火力發(fā)電機組運行壽命研究及退役容量預測

潘 軍，潘怡辰

(1.中國電力建設工程咨詢公司，北京 100120；2.重慶大學，重慶 400044)

1 概述

我國電力結(jié)構以燃煤發(fā)電為主。截至2010年底，全國發(fā)電裝機容量達到9.66億kW，其中火電機組裝機約7.1億kW，占總?cè)萘?3.43%。2010年我國原煤產(chǎn)量32.4億t，其中發(fā)電消耗原煤約占54.24%。從今后發(fā)展來看，火力發(fā)電仍將在相當長的時期內(nèi)在我國電力結(jié)構中占據(jù)主導地位。

面對燃煤火電機組當前面臨和長遠發(fā)展形勢，研究其裝機構成和現(xiàn)狀，對機組經(jīng)濟、安全的合理壽命進行綜合分析，取得盡可能準確和量化的在役火力發(fā)電機組的退役預期，為我國燃煤火電機組規(guī)劃和建設提供基礎性、指導性數(shù)據(jù)，對電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構調(diào)整和有序發(fā)展有著重要的意義。

本文針對在役的燃煤火力發(fā)電機組現(xiàn)狀、運行壽命周期和預測退役期限等進行的專題分析和研究，提出機組壽命建議并預測各階段退役容量。

2 火力發(fā)電機組的壽命

2.1 概述

壽命一般是指構件或設備從投運直至由于損傷失效或經(jīng)濟性等原因，而不能繼續(xù)服役所經(jīng)歷的總時間。火電機組的壽命有設計壽命(理論安全運行壽命或設計使用壽命)、技術壽命、經(jīng)濟壽命、實際安全運行壽命等概念。

火電機組壽命取決于其采用的關鍵設備(或部件)的壽命，而設備(或部件)的壽命主要取決于使用的金屬材料的安全使用壽命。金屬材料的壽命損耗主要是疲勞和蠕變兩大類，兩種壽命損耗形成機理不同，但往往是同時發(fā)生、相互作用，使得金屬材料的壽命損耗加劇。

疲勞破壞是金屬材料在交變(循環(huán))應力的作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)之后，材料發(fā)生斷裂損壞，主要是由于負荷變化等因素產(chǎn)生的交變應力引起，損耗量取決于負荷變化的次數(shù)?；痣姍C組負荷變化主要表現(xiàn)在機組的冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)、極熱態(tài)啟動過程和機組升降負荷時的階躍變化，疲勞壽命控制是根據(jù)界定的機組在電網(wǎng)中的作用等因素，事先規(guī)定好運營期可能會發(fā)生的各類啟動或負荷階躍量和次數(shù)等，依據(jù)材料的S(即應力或應變)－N(次數(shù)或壽命)曲線進行材料選擇、壽命核算并適當留出一定的安全裕度。疲勞壽命核算采用線性累計方式，即確定和計算不同的啟動工況單次疲勞壽命消耗，按照線性方式折合成總壽命消耗的百分數(shù)后，乘以各自允許的啟動次數(shù)即為此種啟動工況合計壽命消耗，將各種工況壽命消耗疊加計算即為總壽命消耗，設計階段控制總壽命消耗在允許的范圍內(nèi)。

蠕變是金屬材料在高溫工作條件下，即使承受的低于材料屈服極限的恒定應力作用，也會發(fā)生持續(xù)增長的永久變形，一般情況下碳鋼、合金鋼和熱強鋼部件在工作溫度分別高于350℃、420℃和480℃時均需考慮蠕變的影響，蠕變造成的破壞多屬低應力破壞，損耗取決于金屬材料在某一高溫和應力作用下持續(xù)的時間或是永久變形的積累量?；痣姍C組設計階段蠕變損耗一般是經(jīng)驗的按照疲勞損耗總量的1/3來考慮，實際運行中是參照材料的蠕變曲線或是實際運行時間等進行監(jiān)護和控制。

目前，火電機組一般所提的設計或使用壽命基本為沿用國外相關規(guī)定和要求。我國建國初至20世紀70年代前是全套沿用前蘇聯(lián)三大主機設備使用壽命30年的理念。原電力工業(yè)部針對20世紀70年代末開始大量引進西方技術專門編制和下發(fā)的《進口大容量火力發(fā)電設備技術談判指南》中對三大主機設備壽命界定和要求如下：①鍋爐主要承壓部件使用壽命應不小于30年，一般按200,000運行小時設計壽命計算；②汽輪機的使用壽命應不小于30年(不包括易損件)；③發(fā)電機使用壽命一般為40年。

鍋爐和汽輪機設備設計和加工制造國標中未對設計壽命提出具體年限要求，GB/T7064－2008《隱極同步發(fā)電機技術》明確要求發(fā)電機的設計使用壽命應不小于30年。GB50660－2011《大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)程》中明確發(fā)電廠的工藝系統(tǒng)設計壽命按30年考慮。

目前國內(nèi)外火電機組部件均為常規(guī)強度設計而非有限壽命設計，故從理論上講是不能給出部件或機組的準確的設計或安全運行壽命年限，實際機組建成投產(chǎn)后運營期也基本是參照30年壽命控制。

鑒于影響火電機組壽命的因素較多，包括選用的原材料特性參數(shù)波動性、設計過程中裕度控制的差異性、加工制造環(huán)節(jié)質(zhì)量管理的離散性、安裝質(zhì)量的隨機性、運行方式和大修周期更換易損部件范圍多少的不確定性等等綜合因素均影響機組的實際壽命，很難通過建立數(shù)學模型或是較精確的公式進行預測和判定，故本文只是針對火電機組關鍵設備三大主機設備的設計、檢測和實際運行的調(diào)研分析情況，并從熱力系統(tǒng)管道和建筑結(jié)構等其他主要因素的設計壽命等方面進行綜合分析，以期從宏觀上分析、了解和預測火力發(fā)電機組的運行壽命，對機組的壽命提出建議性、參考性意見，并為以此為基礎，對機組退役或替代時間、周期和容量進行宏觀預測。

2.2 鍋爐、汽輪機和發(fā)電機設備設計和運行壽命情況

鍋爐、汽輪機和發(fā)電機設備運行期的冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)、極熱態(tài)啟動和負荷階躍次數(shù)是影響其疲勞壽命的主要因素。目前國內(nèi)基本是按照機組前10年帶基本負荷，中間10年考慮50%～100%負荷區(qū)間運行，后10年按照兩班制方式運行(即：機組在夜間低負荷時停用，次日再啟動，屬調(diào)峰運行的一種方式)的模式，預測機組典型的冷態(tài)啟動、溫態(tài)啟動、熱態(tài)啟動、極熱態(tài)啟動和負荷階躍(大于10%額定負荷)次數(shù)分別為500、4000、5000、300和12000次，一般情況下均據(jù)此條件進行設計，針對特殊運行條件的機組可根據(jù)具體情況預測或模擬運行狀態(tài)進行適當調(diào)整。

三大主機主要部件設計時分別進行各狀態(tài)單次壽命消耗計算并采用線性累計方式進行總體疊加，常規(guī)是按照疲勞壽命消耗不超過總壽命的75%控制，另外25%考慮為蠕變壽命消耗值，也有項目針對汽輪機設備提出要求疲勞壽命消耗不超過總壽命消耗的75%，實際上汽輪機設備基本為標準系列產(chǎn)品，制造廠針對選定的機型和材料核算后疲勞壽命消耗值基本均未超過56.25%。

2.3 熱力系統(tǒng)主要管道

熱力系統(tǒng)關鍵部件主要是主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道和大口徑三通，其主要損傷機理是蠕變、疲勞、蠕變－疲勞交互作用、腐蝕和高溫氧化腐蝕，服役條件苛刻，其薄弱區(qū)域為焊縫和管件。正常條件下直管段的壽命可達到或超過30年，但一些彎頭、三通、異徑管等壽命可能會低于30年。對熱力系統(tǒng)管道的檢驗監(jiān)督和壽命評估執(zhí)行DL/T940－2005《火力發(fā)電廠高溫高壓蒸汽管道壽命評估技術導則》。管道設計時壁厚的選擇計算中已考慮了腐蝕、磨損和機械強度要求的部分附加厚度，且一般均在計算壁厚基礎上圓整到整數(shù)值厚度或是制造廠的標準厚度系列值，并執(zhí)行DL/T441－2004《火力發(fā)電廠高溫高壓蒸汽管道蠕變監(jiān)督規(guī)程》的要求在管道上最小壁厚段設置蠕賬監(jiān)察段和檢測點進行運行過程中的監(jiān)督。

2.4 其它影響因素

影響火電機組壽命除了上述的三大主機設備和熱力系統(tǒng)主要管道外，輔機設備等也影響機組整體壽命，但考慮到其投資額度相對較低，且影響范圍小，可以通過定期更換易損件或是損壞后整套更換等方式處理，故不作為主要影響因素考慮。

除此之外還有許多因素交相影響，其中主廠房等主要建構筑物壽命也是影響火電機組壽命的關鍵因素之一。根據(jù)《建筑結(jié)構可靠度設計統(tǒng)一標準》(GB 50068－2001)和《火力發(fā)電廠土建結(jié)構設計技術規(guī)定》(DL5022)，火力發(fā)電廠主廠房結(jié)構設計使用年限一般為50年，即在這一規(guī)定時期內(nèi)，主廠房在正常設計、正常施工、正常使用和維護下不需要進行大修就能夠按其預定的目標使用。因此，從理論上講，50年是正常情況下建筑結(jié)構保持良好使用的年限，超過50年結(jié)構需進行鑒定確定是否需要加固后延長結(jié)構的使用年限，即主廠房結(jié)構的壽命應不止50年。

3 壽命綜合分析意見和結(jié)論

考慮到材料的疲勞壽命曲線中壽命次數(shù)為試驗中出現(xiàn)初始裂紋的最小循環(huán)次數(shù)，且在部件設計壽命核算時尚要求留有一定的裕度，在實際運行中即使是出現(xiàn)了初始裂紋還可修補后繼續(xù)使用，故從材料的角度分析火電機組設備是具備延長一定的使用壽命條件的。

針對鍋爐主要承壓部件運行200,000 h設計壽命按照30年折算，相當于每年可以運行6666h，實際上近年設備年運行小時均有不同程度的下降，考慮到設備實際運行的時間與設計允許的時間有差異，同時考慮壽命還取決于原材料選擇、加工精度和運行精細化程度等綜合因素，加之實際上承壓元件制造完畢后的成品壁厚基本上都比強度計算需要壁厚大。針對鍋爐、汽輪機和發(fā)電機設備對總的壽命和疲勞消耗壽命的要求及冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)、極熱態(tài)和負荷階躍(大于10%額定負荷)次數(shù)預測原則，實際運行中啟動次數(shù)存在著小于設計要求值的情況，加之實際上設備制造廠在設計時疲勞壽命消耗值控制較低，故很多機組超過經(jīng)驗壽命年限仍然超期服役。

考慮充分利用和發(fā)揮材料的壽命裕度和設計裕量，火力發(fā)電機組的實際安全運行壽命理論上講應該能超過原經(jīng)驗壽命30年，延期使用在節(jié)省初投資和系統(tǒng)規(guī)劃等方面均有一定的優(yōu)勢。但考慮到即便是針對相同容量和相同參數(shù)并同期制造的火電機組，其原材料的選擇和供應批次、加工制造和安裝等環(huán)節(jié)差異、機組所處地域差異造成運行方式不同(包括不同的設備實際可利用系數(shù)和機組強迫停機率等)，大修周期更換易損部件范圍差異等等綜合因素均切實地影響著機組的實際運行壽命，現(xiàn)階段如何準確的量化界定機組的實際安全運行壽命仍是一個世界性的難題。本文只針對燃煤火電機組三大主機設備的設計、檢測和實際運行的調(diào)研情況，同時從熱力系統(tǒng)管道和建筑結(jié)構等其他主要因素的設計壽命等方面著手，宏觀的分析、了解和預測火力發(fā)電機組的運行壽命，兼顧考慮火電行業(yè)技術進步和產(chǎn)業(yè)政策等相關要求，提出針對不同容量和參數(shù)的機組，分別以技術壽命和經(jīng)濟壽命確定其合理的退役期限。

綜合以上分析，從設計角度分析并參考實際運行機組壽命經(jīng)驗，機組的運行壽命是可以超過原設計30年壽命的，但考慮到不同機組原始設計初參數(shù)的選擇和運行技術指標相對于現(xiàn)階段新機組的優(yōu)劣程度的差異性，考慮設備老化等因素造成機組的效率下降等因素，兼顧考慮火電行業(yè)技術提升、更新、進步和產(chǎn)業(yè)政策等相關要求，針對單機容量200MW以下、初參數(shù)低和技術指標差的機組建議以低于30年的技術壽命確定其退役的期限；針對大容量、高參數(shù)機組考慮充分利用設備壽命裕量、最大限度發(fā)揮其經(jīng)濟效益，運行后期如需要可以考慮更換部分部件等方式確保機組安全運行，建議以高于30年的經(jīng)濟壽命控制其退役的期限。具體建議火電機組經(jīng)濟(技術)壽命控制原則如下：

(1)199MW及以下純凝機組，原則上按照20年技術壽命控制，如有特殊情況需要繼續(xù)維持運行，也可考慮在監(jiān)督下運行服役到30年。供熱機組可參照執(zhí)行，原則上可按照經(jīng)濟壽命30年考慮。

(2)200－299MW機組：根據(jù)2010年度火電機組設計發(fā)電標煤耗指標統(tǒng)計，200MW超高壓(12.7/535/535)實際運行供電標準煤耗約370g/kWh，比2010年平均標準煤耗335g/kWh高出約10%，建議經(jīng)濟壽命按照30年服役期限考慮控制。

(3)300－399MW機組：根據(jù)2010年度火電機組設計發(fā)電標煤耗指標統(tǒng)計，300MW濕冷機組實際運行供電標準煤耗約325g/kWh，比2010年平均供電煤耗低約10g/kWh，空冷機組比2010年平均標準煤耗335g/kWh高出約5～10g/kWh，建議經(jīng)濟壽命按照40年服役期限考慮，投產(chǎn)運行30年后按照每5年開展一次主要承壓部件壽命檢測和鑒定，確定其壽命消耗狀況，綜合分析提出相應措施并處理后繼續(xù)監(jiān)控運行。

(4)500MW及以上機組經(jīng)濟壽命按照50年服役期限考慮控制，投產(chǎn)運行30年后按照每5年開展一次主要承壓部件壽命檢測和鑒定，確定其壽命消耗狀況，綜合分析提出相應措施并處理后繼續(xù)監(jiān)控運行。

以下暫按照上述經(jīng)濟(或技術)壽命年限原則針對在役燃煤火力發(fā)電機組現(xiàn)狀情況進行分析，并預測實際的退役時間和容量。

4 在役燃煤火電機組基礎數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)分析主要依據(jù)電力可靠性管理中心2011年4月發(fā)布的《全國發(fā)電機組手冊》(2010年度)和《二0一0年電力工業(yè)統(tǒng)計資料匯編》等資料：

截至2010年底，全國在役單機容量6MW及以上燃煤火電機組總裝機容量為646,606.4 MW，其中100MW及以上機組564,495.5 MW，6MW～99MW機組82,110.9 MW，具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)如下：

單機容量100MW～199 MW機組共有345臺，合計容量45480.5MW；

單機容量200MW～299MW機組共計225臺，合計容量46,165MW；

單機容量300MW～399MW機組共計703臺，合計容量219,328MW；

單機容量500MW～1000MW機組394臺，總?cè)萘?53,522MW。

5 結(jié)論和意見

5.1 在役機組分析和機組退役預測

按照上述建議的機組壽命控制年限，對現(xiàn)役單機容量100MW及以上機組退役預測為：

2011年～2015年退役機組總?cè)萘繛椋?141 MW；

2016年～2020年退役機組總?cè)萘繛椋?1380.5 MW；

2021年～2025年退役機組總?cè)萘繛椋?5456 MW；

2026年～2030年退役機組總?cè)萘繛椋?2147.5 MW。

近期需退役的機組主要為技術壽命控制的小機組，單機容量100MW～199MW機組合計容量45480.5MW于2030年全部退役；200MW～299MW 和300MW～399MW 機組2030年前退役容量分別為31640MW和18004.5MW，約占現(xiàn)有同容量機組總量的69.5%和8.2%；500MW及以上 機組2030年前無退役容量。

現(xiàn)階段在役的100MW及以上燃煤火電機組2030年前合計退役總?cè)萘繛?5125MW，考慮在役的6MW～99MW機組82110.9 MW容量按照20年技術壽命控制，則2030年前全部退役，兩項合計預計退役總?cè)萘繛?77,235.9MW(1.77 億 kW)。

5.2 說明和建議

在本文建議的壽命期內(nèi)，為確保機組安全運行，針對300MW及以上機組投產(chǎn)運行30年后，請有資質(zhì)的單位根據(jù)DL/T654－2009《火電機組壽命評估技術導則》，按照每5年開展一次主要承壓部件壽命檢測和鑒定，確定其壽命消耗狀況，綜合分析提出相應措施并處理后繼續(xù)監(jiān)控運行到經(jīng)濟壽命。當機組服役到經(jīng)濟壽命后，如因特殊情況還需要繼續(xù)延長使用，建議按照每2年開展一次主要承壓部件壽命檢測和鑒定，確定其壽命消耗狀況，綜合分析提出相應措施并處理后繼續(xù)監(jiān)控運行，原則上機組安全運行壽命不超過60年。

[1]電力可靠性管理中心．全國發(fā)電機組手冊(2011年度)[K]．北京：電力可靠性管理中心，2011.

[2]中國電力企業(yè)聯(lián)合會．二0一0年電力工業(yè)統(tǒng)計資料匯編[K]．北京：中國電力企業(yè) 聯(lián)合會，2011．

[3]DL/T654—2009，火電機組壽命評估技術導則[S]．

[4]EPRI CS—4778，火力發(fā)電廠延長壽命通用導則[S]．