第二讲 超临界机组参数确定及选型.ppt

二、超临界机组参数确定及选型,再热次数、主要蒸汽参数(主蒸汽压力、温度,再热蒸汽温度)、机组容量(600MW或1000MW等级)、锅炉主要结构和型式(炉型、燃烧方式、水冷壁型式)汽轮机主要结构和型式(汽缸数、排汽口数、末级叶片高度、单轴或双轴布置等),1再热次数、主要蒸汽参数,1）超超临界机组热效率提高蒸汽参数(蒸汽的初始压力和温度)、采用再热系统、增加再热次数,都是提高发电机组效率的有效方法。常规亚临界机组的典型蒸汽参数主蒸汽压力/主蒸汽温度/再热蒸汽温度16.7MPa/538/538,其发电效率约为38%。常规超临界机组的主蒸汽压力一般为24MPa左右,主蒸汽和再热蒸汽温度为538560,其典型参数为24.1MPa/538/538,对应的发电效率约为41%。超超临界机组的主蒸汽压力为(2531)MPa及以上,主蒸汽和再热蒸汽温度为580600及以上。,在超超临界机组参数范围的条件下,主蒸汽压力提高1MPa,机组的热耗率可下降0.13%0.15%;主蒸汽温度每提高10,热耗率可下降0.25%0.30%;再热蒸汽温度每提高10,热耗率可下降0.15%0.20%。因此,提高蒸汽的温度对提高机组热效率更有益。如果增加再热次数,采用二次再热,则其热耗率可下降1.4%1.6%。当压力低于30MPa时,机组热效率随压力提高上升很快,当压力高于30MPa时,机组热效率随压力提高上升幅度较小。,2）再热次数采用二次再热可进一步提高机组热效率,并满足机组低压缸最终排汽湿度的要求。在所给参数范围内,采用二次再热使机组热经济性得到提高,其相对热耗率改善值约为1.43%1.60%。有两个再热器使锅炉结构复杂化，增加一个超高压缸,增加一根再热冷管与再热热管,增加一套超高压主蒸汽调节阀,机组长度增加,轴系趋于复杂,使汽轮机结构复杂化。除了早期美国的3台机组外,只有日本川越电站2台700MW机组(31MPa/566566/566/1989年)和丹麦2台415MW(28.5MPa/580/580/580/1998年)机组为二次再热的超超临界机组。近5年来新投运的超超临界机组均未采用二次再热。,在目前参数下,二次再热的经济性得益为1.4%1.6%左右,但机组的造价要高10%15%,而机组的投资一般约占电厂总投资的40%45%左右,电站投资要增加4%6.8%。二次再热机组的技术经济性较差。采用二次再热存在大量需要解决的技术问题,国外制造、运行业绩少,技术经济性较差。我国在发展超超临界机组的开始阶段采用一次再热适宜。,3）主蒸汽温度和再热蒸汽温度在超超临界机组主要技术参数范围的条件下,主蒸汽温度每提高10,热效率约可相对提高0.25%0.30%;再热蒸汽温度每提高10,热效率约可相对提高0.16%0.20%。即600/600方案比580/580方案的热效率约可相对提高0.92%,比580/600方案的热效率约可相对提高0.56%。提高蒸汽温度对提高机组热效率的效果非常显著。目前国际上可采购到已成熟应用的材料可满足620蒸汽参数的要求,不存在无法解决的否决性的技术问题和技术瓶颈。先进国家有相当数量超超临界机组的蒸汽温度参数达到和超过600/600,已有多年的运行业绩,其可靠性与亚临界及超临界机组处于同一水平。600/600方案与580/600方案存在的技术问题只有微小的差别,不是左右温度方案选择的决定性因素。充分考虑材料的烟气侧腐蚀性能,汽水侧氧化性能,制造、加工、热处理、异种材料焊接等工艺性能,着眼于尽量提高蒸汽温度以期最大限度地“用足”现有材料的高温强度性能,在温度的选择上应既考虑先进性,还应考虑成熟性,取在600左右为宜。,4）主蒸汽压力在超超临界机组主要技术参数范围的条件下,28MPa方案比25MPa方案的热效率约可相对提高0.45%,31MPa方案比28MPa方案的热效率又约可相对提高0.4%。提高蒸汽温度比提高主蒸汽压力对机组热效率提高的效果显著。压力提高使汽轮机末级湿度增大,末级动叶片的水蚀趋于严重。低压缸的排汽湿度最大不应超过12%。若蒸汽参数选择28.0MPa/580/600,汽轮机排汽压力(背压)4.9kPa时,排汽湿度将达到10.7%。在蒸汽温度600/600、主蒸汽压力30MPa条件下,若不采用二次再热,汽轮机末级的湿度已超出设计规范。近十多年投运的超超临界机组中,主蒸汽压力(3031)MPa的机组台数仅3台,其中2台是二次再热机组。鉴于技术难度、风险、技术瓶颈(汽轮机末级的湿度)及国外业绩和经验的考虑,我国在发展超超临界机组的开始阶段,主蒸汽压力不宜采用(3031)MPa。,主蒸汽压力为25MPa与28MPa方案综合比较A主蒸汽压力提高,蒸汽汽流对转子的激振增加;固体颗粒对叶片的冲蚀趋于严重;末级湿度增大,湿汽损失加大,末级动叶片的水蚀趋于严重;关键零部件的疲劳损耗趋于严重。这些问题都是能够解决的,但主蒸汽压力提高的技术风险相对提高。主蒸汽压力25MPa与28MPa两方案均不存在无法解决的否决性的技术问题和技术瓶颈。B在材料已成熟应用前提下,主蒸汽压力基本不变,提高蒸汽温度的技术路线,是综合优点突出的技术路线。近十年来,这类机组是主角。日本超超临界机组仍在采用25MPa左右的主蒸汽压力;主蒸汽压力25MPa和28MPa方案属于同一层次。25MPa方案在技术可行性、设计制造模式、国外业绩及与国外合作、技术经济方面稍好;28MPa方案的热效率稍高,其技术经济性需要根据实际工程而定。,2机组容量,大容量机组具有以下的优势:效率高、单位kW投资省、同容量电厂(如2900MW与3600MW)建筑占地少、建设周期短、电厂人员少、维护费用低等。单炉容量的上限由材料强度、汽轮机末级排汽面积(叶片高度)、汽轮发电机组(单轴)转子长度、加工制造设备及能力、运输、电网等关键技术所决定。,锅炉容量目前,螺旋管圈单炉膛布置型式的最大单炉容量为1050MW,可滑压运行的垂直管屏布置型式的最大单炉容量为1000MW。从我国现有设计制造基础及技术可行性上考虑,1000MW及以下容量的超超临界锅炉在技术上都是可行的。,汽轮机容量汽轮机大容量化需要很大的排汽面积,增加排汽面积有两种途径:增大末级叶片高度,使单个排汽口的面积增加;或增加低压缸的数量,使低压排汽口的数量增多。单个排汽口的面积取决于末级叶片的高度,末级叶片高度受限于合金钢或钛合金的强度极限。低压缸的数量也不能无限制的增加,低压缸的数量越多,轴系越长,轴系稳定性越差。目前大容量单轴汽轮机有业绩的汽缸总数最多为5个,即分流低压缸数不超过3个,排汽口数不超过6个。背压影响汽轮机排汽面积,从而影响机组容量。我国各地气侯差异很大(冬夏),发展超超临界机组,应有不同排汽口与不同高度的末级叶片组合来适应不同背压及不同功率的机组,并通过技术经济比较以达到最佳的综合经济性。解决汽轮机大容量化的矛盾还可采用汽轮机双轴设计方案。从我国现有设计制造基础及技术可行性上考虑,选择1000MW等级和600MW等级超超临界汽轮机都是可行的。,汽轮发电机组容量国外具有运行业绩的最大容量汽轮发电机组为:西门子1100MW,三菱900MW,阿尔斯通930MW,东芝1000MW。当电厂为沿海(江)电厂或公路可至时,透平发电机定子整体运输,公路可用大型平板车运输,水路可用船运至沿海(江)的码头。当电厂为内陆电厂,只能用铁路运输时,透平发电机定子采用内外机座,外机座运输重量为100t,内机座(包括定子铁心、定子线圈等)运输重量为360t。透平发电机的内、外机座现场组装工作量较大。双轴方案不存在以上透平发电机大型化及随之带来的运输问题。我国大容量汽轮发电机组的发展,选择1000MW等级容量是可行的。,容量的综合比较:从技术可行性、设计制造模式、国外业绩及与国外合作、技术经济等问题考虑:1000MW等级超超临界机组方案具有效率高、单位kW投资省、人员少、维护费用低及与同容量电厂比较,建设周期短、用地少等综合优点。600MW等级超超临界机组,能适应我国广大内陆地区的低背压条件,适用于国内各个电网条件和现有的设备运输条件,并可与1000MW等级机组形成系列化。,3锅炉主要结构和型式,1）炉型与燃烧方式大型超临界锅炉的整体布置型式(炉型)主要采用型布置和塔式布置,也有T型布置型式。美国800MW到1300MW超临界锅炉采用型布置。阿尔斯通公司生产的超临界锅炉有采用塔式布置,也有(阿尔斯通CE)采用型布置。西门子公司大型超临界锅炉既有型布置,也有塔式布置。日本超超临界锅炉主要是型布置。俄罗斯超临界锅炉采用T型布置。炉型采用某种布置方式往往取决于锅炉厂家的传统技术。600MW和1000MW等级锅炉有型布置、T型布置和塔式布置型式,这几种型式均有运行经验。,我国发展超超临界锅炉可在型布置和塔式布置型式中选择考虑。(T型布置的蒸汽系统较复杂,钢材耗量大)燃用高灰分煤,从减轻受热面磨损方面考虑,采用塔式布置型式较为合适。采用切圆燃烧方式锅炉,从减小炉膛出口烟温偏差角度考虑,应选用塔式布置型式。地震风险大的地区,应避免采用塔式布置。采用对冲燃烧方式锅炉,可选用型布置型式。炉型与燃烧方式有一定关系,两者应合理搭配。1000MW等级超超临界机组锅炉可采用四角单切圆塔式布置、墙式对冲塔式布置、单炉膛双切圆型布置及墙式对冲型布置等型式。600MW等级超超临界机组锅炉还可采用四角单切圆型布置型式。,塔型锅炉特点水平布置过热器和再热器，易于疏水启动初期和低负荷运行阶段，容易将金属颗粒从旁路送入凝汽器，避免汽轮机损坏烟气向上流动时，烟气流速和温度分布均匀，大颗粒灰粒受重力作用，磨损减少40。减小磨损和热偏差。适合采用正方形炉膛断面，炉膛出口处高温烟气受水平受热面管束切割，残余旋转被迅速扩散。炉膛断面小，蒸发受热面吸热面积受限制，汽温达不到额定值。占地面积小，锅炉吊装技术要求高。热偏差和磨损小，管内腐蚀和汽轮机受侵蚀机会少。,W型火焰锅炉可延长煤粉颗粒在炉内停留时间，达到3.4s以上。燃烧器喷口向下，容易实现煤粉高浓度燃烧。（三高理论）采用低一次风，延长燃料停留时间受热最强部位可采用卫燃带，水冷壁没有膜态沸腾和高温腐蚀（容易结渣）火焰中心随负荷及燃烧调节的变化大，低负荷时，火焰容易“短路”低负荷部分磨煤机停用，导致炉膛前后火焰不对称“偏烧”不能调节火焰中心位置，调节时要满足稳定燃烧，汽温调节，避免火焰短路偏烧，燃烧调节难度大,2）水冷壁型式变压运行超临界直流锅炉水冷壁有两种型式:炉膛上部用垂直管、下部用螺旋管圈及内螺纹垂直管屏。螺旋管圈水冷壁在超临界和超超临界锅炉上应用最广泛,欧洲、日本的其它电厂和我国均采用螺旋管圈水冷壁以适应机组变压运行。螺旋管圈水冷壁锅炉也有两种型式,一种是光管,另一种是内螺纹管。后者可强化传热,使水冷壁运行更安全可靠,但成本将增加10%15%。内螺纹垂直管屏变压运行超临界锅炉系三菱重工上世纪80年代开发的产品,已有8台700MW1000MW超临界锅炉运行,其中超超临界机组1台(1000MW),还有3台超超临界锅炉已经订货。上世纪90年代后期,英巴公司研究开发了低质量流速垂直内螺纹管水冷壁,具有低质量流速正流量响应特性,即流量随热负荷自动增加的特性。,世界各国变压运行锅炉水冷壁普遍采用了螺旋管圈型式,且在我国也有良好的运行业绩,我国几大锅炉厂已掌握了这种管圈的制造工艺。因此,应用技术成熟的螺旋管圈型式不失为一种优选的方案。内螺纹垂直水冷壁型式在支吊、安装及运行等方面具有较大的优越性,也是发展的方向,且在日本已有运行业绩,但对内螺纹管的加工质量要求较高,应进一步研究和开发。低质量流速内螺纹垂直管水冷壁,具有正流量响应特性,更有发展前途,但目前在超临界锅炉上尚无业绩,可待技术成熟后再应用。,4汽轮机主要结构和型式,1）末级长叶片与排汽口数大功率超超临界机组的容量主要受汽轮机排汽面积的制约。当缺少相应高度的成熟应用的末级长叶片时,大容量机组将不得不采用增加排汽口数的方案,这时应进行技术经济分析。对常规背压(4.9kPa)条件,按目前国际上现有的末级长叶片系列,1000MW等级