基于中溫中壓工業(yè)蒸汽需求的300 MW級(jí)供熱機(jī)組選型分析

李江波，閻占良

(河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，我國(guó)北方采暖地區(qū)大型熱電聯(lián)產(chǎn)熱電廠項(xiàng)目越來(lái)越多。目前，這些項(xiàng)目大多采用國(guó)產(chǎn)300 MW級(jí)亞臨界參數(shù)抽汽凝汽式供熱機(jī)組，由于這些機(jī)組以承擔(dān)采暖負(fù)荷為主，形成了采暖期熱電聯(lián)產(chǎn)+非采暖期純凝發(fā)電的運(yùn)行模式，在某種程度上限制了熱電聯(lián)產(chǎn)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。基于上述原因，近期規(guī)劃建設(shè)的大型熱電聯(lián)產(chǎn)熱電廠已將采暖用熱和工業(yè)用汽統(tǒng)籌考慮，力求使項(xiàng)目建成后可常年在熱電聯(lián)產(chǎn)模式下運(yùn)行，以期達(dá)到最好的熱經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保效果，并使工程有良好的經(jīng)濟(jì)效益。下面以河北建投任丘熱電廠為例，對(duì)承擔(dān)中溫中壓工業(yè)蒸汽需求的300 MW級(jí)供熱機(jī)組進(jìn)行選型分析。

1 機(jī)組承擔(dān)的熱負(fù)荷分析

根據(jù)《任丘市城市供熱規(guī)劃(2008-2020年)》(簡(jiǎn)稱“供熱規(guī)劃”)和《任丘市熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)劃(2008-2020年)》(簡(jiǎn)稱“熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)劃”)，河北建投任丘熱電廠是任丘市近、遠(yuǎn)期的主力熱源，一期工程建設(shè)2臺(tái)300 MW級(jí)供熱機(jī)組，主要供應(yīng)任丘市采暖供熱分區(qū)中A-G區(qū)的冬季采暖熱負(fù)荷和北部工業(yè)區(qū)的生產(chǎn)用蒸汽負(fù)荷。

1.1 工業(yè)蒸汽抽汽量

根據(jù)供熱規(guī)劃，由河北建投任丘熱電廠供汽的北部工業(yè)區(qū)現(xiàn)狀工業(yè)蒸汽抽汽量為75.5 t/h，近期工業(yè)蒸汽抽汽量為162.5 t/h，遠(yuǎn)期工業(yè)蒸汽抽汽量為688.7 t/h，即河北建投任丘熱電廠一期工程應(yīng)擔(dān)負(fù)的工業(yè)蒸汽抽汽量為162.5 t/h。

1.2 采暖熱負(fù)荷

根據(jù)供熱規(guī)劃，河北建投任丘熱電廠供熱區(qū)現(xiàn)有建筑面積1 601萬(wàn)m2，近期建筑面積將達(dá)到1 988.65萬(wàn) m2，其中集中供熱面積1 610萬(wàn)m2，即河北建投任丘熱電廠一期工程應(yīng)承擔(dān)采暖面積1 610萬(wàn)m2。

按照該地區(qū)氣象條件，采暖期室外計(jì)算溫度為-5.7 ℃，室外平均溫度為-0.2 ℃,采暖期122天(2 928 h)，近期熱負(fù)荷分別為：采暖期最大熱負(fù)荷790.19 MW；采暖期平均熱負(fù)荷=790.19 MW×[18-(-0.2)] ℃/[18-(-5.7)]℃=606.81 MW；采暖期最小熱負(fù)荷=790.19 MW×(18-5) ℃/(18-(-5.7))℃=433.44 MW。

另外，根據(jù)供熱規(guī)劃，河北建投任丘熱電廠要確保工業(yè)熱負(fù)荷的供應(yīng)。在保證工業(yè)用汽時(shí)，其采暖供熱能力若無(wú)法承擔(dān)1 610萬(wàn)m2，可由其它聯(lián)網(wǎng)熱源補(bǔ)充供熱。

1.3 工業(yè)熱負(fù)荷參數(shù)

河北建投任丘熱電廠位于北部工業(yè)區(qū)。根據(jù)熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)劃，一期工程承擔(dān)工業(yè)蒸汽抽汽量162.5 t/h，考慮管網(wǎng)損失等，確定工業(yè)蒸汽抽汽量為180 t/h，其中向中國(guó)石油天然氣股份有限公司華北石化分公司供160 t/h中溫中壓蒸汽(4.0 MPa、440 ℃)，向京東橡膠廠供20 t/h、280 ℃、0.8 MPa的蒸汽。

1.4 供熱方式

根據(jù)供熱規(guī)劃，采暖用熱將由設(shè)在電廠內(nèi)的供熱首站將130 ℃的高溫?zé)崴椭粮鞫?jí)換熱站，由二級(jí)換熱站向用戶供熱。換熱后70 ℃的熱網(wǎng)回水回到電廠供熱站。工業(yè)用蒸汽直接送至熱用戶。

2 裝機(jī)方案的確定

2.1 超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)要求

2.1.1 鍋爐

超臨界鍋爐受熱面工作條件比亞臨界鍋爐差，因此對(duì)于受熱面鋼種、管道規(guī)格等選用上需有專門要求，尤其是過熱器管材選擇時(shí)，應(yīng)注意所用鋼材的抗腐蝕性和晶粒度指標(biāo)。為保證鍋爐在各種工況下水動(dòng)力的可靠性，在鍋爐廣泛的運(yùn)行工況范圍內(nèi)，應(yīng)保證各水冷壁出口溫度在規(guī)定范圍內(nèi)(設(shè)計(jì)要求為50 ℃)浮動(dòng)，以確保水動(dòng)力穩(wěn)定性不受破壞。超臨界鍋爐水冷壁對(duì)爐內(nèi)熱偏差的敏感性較強(qiáng)，采用四角切圓燃燒時(shí)，必須采取有效措施，消除爐內(nèi)煙氣溫度偏差，一般鍋爐出口兩側(cè)最大煙氣溫差不得大于50 ℃。

2.1.2 汽輪機(jī)

由于超臨界汽輪機(jī)由直流鍋爐供蒸汽，溶解于蒸汽中的其它物質(zhì)較多，針對(duì)超臨界機(jī)組固體硬粒沖蝕這一突出問題，汽輪機(jī)本體設(shè)計(jì)需要采取相應(yīng)措施。由于主蒸汽參數(shù)及再熱蒸汽參數(shù)的提高，汽輪機(jī)關(guān)鍵部分的選材要比亞臨界高。超臨界汽輪機(jī)高壓缸入口壓力高、汽流密度大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，需要采取措施防止蒸汽旋渦振蕩，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。

2.2 國(guó)內(nèi)300 MW級(jí)超臨界機(jī)組現(xiàn)狀及供熱優(yōu)勢(shì)

自2003年初，國(guó)內(nèi)建設(shè)投產(chǎn)多臺(tái)300～1 000 MW超臨界(超超臨界)機(jī)組。經(jīng)過幾年來(lái)的不斷摸索改進(jìn)，目前國(guó)產(chǎn)超臨界(超超臨界)機(jī)組在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和運(yùn)行管理等方面已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于300 MW級(jí)超臨界機(jī)組，各制造廠額定容量大都采用350 MW，目前已有華能瑞金電廠(2007年底投產(chǎn)，純凝)、華能海南東方電廠、華能長(zhǎng)春第四熱電廠(2009年底投產(chǎn)，供熱)、山東黃臺(tái)火力發(fā)電廠(2009年底投產(chǎn)，供熱)等項(xiàng)目投產(chǎn)，運(yùn)行狀況良好。

350 MW超臨界供熱機(jī)組與300 MW級(jí)亞臨界供熱機(jī)組相比，由于初參數(shù)提高，其各級(jí)抽汽參數(shù)也相應(yīng)提高。如常用來(lái)作為工業(yè)蒸汽抽汽的二、三、四段抽汽，抽汽壓力可提高約0.5～0.8 MPa，可滿足更多工業(yè)熱用戶的生產(chǎn)需求。這使得機(jī)組能夠在更大范圍內(nèi)適應(yīng)工業(yè)蒸汽參數(shù)要求，從而在供熱方面具有優(yōu)勢(shì)條件。

由于超臨界汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要材質(zhì)上的特殊要求，其價(jià)格比亞臨界汽輪機(jī)高。對(duì)運(yùn)行的安全性和操控方面的要求也較高。從安全性考慮，直流鍋爐水冷壁管壁的冷卻條件較差，容易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，而自然循環(huán)的汽包爐則有自補(bǔ)償特性，安全性較高。但國(guó)內(nèi)大型超臨界機(jī)組已有較為成熟的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，這些問題都不構(gòu)成制約條件。任丘熱電廠工程采用超臨界供熱機(jī)組在技術(shù)上是合理的。建議具有類似供熱要求的300 MW級(jí)熱電廠采用超臨界參數(shù)機(jī)組。

2.3 針對(duì)供熱需求的裝機(jī)方案分析

河北建投任丘熱電廠承擔(dān)的熱負(fù)荷中，工業(yè)蒸汽參數(shù)主要為中溫中壓參數(shù)，這給機(jī)組選型帶來(lái)一定的難度。常規(guī)國(guó)產(chǎn)亞臨界300 MW級(jí)供熱式汽輪機(jī)高壓缸排汽參數(shù)約為3.6 MPa/360 ℃，采暖抽汽參數(shù)為0.3～0.5 MPa/500～550 t/h，在減少采暖抽汽量的前提下，可具備100 t/h(約0.8 MPa)的工業(yè)蒸汽供汽能力?？梢姡舨捎贸Ｒ?guī)國(guó)產(chǎn)亞臨界300 MW級(jí)供熱式汽輪機(jī)，無(wú)法供出4.0 MPa/440 ℃的工業(yè)蒸汽。若從主蒸汽系統(tǒng)減溫減壓提供，將是一個(gè)經(jīng)濟(jì)性和安全性都極不理想的辦法。經(jīng)向制造廠咨詢后，任丘熱電廠一期工程選用了350 MW超臨界抽凝式供熱機(jī)組。

針對(duì)該工程熱負(fù)荷情況，采用350 MW超臨界抽凝式供熱機(jī)組是一個(gè)比較好的方案，不但滿足了較高參數(shù)工業(yè)熱用戶需求，還可提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，節(jié)能減排效果更好。

通過與汽輪機(jī)廠家溝通，幾家汽機(jī)廠均可在350 MW超臨界純凝機(jī)組基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)，提供滿足工程需要的350 MW超臨界供熱機(jī)組。其高壓缸排汽壓力高于4.4 MPa，完全可以從再熱系統(tǒng)向外供應(yīng)中溫中壓工業(yè)蒸汽。具體供應(yīng)蒸汽的方式：一是征得鍋爐廠同意，從再熱器440 ℃ 蒸汽溫度區(qū)域直接對(duì)外供應(yīng)蒸汽；二是從再熱器出口抽汽經(jīng)減溫器供出。

根據(jù)該工程熱用戶用汽量要求，每臺(tái)機(jī)組的工業(yè)抽汽量確定為90 t/h，其中從高壓缸排汽(經(jīng)鍋爐再熱器加熱)供出80 t/h的中溫中壓蒸汽，從四段抽汽抽10 t/h的高溫蒸汽，分別直接供給熱用戶。每臺(tái)350 MW超臨界供熱機(jī)組最大工業(yè)抽汽量可以達(dá)到266 t/h，在1臺(tái)機(jī)組停運(yùn)的時(shí)候，另外1臺(tái)機(jī)組完全可以滿足工業(yè)用戶的蒸汽用量，從而保證了工業(yè)熱用戶的供熱可靠性。

3 機(jī)組選型的經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 機(jī)組選型初期投資比較

生產(chǎn)廠家對(duì)350 MW超臨界供熱機(jī)組三大主機(jī)(鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī))的報(bào)價(jià)為72 800元，對(duì)300 MW級(jí)亞臨界供熱機(jī)組三大主機(jī)的報(bào)價(jià)為61 200元，差價(jià)為11 600元。按照2009年的價(jià)格投資水平計(jì)算，2臺(tái)350 MW超臨界供熱機(jī)組的靜態(tài)投資為29.2億元，折合為4 170元/kW(靜態(tài))，2臺(tái)300 MW級(jí)亞臨界供熱機(jī)組工程靜態(tài)投資為26.5億元，折合為4 416元/kW(靜態(tài))。

3.2 機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性分析

為分析350 MW超臨界供熱機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，對(duì)350 MW超臨界供熱機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和具有類似熱負(fù)荷條件的常規(guī)300 MW亞臨界供熱機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比情況見表1。

從表1可以看出，在采暖期工況下，采用350 MW超臨界供熱機(jī)組比采用300 MW亞臨界供熱機(jī)組全廠熱效率高6.5%；在非采暖期工況下，采用350 MW超臨界供熱機(jī)組比采用300 MW亞臨界供熱機(jī)組全廠熱效率高4.9%。上述比較中，2種機(jī)組的供熱條件不完全相同，但比較接近，因此可以定性地得出結(jié)論，采用350 MW超臨界供熱機(jī)組比采用300 MW亞臨界供熱機(jī)組全廠熱效率高。

表1 350 MW超臨界供熱機(jī)組與300 MW亞臨界供熱機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)論

通過對(duì)河北建投任丘熱電廠300 MW級(jí)供熱機(jī)組選型的比較分析，認(rèn)為在有中溫中壓工業(yè)蒸汽需求，又要兼顧采暖供熱的條件下，采用350 MW超臨界供熱機(jī)組比300 MW亞臨界供熱機(jī)組，從各方面來(lái)說(shuō)都具有一定得優(yōu)勢(shì)。

a. 從機(jī)型對(duì)供熱需求的適應(yīng)性看，若350 MW超臨界供熱機(jī)組高壓缸排汽壓力可滿足對(duì)外供應(yīng)中溫中壓蒸汽的要求(溫度稍低)，可從鍋爐再熱器溫度合適的地方抽汽對(duì)外供熱或從再熱蒸汽熱段管道上抽汽減溫后對(duì)外供熱，其熱經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于亞臨界機(jī)組。

b. 從熱經(jīng)濟(jì)方面看，采用350 MW超臨界供熱機(jī)組比采用300 MW亞臨界供熱機(jī)組全廠熱效率高5%左右。