1 250 MW 等級(jí)高效超超臨界機(jī)組選型研究

靳朝暉 ，劉 玲 ，劉 利

(1.中國能建工程研究院IGCC&CCS 研究所，北京 100120；2.中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

0 引言

基于國家“3060”碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，我國煤電機(jī)組定位已發(fā)生根本變化，既要滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，又要符合減碳目標(biāo)，不斷提高運(yùn)行質(zhì)量和發(fā)電效率，實(shí)現(xiàn)煤電高質(zhì)量轉(zhuǎn)型，因此發(fā)展大容量高參數(shù)機(jī)組是火力發(fā)電廠節(jié)能減排的重要途徑。

目前我國1 000 MW 一次、二次中間再熱技術(shù)發(fā)展成熟，運(yùn)行業(yè)績(jī)較多。本文就1 250MW 等級(jí)高效超超臨界機(jī)組的汽輪機(jī)入口主蒸汽參數(shù)、熱力系統(tǒng)配置等進(jìn)行研究，并對(duì)1 250 MW 與1 350 MW 機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)及1 250 MW 等級(jí)機(jī)組的一次再熱與二次再熱方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，提出1 250 MW 等級(jí)電站汽輪機(jī)組的選型建議。

1 1 250 MW等級(jí)機(jī)組技術(shù)研發(fā)情況

1.1 汽輪機(jī)技術(shù)研發(fā)情況

1 250 MW 等級(jí)一次再熱機(jī)組，可采用1 000 MW 一次再熱機(jī)組的成熟模塊。該模塊技術(shù)可靠，設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)豐富。國內(nèi)某汽輪機(jī)廠表示，和1 250 MW 一次再熱機(jī)組方案相比，1 350 MW一次再熱機(jī)組需要增加一個(gè)中壓缸，必要時(shí)還可能需要增加一個(gè)高壓缸，具體情況需根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)一步評(píng)估。由于機(jī)組配置的缸體數(shù)量增加，需要配置雙軸軸系。1 250 MW 等級(jí)二次再熱機(jī)組相比較于一次再熱機(jī)組，需增加一級(jí)超高壓缸，部分廠家表示需采用2 個(gè)中壓缸，由于機(jī)組配置的缸體數(shù)量較多，機(jī)組軸系需采用雙軸。

當(dāng)汽機(jī)缸體數(shù)量過多后，如果仍采用單軸軸系，將使得軸系過長，發(fā)電機(jī)側(cè)的軸系徑向水平位移過大，進(jìn)而致使產(chǎn)生扭振的頻率增多，并對(duì)轉(zhuǎn)子及其連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響較大，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，機(jī)組配7 個(gè)缸，則需設(shè)置雙軸軸系。采用雙軸配置相對(duì)于單軸配置，對(duì)機(jī)組靈活性運(yùn)行的適應(yīng)性較差，機(jī)組啟?？刂聘鼮閺?fù)雜。

1 250 MW 機(jī)組與1 350 MW 機(jī)組方案對(duì)比見表1 和表2 所列。可以看出，如采用1 250 MW 二次再熱機(jī)組，不同的主機(jī)廠汽輪機(jī)型式各異，有單軸、6 缸6 排汽抽汽凝汽式汽輪機(jī)，也有雙軸、7 缸6 排汽抽汽凝汽式汽輪機(jī)，1 350 MW 二次再熱機(jī)組，均需采用雙軸7 缸6 排汽抽汽凝汽式汽輪機(jī)。單軸的二次再熱機(jī)組汽輪機(jī)全長相比一次再熱機(jī)組有所增加，軸系結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力分布也更加復(fù)雜。

表2 二次再熱1 250 MW及1 350 MW汽輪機(jī)方案對(duì)比表

1.2 鍋爐技術(shù)研發(fā)情況

1 250 MW 機(jī)組的鍋爐可借鑒1 000 MW、620 ℃項(xiàng)目的技術(shù)方案和研究成果，難點(diǎn)在于流量增大和參數(shù)提高后，管道集箱規(guī)格隨之變化，壁厚增大，制造加工困難。因此需要優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。國內(nèi)某鍋爐廠針對(duì)性優(yōu)化措施為：1)采用雙集箱布置形式，降低壁厚；2)屏式過熱器出口兩側(cè)連接管分別引入高溫過熱器進(jìn)口集箱左右側(cè)；3)高溫過熱器由端頭兩進(jìn)兩出的結(jié)構(gòu)改為四進(jìn)四出結(jié)構(gòu)，減小偏差，加強(qiáng)混合。

針對(duì)1 350 MW 方案，國內(nèi)各鍋爐廠技術(shù)路線及配置基本相同，其與1 250 MW 方案相比，鍋爐受熱面相應(yīng)增大，鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)尺寸寬、深、高方向略有增加；大板梁尺寸增大；集箱等采用雙集箱方案；鍋爐輸入熱量增加，單只燃燒器出力略有增大。

二次再熱鍋爐相比一次再熱鍋爐，汽水循環(huán)增加了二次再熱，對(duì)鍋側(cè)汽水系統(tǒng)和受熱面布置影響較大，對(duì)爐側(cè)燃燒系統(tǒng)基本上沒有影響。燃燒側(cè)基本無變化，且通過受熱面的合理分配，排煙溫度基本相當(dāng)，故對(duì)于一次再熱鍋爐和二次再熱鍋爐，鍋爐效率并無明顯變化。

2 汽輪機(jī)入口主蒸汽參數(shù)的選擇分析

2.1 入口主蒸汽參數(shù)對(duì)機(jī)組熱耗的影響

對(duì)于一次和二次再熱機(jī)組，提高主機(jī)入口主蒸汽參數(shù)是提高機(jī)組熱效率的重要途徑。而超超臨界機(jī)組的熱效率主要體現(xiàn)在汽輪機(jī)的熱耗值上，機(jī)組的進(jìn)汽參數(shù)越高，其熱耗值也越低，熱效率則越高。如圖1 所示為不同進(jìn)汽壓力、溫度下機(jī)組熱耗相對(duì)收益的變化關(guān)系。

圖1 入口主蒸汽壓力、溫度與機(jī)組熱耗的變化關(guān)系

2.2 汽輪機(jī)入口主蒸汽參數(shù)的選取

2.2.1 汽輪機(jī)入口主蒸汽壓力的選取

由圖1 可知，主蒸汽壓力每提高1 MPa 可以降低熱耗0.1%左右。

主蒸汽壓力的選取與各汽輪機(jī)廠采用的制造技術(shù)有關(guān)，目前國內(nèi)主要汽輪機(jī)廠已投運(yùn)1 000 MW 超超臨界機(jī)組主蒸汽門前額定壓力有25 MPa、26.25 MPa、27 MPa、28 MPa、30 MPa等參數(shù)。1 000 MW 一次再熱機(jī)組主蒸汽壓力普遍為28 MPa，也有機(jī)組主蒸汽壓力為30 MPa，二次再熱機(jī)組主蒸汽壓力普遍為31 MPa，32 MPa。

根據(jù)國內(nèi)某汽輪機(jī)廠的經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)汽輪機(jī)相關(guān)模塊的強(qiáng)度和軸系等方面進(jìn)行具體分析后，可對(duì)汽輪機(jī)現(xiàn)有模塊進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化，使汽輪機(jī)入口的主蒸汽壓力由28 MPa 提升至30 MPa。但由于壓力提升所帶來的循環(huán)效率提升幅度有限，且更進(jìn)一步提升壓力將使汽輪機(jī)本體效率呈現(xiàn)較為明顯的下降。因此，為綜合提高機(jī)組的熱效率，對(duì)于1 250 MW 的一次再熱機(jī)組建議主蒸汽壓力取30 MPa，對(duì)于1 250 MW 的二次再熱機(jī)組建議主蒸汽壓力取32 MPa。

2.2.2 汽輪機(jī)入口主蒸汽和再熱蒸汽溫度的選取

1 000 MW 機(jī)組可適當(dāng)提升主、再熱蒸汽溫度至605 ℃/622 ℃。與之相比，1 250 MW 等級(jí)的機(jī)組，由于機(jī)組容量增加，在設(shè)計(jì)過程中，葉片、轉(zhuǎn)子等高溫部件的材料需要適應(yīng)更高的強(qiáng)度。國內(nèi)某汽輪機(jī)廠表示，根據(jù)同類型機(jī)組的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，目前1 250 M 等級(jí)機(jī)組所采用的材料的性能已得到充分使用，如果繼續(xù)提升蒸汽溫度，將導(dǎo)致機(jī)組熱效率下降，安全性風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，無論采用一次再熱機(jī)組還是二次再熱機(jī)組，考慮在當(dāng)前成熟的高溫高壓材料條件下，均推薦采用600 ℃/620 ℃作為1 250 MW 等級(jí)機(jī)組的主蒸汽及再熱蒸汽溫度。

2.3 提高機(jī)組初參數(shù)對(duì)鍋爐的影響

對(duì)于30 MPa/600 ℃/620 ℃的參數(shù)(對(duì)應(yīng)鍋爐出口為31.4 MPa/605 ℃/622 ℃)，鍋爐的高溫段受熱面管道材質(zhì)并未發(fā)生本質(zhì)變化，仍為HR3C、Super304H-SB、S30432 等級(jí)別的材料，集箱也仍然采用P92 材料。另外由于參數(shù)提高，鍋爐側(cè)主蒸汽系統(tǒng)管道、聯(lián)箱等部件壁厚的增加，將導(dǎo)致設(shè)備成本小幅增加。

3 一次再熱機(jī)組與二次再熱機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性分析

二次再熱機(jī)組熱效率的提高是依靠增加再熱次數(shù)和提高機(jī)組初參數(shù)帶來的疊加效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，在相同蒸汽壓力溫度條件下，采用一次再熱，機(jī)組熱效率可提高約5%；采用二次再熱，熱效率可再提高約2%[2]。

3.1 機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析

由于熱效率提高，在相同的排汽壓力時(shí)，二次再熱機(jī)組熱耗比一次再熱機(jī)組低100 ～150 kJ/kWh[3]。在相同的主機(jī)初溫和背壓終參數(shù)下，1 250 MW 等級(jí)機(jī)組一、二次再熱技術(shù)方案的熱經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見表3 所列。

可以看出，采用二次再熱方案比一次再熱方案，單臺(tái)機(jī)組煤耗降低4 g/kWh，以標(biāo)煤價(jià)1 100 元/t(含稅價(jià))折年節(jié)約標(biāo)煤消耗投資約2 750 萬元。

3.2 綜合經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

1 250 MW 等級(jí)機(jī)組一次再熱方案和二次再熱方案的初投資比較和綜合比較分別見表4 和表5 所列。

表4 一次再熱方案和二次再熱方案的初投資比較表(單臺(tái)機(jī)組)萬元

表5 綜合經(jīng)濟(jì)性對(duì)比表(單臺(tái)機(jī)組)

從表3 ～表5 中可知，采用二次再熱方案比一次再熱方案，單臺(tái)機(jī)組投資增加29 345 萬元。煤耗降低4 g/kWh。以煤價(jià)1 100 元/t(含稅價(jià))，年利用小時(shí)數(shù)按5 000 h，按照最小年費(fèi)用計(jì)算方法，投資回收期約15 a。

4 結(jié)語

1 250 MW 等級(jí)一次再熱機(jī)組，可采用百萬機(jī)組一次再熱的成熟模塊，技術(shù)可靠，設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)較多，而國內(nèi)對(duì)于1 250 MW 等級(jí)二次再熱(雙軸)機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造的經(jīng)驗(yàn)較少。

在現(xiàn)有材料下，充分利用高溫材料的使用上限，進(jìn)一步提高機(jī)組主蒸汽參數(shù)，在技術(shù)上是可行的，且具有一定的節(jié)能效果，可提高機(jī)組熱效率，降低污染物的排放。從主機(jī)廠反饋的信息來看，對(duì)于1 250 MW 等級(jí)一次再熱機(jī)組的汽輪機(jī)進(jìn)口參數(shù)為30 MPa/600 ℃/620 ℃的選擇理論上可行，但初投資會(huì)有所增加。

考慮機(jī)組高效、靈活和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等綜合因素，本文推薦1 250 MW 等級(jí)電站機(jī)組采用高效超超臨界一次再熱機(jī)組，汽輪機(jī)入口參數(shù)30 MPa/600 ℃/ 620 ℃。二次再熱方案與一次再熱方案相比，投資較高。對(duì)于工程的實(shí)施，建議結(jié)合工程煤價(jià)、發(fā)電年利用小時(shí)數(shù)和項(xiàng)目的投資條件等因素，綜合評(píng)估是否采用1 250 MW等級(jí)的機(jī)組，再確定選擇一次再熱或二次再熱方案。