超超临界机组汽轮发电机高低位布置方案探讨和分析.pdf

摘 要 介绍了超超临界燃煤发电技术的现状及发展趋势 阐述了一种超超临界二次再热燃煤发电机组的汽轮发电机高低位 布置方案 探讨了该方案的技术可行性 分析了该方案的经济性 结果表明 汽轮发电机高低位布置方案能够减少机组的初投 资3 15 提高机组发电效率0 14 0 19 对下一代高效超超临界燃煤发电机组的发展具有重要意义 关键词 汽轮发电机 高低位布置 超超临界机组 技术可行性 经济性 中图分类号 TM311 文献标识码 A 文章编号 1001 9006 2010 03 0001 05 Discussions and Analysis on Scheme of Steam Turbine Generator Placement in High and Low PIatform Separately for Ultra su percritical U nit YANG Yong ANEn ke Inslitule of l hermal Energy and Environmental Engineering TongJi University 210804 Shanghai China Abstract The status and development trend of the ultra supereritical coal fired power generation technology are introduced A scheme in which the steam turbine generator of the ultra supercritical coa1 fired generating units with double rehealer are placed in high and low platform separately is presented The technical feasibility of this scheme is discussed and the economic analysis is conducted Fhe results show that the scheme can reduce the initial investment of the units for 3 1 5 and improve the total efficiency of power generation by 0 14 0 19 This placement scheme is ofgreat significance for the next generation ofhigh efficiency ultra supercritical coal fired generating units Key words s eaRl turbine generator placement in high and low platfoml separately uhra supercritical unit technical feasibility economic analysis 我国贫油少气多煤的一次能源结构决定了火 力发电量在很长的一段时期内仍将占据我国发电 的很大比例 然而 能源紧缺 资源短缺和环境污染 严重等问题的凸现注定了我国电力工业将朝节约 资源和环境保护的方向发展 大容量超超临界火 电技术具有高效 节能 洁净和环保的显著特点 各 国都开始竞相发展该项技术 我国相继投产的超超临界 发电机组有 华能玉环电厂 4xl 000MW 华电邹县电 厂四期 2xl 000 MW 国电泰州电厂一期 2xl 000 MW 和上海外高桥第 发电厂 2xl 000 MW 等 这些电厂 的成功投运 标志着我国大容量超超临界发电机组 的设计 安装 调试和运行进入一个崭新的阶段 超 超临界火电技术蒸汽的超高温度和压力对材料提 出了特别要求 发电机组的造价也相应增加 一方 面 对电厂的四大管道系统而言 目前600 等级的 大直径及厚壁管道价格相当昂贵 另一方面 南于 相 当数量的锅炉炉型采用塔式炉 主蒸汽管道和高温 再热蒸汽管道的长度增加 管道的系统阻力增大 降 低了蒸汽在汽轮机的做功能力 如何降低机组造价 和进一步提高效率成为了需要研究和考虑的问题 收稿日期 2010 03 12 作者简介 杨 1983一 男 四川遂宁人 硕士研究生 主要研究超超临界燃煤发电技术 1 秘临界燃煤麟技术的嘞发展趋壹争 目前 超超临界发电机组在参数选择上表现出 两种趋势 一种是蒸汽温度相对较高 600 左 右 蒸汽压力不太高 25MPa左右 的方案 主要以 日本为代表 另一种是蒸汽温度和压力均相对较高 28 30MPa 600cc 的方案 主要以欧洲为代表 前 者主要注重机组的可靠性 低造价 后者注重机组 的发电效率 超超临界发电机组的蒸汽参数对电站用钢的 具体要求如下 较高的高温强度 耐高温腐蚀 蒸汽 侧较高的抗氧化性能和良好的抗热疲劳性能 目前 广泛使用和研究的材料有 低合金 1 3 Cr钢 9 12 Cr马氏体钢 奥氏体耐热钢和Ni基高温 合金 目前国外的成熟材料可以满足34 MPa 620 参数条件的要求 同时在开发650 760 参数下的 发电机组高温材料l 3 从欧洲的超超临界发电机组的发展现状发现 就锅炉的整体型式而言 单机容量在300 MW阶段 时 型炉和塔式炉平分秋色 到600MW等级时 多 数选择塔式炉 鉴于高参数大型燃煤锅炉塔式炉的 综合优势 800MW以上的锅炉基本选择塔式炉 为了降低系统复杂程度 提高系统可靠性和降 低机组成本 超超临界发电机组目前较多采用一次 再热循环 二次再热超超临界发电机组的数量较 少 目前世界上效率最高的燃煤发电机组为丹麦的 400 MW二次再热超超临界发电机组 其蒸汽参数 是29MPa 580 580 580 机组的循环效率高 达47 随着蒸汽参数的进一步提高 二次再热循 环的超超临界发电机组有望成为下一代高效超超 临界发电机组的主要技术 根据圈外下一代超超临界发电机组的发展计 划 主蒸汽温度将提高到700 760 再热蒸汽的温 度达到720 相应的压力将从目前的30MPa左右 2 提高到35 40MPa 净效率有望达到50 55 能 源利用率和污染物排放将达更高的标准 2 激奄机商赫置方囊 蠹搬出曩 0誊 图1是现有技术的l 000MW级二次再热超超 临界锅炉的常规布置图 即汽轮机和发电机布置在 常规平台上 锅炉总体形式为采用塔式 汽轮机组 由五缸单轴布置在汽轮机房内 分别是高压缸 两 中压缸 两低压缸 塔式锅炉顶部分别是过热器 二 次再热器和一次再热器 蒸汽参数出参数为28MPa 600 oC 6O0 oC 6O0 oC 主蒸汽管道连接锅炉的过热器 和汽轮机高压缸进口 长度约155 175 m 低温一次 再热管道连接高压缸出口和锅炉的一次再热器进 口 长度约170 190m 高温一次再热管道连接一次 再热器出口和中压一缸的进口 长度约170 190in 低温二次再热管道连接中压一缸的出口和二次再 热器进口 长度约170 190lrl 高温二次再热管道连 接二次再热器出口和中压二缸的进口 长度约170 190 m 其中主蒸汽管道 高温一次再热管道和高温二次再 热管道需要使用600 等级的耐高温合金钢 根据 不同的管道设计方案 主蒸汽管道和再热蒸汽管道 还存在半容量管道和四分之一容量管道 因此 实 际需要使用耐高温合金钢的高温高压管道长度会 成倍增加 对于技术成熟的二次再热超超临界发电机组 按照现在超超临界塔式锅炉的布置方案 主要的缺 点表现在以下方面 再热蒸汽在塔式锅炉和汽轮 机机房之间来回穿梭 单根蒸汽管道的平均长度就 达155 90m 由于600 等级的大直径及厚壁管道 价格相当昂贵 增加了机组的造价 平均长度在 155 190m的蒸汽管道 造成蒸汽的流动阻力增加 降低了汽轮机的做功能力 由于管道效率的降低使 本来很高的二次再热系统的理论效率被抵消 过 长的管道导致蒸汽在传送的过程中蒸汽温度降低 降低了做功效率 二次再热系统增加了系统储存 的蒸汽量 机组的调节惯性显著增加 增大了机组 的控制难度 针对上述问题 文献 51提出了一种汽轮发电机 高低位布置方案 如图2所示 该方案的特点是 汽 轮机组分为至少包括高压缸的高置机组和至少包 括中压缸的低置机组 中压缸可以根据需要布置在 高位和地位 高置机组和高置发电机组成高置轴 系 低置机组和低置发电机组成低置轴系 高置轴 系布置在塔式炉外侧临近联箱的连接区处 即将高 置轴系放置在锅炉外侧近联箱的高位平台上 低置 轴系仍然放置在原来平台之上 按照新的方案布 置 管道长度的对比如表1所示 图1 现有技术汽轮发电机布置示意图 图2汽轮发电机高地位布置示意图 1 娴道 2 过热器3 二次再热器4 一次再热器 5 高温二次再 热管道6 高温一次再热管道 7 主蒸汽管道 8 低温二次再热管 道9 低温一次再热管道 10低压缸 1l 12 中压缸 13 高压缸 l4 高位平台 表1不同汽轮发电机布置方式对应的蒸汽管道长度 蠢糍 3 汽轮发电 3 1 三大主机 汽轮发电机高低位布置与现有技术的布置方 式相比 新方案对锅炉的钢梁结构需要重新设计 重新考虑因为高位平台的出现带来的载荷及其分 布 其他方面比如炉膛容积热负荷 断面热负荷 燃 烧器区域热负荷 燃烧器布置 水冷壁形式 受热面 3 布置 受热面材料 锅炉的启动和控制等均与超超 临界塔式锅炉一样 因此 汽轮发电机高低位布置 对于所配锅炉在技术上是成熟的和可行的 汽轮机和发电机被分为高置轴系和低置轴系 高置轴系包括高压缸 一部分中压缸和发电机 低 置轴系包括低压缸 一部分中压缸和发电机 高置 轴系布置在塔式炉外侧临近联箱的连接区处 即将 高置轴系放置在锅炉外侧近联箱的高位平台上 低 置轴系仍然放置在原来平台之上 实际上 新方案 将现有技术的汽轮机高中低压缸分离布置 以减少 蒸汽输送管路的长度 而汽轮机高中低压缸的分离 对于当前的技术状况来说是可行的 这样 汽轮发 电机组的高置发电机向地面送电时需要延伸封闭 母线 送电封闭母线的延伸在技术上也是成熟和可 行的 3 2蒸汽管道 蒸汽管道的设计可以根据DUT5054 1996 火力 发电厂汽水管道设计技术规定 进行 设计压力按 照锅炉最大连续蒸发量下的过热器出口的工作压 力加5 余量选取 设计温度选择锅炉过热器出口 额定主蒸汽温度加锅炉正常运行时允许温度正偏 差5 cIC 国内外用于运行参数为25 30 MPa 600 600 600 qC等级机组的高温蒸汽管道材料有 A335P91 A335P92 A335P9122 E91 1等 这些钢种 均属于调质状态下使用的9 12 Cr回火马氏 体钢 根据我国超超临界发电机组的建设实践 可靠起见可选用A335P92 冷再热器管道材料选 择A691Cr一1 4CL22f6 71 3 3高位平台 高位平台设置在炉体外侧 位置大致对应于联 箱链接区 高位平台对汽轮发电机的高置轴系起固 定和支撑作用 在设计时可以使高位平台和高置轴 系和塔式锅炉的烟道进行重量平衡进而保证整体 钢结构的设计的安全性 高置轴系包括的汽轮机高 压缸 一部分中压缸和发电机 相对于以前的蒸汽 管道 重量还会有所减少 高置轴系在运行时的振 4 动对整体钢结构的影响 这需要进一步的深入研 究 4 牵 电机j离擘滋布置l燃蝴霉糖 4 1对初投资的影响 汽轮发电机高低位布置对初投资的影响主要 表现在以下几个方面 减少蒸汽管道长度进而减 少初投资 减少相应的支吊架 保温材料进而减 少初投资 简化厂房结构设计 降低地基载荷 降 低相应的土建成本 减少蒸汽支吊架钢结构 进 而减少初投资 增加高位平台和减振措施 增加 封闭母线长度带来初投资的增加 其中第2 3 4项 减少的初投资大于第5项增加的初投资 因而本文 主要计算蒸汽管道减少的初投资 按照当前的市场 价格用于主蒸汽和高温再热蒸汽的A335P92管道 的价格为l5 17万元 t 用于低温再热蒸汽管道的 A691Crl 1 4CL22管道价格约为5 7万元 t 价格取 当前价格区间的中间值 管道重量取计算均值 汽 轮发电机常规平台布置和高低位平台布置的管道 费用如表2所示 表2管道重量和管道价格列表 由表2知 汽轮发电机按照常规平台方式布 置 主蒸汽管道 低温再热蒸汽管道和高温再热蒸 汽管道的总价是23 552万元 按照汽轮发电机高低 位平台布置的上述蒸汽管道总价是7 796万元 减 少初投资15 756万元 按照当前市场状况 单台二 次再热超超临界发电机组的总造价为500000万元 汽轮发电机高低位布置仅蒸汽管道一项 投资就减 少15 756万元 相当于机组总投资的3 15 4 2对机组效率的影响 汽轮发电机高低位布置不仅使超超临界二次 再热机组的初投资减少 另外还可以带来运机组运 行效率的提升 汽轮发电机高低位布置减少蒸汽管 道长度对机组效率的影响主要从下面两个方面分 析 蒸汽管道长度减少 带来蒸汽压降减小 增加 了蒸汽的做功能力 减小了蒸汽在传输过程中的热 量散失 蒸汽温度相比常规二次再热机组有所提 高 减少了蒸汽在管道中的储存量 提高了汽轮 发电机组的调节性能 有利于超超临界发电机组实 现甩负荷运行 FCB 在超超临界发电机组参数范围的条件下 主蒸 汽提高1 MPa 机组的热耗率可下降0 13 0 15 主蒸汽温度每提高l0 热耗率下降0 25 43 30 再热蒸汽温度每提高10 热耗率可下降0 15 4 20 采用汽轮发电机高低位布置 无论过热蒸汽还是再 热蒸汽的压力和温度都有所升高 带来的是机组的 热耗率的下降 至于汽轮发电机高低位布置对热耗 率影响的定量分析还需要进一步研究 采用超超临界压力参数的凝汽式发电厂的毛 效率 可用公式 1 计算 77 77一 叼 d 77t 77 xrljXrla 1 式中 叼 k一机组效率 7 d一锅炉效率 77 一管道 效率 77 一汽轮机效率 叩 一循环效率 叼 一机械效 率 叼d一电机效率 根据当前的二次再热机组总体情况叼 在 46 48 之间 管道效率77 一般为98 左右 管 道效率提高0 1 机组的效率提高0 047 0 049 采用汽轮发电机高低位布置 蒸汽管道总 长度缩短为采用现有技术布置时长度的25 左右 蒸汽管道的沿程阻力损失减少为原来的25 按照 节流损失和沿程阻力损失3 1计算 管道效率可提 升0 3 0 4 因此整个二次再热超超临界发电机 组的效率将提升0 14 0 19 5 绪论及建议 lll 一 一 0拳0 本文对采用塔式锅炉的二次再热超超临界发 电机组的汽轮发电机采用高低位布置进行了技术 可行性探讨和技术经济性分析 得出结论如下 1 按照当前的技术现状 采用汽轮发电机 组高低位布置是可行的 高置轴系运行时的振动对 锅炉钢结构的影响需要进一步研究 汽轮发电机高 置轴系质量相对较小 当前的技术应该能够保证锅 炉钢结构的安全性和可靠性 2 汽轮发电机组高低位布置 减少了二次 再热机组昂贵的蒸汽管道长度 能够减小超超临界 发电机组大约3 15 初投资 同时由于蒸汽压降的 减小 能够提高二次再热超超临界发电机组效率 0 14 0 19 根据上个世纪末美 日 欧制定的高效超超临 界发电机组发展计划 主蒸汽温度将提高到700 760 cI 再热蒸汽的温度达到720 oC 相应的压力将 从目前的30 MPa左右提高到35 40 MPa 按照当前 的市场价格 700 等级的耐热镍基合金钢的价格是 当前600 qC等级的5 6倍 成为超超临界发电机组 下一步发展的主要技术障碍 采用汽轮发电机高低 位布置技术 能够大大降低机组初投资 有效突破 技术瓶颈 具有可观的经济效益 参考文献 1 徐通模 袁益超 陈干锦 超大容量超超临界锅炉的发展趋势 JJ 动 力T程 2003 23 3 2 姜成洋 超大容量超超临界燃煤发电机组的现状及发展趋势 J 锅 炉制造 2006 3 3 周荣灿 范长信 李耀君 电站用材的现状及发展趋势 JJ 钢管 2006 35 1 4 冯伟忠 f ft超超临界机组发展的特点和启示IJj 华东电力 2008 36 2 5 冯伟忠 一种新型汽轮发电机组 P1 中国专利 20072O0694l8 3 2008 03 19 6 陈瑞克 超超临界机组汽水系统的设计特点分析 JI 华电技术 2008 30 2 7 叶勇健 超超临界塔式锅炉评标中应注意的若干INN J 电力 勘测设计 2007 6 5