1000MW超超临界直接空冷机组可行性与经济性探讨_空冷机组经济性比较
1000MW超超临界直接空冷机组可行性与经济性探讨由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“空冷机组经济性比较”。
1000MW超超临界直接空冷机组可行性与经济性探讨
[摘要]论述了我国大容量超超临界机组技术以及大容量直接空冷机组技术的现状和发展趋势。通过对国内大型汽轮机制造厂1000MW超超临界汽轮机和600MW空冷汽轮机型式和特点的分析，提出了1000MW超超临界空冷汽轮机可由1000MW超超临界汽轮机的高中压缸模块及600MW二缸二排汽空冷汽轮机低压缸模块组合而成，并对其经济性进行了论述，同时提出了1000MW超超临界空冷机组设计时应考虑及需进一步研究的问题。
[关键词]汽轮机，1000MW，超超临界机组，空冷，可行性，经济性
0、引言
随着《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》及《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》的确定和实施，电源建设将向节约资源和环境保护方向发展。基于这种发展趋势，结合中国“贫油少气多煤”的一次能源结构特点，决定了我国燃煤电厂在很长一段时间内将占居我国电力的较大份额，而超临界和超超临界技术在机组效率上又有着无可争议的优势，对于节约燃煤有着明显的效果。我国缺水的资源状况决定了节约用水在燃煤电厂建设中的重要性，而大型空冷机组技术又是火力发电厂颇为有效的一项节水技术。随着大型超超临界机组技术和大型空冷机组技术的不断发展，能否将2种技术有效地融合，形成超超临界空冷机组，在节约用水的同时节约燃料，这是我们需要研究和考虑的问题。
1、我国超超临界机组技术发展现状及趋势
超(超)临界发电技术经过几十年的发展，目前已是世界上先进、成熟和进入商业化运行的洁净煤发电技术之一，在世界上不少国家推广应用并取得了明显的节能和改善环境的效果。目前一些国家已经公布了发展下阶段超超临界机组的计划，主蒸汽压力将提高到35～40MPa，主蒸汽温度将提高到700t，再热汽温提高到720℃，机组的供电效率将达到50%～55%。
我国超(超)临界机组起步较晚，但发展十分迅速。随着华能沁北电厂超临界机组国产化的实践，中国超临界机组的发展进入了一个崭新的阶段，目前，国内有数十台超临界机组已经或即将投入商业运行。超临界机组的建设模式又为国产超超临界机组的发展奠定了基础，目前华能玉环电厂2×1000MW超超临界机组及华电国际邹县发电厂四期工程2×1000MW超超临界机组已经投入运行。这些电厂的成功运行，标志着我国大容量超超临界机组的设计、安装、调试和运行进入一个崭新的阶段。
2、我国大容量直接空冷技术发展现状
自1938年空冷技术首次在发电厂应用以来，经过60多年的发展，空冷技术日趋完善，空冷机组单机容量不断增大。1978年，美国怀俄达克电厂360MW直接空冷机组投运；1987年，南非马丁巴电厂6×665MW直接空冷机组投运；1988年，南非肯达尔电厂6×686MW间接空冷机组投运。在我国，已有一批300MW和600MW亚临界直接空冷机组投入商业运行。2004年，中国电力工程顾问集团公司通过通辽电厂1x600MW空冷机组，组织东北电力设计院、西北电力设计院、华北电力设计院及哈尔滨空调器厂对空冷系统国产化进行了技术研究，并将研究成果成功地应用于工程项目之中，通辽电厂将于2007年投入运行。华能铜川电厂
2x600MW机组等电厂也采用国产化直接空冷技术进行设计和建设。这标志着我国空冷汽轮机及空冷系统的设计、制造、安装、调试和运行水平已经迈上新的台阶。随着超临界机组设计、制造技术的掌握以及超临界机组的投入运行，超临界技术与空冷技术的结合已成为现实，目前也有数个600MW超临界空冷机组电厂在设计和建设中。
3、1000MW超超临界直接空冷技术可行性探讨
3.1、锅炉
空冷汽轮机与湿冷汽轮机在进汽量要求上的差异，1000MW超超临界空冷机组所配的锅炉蒸发量比同容量超超临界湿冷机组所配的锅炉蒸发量略大，其他的技术要求如锅炉型式、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、受热面布置形式、各受热面材料选择、锅炉启动系统的配置以及锅炉控制系统等均与超超临界湿冷机组所配的锅炉一样。因此，超超临界空冷机组所配的锅炉在技术上是成熟和可行的。
3.2、汽轮机
1000MW超超临界直接空冷机组的关键设备之一在于汽轮机，由于其具有进口参数高、排汽背压高且随环境温度变化幅度大等特点，使其高中压缸具备湿冷1000MW超超临界汽轮机高中压缸的基本特性，而低压缸具备空冷亚临界汽轮机低压缸的基本特性，可采用多个600MW空冷汽轮机低压缸模块组合而成。对于高中压缸，通过近几年超超临界机组技术的引进、消化和吸收，其设计和制造技术均已基本成熟。对于600MW空冷机组低压缸，目前国产空冷机组已经投入运行，其设计和制造技术也已经成熟。而超超临界空冷汽轮机的主要问题在于将超超临界高中压缸模块与空冷机组低压缸模块有机地结合，对于通流面积、轴系的稳定性及末级叶片等关键参数进行复核、计算和调整，在技术上应该可以满足相关规范的要求。现就目前国内1000MW超超临界湿冷汽轮机和600MW亚临界空冷汽轮机的特点及组合进行介绍和分析。
东方汽轮机厂1000MW超超临界湿冷汽轮机型式为单轴、一次中间再热、四缸四排汽型式，高压缸Ⅱ+8级，中压缸2×6级，低压缸2×2×6级，末级叶片1092.2mm。次末级叶片637mm。600MW空冷汽轮机为冲动式、单轴、一次中间再热、高中压合缸，三缸四排汽形式或二缸二排汽，高压缸8级，中压缸6级，低压缸2x2x6级。末级叶片661mm(三缸四排汽)或863／762mm(二缸二排汽)。对于1000MW超超临界空冷汽轮机，可选用1000MW超超临界湿冷汽轮机的高中压缸模块与600MW二缸二排汽空冷汽轮机的低压缸模块进行组合，轴系稳定性、通流面积及末级叶片等应进行重新复核。
哈尔滨汽轮机厂1000MW超超临界湿冷汽轮机型式为单轴、一次中间再热、四缸四排汽型式，高压缸11+9级，中压缸2×7级，低压缸2×2×6级，末级叶片1219.2mm，次末级叶片637mm。600MW空冷汽轮机为反动式、单轴、一次中间再热、高中压合缸，三缸四排汽形式或二缸二排汽，高压缸Ⅱ+8级，中压缸6级，低压缸2×2×6级，末级叶片620mm(三缸四排汽)或940mm(二缸二排汽)。对于1000MW超超临界空冷汽轮机可选用1000MW超超临界湿冷汽轮机的高中压缸模块与600MW二缸二排汽空冷汽轮机的低压缸模块进行组合，轴系稳定性、通流面积及末级叶片等应进行重新复核。
上海汽轮机厂1000MW超超临界湿冷汽轮机型式为单轴、一次中间再热、四缸四排汽型式，高压缸14级，中压缸2x13级，低压缸2x2x6级，高中压缸采用筒形结构，各缸之间采用单轴承支撑，末级叶片1146mm，次末级叶片633.9mm。600MW空冷汽轮机为单轴、一次中间再热、高中压合缸。三缸四排汽型式或二缸二排汽，高压缸1+9级，中压缸6级，低压缸2×2×7级，末级叶片665mm。对于1000MW超超临界空冷汽轮机，可选用1000MW超超临界湿冷汽轮机的高中压缸模块与600MW二缸二排汽空冷汽轮机的低压缸模块进行组合，轴系稳定性、通流面积及末级叶片等应进行重新复核。
对于600MW及1000MW空冷汽轮机，根据不同的机组容量、排汽数量及设计背压，各制造厂均有不同的末级叶片系列，东方汽轮机厂末级叶片系列主要有863mm和762mm；哈尔滨汽轮机厂末级叶片系列主要有620mm、680mm、780Him和940nlm；上海汽轮机厂末级叶片系列主要有910mm、720mm和665mm。
此外，超超临界空冷汽轮机在材料选择、防固体颗粒侵蚀、防止蒸汽激振等方面采用的原则和措施与超超临界湿冷汽轮机是一样的。
通过以上分析，采用1000MW超超临界湿冷汽轮机的高中压缸模块与600MW空冷汽轮机二缸二排汽的低压缸模块进行组合，可形成四缸四排汽的1000MW超超临界空冷汽轮机。
3.3、空冷系统
超临界机组空冷系统与亚临界机组空冷系统的优化、选择和配置计算方法是相同的。对于1000MW超超临界空冷机组，按照北方某电厂的气象条件，计算出空冷凝汽器的散热面积约为210万-240万m。空冷凝汽器布置在主厂房A排外高架平台上，平台高约50m。每台机组空冷凝汽器由80-84个冷却段组成，可排成10列×8行或9列×9行或12列×7行或8列×10行，每列管束设有顺流换热器风机和逆流换热器风机。而对于9列×9行和8列×10行的配置方式，需要进行环境风影响和风机群效应等方面的研究。
3.4、给水系统配置
由于空冷机组对于气象条件的敏感性，国内外直接空冷机组大多采用电动给水泵。对于1000MW超超临界空冷机组，由于给水压力要求较高，给水流量也比较大，给水泵轴功率将达到40000kW左右，对给水泵的驱动形式应进行综合技术经济比较后确定。若选择电动驱动方式，则在选择单台电动给水泵容量时，必须要考虑大容量电机及液力耦合器调节范围的因素。当采用汽动给水泵方案时。应研究给水泵汽轮机循环冷却水的冷却方式，应保证给水泵汽轮机有比较稳定的背压。
3.5、凝结水精处理系统
超超临界机组汽水品质要求比亚临界机组高，因此，对于超超临界机组，对凝结水进行除铁和阴阳离子交换精处理是保证其汽水晶质的重要手段。而对于1000MW超超临界空冷机组，由于空冷系统庞大，汽水空间较大，使凝结水中铁离子含量较高。另外，空冷系统背压的变化范围较大，特别是夏季，气温较高时，凝结水的温度也较高，将对精处理系统中阴阳树脂的运行产生不利的影响，因此在选择夏季满发背压时应考虑阴阳树脂运行温度的限制，同时在选择凝结水精处理系统设置时，应充分考虑空冷机组的特点，采用阴阳分床或粉末树脂覆盖过滤器精处理系统等方式，确保凝结水精处理系统安全稳定运行，为锅炉提供合格的凝结水。
3.6、空冷装置的布置协调及土建结构问题
目前，我国建设的直接空冷电厂中，空冷凝汽器均布置于汽机房A排柱之外。其纵向长度与主厂房长度基本协调，如2×300MW机组主厂房长度为155m，空冷凝汽器为2×(28-32)段，占地约为155m×50m(长×宽)；2×600MW机组主厂房长度为170-195m，空冷凝汽器一般为2×56段，占地为181.5m×84m(长×宽)，2×300MW和2×600MW机组主厂房长度与空冷凝汽器的布置基本上是协调一致的。而对于2×1000MW机组，主厂房长度为185-210m，空冷凝汽器占地为283m×82m(12列×7行)或220m×108m(9列X9行)或245m×96m(10列×8行)或195m×120m(8列×10行)，如何协调好主厂房与空冷凝汽器之间的布置问题，同时处理好大宽度布置方式环境风影响和风机群效应是应该考虑的问题。
2在土建结构方面，对于不同的布置形式，需要对空冷支架的结构形式及在不同荷载下的受力、振型、结构频率、变形、轴压比的特点和规律以及柱顶节点的选用原则等方面的问题进行进一步计算和实验验证。
3.7、排汽管道
若1000MW超超临界空冷机组的排汽管道采用4根，每根管道的直径将达到6000mm左右，管道在主厂房内外如何布置以及如何将蒸汽均匀分配给空冷凝汽器是需要考虑的问题。若将4根排汽管道合并为2根，其直径将达到约8000mm，管道的加固形式、管道在不同的布置形式和不同荷载组合下的应力分布状况以及管道内流体特性状况等问题，均需通过科学先进的计算方法以及实验进行计算和验证，这一方面也需要做进一步的工作。
4、1000MW超超临界直接空冷机组经济性
当汽轮机设计背压为15kPa时，亚临界空冷机组的热耗率约为8065kJ／(kW·h)。超临界空冷机组的热耗率约为7760kJ／(kW·h)，超超临界空冷机组的热耗率比亚临界空冷机组的热耗值低约6%，热耗率应在7560-7600kJ／(kW·h)。表1为空冷机组热耗率比较。
若锅炉效率按93%、管道效率98%、年利用小时数按5500h、标煤价格按照350元／t计算，对于2×1000MW超超临界空冷机组和3×660MW超临界空冷机组，其发电标准煤耗分别计算如表2所示。
经过对同容量超超临界空冷机组与超临界空冷机组投资估算进行比较，2×1000MW超超临界空冷机组投资比3×660MW超临界空冷机组的投资高31000万元。虽然2×1000MW超超临界空冷机组投资比3×660MW超临界空冷机组的投资高，但年标准煤耗低，在同样的评价因素及一定的标准煤价格下，2×1000MW超超临界空冷机组含税上网电价有可能比3×660MW超临界空冷机组的含税上网电价低。经测算，某电厂的2×1000MW超超临界空冷机组含税上网电价比3×660MW超临界空冷机组的含税上网电价低约4元／(MW·h)。
5、结论及建议
(1)我国1000MW超超临界机组技术和600MW亚临界二缸二排汽空冷机组技术已经基本成熟，1000MW超超临界机组已投入运行，600MW超临界二缸二排汽空冷机组已设计完成。采用1000MW超超临界湿冷汽轮机的高中压缸模块与600MW二缸二排汽空冷汽轮机的低压缸模块进行组合形成四缸四排汽的1000MW超超临界空冷机组，在技术上是可行的。
(2)将超超临界技术与空冷技术有效地结合成为超超临界空冷机组，在技术上是可行的，并有较好的节煤节水效果，但应注意由于其具有进口参数高、排汽背压高且随环境温度变化幅度大等特点，汽轮机本体通流面积、低压缸末级叶片及排汽面积的选择、轴系稳定性的计算以及与其相关的外部系统的配置和选择应进行深入的分析、研究和计算。空冷系统空气动力特性、汽轮机排汽管道的应力状况、排汽管道内蒸汽的动力特性、不同布置形式下的环境风影响和风机群效应、空冷支架的结构形式及在不同荷载下的受力、振型、频率、变形、轴压比的特点和规律以及柱顶节点的选用原则等方面的问题有待于进一步计算和实验验证。
(3)1000MW超超临界空冷机组比1000MW超临界空冷机组发电标准煤耗低7g／(kW·h)。2台1000MW超超临界空冷机组比超临界空冷机组年节约标准煤约80000t(年利用小时数按5500h)，投资高约31000万元(2005年价格水平)。在同样的评价因素下以及一定的标准煤价格下，2×1000MW超超临界空冷机组含税上网电价有可能比3×660MW超临界空冷机组的含税上网电价低。
(4)空冷机组具有良好的节水效果，在缺水的地区采用空冷机组是一种较好的技术方案。至于是选用亚临界空冷、超临界空冷还是选用超超临界空冷机组，应结合当地的电网情况、煤价水平、工程造价水平、电价水平以及环保要求等诸多因素进行科学地评价后确定。
