1 000 MW機(jī)組主機(jī)參數(shù)優(yōu)化的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

吳志祥, 王存新, 丁 宜

(安徽安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司 安全監(jiān)察部, 安徽 安慶 246003)

1 000 MW機(jī)組主機(jī)參數(shù)優(yōu)化的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

吳志祥, 王存新, 丁 宜

(安徽安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司 安全監(jiān)察部, 安徽 安慶 246003)

為了在安徽某電廠二期擴(kuò)建工程2×1 000 MW機(jī)組中選擇技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的主機(jī)參數(shù),采用了投資回收期分析方法,論證了國內(nèi)首次應(yīng)用28 MPa/600 ℃/620 ℃高參數(shù)方案.相對于基準(zhǔn)方案,雖然初投資增加了8 710萬元,但可降低熱耗58 kJ/kWh,發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率降低2.14 g/kWh,每年節(jié)約1.18×104t標(biāo)準(zhǔn)煤,每年節(jié)約燃料費(fèi)1 412.3萬元,7.8年收回成本,投資回收期小于10年,方案可行.

主機(jī)參數(shù); 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性; 分析

目前,提高火電廠效率的基本路徑有3種:一是提高主機(jī)初參數(shù)與凝汽器背壓;二是采用更多的再熱循環(huán)次數(shù);三是在回?zé)嵯到y(tǒng)上進(jìn)一步優(yōu)化.由于受到冷卻面積與環(huán)境溫度的影響,背壓的下降空間是有限的.現(xiàn)在也有600 MW等級機(jī)組與1 000 MW機(jī)組采用了二次再熱的方法提高循環(huán)效率,但投資也會明顯增加.因此,提高蒸汽參數(shù)、發(fā)展大容量機(jī)組是提高機(jī)組熱效率的主要手段.

世界各國火電機(jī)組參數(shù)由亞臨界(18 MPa,538 ℃)發(fā)展到了超臨界(25 MPa,540～566 ℃)和超超臨界(25～30 MPa,580～620 ℃)[1],超超臨界機(jī)組在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用,并朝著更高參數(shù)、更高效率發(fā)展.安徽某電廠二期2×1 000 MW機(jī)組擴(kuò)建工程中,為了保證該工程具有一定的前瞻性和技術(shù)先進(jìn)性,代表當(dāng)代火力發(fā)電技術(shù)的國際先進(jìn)水平和發(fā)展潮流,率先采用了高參數(shù).本文結(jié)合該工程實(shí)踐,分析了主機(jī)參數(shù)優(yōu)化的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性.

1 主機(jī)初參數(shù)及其技術(shù)分析

1.1 超超臨界技術(shù)發(fā)展概況

由朗肯循環(huán)原理可知,初參數(shù)越高越能改善循環(huán)效率.從國內(nèi)外火電機(jī)組的發(fā)展歷史來看,超超臨界技術(shù)的發(fā)展分為以下3個(gè)階段.

(1) 主機(jī)壓力為25 MPa,主機(jī)溫度參數(shù)為566 ℃和593 ℃及以上.由于使用溫度的提高,歐洲及日本機(jī)組將溫度提高到了580～600 ℃.

(2) 采用高溫的同時(shí),壓力也提高到27.6 MPa,31 MPa,34.5 MPa 3個(gè)級別.壓力初參數(shù)不僅受材料的強(qiáng)度限制,還受排汽濕度的限制.在提高壓力的同時(shí),如仍采用一次再熱,則要提高再熱溫度或二次再熱.二次再熱雖然能提高1%～2%的熱效率,但會使成本顯著增加.國外超超臨界機(jī)組除了少數(shù)早期投運(yùn)的機(jī)組外,日本與歐洲的機(jī)組都趨向于采用一次再熱,以降低造價(jià).

(3) 在本工程投運(yùn)之前,國內(nèi)外超超臨界機(jī)組大多為700～1 000 MW,還沒有壓力高于27 MPa的機(jī)組.

國內(nèi)具備超超臨界汽輪機(jī)生產(chǎn)能力的3大主機(jī)廠分別是哈爾濱汽輪機(jī)廠、東方汽輪機(jī)廠和上海汽輪機(jī)廠,東方汽輪機(jī)廠技術(shù)支持方是日本的日立公司,哈爾濱汽輪機(jī)廠技術(shù)支持方是日本的東芝公司,上海汽輪機(jī)廠技術(shù)支持方是德國的西門子公司.目前,這3大汽輪機(jī)制造廠均已有百萬千瓦超超臨界汽輪機(jī)組的運(yùn)行業(yè)績[2].

其中,上海汽輪機(jī)廠在百萬等級超超臨界機(jī)組方面業(yè)績較突出,該廠全面引進(jìn)了西門子‘HMN’型、單軸、百萬千瓦汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)[3].1999年,西門子公司與西屋公司合并,上海汽輪機(jī)廠的合資方也由西屋公司轉(zhuǎn)為西門子公司.2003年底,上海汽輪機(jī)廠與其合資伙伴德國西門子公司簽定了1 000 MW功率等級超超臨界汽輪機(jī)的技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同.到目前為止,已與多家電力公司簽訂了1 000 MW等級超超臨界汽輪機(jī)供貨合同.其中,已投產(chǎn)發(fā)電的機(jī)組中,采用的蒸汽參數(shù)大多為26.25 MPa/600/600 ℃,也有部分電廠采用27 MPa/600/600 ℃[4].

1.2 國內(nèi)主機(jī)各初參數(shù)方案的技術(shù)分析

在我國,1 000 MW機(jī)組25～27 MPa/600/600 ℃已經(jīng)是比較成熟和典型的機(jī)型,且有成功運(yùn)行業(yè)績.已投運(yùn)的1 000 MW超超臨界機(jī)組中,汽機(jī)高壓主汽門前進(jìn)汽壓力通常在25～27 MPa,主汽和再熱溫度均為600/600 ℃,均為一次再熱機(jī)組.不同的汽機(jī)廠由于技術(shù)支持方不同,在機(jī)組的進(jìn)汽壓力上存在一定的差別.

近年來,國內(nèi)制造商在1 000 MW超超臨界機(jī)組成功運(yùn)行的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研發(fā)了1 000～1 200 MW及更高參數(shù)的機(jī)組,以最大限度地提高機(jī)組效率.目前,3大制造廠均已完成1 000～1 200 MW等級機(jī)組的方案設(shè)計(jì),在成熟的材料條件下,1 000～1 200 MW等級機(jī)組參數(shù)定位在汽機(jī)入口壓力約為28 MPa,主汽溫度為600 ℃,再熱溫度為600/610/620 ℃.

對于進(jìn)一步提高一次再熱機(jī)組主機(jī)壓力采用30 MPa的可能性,分析如下.

上海汽輪機(jī)廠曾在華能的1 260 MW機(jī)組中,與西安熱工院一起進(jìn)行過方案論證,結(jié)論是主機(jī)壓力采用30 MPa后性價(jià)比不高,故上海汽輪機(jī)廠明確表示不推薦,主要理由有3個(gè).

(1) 主機(jī)壓力采用30 MPa后,汽機(jī)排汽濕度增加;結(jié)構(gòu)上,需要增加汽機(jī)壁厚,使得投資成本增加;通流上,葉片變短,葉頂損失增加,效率降低.因此,與28 MPa相比,采用30 MPa后,熱耗降低值約為15～20 kJ/kWh.

(2) 主汽采用30 MPa后,鍋爐投資增加較多,一次汽系統(tǒng)管道、聯(lián)箱等壁厚增加約10%,質(zhì)量相應(yīng)增加較多.

(3) 雖然上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)的西門子技術(shù)模塊高壓缸的承壓能力可達(dá)30 MPa,但應(yīng)用到工程中仍不建議取用上限值,應(yīng)留有裕量.

基于上述原因,目前上海汽輪機(jī)廠暫沒有進(jìn)行30 MPa的方案設(shè)計(jì)工作的計(jì)劃,對價(jià)格也沒有進(jìn)行最終的評估.

對于哈爾濱汽輪機(jī)廠和東方汽輪機(jī)廠,30 MPa機(jī)組的主汽參數(shù)也需重新設(shè)計(jì),與28 MPa相比,兩廠提供的熱耗均降低13 kJ/kWh,且認(rèn)為目前階段汽機(jī)價(jià)格很難準(zhǔn)確估算,哈爾濱汽輪機(jī)廠提供汽機(jī)成本估算大概在28 MPa的基礎(chǔ)上增加約2.5%;東方汽輪機(jī)廠估算汽機(jī)價(jià)格在28 MPa的基礎(chǔ)上增加約5%.

對于進(jìn)一步提高鍋爐的蒸汽壓力,從設(shè)計(jì)上是可行的,但壁厚將增加較多,尤其是厚壁的一次汽部分,上海鍋爐廠初步估算一次汽部分的質(zhì)量增加可能不超過10%;同時(shí),主機(jī)壓力提高后,高壓缸的排汽壓力也會有所增加,再熱蒸汽部分的壁厚也會增加.

因此,根據(jù)與主機(jī)廠技術(shù)交流的最新情況,從1 000 MW一次再熱機(jī)組的熱耗、循環(huán)效率及經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面綜合考慮,上海汽輪機(jī)廠建議選用27 MPa/600/620 ℃的蒸汽參數(shù),主機(jī)壓力也可以提高至28 MPa,東方汽輪機(jī)廠和哈爾濱汽輪機(jī)廠均推薦采用28 MPa/600/610 ℃蒸汽參數(shù).而主汽采用30 MPa時(shí),對熱耗的改善不顯著,但投資大大增加,因此本工程不推薦采用30 MPa的主汽參數(shù).

1.3 二次再熱方案的探討

采用二次再熱的主要目的是為了進(jìn)一步提高機(jī)組的平均吸熱溫度,并滿足機(jī)組低壓缸最終排汽濕度的要求.但二次再熱系統(tǒng)將更加復(fù)雜,將有兩個(gè)再熱器,增加一個(gè)超高壓缸、一根冷再管與熱再管、兩套超高壓主汽閥與調(diào)節(jié)閥,且機(jī)組長度也有所增加.同時(shí),運(yùn)行時(shí)對控制精度的要求更高.

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示,在當(dāng)前參數(shù)下,二次再熱帶來的熱經(jīng)濟(jì)性下降1.4%～1.6%左右,但機(jī)組的成本要提高10%～15%,機(jī)組成本約占電廠總投資的40%～45%,因此電站投資要增加4%～6.8%.目前,我國二次再熱機(jī)組技術(shù)尚在示范階段,主機(jī)廠推薦的參數(shù)差異也較大,因此本工程暫不考慮二次再熱技術(shù).

2 主機(jī)參數(shù)擬定

與亞臨界參數(shù)的機(jī)組相比,常規(guī)超臨界參數(shù)的機(jī)組的凈熱耗率可降低約2%～3%;而根據(jù)不同的參數(shù),超超臨界機(jī)組的凈熱耗率將比常規(guī)超臨界機(jī)組再下降約1%～6%.超超臨界機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性能主要體現(xiàn)在汽輪機(jī)的熱耗率值,熱耗率越低,機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益越高.機(jī)組的參數(shù)越高,其熱耗率值也越低.3種機(jī)組的參數(shù)和經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)值如表1所示.

表1 3種機(jī)組的參數(shù)和經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)值

2.1 汽機(jī)入口主蒸汽參數(shù)的選取

不同主機(jī)壓力和溫度下,機(jī)組的熱耗相對收益曲線如圖1所示.由圖1可看出,主機(jī)壓力每提高1 MPa可以降低熱耗約0.2%.

圖1 主機(jī)壓力和溫度對熱耗相對收益的影響

主機(jī)壓力的選取與各汽輪機(jī)廠采用的技術(shù)有關(guān).目前,國內(nèi)3大汽輪機(jī)廠已投運(yùn)的1 000 MW超超臨界機(jī)組主汽門前額定壓力有25 MPa,26.25 MPa,27 MPa 3種壓力參數(shù),上海汽輪機(jī)廠供貨的外高橋電廠三期、銅陵電廠的主機(jī)壓力為27 MPa,其他電廠均為26.25 MPa;東方汽輪機(jī)廠和哈爾濱汽輪機(jī)廠已投運(yùn)的汽輪機(jī)均為25 MPa,東方汽輪機(jī)廠已有26.25 MPa的訂貨業(yè)績,哈爾濱汽輪機(jī)廠也已具有26.25 MPa的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力.各制造廠新研發(fā)的1 200 MW機(jī)組主機(jī)壓力為28 MPa.

國外正在建設(shè)中的德國和荷蘭的幾個(gè)800～1 113 MW的電廠,主機(jī)壓力均為27.5 MPa.

本工程為1 000 MW級超超臨界機(jī)組,主機(jī)壓力采用25 MPa,26.25 MPa,27 MPa,28 MPa技術(shù)上均是可行的,其中,25～27 MPa均有投運(yùn)業(yè)績,28 MPa尚在研發(fā)階段.30 MPa的主汽參數(shù)由于性價(jià)比不好,故不推薦采用.本工程擬定主機(jī)壓力為28 MPa.

由于主機(jī)壓力已較高,若再提高主汽溫度將會降低材料的許用應(yīng)力,使得設(shè)備和管道壁厚進(jìn)一步增加,成本上升過大,故主汽溫度仍維持600 ℃.

2.2 汽機(jī)入口再熱蒸汽溫度的選取

朗肯循環(huán)中,蒸汽初壓不變時(shí),提高蒸汽初溫,則循環(huán)效率也會提高.同時(shí),由于新蒸汽比容增大和低壓缸排汽濕度減小,汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率也會提高,因此提高蒸汽的溫度對提高機(jī)組熱效率更有益.根據(jù)汽輪機(jī)廠提供的1 000 MW機(jī)組修正曲線可知,再熱蒸汽溫度每提高 10 ℃,機(jī)組的熱效率可提高0.15%～0.2%[5].

考慮到國內(nèi)田集電廠已經(jīng)運(yùn)營了620 ℃的再熱汽溫機(jī)組,因此620 ℃再熱汽溫完全具有可行性.考慮到一定的前瞻性,本工程將再熱汽溫?cái)M定為620 ℃.

3 3種主機(jī)參數(shù)方案的經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)目前已投運(yùn)的1 000 MW機(jī)組的蒸汽參數(shù),并結(jié)合1 200 MW機(jī)組的蒸汽參數(shù)水平,提出3種方案:方案1是26.25 MPa/600/600 ℃;方案2是26.25 MPa/600/610 ℃;方案3是28 MPa/600/620 ℃.方案1的熱耗暫定為7 312 kJ/kWh,方案2為7 296 kJ/kWh,方案3為7 254 kJ/kWh.

3.1 主機(jī)的投資分析

由于制造廠的設(shè)計(jì)方案不同,汽機(jī)本體結(jié)構(gòu)采用的材料也不同,因此機(jī)組價(jià)格相差較大.根據(jù)制造廠提供的信息,對于兩臺1 000 MW超超臨界機(jī)組,方案3的價(jià)格比方案1高約7 000萬元.

3.2 再熱蒸汽管道的投資分析

不同的主機(jī)壓力下,主汽管道和高壓給水管道的相關(guān)參數(shù)(一臺機(jī)組)如表2所示.

表2 不同主機(jī)壓力下主蒸汽管道和高壓給水管道參數(shù)

注:a—主蒸汽管道;b—高壓給水管道;P92和WB36材料的單價(jià)參照2010年定額計(jì)算.

由表2可以看出,主機(jī)壓力提高后,由于蒸汽比容相對減小了,在流速相同時(shí)管徑將會減小,管道單重增加不多,約2.7%,投資相應(yīng)增加2.7%.由于設(shè)計(jì)壓力增加,高壓給水管道的管道壁厚增大,管道質(zhì)量增加約4%,投資相應(yīng)增加約4%,二者投資共增加157萬元/臺機(jī),兩臺機(jī)組共314萬元.

主機(jī)壓力和再熱溫度提高時(shí),再熱蒸汽管道的參數(shù)如表3所示.

由表3可以看出,主機(jī)壓力提高后,高壓缸排汽壓力和中壓缸進(jìn)口壓力隨之增加,引起低溫再熱和高溫再熱管道設(shè)計(jì)壓力的變化;另外,再熱溫度由600 ℃提高至620 ℃后,再熱蒸汽管道P92鋼材的許用應(yīng)力降低.

表3 不同主機(jī)參數(shù)下再熱蒸汽管道的參數(shù)

注:a—高溫再熱蒸汽管道;b—低溫再熱蒸汽管道.

主機(jī)參數(shù)的變化對高溫再熱蒸汽管道的影響較大.當(dāng)再熱汽溫提高至610 ℃后,初投資增加443萬元/臺機(jī),兩臺機(jī)組共增加886萬元;采用28 MPa/600/620 ℃參數(shù)后,高溫再熱蒸汽管道單重約增加23.5%,投資相應(yīng)增加23.5%;低溫再熱蒸汽管道單重增加5.3%,投資相應(yīng)增加5.3%,二者投資共增加498萬元/臺機(jī),兩臺機(jī)組共996萬元.

因此,4大管道的費(fèi)用相對于基準(zhǔn)方案,方案2增加了886萬元,方案3增加了1 310萬元.

3.3 輔助設(shè)備的投資分析

主機(jī)壓力由26.25 MPa提高至28 MPa時(shí),給水泵、高壓加熱器等設(shè)計(jì)參數(shù)均需提高,但主蒸汽流量減少,最終造價(jià)增加約400萬元(兩臺機(jī)組).

3.4 各方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

采用高參數(shù)后,汽機(jī)的熱耗降低,耗煤量減少,節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)用,但相應(yīng)引起了初投資的增加.

初投資和運(yùn)行費(fèi)用的綜合比較結(jié)果(兩臺機(jī)組)分別如表4和表5所示.

表4 3種方案的初投資費(fèi)用 萬元

注:主機(jī)設(shè)備包含汽機(jī)、鍋爐;輔機(jī)設(shè)備包含高壓旁路、高壓加熱器和給水泵系統(tǒng).

表5 3種方案的運(yùn)行費(fèi)用

注:差值1—方案2-方案1;差值2—方案3-方案1.

由表4和表5可以看出,方案2的初投資較方案1增加約2 086萬元(暫按初投資較低的東方汽輪機(jī)廠和哈爾濱汽輪機(jī)廠機(jī)型計(jì)算),兩臺機(jī)組年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤費(fèi)約389.4萬元,銀行貸款利率按5.60%來計(jì)算,約6.6年可收回成本;方案3的初投資較方案1增加約8 710萬元,兩臺機(jī)組年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤費(fèi)約1 412.3萬元,按5.60%的銀行貸款利率計(jì)算,約7.8年可收回成本.若主機(jī)參數(shù)采用28 MPa/600/610 ℃,則投資費(fèi)用介于方案2和方案3之間.

4 結(jié) 語

主機(jī)初參數(shù)的確定與機(jī)組熱耗、初投資等有很大關(guān)系,初投資越高,投資回報(bào)周期越長.綜合目前制造廠的技術(shù)能力、材料的成熟性,并兼顧性價(jià)比因素,本工程初參數(shù)采用了28 MPa/600/620 ℃.相對于基準(zhǔn)方案,共可降低熱耗58 kJ/kWh,發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率降低2.14 g/kWh,按鍋爐效率93.6%,管道效率99%,發(fā)電利用小時(shí)數(shù)5 500 h來計(jì)算,每年可節(jié)約1.18×104t標(biāo)準(zhǔn)煤,按標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)600元/t來計(jì)算,每年可節(jié)約燃料費(fèi)1 412.3萬元,雖然初投資增加8 710萬元,但7.8年可收回成本,投資回收期小于10年,方案可行.

雖然620 ℃再熱汽溫已有,但建議應(yīng)進(jìn)一步調(diào)研P92材料的使用條件,并控制好其材料的元素配比;運(yùn)行中重點(diǎn)控制再熱汽溫的偏差,以保證運(yùn)行的安全性.

[1] 李巖.1 000 MW機(jī)組熱力系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性分析及優(yōu)化[D].北京:華北電力大學(xué),2010.

[2] 朱寶田.三種國產(chǎn)超超臨界1 000 MW機(jī)組汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較[J].熱力發(fā)電,2008(2):1-8.

[3] 李虎.1 000 MW超超臨界機(jī)組的先進(jìn)設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析[J].電力設(shè)備,2007(12):16-19.

[4] 馮偉忠.1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)綜合優(yōu)化及成效[J].電力建設(shè),2009(5):42-46.

[5] 陳國強(qiáng).超超臨界1 000 MW機(jī)組運(yùn)行參數(shù)變化特性研究[J].熱力發(fā)電,2012(10):46-49.

(編輯 白林雪)

Technical and Economic Analysis of the Optimization of theMain Parameters of the 1 000 MW Unit

WU Zhixiang, WANG Cunxin, DING Yi

(SafetySupervisionDepartment,WanjiangPowerGenerationCo.Ltd.,Anqing246003,China)

In order to select the optimal technical and economic parameters of the host in a power plant in Anhui Province,the second phase of expansion project of 2×1 000 MW unit uses payback period analysis method.The first application of 28 MPa/600 ℃/620 ℃ high parameter scheme is demonsted.Compared with the baseline scheme,although the initial investment of the said scheme increases by 87.1 million yuan,it can reduce heat consumption 58 kJ/kWh,and generation standard coal consumption rate decreases 2.14 g /kWh,with the annual reduction of 1.18 million tons of standard coal,and fuel costs of 1 412.3 million yuan is realized,which means that it takes 7.8 years to recover the cost,so the investment recovery period is less than 10 years,showing that the scheme is feasible.

host parameter; technology economy; analysis

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.06.019

2016-02-29

簡介：吳志祥(1978-),男,碩士,高級工程師,安徽樅陽人.主要研究方向?yàn)榛痣姀S技術(shù)管理.E-mail:791945126@qq.com.

TK262

A

1006-4729(2016)06-0594-05