超（超）臨界燃煤機組參數(shù)選擇研究

楊巧云

摘 要：對超（超）臨界機組，從機組效率、投資費用等方面，對采用不同蒸汽參數(shù)、機組容量及再熱次數(shù)等參數(shù)情況下進(jìn)行分析比較，為合理選擇機組參數(shù)提供參考。

關(guān)鍵詞：超（超）臨界;燃煤機組;參數(shù)

一、前言

隨著社會的發(fā)展及煤炭資源的日益緊張，對燃煤機組的經(jīng)濟(jì)性要求越來越高。超（超）臨界機組效率高，煤耗低，發(fā)電成本低，并且單位發(fā)電量的污染物排放量少，得到了廣泛應(yīng)用。近年來，我國超（超）臨界機組發(fā)展迅速，機組臺數(shù)及裝機容量居世界前列，截止2018年底，我國已投產(chǎn)百萬千瓦超超臨界機組達(dá)到了111臺，超超臨界機組已約占我國火電機組裝機容量的45%，因此提高其效率及降低投資成本具有重要意義。超（超）臨界機組蒸汽參數(shù)、容量等參數(shù)的高低及再熱次數(shù)等因素對于經(jīng)濟(jì)性有著直接影響，需要進(jìn)行合理選擇。

二、機組參數(shù)選擇

1.蒸汽參數(shù)選擇

提高主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度可提高機組的熱效率。在超（超）臨界參數(shù)范圍內(nèi)，主蒸汽溫度每提高10℃，機組的熱效率可相對提高0.25%-0.3%，再熱蒸汽溫度每提高10℃，機組的熱效率可相對提高0.16%-0.2%。主蒸汽溫度/再熱蒸汽溫度為600℃/600℃的機組比580℃/580℃的機組的熱效率約可相對提高0.92%。如某兩臺單機功率相同的機組，在主蒸汽壓力相同（24.1MPa）的情況下，蒸汽溫度593℃/593℃的機組的熱效率比538℃/538℃的高2%-2.5%。提高蒸汽溫度對提高機組熱效率的效果非常顯著，但主蒸汽和再熱蒸汽溫度的提高受到材料許用溫度限制，當(dāng)蒸汽溫度提高到一定程度時，鍋爐、汽輪機的高溫部分需要采用熱強度高的鋼材。

再熱蒸汽溫度通常與主蒸汽溫度選相同值。在中壓進(jìn)汽壓力較低的情況下，為了減小排汽濕度，有的機組將再熱蒸汽溫度提高到高于主蒸汽溫度，如德國Lippendorf電廠933MW機組，蒸汽參數(shù)為26.7/554/583，再熱蒸汽溫度比主蒸汽溫度高29℃。管道的允許工作溫度隨著壓力的降低而升高，再熱蒸汽壓力遠(yuǎn)低于主蒸汽壓力，因此再熱蒸汽溫度高于主蒸汽溫度是可行的。

主蒸汽溫度不變的情況下提高主蒸汽壓力，一定范圍內(nèi)可提高機組熱效率。據(jù)分析，在相同的主蒸汽溫度下，主蒸汽壓力由25MPa提高到28Mpa，熱效率約可相對提高0.45%;由28MPa提高到31MPa時，熱效率約可相對提高0.4%。但初壓提高過多，機組的熱效率反而會降低。因此，主蒸汽溫度一定的情況下有一個最佳初壓，當(dāng)主蒸汽壓力超過最佳值時，機組的熱耗率將增加。

同樣容量的機組，蒸汽參數(shù)高的熱效率較高，供電煤耗較低。如某600MW超臨界機組，供電煤耗為300g/（kW·h），如果將蒸汽參數(shù)提高到31MPa、593℃的超超臨界參數(shù)，供電煤耗可降低至275g/（kW·h）。不同蒸汽參數(shù)機組的熱效率和供電煤耗見表1。

采用高蒸汽參數(shù)能提高電廠熱效率，降低污染物排放，但并非參數(shù)越高越好。提高蒸汽參數(shù)將使機組的初投資增加，這是因為壓力提高后很多設(shè)備和蒸汽管道的壁厚要增加，或者要選用性能和價格更高一些的材料，溫度提高后要使用更多價格昂貴的金屬。例如主蒸汽壓力由25MPa提高到28MPa時，鍋爐投資增加5%-6%，汽輪機投資增加2%-3%，電廠投資增加3%-3.5%。由于各國及各個電廠的具體情況不同，造價增加的幅度不同。由于電廠的運行成本主要取決于燃料成本，而主蒸汽參數(shù)高的機組煤耗低，因此運行成本低，可補償部分造價增加的影響。選用什么樣的蒸汽參數(shù)，需要綜合機組效率、投資費用、燃料價格等多方面因素經(jīng)過進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后決定。部分超（超）臨界機組參數(shù)見表2。

2.機組容量

一般情況下超（超）臨界機組的容量應(yīng)選得較大。因為超（超）臨界機組蒸汽的初參數(shù)高，循環(huán)熱效率提高，而汽輪機相對內(nèi)效率的高低還與機組容量的大小有關(guān)。

提高蒸汽初溫，蒸汽比容增大，容積流量增大，在其它條件不變的情況下，汽輪機葉柵高度增加，葉柵損失減少，使汽輪機的相對內(nèi)效率提高。提高蒸汽初壓，蒸汽比容減小，容積流量減小，使汽輪機的相對內(nèi)效率降低。若同時提高汽輪機的新蒸汽的初溫和初壓，則使汽輪機相對內(nèi)效率提高和降低的因素同時起作用。分析計算表明，提高初壓對相對內(nèi)效率的影響大于提高初溫的影響，即同時提高初溫和初壓，汽輪機的相對內(nèi)效率是降低的。而這個影響的大小與汽輪機的容量有關(guān)，汽輪機的單機容量大，這一影響就小，反之則大。

對于超（超）臨界機組，當(dāng)機組容量選擇較大時，蒸汽的容積流量大，蒸汽初參數(shù)提高使汽輪機相對內(nèi)效率降低較少，而循環(huán)熱效率提高較多，因此汽輪機的絕對內(nèi)效率將得到提高。當(dāng)機組容量選擇較小時，蒸汽容積流量小，蒸汽初參數(shù)提高，汽輪機相對內(nèi)效率的降低值會超過循環(huán)熱效率提高的值，使汽輪機的絕對效率降低。

單機容量增大，還降低了單位容量機組的設(shè)備費用、土建費用及其它輔助設(shè)施費用，使電廠的比投資降低。單機容量的增加主要受到全轉(zhuǎn)速末級葉片長度的限制。有的電廠在1000MW以上的大容量機組使用雙軸汽輪機，高、中壓部分采用全速設(shè)計，低壓部分采用半速設(shè)計，分別與各自的發(fā)電機相連接。雙軸汽輪發(fā)電機組的造價比單軸機組高得多，且廠房面積較大，電氣系統(tǒng)更復(fù)雜。因此高參數(shù)機組容量選擇應(yīng)根據(jù)汽輪機制造行業(yè)的設(shè)計制造能力水平合理選取。目前我國運行的超（超）臨界機組容量主要為600-1000MW。截至2018年底，我國已投運超超臨界機組160臺以上，其中容量為百萬千瓦機組達(dá)到了111臺。

3.再熱次數(shù)

采用中間再熱提高了熱力循環(huán)的平均吸熱溫度，提高了循環(huán)熱效率，使機組的經(jīng)濟(jì)性提高。中間再熱還可以降低汽輪機末幾級的蒸汽濕度，提高了汽輪機的相對內(nèi)效率，并延長了末幾級葉片的壽命。目前，世界上投運的大型機組均采用了中間再熱。

采用二次再熱循環(huán)比一次再熱循環(huán)使機組的循環(huán)熱效率提高更多，在相同的蒸汽參數(shù)下，采用二次再熱熱效率約提高1.5%-2.0%。如某31.0MPa、566℃兩次再熱機組與24.1MPa、566℃一次再熱機組比較，熱效率提高3%。但與一次再熱相比，二次再熱鍋爐受熱面、蒸汽管道增加，汽輪機設(shè)備復(fù)雜，管道系統(tǒng)復(fù)雜，使電廠造價增加，還使運行工作量增加，增加再熱次數(shù)使熱效率提高獲得的收益將有很長時間用于補償增加的造價。

三、結(jié)束語

由以上分析可知，提高蒸汽參數(shù)并與發(fā)展大容量機組相結(jié)合、采用合適的再熱次數(shù)是提高超（超）臨界機組效率及降低單位容量造價的有效途徑。選用什么樣的蒸汽參數(shù)、容量等級及再熱次數(shù)，需要綜合機組效率、投資費用、燃料價格及汽輪機制造行業(yè)的設(shè)計制造能力水平等多方面因素經(jīng)過進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后決定。

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