超臨界機(jī)組與亞臨界機(jī)組特點(diǎn)的比較

河南華能沁北電廠工程處(454662)  劉發(fā)燦
摘  要：通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)首臺(tái)超臨界機(jī)組與亞臨界機(jī)組的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面的比較，從而體現(xiàn)出超臨界機(jī)組的優(yōu)越性。
主題詞：超臨界  亞臨界  特點(diǎn)
1  概  述         
     隨著我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展及電力結(jié)構(gòu)的調(diào)整，600MW級(jí)火電機(jī)組已經(jīng)成為我國(guó)火電的發(fā)展方向并即將成為電網(wǎng)的主力機(jī)組，尤其是超臨界參數(shù)機(jī)組，由于其更低的運(yùn)行成本和高效益，使得此類型的機(jī)組在現(xiàn)在的電力市場(chǎng)中更具有競(jìng)爭(zhēng)性。沁北電廠一期工程作為國(guó)家引進(jìn)600MW超臨界機(jī)組的依托項(xiàng)目以及2000年燃煤示范電廠，承擔(dān)著引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，降低工程造價(jià)的雙重任務(wù)，這就給工程的提出了較高的要求。隨著2004年12月13日13：31分2＃機(jī)組順利通過(guò)168小時(shí)，標(biāo)志著超臨界600MW機(jī)組國(guó)產(chǎn)化目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

2  600MW超臨界和亞臨界機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)的比較
2.1  超臨界機(jī)組和亞臨界機(jī)組特點(diǎn)比較
    超臨界機(jī)組是指主蒸汽壓力高于臨界壓力（22.13MPa）的鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)組，它具有如下特點(diǎn)：
     (1） 熱效率高、熱耗低。超臨界機(jī)組比亞臨界機(jī)組可降低熱耗～2.5％，故可節(jié)約燃料，降低能源消耗和大氣污染物的排放量。
      (2）超臨界壓力時(shí)水和蒸汽比容相同，狀態(tài)相似，單相的流動(dòng)特性穩(wěn)定，沒(méi)有汽水分層和在中間集箱處分配不均的困難，并不需要象亞臨界壓力鍋爐那樣用復(fù)雜的分配系統(tǒng)來(lái)保證良好的汽水混合，回路比較簡(jiǎn)單。
      (3) 超臨界鍋爐水冷壁管道內(nèi)單相流體阻力比亞臨界汽包爐雙相流體阻力低。
      (4) 超臨界壓力下工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱較亞臨界壓力的高。
      (5） 超臨界壓力工質(zhì)的比容和流量較亞臨界的小，故鍋爐水冷壁管內(nèi)徑較細(xì)，汽機(jī)的葉片可以縮短，汽缸可以變小，降低了重量與成本。
      (6）超臨界壓力直流鍋爐沒(méi)有大直徑厚壁的汽包和下降管，制造時(shí)不需要大型的卷板機(jī)和鍛壓機(jī)等機(jī)械，制造、安裝、運(yùn)輸方便。同時(shí)取消汽包而采用汽水分離器，汽水分離器遠(yuǎn)比亞臨界鍋爐的汽包小，內(nèi)部裝置也很簡(jiǎn)單，制造工藝也相對(duì)容易，相應(yīng)地降低了成本。
       (7）啟動(dòng)、停爐快。超臨界壓力直流鍋爐不存在汽包上下壁溫差等安全問(wèn)題，而且其金屬重量和儲(chǔ)水量小，因而鍋爐的儲(chǔ)熱能力差，所以其增減負(fù)荷允許的速度快，啟動(dòng)、停爐時(shí)間可大大縮短。一般在較高負(fù)荷（80～100％）時(shí)，其負(fù)荷變動(dòng)率可達(dá)10％/min。
       (8) 超臨界壓力鍋爐適宜于變壓運(yùn)行。
       (9）超臨界鍋爐機(jī)組的水質(zhì)要求較高，使水處理設(shè)備費(fèi)用增加，例如蒸汽中銅、鐵和二氧化硅等固形物的溶解度是隨著蒸汽比重的減小而增大，因而在超臨界壓力下，即使溫度不高，銅、鐵和二氧化硅等的溶解度也很高，為防止它在鍋爐蒸發(fā)受熱面及汽機(jī)葉片上結(jié)垢，超臨界鍋爐需100％的凝結(jié)水精處理，除鹽除鐵。
       (10）超臨界壓力鍋爐的蓄熱特性不及汽包爐，外界負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，汽溫、汽壓變化快而必須有相當(dāng)靈敏可靠的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，鍋爐機(jī)組的自控水平要求也較高一些。               
      變壓運(yùn)行的超臨界壓力鍋爐壓力隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化，不需用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)門(mén)控制機(jī)組負(fù)荷，而且部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于蒸汽容積流量變化小，能保持較高的汽機(jī)效率，并通過(guò)改善鍋爐過(guò)熱器和再熱器的流量分配，提高了機(jī)組效率。
     可見(jiàn)超臨界機(jī)組優(yōu)點(diǎn)很多，中國(guó)近幾年在大力發(fā)展超臨界機(jī)組。但是超臨界機(jī)組也存在著一些不足：
     (1) 超臨界壓力鍋爐由于參數(shù)高，鍋爐停爐事故的概率比亞臨界多，降低了設(shè)備的可用率和可靠性。另外，超臨界壓力鍋爐出現(xiàn)管線破裂和起動(dòng)閥泄漏故障時(shí)影響較大。
     (2)超臨界壓力鍋爐雖然熱效率高，但鍋爐給水泵、循環(huán)泵卻要消耗較多的電耗，壓力參數(shù)的提高又會(huì)增加系統(tǒng)的漏泄量，實(shí)際上對(duì)熱效率的提高和熱耗的減少都會(huì)有一定的影響。
     (3)超臨界壓力鍋爐為了保證水冷壁和過(guò)熱器的冷卻，啟動(dòng)時(shí)要建立一定的啟動(dòng)壓力和流量，為此要配置一整套專用的啟動(dòng)旁路系統(tǒng)，因而啟、停的操作較復(fù)雜，熱損失也大。
     (4) 超臨界直流鍋爐水冷壁的安全性較差。直流鍋爐的水冷壁出口處，工質(zhì)一般已微過(guò)熱，故管內(nèi)會(huì)發(fā)生膜態(tài)沸騰，自然循環(huán)有自補(bǔ)償特性，而直流爐沒(méi)有這種特性，因此，直流爐水冷壁管壁的冷卻條件較差，較易出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。
     2.2  600MW超臨界主機(jī)的一些特殊要求
     (1) 鍋爐部分
     由于超臨界鍋爐的溫度和壓力比亞臨界鍋爐高，因此對(duì)鍋爐提出了一些特殊的要求：               
     ①超臨界鍋爐受熱面工作條件就較亞臨界鍋爐為差，故對(duì)于受熱面鋼種、管道規(guī)格等選擇上提出較高的要求。尤其是過(guò)熱器管選擇時(shí)，更應(yīng)注意所用鋼材的抗腐蝕性和晶粒度指標(biāo)。沁北電廠采用SUS347替代在亞臨界壓力鍋爐上常用的SUS321，就是考慮到SUS321的晶粒度大，易形成氧化層（Fe3O4），脫落后將引起汽輪機(jī)的“硬粒沖蝕”的問(wèn)題。               
     ②保證鍋爐在各種工況下水動(dòng)力的可靠性，在各種負(fù)荷下，從超臨界壓力到亞臨界壓力廣泛的運(yùn)行工況范圍內(nèi)，各水冷壁出口溫度上下幅度須限定在規(guī)定范圍內(nèi)，確保水動(dòng)力穩(wěn)定性不受破壞；尤其當(dāng)水冷壁懸吊管系中設(shè)有中間聯(lián)箱時(shí)，必須采取措施避免在啟動(dòng)分離器干濕轉(zhuǎn)換、工質(zhì)為兩相流時(shí)，聯(lián)箱中出現(xiàn)流量分配不均勻而使懸吊管溫差超限，導(dǎo)致懸吊管扭曲變形等問(wèn)題。               
     ③超臨界變壓運(yùn)行鍋爐水冷壁對(duì)爐內(nèi)熱偏差的敏感性較強(qiáng)，當(dāng)采用四角切園燃燒方式時(shí)必須采取有效的消除煙氣溫度偏差的措施（鍋爐出口兩側(cè)最大煙溫差不得大于50℃）。沁北電廠采用前后墻對(duì)沖燃燒的方式。
     (2)汽輪機(jī)部分               
     ①對(duì)于汽輪機(jī)本體來(lái)說(shuō)，由于超臨界壓力機(jī)組是由直流爐供汽，溶解于蒸汽中的其他物質(zhì)較多，蒸汽在汽輪機(jī)的通流部分做功后壓力降低，原先在高壓下溶解的物質(zhì)會(huì)釋放出來(lái)，產(chǎn)生固體硬粒沖蝕。針對(duì)超臨界機(jī)組固體硬粒沖蝕這一突出問(wèn)題哈爾濱汽輪機(jī)廠采取了對(duì)通流部件進(jìn)行表面硬化處理；從防磨角度優(yōu)化通流部分進(jìn)汽角度，減輕對(duì)葉片的沖蝕；采用全周進(jìn)汽和調(diào)節(jié)汽門(mén)合理管理系統(tǒng)AMS以降低啟動(dòng)流速，減小硬粒沖擊能量等。               
      ②超臨界汽輪機(jī)由于主蒸汽參數(shù)及再熱蒸汽參數(shù)的提高，特別是溫度的提高，一些亞臨界機(jī)組使用的材料，已不能適應(yīng)超臨界汽輪機(jī)的工作狀況，因此，在選材問(wèn)題給予了高度重視。主汽調(diào)節(jié)閥殼體和主蒸汽管采用9%Cr鍛鋼，以適應(yīng)主蒸汽溫度和壓力變化的要求。低壓缸進(jìn)汽溫度由亞臨界的320℃升至370℃，亞臨界使用的普通30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子材料的長(zhǎng)期時(shí)效脆性敏感性高，不能滿足長(zhǎng)期安全運(yùn)行的要求。因此采用了超純30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子材料，降低材料的長(zhǎng)期時(shí)效脆性敏感性，使超臨界的低壓轉(zhuǎn)子能夠長(zhǎng)期安全運(yùn)行。               
      ③結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取防止蒸汽旋渦振蕩的措施，避免由于高壓缸入口壓力高、汽流密度大，使調(diào)節(jié)級(jí)復(fù)環(huán)徑向間隙處發(fā)生蒸汽旋渦振蕩所引起的軸承不穩(wěn)定振動(dòng)。通常以高壓調(diào)節(jié)級(jí)處出現(xiàn)蒸汽振蕩的可能性最大，設(shè)計(jì)上采用有成熟經(jīng)驗(yàn)的葉型，并進(jìn)行動(dòng)強(qiáng)度核算，避免輪系振動(dòng)頻率與噴嘴尾跡擾動(dòng)力頻率重合所產(chǎn)生的共振。               
      (3)在輔機(jī)配套方面，除了高壓給水泵的揚(yáng)程和高壓加熱器管側(cè)壓力超臨界機(jī)組比亞臨界機(jī)組高以外，其余的設(shè)備超臨界機(jī)組和亞臨界機(jī)組基本相同。
            
3  600MW超臨界和亞臨界機(jī)組性能的比較            
3.1  熱經(jīng)濟(jì)性比較
     先將國(guó)內(nèi)部分600MW機(jī)組熱耗比較以下，情況如表1：（本表以上海石洞口二廠的機(jī)組作為參照標(biāo)準(zhǔn)）
         
                
     由于制造廠和生產(chǎn)年代不同，機(jī)組的熱耗會(huì)存在較大的差異，例如，對(duì)于亞臨界300MW機(jī)組，上世紀(jì)70年代從WH引進(jìn)時(shí)，熱耗保證值為8081            kJ/kWh，而現(xiàn)在國(guó)內(nèi)各制造廠所提供的保證值為～7820kJ/kWh，減少了3.23%。從上表也可以看出，國(guó)產(chǎn)機(jī)組中，象鄒縣電廠、平圩電廠等建廠早的機(jī)組，熱耗保證值較高，而哈爾濱三廠、吳涇電廠八期等新廠熱耗保證值較低。華能上海石洞口第二電廠，建設(shè)于上世紀(jì)80年代，投產(chǎn)于90年代初，僅具有國(guó)際80年代水平，與其他亞臨界壓力機(jī)組平均相差2.66%。國(guó)產(chǎn)超臨界機(jī)組由于在主蒸汽參數(shù)上提高，從而熱耗保證值比原來(lái)的石洞口二廠熱耗值減少了1.63％。
      同時(shí)我們?yōu)榱蓑?yàn)證以上結(jié)果，現(xiàn)比較近期投產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)600MW亞臨界機(jī)組(吳涇電廠八期)和剛剛投產(chǎn)國(guó)產(chǎn)600MW超臨界機(jī)組（華能沁北電廠一期工程）。吳涇電廠八期的保證熱耗為7871kJ/kWh，華能沁北電廠生產(chǎn)的保證熱耗為7522kJ/kWh，兩者相差4.4％，可以節(jié)約煤13.1g/kwh。。但考慮到，沁北電廠超臨界機(jī)組的參數(shù)是566/566℃，扣出主蒸汽由538℃提高到566℃所提高的熱效率，超臨界機(jī)組比亞臨界機(jī)組熱耗可以下降～3.7%，可以節(jié)約煤10.9            g/kwh左右。
      這初步可以說(shuō)明國(guó)產(chǎn)超臨界機(jī)組比亞臨界機(jī)組熱耗可以下降～3.8%,可以節(jié)約煤～11g/kwh。
3.2  可靠性比較               
      600MW超臨界機(jī)組與壓臨界機(jī)組對(duì)于汽輪機(jī)主要是高壓缸及高壓通流部分的區(qū)別，鍋爐主要是汽水流程不同，其他基本是相同的；輔機(jī)絕大部分是相同的。機(jī)組的系統(tǒng)基本相同，許多先進(jìn)的設(shè)計(jì)對(duì)于兩者均適用。通過(guò)對(duì)由于超臨界機(jī)組高溫高壓所產(chǎn)生的問(wèn)題不斷完善，過(guò)去超臨界壓力機(jī)組突出的鍋爐爆管、固體粒子侵蝕以及高壓加熱器泄漏、閥門(mén)故障已經(jīng)得到了較好的解決。
3.3  環(huán)保效益               
      由于超臨界機(jī)組比壓臨界機(jī)組的煤耗降低，而且鍋爐設(shè)計(jì)中采用了低NOX燃燒技術(shù)，電廠所排放到大氣中的二氧化碳、二氧化硫、氧化氮及煙塵均可以減少，超臨界機(jī)組有利于環(huán)保，符合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策。
            
4  結(jié)  論  
      通過(guò)以上對(duì)亞臨界機(jī)組和超臨界機(jī)組技術(shù)、可靠性、環(huán)保等方面比較分析，超臨界機(jī)組比較亞臨界機(jī)組有較大的優(yōu)越性，同時(shí)根據(jù)目前沁北電廠一期工程首臺(tái)超臨界機(jī)組的順利并網(wǎng)發(fā)電，從而證明了中國(guó)引進(jìn)超臨界技術(shù)是成功的，從中國(guó)電力改革發(fā)展的總趨勢(shì)看，采用超臨界機(jī)組是中國(guó)電力工業(yè)發(fā)展的總趨勢(shì)。