超臨界機組與亞臨界機組特點的比較

河南華能沁北電廠工程處(454662)  劉發(fā)燦
摘  要：通過對國產(chǎn)首臺超臨界機組與亞臨界機組的技術、經(jīng)濟性、可靠性等方面的比較，從而體現(xiàn)出超臨界機組的優(yōu)越性。
主題詞：超臨界  亞臨界  特點
1  概  述         
     隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展及電力結構的調整，600MW級火電機組已經(jīng)成為我國火電的發(fā)展方向并即將成為電網(wǎng)的主力機組，尤其是超臨界參數(shù)機組，由于其更低的運行成本和高效益，使得此類型的機組在現(xiàn)在的電力市場中更具有競爭性。沁北電廠一期工程作為國家引進600MW超臨界機組的依托項目以及2000年燃煤示范電廠，承擔著引進先進技術，降低工程造價的雙重任務，這就給工程的提出了較高的要求。隨著2004年12月13日13：31分2＃機組順利通過168小時，標志著超臨界600MW機組國產(chǎn)化目標的順利實現(xiàn)。

2  600MW超臨界和亞臨界機組的技術特點的比較
2.1  超臨界機組和亞臨界機組特點比較
    超臨界機組是指主蒸汽壓力高于臨界壓力（22.13MPa）的鍋爐和汽輪發(fā)電機組，它具有如下特點：
     (1） 熱效率高、熱耗低。超臨界機組比亞臨界機組可降低熱耗～2.5％，故可節(jié)約燃料，降低能源消耗和大氣污染物的排放量。
      (2）超臨界壓力時水和蒸汽比容相同，狀態(tài)相似，單相的流動特性穩(wěn)定，沒有汽水分層和在中間集箱處分配不均的困難，并不需要象亞臨界壓力鍋爐那樣用復雜的分配系統(tǒng)來保證良好的汽水混合，回路比較簡單。
      (3) 超臨界鍋爐水冷壁管道內單相流體阻力比亞臨界汽包爐雙相流體阻力低。
      (4) 超臨界壓力下工質的導熱系數(shù)和比熱較亞臨界壓力的高。
      (5） 超臨界壓力工質的比容和流量較亞臨界的小，故鍋爐水冷壁管內徑較細，汽機的葉片可以縮短，汽缸可以變小，降低了重量與成本。
      (6）超臨界壓力直流鍋爐沒有大直徑厚壁的汽包和下降管，制造時不需要大型的卷板機和鍛壓機等機械，制造、安裝、運輸方便。同時取消汽包而采用汽水分離器，汽水分離器遠比亞臨界鍋爐的汽包小，內部裝置也很簡單，制造工藝也相對容易，相應地降低了成本。
       (7）啟動、停爐快。超臨界壓力直流鍋爐不存在汽包上下壁溫差等安全問題，而且其金屬重量和儲水量小，因而鍋爐的儲熱能力差，所以其增減負荷允許的速度快，啟動、停爐時間可大大縮短。一般在較高負荷（80～100％）時，其負荷變動率可達10％/min。
       (8) 超臨界壓力鍋爐適宜于變壓運行。
       (9）超臨界鍋爐機組的水質要求較高，使水處理設備費用增加，例如蒸汽中銅、鐵和二氧化硅等固形物的溶解度是隨著蒸汽比重的減小而增大，因而在超臨界壓力下，即使溫度不高，銅、鐵和二氧化硅等的溶解度也很高，為防止它在鍋爐蒸發(fā)受熱面及汽機葉片上結垢，超臨界鍋爐需100％的凝結水精處理，除鹽除鐵。
       (10）超臨界壓力鍋爐的蓄熱特性不及汽包爐，外界負荷變動時，汽溫、汽壓變化快而必須有相當靈敏可靠的自動調節(jié)系統(tǒng)，鍋爐機組的自控水平要求也較高一些。               
      變壓運行的超臨界壓力鍋爐壓力隨機組負荷變化而變化，不需用汽輪機調節(jié)門控制機組負荷，而且部分負荷運行時，由于蒸汽容積流量變化小，能保持較高的汽機效率，并通過改善鍋爐過熱器和再熱器的流量分配，提高了機組效率。
     可見超臨界機組優(yōu)點很多，中國近幾年在大力發(fā)展超臨界機組。但是超臨界機組也存在著一些不足：
     (1) 超臨界壓力鍋爐由于參數(shù)高，鍋爐停爐事故的概率比亞臨界多，降低了設備的可用率和可靠性。另外，超臨界壓力鍋爐出現(xiàn)管線破裂和起動閥泄漏故障時影響較大。
     (2)超臨界壓力鍋爐雖然熱效率高，但鍋爐給水泵、循環(huán)泵卻要消耗較多的電耗，壓力參數(shù)的提高又會增加系統(tǒng)的漏泄量，實際上對熱效率的提高和熱耗的減少都會有一定的影響。
     (3)超臨界壓力鍋爐為了保證水冷壁和過熱器的冷卻，啟動時要建立一定的啟動壓力和流量，為此要配置一整套專用的啟動旁路系統(tǒng)，因而啟、停的操作較復雜，熱損失也大。
     (4) 超臨界直流鍋爐水冷壁的安全性較差。直流鍋爐的水冷壁出口處，工質一般已微過熱，故管內會發(fā)生膜態(tài)沸騰，自然循環(huán)有自補償特性，而直流爐沒有這種特性，因此，直流爐水冷壁管壁的冷卻條件較差，較易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。
     2.2  600MW超臨界主機的一些特殊要求
     (1) 鍋爐部分
     由于超臨界鍋爐的溫度和壓力比亞臨界鍋爐高，因此對鍋爐提出了一些特殊的要求：               
     ①超臨界鍋爐受熱面工作條件就較亞臨界鍋爐為差，故對于受熱面鋼種、管道規(guī)格等選擇上提出較高的要求。尤其是過熱器管選擇時，更應注意所用鋼材的抗腐蝕性和晶粒度指標。沁北電廠采用SUS347替代在亞臨界壓力鍋爐上常用的SUS321，就是考慮到SUS321的晶粒度大，易形成氧化層（Fe3O4），脫落后將引起汽輪機的“硬粒沖蝕”的問題。               
     ②保證鍋爐在各種工況下水動力的可靠性，在各種負荷下，從超臨界壓力到亞臨界壓力廣泛的運行工況范圍內，各水冷壁出口溫度上下幅度須限定在規(guī)定范圍內，確保水動力穩(wěn)定性不受破壞；尤其當水冷壁懸吊管系中設有中間聯(lián)箱時，必須采取措施避免在啟動分離器干濕轉換、工質為兩相流時，聯(lián)箱中出現(xiàn)流量分配不均勻而使懸吊管溫差超限，導致懸吊管扭曲變形等問題。               
     ③超臨界變壓運行鍋爐水冷壁對爐內熱偏差的敏感性較強，當采用四角切園燃燒方式時必須采取有效的消除煙氣溫度偏差的措施（鍋爐出口兩側最大煙溫差不得大于50℃）。沁北電廠采用前后墻對沖燃燒的方式。
     (2)汽輪機部分               
     ①對于汽輪機本體來說，由于超臨界壓力機組是由直流爐供汽，溶解于蒸汽中的其他物質較多，蒸汽在汽輪機的通流部分做功后壓力降低，原先在高壓下溶解的物質會釋放出來，產(chǎn)生固體硬粒沖蝕。針對超臨界機組固體硬粒沖蝕這一突出問題哈爾濱汽輪機廠采取了對通流部件進行表面硬化處理；從防磨角度優(yōu)化通流部分進汽角度，減輕對葉片的沖蝕；采用全周進汽和調節(jié)汽門合理管理系統(tǒng)AMS以降低啟動流速，減小硬粒沖擊能量等。               
      ②超臨界汽輪機由于主蒸汽參數(shù)及再熱蒸汽參數(shù)的提高，特別是溫度的提高，一些亞臨界機組使用的材料，已不能適應超臨界汽輪機的工作狀況，因此，在選材問題給予了高度重視。主汽調節(jié)閥殼體和主蒸汽管采用9%Cr鍛鋼，以適應主蒸汽溫度和壓力變化的要求。低壓缸進汽溫度由亞臨界的320℃升至370℃，亞臨界使用的普通30Cr2Ni4MoV轉子材料的長期時效脆性敏感性高，不能滿足長期安全運行的要求。因此采用了超純30Cr2Ni4MoV轉子材料，降低材料的長期時效脆性敏感性，使超臨界的低壓轉子能夠長期安全運行。               
      ③結構設計上采取防止蒸汽旋渦振蕩的措施，避免由于高壓缸入口壓力高、汽流密度大，使調節(jié)級復環(huán)徑向間隙處發(fā)生蒸汽旋渦振蕩所引起的軸承不穩(wěn)定振動。通常以高壓調節(jié)級處出現(xiàn)蒸汽振蕩的可能性最大，設計上采用有成熟經(jīng)驗的葉型，并進行動強度核算，避免輪系振動頻率與噴嘴尾跡擾動力頻率重合所產(chǎn)生的共振。               
      (3)在輔機配套方面，除了高壓給水泵的揚程和高壓加熱器管側壓力超臨界機組比亞臨界機組高以外，其余的設備超臨界機組和亞臨界機組基本相同。
            
3  600MW超臨界和亞臨界機組性能的比較            
3.1  熱經(jīng)濟性比較
     先將國內部分600MW機組熱耗比較以下，情況如表1：（本表以上海石洞口二廠的機組作為參照標準）
         
                
     由于制造廠和生產(chǎn)年代不同，機組的熱耗會存在較大的差異，例如，對于亞臨界300MW機組，上世紀70年代從WH引進時，熱耗保證值為8081            kJ/kWh，而現(xiàn)在國內各制造廠所提供的保證值為～7820kJ/kWh，減少了3.23%。從上表也可以看出，國產(chǎn)機組中，象鄒縣電廠、平圩電廠等建廠早的機組，熱耗保證值較高，而哈爾濱三廠、吳涇電廠八期等新廠熱耗保證值較低。華能上海石洞口第二電廠，建設于上世紀80年代，投產(chǎn)于90年代初，僅具有國際80年代水平，與其他亞臨界壓力機組平均相差2.66%。國產(chǎn)超臨界機組由于在主蒸汽參數(shù)上提高，從而熱耗保證值比原來的石洞口二廠熱耗值減少了1.63％。
      同時我們?yōu)榱蓑炞C以上結果，現(xiàn)比較近期投產(chǎn)的國產(chǎn)600MW亞臨界機組(吳涇電廠八期)和剛剛投產(chǎn)國產(chǎn)600MW超臨界機組（華能沁北電廠一期工程）。吳涇電廠八期的保證熱耗為7871kJ/kWh，華能沁北電廠生產(chǎn)的保證熱耗為7522kJ/kWh，兩者相差4.4％，可以節(jié)約煤13.1g/kwh。。但考慮到，沁北電廠超臨界機組的參數(shù)是566/566℃，扣出主蒸汽由538℃提高到566℃所提高的熱效率，超臨界機組比亞臨界機組熱耗可以下降～3.7%，可以節(jié)約煤10.9            g/kwh左右。
      這初步可以說明國產(chǎn)超臨界機組比亞臨界機組熱耗可以下降～3.8%,可以節(jié)約煤～11g/kwh。
3.2  可靠性比較               
      600MW超臨界機組與壓臨界機組對于汽輪機主要是高壓缸及高壓通流部分的區(qū)別，鍋爐主要是汽水流程不同，其他基本是相同的；輔機絕大部分是相同的。機組的系統(tǒng)基本相同，許多先進的設計對于兩者均適用。通過對由于超臨界機組高溫高壓所產(chǎn)生的問題不斷完善，過去超臨界壓力機組突出的鍋爐爆管、固體粒子侵蝕以及高壓加熱器泄漏、閥門故障已經(jīng)得到了較好的解決。
3.3  環(huán)保效益               
      由于超臨界機組比壓臨界機組的煤耗降低，而且鍋爐設計中采用了低NOX燃燒技術，電廠所排放到大氣中的二氧化碳、二氧化硫、氧化氮及煙塵均可以減少，超臨界機組有利于環(huán)保，符合國家的產(chǎn)業(yè)政策。
            
4  結  論  
      通過以上對亞臨界機組和超臨界機組技術、可靠性、環(huán)保等方面比較分析，超臨界機組比較亞臨界機組有較大的優(yōu)越性，同時根據(jù)目前沁北電廠一期工程首臺超臨界機組的順利并網(wǎng)發(fā)電，從而證明了中國引進超臨界技術是成功的，從中國電力改革發(fā)展的總趨勢看，采用超臨界機組是中國電力工業(yè)發(fā)展的總趨勢。