù)荷投運(yùn)低溫省煤器條件下，運(yùn)行參數(shù)修正后的機(jī)組熱耗率為7589.75kJ/(kW·h)。

3.2 SG-2710/33.03-M7050型鍋爐性能試驗(yàn)

3.2.1 設(shè)備概況

SG-2710/33.03-M7050型鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的超超臨界參數(shù)變壓直流爐，單爐膛、四角切向燃燒、擺動(dòng)噴嘴調(diào)溫、二次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、塔式鍋爐、采用機(jī)械刮板撈渣機(jī)固態(tài)排渣的鍋爐。鍋爐主要設(shè)計(jì)性能參數(shù)見表3。鍋爐燃用神華煤。爐后尾部煙道出口有2臺(tái)SCR脫硝反應(yīng)裝置，下部各布置1臺(tái)空氣預(yù)熱器。鍋爐制粉系統(tǒng)采用中速磨冷一次風(fēng)機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)鍋爐配置6臺(tái)中速磨煤機(jī)，BMCR工況時(shí)，5臺(tái)投運(yùn)，1臺(tái)備用。

表3 鍋爐主要設(shè)計(jì)性能參數(shù)

項(xiàng) 目BMCRBRL過熱蒸汽流量/t·h-127102630過熱器出口蒸汽壓力/MPa(g)33．0332．19過熱器出口蒸汽溫度/℃605605一次再熱蒸汽流量/t·h-125172426一次再熱器進(jìn)口蒸汽壓力/MPa(g)11．3911．00一次再熱器出口蒸汽壓力/MPa(g)11．1710．78一次再熱器進(jìn)口蒸汽溫度/℃429428一次再熱器出口蒸汽溫度/℃613613二次再熱蒸汽流量/t·h-121612088二次再熱器進(jìn)口蒸汽壓力/MPa(g)3．563．44二次再熱器出口蒸汽壓力/MPa(g)3．303．19二次再熱器進(jìn)口蒸汽溫度/℃432433二次再熱器出口蒸汽溫度/℃613613省煤器進(jìn)口給水溫度/℃314314排煙溫度(修正前)/℃120120排煙溫度(修正后)/℃117117高位熱效率/%90．0790．05低位熱效率/%94．6794．65低位熱效率(保證)/%-94．65

3.2.2 試驗(yàn)工況

燃用設(shè)計(jì)煤種；鍋爐帶額定負(fù)荷；鍋爐熱效率按ASME PTC4.1進(jìn)行計(jì)算及有關(guān)項(xiàng)目的修正；過?？諝庀禂?shù)為設(shè)計(jì)值(1.15)或最佳氧量；煤粉細(xì)度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)；NOx排放濃度200mg/m3(6%O2)。

3.2.3 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

ASME PTC4.1《蒸汽鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》，基準(zhǔn)溫度按加權(quán)計(jì)算(加權(quán)比例按照設(shè)計(jì)值)，其他測(cè)量數(shù)據(jù)均以算術(shù)平均值引入計(jì)算?；?、渣比例采用設(shè)計(jì)值：爐底大渣10%，飛灰90%?？諝忸A(yù)熱器一次風(fēng)進(jìn)風(fēng)基準(zhǔn)溫度22.4℃，空氣預(yù)熱器二次風(fēng)進(jìn)風(fēng)基準(zhǔn)溫度18℃，經(jīng)流量加權(quán)計(jì)算后空氣預(yù)熱器入口進(jìn)風(fēng)基準(zhǔn)溫度19.10℃，一、二次風(fēng)比例按照設(shè)計(jì)值分別為22.92%和77.08%。

3.2.4 鍋爐熱效率試驗(yàn)結(jié)果

鍋爐熱效率及各項(xiàng)損失主要結(jié)果見表4。鍋爐試驗(yàn)期間機(jī)組負(fù)荷1000MW，鍋爐熱效率修正后為94.78%，NOx排放濃度為155.2mg/m3(標(biāo)干態(tài)，6%O2)。750MW負(fù)荷試驗(yàn)期間，實(shí)測(cè)鍋爐熱效率為93.2%，修正后鍋爐熱效率為93.05%。500MW負(fù)荷試驗(yàn)期間，實(shí)測(cè)鍋爐熱效率為94.19%，修正后鍋爐熱效率為93.87%。

表4 鍋爐熱效率及各項(xiàng)損失主要結(jié)果

項(xiàng) 目設(shè)計(jì)值考核工況750MW500MW飛灰可燃物含量/%-1．0452．431．5大渣可燃物含量/%-0．36--A側(cè)排煙溫度/℃-114．84126．2126．2B側(cè)排煙溫度/℃-113．69--修正后排煙溫度/℃117112．38128．6117．9排煙氧量/%-4．395．16%4．88空預(yù)器入口煙溫/℃380372．1--空氣相對(duì)濕度/%6566．23--大氣壓力/kPa101101--干煙氣熱損失/%4．204．19--干灰渣未燃盡碳熱損失/%0．160．171．952．11燃料中水份熱損失/%0．140．14--氫燃燒水份熱損失/%0．240．25--空氣中水份熱損失/%0．060．06--表面輻射和熱對(duì)流損失/%0．190．19--未測(cè)量熱損失/%0．250．23--制造廠裕度/%0．11---總損失/%5．355．28--實(shí)測(cè)NOx濃度/mg·m-3200155．2--實(shí)測(cè)O2濃度/%63．84--鍋爐熱效率/%94．6594．7593．294．19修正后的鍋爐效率/%94．6594．7893．0593．87

3.3 機(jī)組供電煤耗的計(jì)算

采用美國ASME性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過修正得到的汽輪機(jī)熱耗率、鍋爐熱效率計(jì)算得到的供電煤耗率并不是實(shí)際值。采用最終修正熱耗率用于計(jì)算整個(gè)機(jī)組的供電煤耗率指標(biāo)，考慮軸封泄漏、低壓旁路泄漏等影響因素，熱耗率按7064.87kJ/(kW·h)計(jì)算，鍋爐效率按94.78%計(jì)算，廠用電率按3.625%計(jì)算，管道效率取99%，此時(shí)發(fā)、供電煤耗率分別為256.91、266.57g/(kW·h)。根據(jù)對(duì)同期典型超超臨界一次再熱機(jī)組的性能試驗(yàn)，超超臨界一次再熱供電煤耗率為275.00g/(kW·h)。同型二次再熱機(jī)組性能試驗(yàn)供電煤耗率比一次再熱機(jī)組性能試驗(yàn)值降低8.43g/(kW·h)。采用二類修正的熱耗率，計(jì)算機(jī)組供電煤耗率可以一定程度上反映機(jī)組整體能耗指標(biāo)，如表5所示。

表5 二類修正后的機(jī)組供電煤耗率計(jì)算值

項(xiàng) 目THA750MW500MW廠用電率/%3．6254．525．21鍋爐效率(修正后)/%94．7893．0593．87汽機(jī)熱耗(修正后)/kJ·(kW·h)-17188．987351．657589．75發(fā)電煤耗(修正后)/g·(kW·h)-1261．42272．30278．66供電煤耗(修正后)/g·(kW·h)-1271．26285．19293．98

機(jī)組在額定負(fù)荷下二類修正后，計(jì)算供電煤耗率271.26g/(kW·h)；750MW負(fù)荷工況下計(jì)算供電煤耗率285.19g/(kW·h)；500MW負(fù)荷下計(jì)算供電煤耗率293.98g/(kW·h)。

4 結(jié)語

(1)超超臨界二次再熱機(jī)組設(shè)計(jì)供電煤耗率比同型一次再熱機(jī)組降低約6g/(kW·h)。性能試驗(yàn)結(jié)果表明，超超臨界二次再熱機(jī)組性能試驗(yàn)供電煤耗率比一次再熱機(jī)組性能試驗(yàn)值低8g/(kW·h)。

(2)根據(jù)機(jī)組的2016年運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，超超臨界二次再熱機(jī)組運(yùn)行供電煤耗比同型超超臨界一次再熱機(jī)組平均值低約10g/(kW·h)，說明了超超臨界二次再熱機(jī)組性能的先進(jìn)性。

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The performance test and analysis of ultra supercritical double reheat units

Itintroduceddevelopmentsituationofdoublereheatunitsathomeandabroad,analyzedandcomparisedthemainperformanceindexesofcurrentproductionofultrasupercritical1000MWdoublereheatunitscombinedwithperformancetestofthedomesticultrasupercritical1000MWdoublereheatunits.Ithadimportantguidingsignificanceforthedesign,manufactureandoperationofthedoublereheatunitsinthefuture.

ultra-supercritical;doublereheatunits;performancetest

TK262

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1674-8069(2017)06-040-04

2017-08-26；

2017-09-17

李永生(1963-)，男，山西省嵐縣人，主要從事清潔高效燃煤發(fā)電技術(shù)研究。E-mail:zggdlys@163.com