提高二次再熱機(jī)組參數(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究

於震躍，徐紅波，鄭應(yīng)霞，張衛(wèi)靈，陳順義，黃乃成

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310007；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310012；3.中國電建集團(tuán)國際工程有限公司，北京 100036）

0 引言

隨著全球氣候變暖問題越來越受到重視，越來越多國家將碳減排和碳中和上升為國家戰(zhàn)略。2020 年，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上宣布，中國力爭(zhēng)2030 年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。按照2030年單位GDP（國民生產(chǎn)總值）二氧化碳排放比2005 年下降65%以上的新承諾目標(biāo)來推算，“十四五”和“十五五”期間單位GDP 二氧化碳排放平均需降低17.6%?；鹆Πl(fā)電一直處于我國電力能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位［1］，我國85%以上的二氧化碳排放由燃煤造成，如何進(jìn)一步提高燃煤發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率、減少煤炭消耗，對(duì)于“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)具有重要意義［2］。提高汽輪機(jī)的蒸汽溫度和壓力是提升燃煤機(jī)組發(fā)電效率最主要的途徑。超超臨界二次再熱發(fā)電技術(shù)是目前效率最高、發(fā)電標(biāo)煤耗最低的先進(jìn)技術(shù)，我國投運(yùn)的二次再熱機(jī)組參數(shù)主要為31 MPa/600 ℃/620 ℃/620 ℃。本文從材料、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)進(jìn)一步提高二次再熱機(jī)組的蒸汽參數(shù)進(jìn)行討論，確定技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的二次再熱機(jī)組高蒸汽參數(shù)方案。

1 超超臨界二次再熱機(jī)組蒸汽參數(shù)分析

二次再熱即在傳統(tǒng)的一次再熱基礎(chǔ)上增加一個(gè)再熱，從而提高整個(gè)再熱過程的平均吸熱溫度［3］。二次再熱較一次再熱具有可降低汽輪機(jī)排汽濕度、減少末級(jí)葉片的磨蝕、降低再熱器溫升、提高汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)［4-5］。國外的二次再熱機(jī)組主要建設(shè)于20世紀(jì)50年代至70年代，除個(gè)別機(jī)組外，主流機(jī)組參數(shù)為主蒸汽壓力24 MPa、溫度538 ℃，再熱蒸汽溫度不超過566 ℃。1989年和1991 年投產(chǎn)的日本川越電廠的700 MW 機(jī)組參數(shù)為31 MPa/566 ℃/566 ℃/566 ℃；1997 年 和1998 年投產(chǎn)的丹麥Skaerbaek 和Nordjyllands 電廠的411 MW 機(jī)組參數(shù)均為29 MPa/580℃/580 ℃/580 ℃［6］。目前我國已有13個(gè)超超臨界二次再熱機(jī)組電廠，其中除粵電惠來電廠和神華國華北海電廠尚未投運(yùn)外，其余11 個(gè)發(fā)電廠的二次再熱機(jī)組均已投運(yùn)。我國的超超臨界二次再熱機(jī)組的蒸汽參數(shù)如表1所示。

表1 我國超超臨界二次再熱機(jī)組的蒸汽參數(shù)

由表1可知，我國的二次再熱機(jī)組主蒸汽溫度大多為600 ℃，華能瑞金電廠二期主蒸汽溫度略高（605 ℃）；一次再熱蒸汽溫度多采用620 ℃，華能瑞金電廠二期一次再熱蒸汽溫度略高（622 ℃）；二次再熱蒸汽溫度多為620 ℃；主蒸汽壓力均為31 MPa［7-8］。我國二次再熱機(jī)組的蒸汽參數(shù)相對(duì)統(tǒng)一的原因主要有以下3點(diǎn)：

1）超超臨界參數(shù)的鍋爐在主蒸汽壓力超過30 MPa、主蒸汽溫度超過600 ℃時(shí)，在材料不變的情況下，鍋爐過熱器出口聯(lián)箱及其管接頭的設(shè)計(jì)、制造、焊接風(fēng)險(xiǎn)較大，因此鍋爐制造廠商建議主蒸汽溫度取600 ℃，最高不超過605 ℃。

2）目前超超臨界機(jī)組的主蒸汽和再熱蒸汽管道材料均采用A335 P92管材，當(dāng)主蒸汽參數(shù)為35 MPa、600 ℃時(shí)，主蒸汽管道的外徑與內(nèi)徑之比已達(dá)到1.7［9］，處于DL/T 5054—2016《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定壁厚計(jì)算公式使用條件的臨界值?？紤]到汽輪機(jī)氣缸壁厚、蒸汽管道壁厚增加引起的設(shè)備初投資提升，推薦主蒸汽壓力取31 MPa。

3）由于A335P92 管材的推薦許用溫度為630 ℃及以下，考慮再熱蒸汽管道溫降2～3 ℃和鍋爐再熱器5 ℃偏差，因此在管材不變的情況下，再熱溫度選取622～623 ℃。

2 機(jī)組提效和高溫材料研究

2.1 提高二次再熱機(jī)組效率的途徑

2.1.1 提高主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度

對(duì)于超超臨界機(jī)組，主蒸汽溫度對(duì)汽輪機(jī)容積流量和通流部分設(shè)計(jì)效率影響不大。根據(jù)制造廠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在鍋爐效率不變的情況下，主蒸汽溫度每提高10 ℃，汽輪機(jī)熱耗降低0.25%，可節(jié)省發(fā)電標(biāo)煤耗約0.65 g/kWh；再熱蒸汽每提高10 ℃，汽輪機(jī)熱耗降低0.20%，可節(jié)省發(fā)電標(biāo)煤耗約0.5 g/kWh。因此，提高主蒸汽和再熱蒸汽溫度對(duì)提高機(jī)組熱效率的效果非常明顯。而蒸汽溫度提高主要受材料的許用溫度限制，各國都在加緊研發(fā)更高等級(jí)的耐熱鋼材料。

2.1.2 提高主蒸汽壓力

和提高蒸汽溫度不同，主蒸汽壓力的提高應(yīng)考慮汽輪機(jī)通流效率的影響。主蒸汽壓力提高時(shí)，蒸汽的比容減小，使得汽輪機(jī)超高壓通流部分葉片高度減小，甚至需要采用部分進(jìn)汽，導(dǎo)致葉片級(jí)的二次流損失和軸封漏汽損失增大，抵消一部分提高主蒸汽壓力所獲得的熱效率提升。壓力低于30 MPa時(shí)機(jī)組熱效率隨主蒸汽壓力的提高上升很快，壓力高于30 MPa 時(shí)熱效率上升幅度減小。在相同溫度下，將主蒸汽壓力從25 MPa 提高到30 MPa，超超臨界機(jī)組熱效率能夠提高約0.7%～1.3%［10］；若進(jìn)一步從30 MPa 提高到35 MPa，機(jī)組熱效率只能提高約0.5%。根據(jù)相關(guān)研究，超超臨界二次再熱機(jī)組主蒸汽壓力大于35 MPa后，機(jī)組效率增加將放緩甚至降低。

2.2 630 ℃以上耐高溫材料研究

二次再熱機(jī)組蒸汽參數(shù)提高主要受限于高溫材料，目前超超臨界機(jī)組采用的耐高溫材料大致分三類：馬氏體/鐵素體耐熱鋼、奧氏體耐熱鋼、鎳基合金。

馬氏體/鐵素體耐熱鋼是由鐵素體/珠光體耐熱鋼發(fā)展而來，通過加入鉻和鉬大幅提高普通碳鋼的耐熱性［11］。目前9%Cr 系的馬氏體/鐵素體耐熱鋼已經(jīng)在世界范圍內(nèi)的620 ℃等級(jí)超超臨界機(jī)組得到廣泛應(yīng)用。我國目前研制的G115 材料（9Cr-3W-3Co-Cu-V-Nb）是一種新型馬氏體耐熱鋼，可用于650 ℃及以下蒸汽參數(shù)的耐高溫材料，持久強(qiáng)度遠(yuǎn)優(yōu)于P91 和P92 鋼，其在625 ℃和650 ℃下的目標(biāo)許用應(yīng)力是T/P92鋼的1.5倍以上［12］。

奧氏體耐熱鋼主要是為了克服鐵素體耐熱鋼抗氧化能力較差而提出的，自20世紀(jì)50年代開始研發(fā)，經(jīng)過對(duì)材料配方的不斷研究和完善，已經(jīng)有成熟應(yīng)用的304型奧氏體耐熱不銹鋼、SUPER3 04H合金鋼、S31042（HR3C）不銹鋼。上述材料已在620 ℃等級(jí)超超臨界機(jī)組中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。耐650 ℃以上高溫的奧氏體鋼主要有HR6W、SAVE25、Sanicro25 等，這些材料的持久強(qiáng)度試樣時(shí)間、焊材選擇和焊接工藝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)技術(shù)尚未成熟。

鎳基耐熱合金最早是為了滿足1998 年歐盟提出的AD700 計(jì)劃——蒸汽參數(shù)達(dá)到700 ℃的要求而提出的。我國在2010 年提出了700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)研究計(jì)劃［13］。目前，700 ℃及以上參數(shù)的鎳基耐熱合金備選的主要有Inconel 740、Alloy 617、Alloy 263、鐵鎳基合金HT700、HT650等［14］。其中HT700和HT650是由我國華能西安熱工院自主設(shè)計(jì)研發(fā)的針對(duì)650 ℃以上的高溫鐵鎳合金鋼。但上述材料的晶相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、持久強(qiáng)度試樣時(shí)間、成分影響和焊接技術(shù)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)還存在很多亟待解決的問題。

2.3 可工程應(yīng)用的二次再熱機(jī)組高蒸汽參數(shù)研究

根據(jù)鍋爐制造廠的研究，對(duì)于650 ℃等級(jí)鍋爐受熱面爐內(nèi)管材可選用奧氏體鋼Sanicro25、HT650T、HR6W、C-HRA-5、HT650T 等 材料，集箱和大口徑管道可選用鎳基合金617B 或C-HRA-3、HT650P 等材料。630 ℃等級(jí)高溫受熱面爐內(nèi)管材可選用奧氏體鋼Sanicro25 或CHRA-5等材料，集箱和大口徑管道可選用鐵素體鋼SAVE12AD 或鐵素體鋼G115 等材料。但上述材料的長(zhǎng)期性能還需要在電站運(yùn)行中驗(yàn)證。

根據(jù)汽輪機(jī)制造廠的研究，650 ℃等級(jí)汽輪機(jī)的高溫部件目前沒有技術(shù)成熟的鋼材可以采用。無論是鐵素體、奧氏體耐熱鋼或者鐵鎳基合金材料，均需進(jìn)行大量的深入研究工作，包括大型鑄鍛件和關(guān)鍵部件的研制及試驗(yàn)驗(yàn)證等。630 ℃等級(jí)汽輪機(jī)的高溫部件可在620 ℃等級(jí)的超超臨界機(jī)組高溫轉(zhuǎn)子和汽缸所使用的鐵素體鋼基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，以滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院在2016 年召開了“650 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)可行性研討會(huì)”，會(huì)議認(rèn)為，鑒于目前國內(nèi)外材料研發(fā)情況，尚不具備建設(shè)650 ℃超超臨界機(jī)組工程的條件，630 ℃超超臨界機(jī)組工程初步具備建設(shè)示范工程的技術(shù)條件。目前我國國內(nèi)已有2個(gè)630 ℃等級(jí)超超臨界二次再熱機(jī)組示范項(xiàng)目，分別是大唐鄆城電廠和申能安徽平山電廠二期項(xiàng)目，其中申能安徽平山電廠二期項(xiàng)目已投入商業(yè)運(yùn)行。

3 620 ℃等級(jí)和630 ℃等級(jí)高參數(shù)超超臨界二次再熱機(jī)組經(jīng)濟(jì)性分析

國內(nèi)東方電氣集團(tuán)、上海電氣集團(tuán)、哈爾濱電氣集團(tuán)三大主機(jī)制造商自2011 年開始對(duì)630 ℃等級(jí)超超臨界機(jī)組的鍋爐和汽輪機(jī)的重要部件選材和試驗(yàn)開展了大量的研究工作，并和國內(nèi)各大電力設(shè)計(jì)院合作，針對(duì)630 ℃等級(jí)主機(jī)參數(shù)選擇進(jìn)行研究，推薦35 MPa/615 ℃/630 ℃/630 ℃蒸汽參數(shù)作為630 ℃等級(jí)超超臨界二次再熱機(jī)組的典型設(shè)計(jì)參數(shù)。

本文以1 000 MW 超超臨界二次再熱機(jī)組為例，針對(duì)常規(guī)620 ℃等級(jí)蒸汽參數(shù)方案（方案一）和630 ℃高蒸汽參數(shù)方案（方案二），從主機(jī)設(shè)備初投資、主要輔助設(shè)備初投資、主要汽水管道初投資、主廠房土建費(fèi)用、年檢修費(fèi)用等方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較。具體蒸汽參數(shù)如表2所示。

表2 620 ℃等級(jí)和630 ℃等級(jí)蒸汽參數(shù)

3.1 主機(jī)設(shè)備初投資比較

二次再熱超超臨界機(jī)組的主機(jī)設(shè)備為鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)。相較于方案一，方案二汽輪機(jī)和鍋爐高溫受熱部件的材料需要升級(jí)更換或增加材料使用量，比如汽輪機(jī)超高壓轉(zhuǎn)子、中壓閥門、高壓內(nèi)缸升級(jí)為新的CB2 和FB2 材料，鍋爐受熱面升級(jí)為奧氏體鋼Sanicro2。發(fā)電機(jī)價(jià)格沒有變化。根據(jù)鍋爐和汽輪機(jī)制造商的報(bào)價(jià)，兩種方案的設(shè)備初投資比較如表3所示。

表3 單臺(tái)機(jī)組主機(jī)設(shè)備初投資比較

3.2 主要汽水管道投資比較

對(duì)于方案一，主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道的設(shè)計(jì)溫度低于630 ℃，管道的材料仍可采用A335 P92。對(duì)于方案二，由于主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道的設(shè)計(jì)溫度已超過630 ℃，需要將材料升級(jí)為更高等級(jí)的耐高溫材料，暫定經(jīng)濟(jì)性良好的國產(chǎn)新型耐高溫材料G115。由于二次再熱機(jī)組的低溫再熱管道設(shè)計(jì)溫度將超過425 ℃，方案一和方案二的低溫再熱管道均需采用A691Gr1-1/4CrCL22或A691Gr2-1/4CrCL22材料，方案二較方案一的管道壁厚需要增加。對(duì)于高壓給水管道，原15NiCuMoNb-5-6-4 材料仍然適用，由于方案二較方案一的設(shè)計(jì)溫度和壓力有所提高，給水管道壁厚需相應(yīng)增大。主要汽水管道初投資比較如表4所示。

表4 單臺(tái)機(jī)組主要汽水管道初投資比較

3.3 主要輔助設(shè)備投資比較

方案一和方案二主要輔助設(shè)備的差異是給水泵組和高壓加熱器。相同機(jī)組出力條件下，方案二較方案一給水泵組的流量有所下降，揚(yáng)程略有提高，根據(jù)給水泵制造商的意見，方案一和方案二的給水泵組造價(jià)基本相同。方案二的回?zé)峒訜嵴羝麥囟群蛪毫^方案一都有所提高，高壓加熱器的選材壁厚需大幅增加，在方案一和方案二相同的回?zé)峒?jí)數(shù)和單雙列配置前提下，方案二的高壓加熱器設(shè)備初投資較方案一高約200萬元，如表5所示。

表5 單臺(tái)機(jī)組主要輔助設(shè)備初投資比較

3.4 主廠房土建費(fèi)用投資比較

主廠房土建費(fèi)用主要取決于主廠房的尺寸。在相同邊界條件（如地質(zhì)結(jié)構(gòu)、廠房布置、主機(jī)制造商等）下，方案一和方案二的整體系統(tǒng)配置沒有差別，設(shè)備和汽水管道沒有明顯不同，因此兩種方案的主廠房尺寸基本一致，主廠房土建費(fèi)用差別不大。

3.5 總初投資比較

綜上所述，方案一和方案二的機(jī)組總初投資比較如表6 所示，方案二較方案一單臺(tái)1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組的總初投資增加13 200萬元。

表6 方案一和方案二單臺(tái)機(jī)組總初投資比較

3.6 年檢修維護(hù)費(fèi)用比較

目前國內(nèi)630 ℃等級(jí)的二次再熱機(jī)組只有申能安徽平山電廠二次再熱機(jī)組投運(yùn)，且投運(yùn)時(shí)間不久，因此630 ℃等級(jí)的二次再熱機(jī)組檢修維護(hù)費(fèi)用尚無法明確。根據(jù)主機(jī)設(shè)備制造商的意見，主要是鍋爐高溫維護(hù)檢修部件費(fèi)用有所增加，但是每年的檢修維護(hù)費(fèi)用尚不能給出確切數(shù)據(jù)，因此針對(duì)方案一和方案二的檢修費(fèi)用本文暫不考慮。

3.7 綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

蒸汽參數(shù)由方案一的31 MPa/600 ℃/620 ℃/620 ℃提升至方案二的35 MPa/615 ℃/630 ℃/630 ℃后，鍋爐效率基本保持不變（約為95%），汽輪機(jī)熱耗可降低約90 kJ/kWh。以單臺(tái)機(jī)組年利用時(shí)間5 000 h、標(biāo)煤價(jià)格800 元/t 為比較條件，對(duì)兩種方案進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)果見表7。

表7 方案一和方案二單臺(tái)機(jī)組綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

由表7 可知，方案二較方案一初投資增加13 200 萬元，在不考慮機(jī)組年檢修維護(hù)費(fèi)用的前提下，按當(dāng)前標(biāo)煤價(jià)格800 元/t、年利用時(shí)間5 000 h 計(jì)算，方案二較方案一每年節(jié)約標(biāo)煤費(fèi)用約1 308萬元，整體年收益較方案一僅高出約36.4萬元。根據(jù)測(cè)算：當(dāng)標(biāo)煤價(jià)格高于820元/t時(shí)，方案二的經(jīng)濟(jì)性更好；當(dāng)標(biāo)煤價(jià)格低于820 元/t 時(shí)，方案一的經(jīng)濟(jì)性更好。

考慮到未來二氧化碳排放配額交易，方案二較方案一每年減少發(fā)電標(biāo)煤1.6 萬t，可減少二氧化碳排放量4.3 萬t，若按50 元/t 的碳排放交易價(jià)格，則每年可通過碳排放交易增收215萬元。此時(shí)根據(jù)測(cè)算，當(dāng)標(biāo)煤價(jià)格高于690元/t，方案二的經(jīng)濟(jì)性更好。

4 結(jié)語

1）提高汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力和進(jìn)汽溫度是目前超超臨界二次再熱機(jī)組提高效率的主要途徑。目前，我國投運(yùn)的超超臨界二次再熱機(jī)組的蒸汽參數(shù)基本為31 MPa/600 ℃/620 ℃/620 ℃。

2）根據(jù)目前高溫材料的研發(fā)情況，630 ℃等級(jí)的超超臨界二次再熱機(jī)組方案已初步具備建設(shè)示范工程的技術(shù)條件。根據(jù)國內(nèi)各大主機(jī)設(shè)備制造商和設(shè)計(jì)院的研究，推薦35 MPa/615 ℃/630 ℃/630 ℃為630 ℃等級(jí)二次再熱機(jī)組的典型蒸汽參數(shù)。

3）對(duì)方案一和方案二比較分析可知，方案二較方案一初投資增加13 200 萬元。當(dāng)標(biāo)煤價(jià)格高于820元/t時(shí)，方案二的經(jīng)濟(jì)性更好；當(dāng)標(biāo)煤價(jià)格低于820元/t時(shí)，方案一的經(jīng)濟(jì)性更好。

4）考慮到未來二氧化碳排放配額交易，方案二較方案一每年二氧化碳排放量減少4.3 萬t，按50 元/t 的碳排放交易價(jià)格，則每年可通過碳排放交易增收215 萬元。此時(shí)，當(dāng)標(biāo)煤價(jià)格高于690元/t時(shí)，方案二的經(jīng)濟(jì)性更好。