300MW国产超临界、亚临界主机及辅机选择专题.docx

国产 300MW 超临界和亚临界主机及配套辅机选择专题报告国家电力公司西北电力设计院2003 年7月 西安1.0 300MW 超临界和亚临界机组主机及其辅机的设计、制造区别„„„„„„„„„„„ 11.1 300MW 超临界主机制造设计的一些特殊要求„ 11.2 300MW 超临界辅机制造设计的一些特殊要求„ 22.0 300MW 超临界和亚临界机组性能的比较„„„ 32.1 热经济性比较„„„„„„„„„„„„„ 32.2 投资比较„„„„„„„„„„„„„„ 52.3 可靠性比较„„„„„„„„„„„„„ 62.4 环保效益„„„„„„„„„„„„„„ 73.0 国产 600MW 超临界设计制造能力„„„„„ 73.1 汽轮机„„„„„„„„„„„„„„„ 73.2 锅炉„„„„„„„„„„„„„„„ 83.3 辅机„„„„„„„„„„„„„„„ 93.4 国产化结论„„„„„„„„„„„„„ 94.0 结论 „„„„„„„„„„„„„„ 91.0 300MW 超临界和亚临界机组的特点及设计制造比较1.1 超临界机组和亚临界机组特点比较超临界机组是指主蒸汽压力高于临界压力(22.13MPa)的锅炉和汽轮发电机组，它具有如下特点：1) 热效率高、热耗低。

超临界机组比亚临界机组可降低热耗〜2.5%，故可 节约燃料，降低能源消耗和大气污染物的排放量2) 超临界压力时水和蒸汽比容相同，状态相似，单相的流动特性稳定，没 有汽水分层和在中间集箱处分配不均的困难，并不需要象亚临界压力锅炉那样用 复杂的分配系统来保证良好的汽水混合，回路比较简单3) 超临界锅炉水冷壁管道内单相流体阻力比亚临界汽包炉双相流体阻力 低4) 超临界压力下工质的导热系数和比热较亚临界压力的高5) 超临界压力工质的比容和流量较亚临界的小，故锅炉水冷壁管内径较细， 汽机的叶片可以缩短，汽缸可以变小，降低了重量与成本6) 超临界压力直流锅炉没有大直径厚壁的汽包和下降管，制造时不需要大 型的卷板机和锻压机等机械，制造、安装、运输方便同时取消汽包而采用汽水 分离器，汽水分离器远比亚临界锅炉的汽包小，内部装置也很简单，制造工艺也 相对容易，相应地降低了成本7) 启动、停炉快超临界压力直流锅炉不存在汽包上下壁温差等安全问题， 而且其金属重量和储水量小，因而锅炉的储热能力差，所以其增减负荷允许的速 度快，启动、停炉时间可大大缩短一般在较高负荷(80〜100%)时，其负荷 变动率可达 10% /min。

8) 超临界压力锅炉适宜于变压运行9) 超临界锅炉机组的水质要求较高，使水处理设备费用增加，例如蒸汽中 铜、铁和二氧化硅等固形物的溶解度是随着蒸汽比重的减小而增大，因而在超临 界压力下，即使温度不高，铜、铁和二氧化硅等的溶解度也很高，为防止它在锅 炉蒸发受热面及汽机叶片上结垢，超临界锅炉需100%的凝结水精处理，除盐除 铁10) 超临界压力锅炉的蓄热特性不及汽包炉，外界负荷变动时，汽温、汽 压变化快而必须有相当灵敏可靠的自动调节系统，锅炉机组的自控水平要求也较 高一些变压运行超临界压力锅炉压力随机组负荷变化而变化，不需用汽轮机调节门 控制机组负荷，而且部分负荷运行时，由于蒸汽容积流量变化小，能保持较高的 汽机效率，并通过改善锅炉过热器和再热器的流量分配，提高了机组效率可见超临界机组优点很多，世界上发达国家都在大力发展超临界机组但是 超临界机组也存在着一些不足：1) 超临界压力锅炉由于参数高，锅炉停炉事故的概率比亚临界多，降低了 设备的可用率和可靠性另外，超临界压力锅炉出现管线破裂和起动阀泄漏故障 时影响较大2) 超临界压力锅炉虽然热效率高，但锅炉给水泵、循环泵却要消耗较多的 电耗，压力参数的提高又会增加系统的漏泄量，实际上对热效率的提高和热耗的 减少都会有一定的影响。

3) 超临界压力锅炉为了保证水冷壁和过热器的冷却，启动时要建立一定的 启动压力和流量，为此要配置一整套专用的启动旁路系统，因而启、停的操作较 复杂，热损失也大4) 超临界直流锅炉水冷壁的安全性较差直流锅炉的水冷壁出口处，工质 一般已微过热，故管内会发生膜态沸腾，自然循环有自补偿特性，而直流炉没有 这种特性，因此，直流炉水冷壁管壁的冷却条件较差，较易出现过热现象1.2 300MW 超临界主机制造设计的一些特殊要求1.2.1 锅炉部分由于超临界锅炉的温度和压力比亚临界锅炉高 ,因此对锅炉的设计提出了一 些特殊的要求 1.2.1.1，超临界锅炉受热面工作条件就较亚临界锅炉为差，故对于受热面钢种、 管道规格等选用上要有专门要求尤其是过热器管选择时，更应注意所用钢材的 抗腐蚀性和晶粒度指标国外建议用 SUS347 替代在亚临界压力锅炉上常用的 SUS321，就是考虑到SUS321的晶粒度大，易形成氧化层(Fe3O4),脱落后将 引起汽轮机的“硬粒冲蚀”的问题1.2.1.2 保证锅炉在各种工况下水动力的可靠性，在各种负荷下，从超临界压力 到亚临界压力广泛的运行工况范围内，各水冷壁出口温度上下幅度须限定在规定 范围内（设计要求为50°C）,确保水动力稳定性不受破坏；尤其当水冷壁悬吊管 系中设有中间联箱时，必须采取措施避免在启动分离器干湿转换、工质为两相流 时，联箱中出现流量分配不均匀而使悬吊管温差超限，导致悬吊管扭曲变形等问 题。

1.2.1.3超临界变压运行锅炉水冷壁对炉内热偏差的敏感性较强，当采用四角切 园燃烧方式时必须采取有效的消除烟气温度偏差的措施（锅炉出口两侧最大烟温 差不得大于 50C）1.2.2 汽轮机部分1.2.2.1 对于汽轮机本体来说，由于超临界压力机组是由直流炉供汽，溶解于蒸 汽中的其他物质较多，蒸汽在汽轮机的通流部分做工后压力降低，原先在高压下 溶解的物质会释放出来，产生固体硬粒冲蚀针对超临界机组固体硬粒冲蚀这一 突出问题采取相应措施，包括：对通流部件进行表面硬化处理；从防磨角度优化 通流部分进汽角度，减轻对叶片的冲蚀；采用全周进汽和调节汽门合理管理系统 AMS 以降低启动流速，减小硬粒冲击能量等1.2.2.2 超临界汽轮机由于主蒸汽参数及再热蒸汽参数的提高，特别是温度的提 高，一些亚临界机组使用的材料，已不能适应超临界汽轮机的工作状况，因此， 选材问题要给以高度重视主汽调节阀壳体和主蒸汽管采用9%Cr锻钢，以适应 主蒸汽温度和压力变化的要求低压缸进汽温度由亚临界的320C升至370C, 亚临界使用的普通 30Cr2Ni4MoV 转子材料的长期时效脆性敏感性高，不能满足长 期安全运行的要求。

因此采用超纯 30Cr2Ni4MoV 转子材料，降低材料的长期时效 脆性敏感性，使超临界的低压转子能够长期安全运行1.2.2.3 结构设计上采取防止蒸汽旋涡振荡的措施，避免由于高压缸入口压力 高、汽流密度大，使调节级复环径向间隙处发生蒸汽旋涡振荡所引起的轴承不稳 定振动通常以高压调节级处出现蒸汽振荡的可能性最大，设计上应采用有成熟 经验的叶型，并进行动强度核算，避免轮系振动频率与喷嘴尾迹扰动力频率重合 所产生的共振1.3 300MW 超临界辅机制造设计的一些特殊要求在辅机配套方面，除了高压给水泵的扬程和高压加热器管侧压力超临界机组比亚临界机组高以外，其余的设备超临界机组和亚临界机组基本相同2.0 300MW 超临界和亚临界机组性能的比较2.1 热经济性比较一般认为，当主蒸汽、再热蒸汽温度同为538°C，主汽压力从16.7MPa提高 到24.2MPa时，热耗可下降2%左右；在这一压力下若将再热蒸汽温度从538C提 高到566C,热耗可再下降0.5〜0.8%两个因素综合起来，热耗可以下降2.5〜 2.8%,相当的节煤效益约为（7〜8）g/kwh但按德国西门子公司的比较，以25MPa， 540/560C的超临界参数来取代16.7MPa, 538/538C的亚临界参数时，热耗率约 低330kJ/kwh,相当于节约标准煤11.26g/kwh；而国内有的文献资料中根据实测 数据的对比，认为按上述参数的超临界机组来替代亚临界机组时节煤效果为（15〜30） g/kwh，相差较大。

下面将我院近期所做部分 300MW 亚临界机组热耗与 300MW 超临界机组比较如下：电厂名称热耗值KJ/KWh热耗比较％华能南京超临界压力机组23.5MPa 540/540 C7674基准华能淮阴电厂二期亚临界压力机组17.5MPa 540/540C 背压 5.3kPa7871.8+2.58%平凉电厂#3、#4号亚临界压力机组16.67MPa 538/538 C 背压 4.9kPa7823+1.94%中宁电厂#1、2号亚临界压力机组16.75MPa 537/537 C 背压 4.9kPa7807+1.73%连城电厂亚临界压力机组16.67MPa 538/538C 背压 4.9kPa7814+1.82%户县电厂扩建亚临界压力机组16.67MPa 538/538C 背压 4.9kPa7822.7+1.93%贵州鸭西电厂#1、2亚临界压力机组16.67MPa 537/537C 背压 5.5kPa7862+2.45%贵州鸭西电厂#3、4亚临界压力机组16.67MPa 537/537C 背压 5.5kPa7833.7+2.08%由于制造厂和生产年代不同；电厂所处位置不同，机组的背亚不同，机组的热耗会存在较大的差异，例如，对于亚临界 300MW 机组，上世纪 70 年代从 WH 引进时，热耗保证值为8081 kJ/kWh，而现在国内各制造厂所提供的保证值为〜 7820 kJ/kWh，减少了 3.23%。

华能南京电厂，建设于上世纪90年代，投产于94 年，具有国际90年代水平，与其他亚临界压力机组平均相差1.7~2.5%但考虑 到超临界机组技术的进步，现在600MW机组的热耗值为达到7520 kJ/Kw.h左 右， 600MW 超临界机组与亚临界机组热耗保证值减少 3.7%左右考虑到华能淮阴电厂与华能南京电厂的冷却水温度相近，背压相同，可比性 强，两者相比热耗相差 2.5%再与 600MW 超临界机组热耗相比（沁北电厂为 7522 kJ/Kw.h）,在华能南京电厂现在的热耗值7674 kJ/Kw.h降低1.2%达到7582 kJ/Kw.h是可能的即300MW超临界机组与亚临界机组热耗保证值减少3.7%左 右华能淮阴电厂的发电煤耗为299.3g/Kw.h（锅炉效率按92.5%，管道效率按 97%）,可以节约煤11 g/kwh与2.1条中提出的数据基本相符的这初步可以说明300MW超临界机组比国产300MW亚临界机组热耗可以下降〜 3.7%,可以节约煤 11g/kwh2.2 投资比较2.2.1 300MW超临界与亚临界机组投资比较•英国IEA文献介绍，超临界机组的机炉设备与管道投资比亚临界机组高5.5%， 相当于全厂投资增加 2%左右；•陡河二电厂业主曾请国外五家制造厂商为超、亚临界660MW机组就主厂房内设 备、管道、电缆以及厂房钢结构进口件分别报价，两种机组所引起的价差为 2.0-5.6%，按平均值相当于全厂投资增加1.9%。

•美国S&L公司曾结合中国情况提供了 600MW超、亚临界机组造价比较，认为分 别需要$ 790/KW与$ 775/KW，相差$15元/KW，相当于全厂投资增加1.94%•美国A.F.Armor, D.V.Giovanni在比较660MW等级机组蒸汽参数的经济性时， 对二次再热超临界机组与一次再热亚临界机组电站的初投资分别采用$ 825/KW 与$810/K。