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1000MW超超临界空冷发电机组选型及现状分析

发布时间：2011/5/23 阅读次数：2523 字体大小: 【小】【中】【大】

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１０００ＭＷ超超临界空冷发电机组选型及现状分析
安普亮
ＡＮＰｕｌｉａｎｇ
（华电宁夏灵武发电有限公司，宁夏银川　７５０４００）
摘　要：介绍了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应用现状和发展趋势，着重对华电宁夏灵武发电有限公司二期工程将要建设的１０００ＭＷ超超临界空冷机组的主机选型和技术特点进行了论述，并对其环保节能情况和经济性进行了分析，提出了１０００ＭＷ超超临界空冷机组制造时应考虑的问题，以及需要进一步研究的问题。
关键词：１０００ＭＷ超超临界机组；空冷技术；主机选型；环保节能
中图分类号：ＴＫ２６３　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１６７４－１９５１（２００８）０３－００１８－０４
收稿日期：２００８－０１－２８
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》的实施，我国电力工业的建设将继续朝着高参数、大容量、低能耗、节约资源和环境保护的方向发展。我国“贫油、少气、多煤”的一次能源结构特点决定了在今后相当长的时间内，燃煤火力发电仍将在我国发电领域占主导地位。发展超超临界燃煤机组有利于提高机组热效率、降低发电煤耗，同时可减少二氧化碳和其他大气污染物的排放，其经济和社会效益非常显著。节约用水是我国的一项基本国策，采用空冷技术是火力发电厂非常有效的一项节水措施。建设空冷机组较同等级的湿冷机组可节约用水量２／３左右，非常适合西部干旱少雨地区。
１　超超临界发电机组技术发展现状超超临界发电机组自２０世纪９０年代初开始发展，到２０世纪９０年代末期其蒸汽温度基本都提高
到了５８０℃ ～６００℃。近年来一批百万千瓦级超超临界发电机组相继投入运行，除可靠性很高外，其循环效率可达到４５％左右。超超临界技术发展领先的国家主要有日本、德国和丹麦。其中，丹麦２００１年投运的ＡＶＶ２电厂的一台超超临界机组效率高达４９％，这是目前世界上超超临界机组中运行效率最高的机组。我国超超临界机组的发展虽然起步较晚，但发展十分迅速。国内有数台超超临界机组已经投入商
业运行，数十台超超临界机组正在建设并将投入商业运行，为国产超超临界机组的发展奠定了基础。目前，华电国际邹县发电厂四期工程２×１０００ＭＷ超超临界机组及华能玉环电厂２×１０００ＭＷ超超临界机组已顺利建成并成功投入商业运行。这４台机

　第３期安普亮：１０００ＭＷ超超临界空冷发电机组选型及现状分析·１９·　
组的成功运行标志着我国大容量超超临界机组的设计、制造、配套、安装、调试和运行能力步入了一个崭新的阶段。２　空冷发电机组的应用情况电站空冷技术的应用已有半个多世纪的历史，而德国是世界上最早采用空冷系统的国家。２０纪５０年代末，匈牙利发展了喷射式凝汽间接空冷技术之后，各国纷纷大量采用直接空冷技术和表面式凝汽器间接空冷技术。目前，国际上采用直接空冷系统容量最大的机组是德国为南非设计的马丁巴６×６６５ＭＷ电厂机组，采用间接空冷系统容量最大的机组是南非的肯达尔６×６８６ＭＷ电厂机组。澳大利亚的ＫｏｇｅｎＣｒｅｅｋ１×７５０ＭＷ电站将于２００７年底投入运行。我国自２０世纪８０年代开始引进和建设空冷机组，目前所采用的发电用直接空冷岛的单机容量最大为６００ＭＷ，自２００２年以来，已有超过４０台套投产或在建。通过多年的发展，国内已较好地掌握了大型空冷电机组的设计、制造、安装和运行技术。华电宁夏灵武发电有限公司（以下简称灵武公司）一期工程２×６００ＭＷ空冷发电机组＃１，＃２机已分别于２００７年６月和９月投入运行，目前运行良好。灵武公司二期工程即将建设的单机容量为１０００ＭＷ的超超临界空冷机组在国际上是第１家。在国内，已有６００ＭＷ亚临界、超临界空冷汽轮机和１０００ＭＷ湿冷超超临界汽轮机的设计、制造经验，结合１０００ＭＷ超超临界空冷汽轮机的特点，对其具有特殊要求的末级长叶片、轴承支承型式及轴系稳定性等问题，联合国内有关科研院（所）和电厂进行联合攻关，完全具备开发出具有自主知识产权的１０００ＭＷ超超临界空冷汽轮机的能力。
３　１０００ＭＷ超超临界直接空冷机组主机选型
３．１　汽轮机选型
１０００ＭＷ超超临界空冷机组主要是在超临界机组的基础上提高主蒸汽、热再热蒸汽的参数，通流部分、叶片型式及末级叶片长度等会发生一些变化。采用１０００ＭＷ超超临界湿冷机组的高中压缸模块，与６００ＭＷ空冷汽轮机的低压缸模块组合进行设计。
灵武公司二期工程１０００ＭＷ超超临界空冷机组汽轮机采用一次中间再热、单轴、四缸四排汽、七级回热抽汽、直接空冷凝汽式，入口参数为２５．０ＭＰａ／６００℃／６００℃，额定背压为１３ｋＰａ，夏季背压为３３ｋＰａ，额定给水温度为２９８．７℃。
３．２　锅炉选型
１０００ＭＷ超超临界直接空冷机组和同容量超超临界湿冷机组锅炉蒸发量相差不大，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、水冷壁型式、受热面布置型式、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是一样的。邹县电厂和玉环电厂１０００ＭＷ超超临界湿冷机组的锅炉已经投入运行，国内１０００ＭＷ超超临界锅炉技术已经相对成熟。
灵武公司１０００ＭＷ超超临界空冷机组采用变压直流炉、一次再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、紧身封闭、全悬吊结构Π型锅炉。锅炉容量和主要参数：额定蒸发量２８５６．８ｔ／ｈ，锅炉出口蒸汽参数２６．２５ＭＰａ／６０５℃／６０３℃。
３．３　发电机选型
超超临界机组的发电机与超临界和亚临界的发
电机在设计上没有区别，因容量的加大，１０００ＭＷ机组发电机的结构尺寸比６００ＭＷ机组发电机大得多。如能采用公路运输，发电机的定子可以整体装运；如果采用铁路运输，发电机在结构上需要作特殊设计。目前，国外的制造商已通过一些技术解决了交通运输问题。灵武公司１０００ＭＷ超超临界空冷机组发电机额定容量为１０００ＭＷ，电压为２７ｋＶ，频率为５０Ｈｚ，功率因数ｃｏｓ＝０．９，冷却方式为水氢氢，励磁方式为快速励磁（自并励，励磁自带ＰＳＳ）。
４　１０００ＭＷ超超临界直接空冷机组技术特点
４．１　空冷系统
４．１．１　空冷凝汽器布置方案
汽轮机的排汽通过大直径管道进入布置于主厂房Ａ列前的空冷岛，采用轴流风机使冷空气流过空冷凝汽器管束，通过强制通风方式使蒸汽凝结成水，冷凝水经过处理后送回到锅炉给水系统。
每台空冷凝汽器分成１０排，每排有８个冷却单元（６顺２逆）。
对空冷系统风机噪音进行限制，选择噪音低的风机（包括电动机）。风机采用变频调速，风机转速应能在２０％～１１０％额定转速范围内任意调节，逆流空冷凝汽器单元采用的风机应能反转运行。
为防止外界风对空冷凝汽器的影响，布置时要避免夏季主导风从炉后吹入空冷凝汽器，同时在空冷凝汽器平台四周加装挡风墙以减少热风再循环。
４．１．２　空冷凝汽器系统
空冷凝汽器是由大管径的单排椭圆翅片管管束、蒸汽分配管、管束上联箱、集管（管束下联箱）、支撑管束的钢构架等组成，系统传热效率高、空气阻力小、性能先进，且其强度满足安装、运行、维修、冲洗要求。
排汽管道系统是指从汽轮机低压缸排汽装置出口到与连接各空冷凝汽器的蒸汽分配管之间的管道，以及在排汽管道上设置的滑动和固定支座、膨胀偿器、相关的隔断阀门、爆破膜、疏水等。管道系统要求严密，管道之间采用焊接方式连接，转弯处的弯管内有导流板，管道系统中有防止振动和吸收热位移的工艺布置。
主排汽管道直径约为８ｍ，次总管变径后分出１０支直径３ｍ的上升支管与蒸汽分配管连接，蒸汽分配管的直径由３ｍ变到２．６ｍ后再变到１．５ｍ。
排汽管道始于汽轮机排汽装置的排汽口，其截面通常为长方形，通过一个过渡件与管道的直段相连；直段的管道配备有加强环；管道上的不锈钢膨胀节用于减小由于管道的热膨胀和位移导致的汽轮机排汽装置的应力和位移；配备的人孔门用于常规检查；排汽管道还配备所有必须的固定和浮动支座；为了保护冷凝系统，避免管道承受过高压力，安全隔膜被安装在由平台可以接近的管道上；排气支管根据要求安装蝶阀。
４．２　低压缸末级叶片
１０００ＭＷ超超临界空冷汽轮机与１０００ＭＷ超超临界湿冷汽轮机的高、中压通流部分基本可通用，低压部分除末两级外，也可用湿冷机组的设计方案。
１０００ＭＷ超超临界空冷汽轮机研制的关键是空冷末级叶片。东方汽轮机有限公司研制的７６２ｍｍ叶片于２００７年５月份通过了国内相关专家组织的鉴定，该叶片适用于四排汽１０００ＭＷ空冷汽轮机。
７６２ｍｍ叶片具有级效率高、根部反动度高、顶部反动度低及变工况特性优良等特点。在完成流型优化设计之后，不但进一步采用全三维粘性流场ＣＦＤ软件计算分析叶片级的全三维流场特性，而且对典型截面完成了叶栅吹风试验。根据计算分析，精调静、动叶的叶型及成形规律，使全三维流场特性达到最优，最终完全确定静、动叶片的叶型及成形规律。计算分析结果表明，通过全三维流场优化设计，流场特性明显改善，级效率显著提高。７６２ｍｍ叶片也采用了大宽度、自带阻尼凸台拉筋、小应力集中的ＣＣＢ（ＣｏｎｔｉｎｕｅＣｏｖｅｒＢｕｃｋｅｔ）结构设计，大幅度削减动应力峰值，振动特性优良。该叶片是一只大根径、大刚度、大长度、结构先进、安全可靠、适应背压范围大、变工况性能好、气动效率高的先进末级空冷叶片。
４．３　１０００ＭＷ空冷汽轮机低压缸变形
（１）合理的低压缸分层结构。１０００ＭＷ空冷汽轮机低压缸采用有成功运行经验的３层缸结构，均采用焊接结构。低压内缸进汽室设计为装配式结构，整个环形的进汽腔室与内缸其他部分隔开，低压进汽部分径向预留间隙，使内外壁温差最大的进汽部分在工作状态时的热膨胀受约束较小。
（２）水平中分面的改进。低压内缸中分面法兰全部采用钢板件焊接而成，消除了铸件残余应力引起的变形。
（３）成熟可靠的焊接工艺和热处理工艺。引进低压缸设计、制造技术，优化焊接工艺，控制施焊顺序，完善热处理工艺，减小残余应力，从而有效地控制残余应力引起的变形。
４．４　给水泵选型
对于超超临界１０００ＭＷ机组，给水压力较高，给水流量比较大，通过综合技术经济比较，选择机组配置２台５０％ＢＭＣＲ容量的汽动给水泵和１台３０％ＢＭＣＲ容量的启动电动给水泵。汽动给水泵设计有专门的凝汽器，采用循环水冷却，确保其有比较稳定的背压。
４．５　凝结水精处理系统
超超临界机组汽水品质比亚临界机组汽水品质要求高，超超临界１０００ＭＷ直接空冷机组，空冷系统庞大、汽水空间大、凝结水中铁离子含量高；同时，在夏季气温高时，凝结水温度会相应较高，对精处理系统要求更高。在精处理系统设置时，要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，以确保凝结水精处理系统安全稳定运行。
５　１０００ＭＷ超超临界空冷机组节能环保优势灵武公司二期２×１０００ＭＷ超超临界空冷发电机组建成后，将成为我国乃至世界上参数最高、容量最大、技术最先进的燃煤空冷发电机组，机组热效率高达４３．７１％，发电煤耗２８１．４ｇ／（ｋＷ·ｈ），发电水耗０．５６ｍ３／（ＭＷ·ｈ），节能、节水、环保，符合国家相关产业政策。
１０００ＭＷ超超临界湿冷机组发电水耗为２．３６ｍ３／（ＭＷ·ｈ），而１０００ＭＷ超超临界空冷发电机组仅为０．５６ｍ３／（ＭＷ·ｈ），采用空冷机组节水达７０％以上。由此可见，选择同容量的发电机组，２台１０００ＭＷ空冷机组比湿冷机组可节水约３６００ｍ３／ｈ，全年节约用水约２５００万ｍ３。
１０００ＭＷ超超临界机组在环境保护方面也具有明显的优势。由于其发电煤耗低，同步建设脱硫和脱硝装置，其ＳＯ２、烟尘、ＮＯＸ和灰渣的排放量均明显减少，从而减轻了对当地生态环境的损害。
１０００ＭＷ超超临界机组效率高，发电煤耗仅２８１ｇ／（ｋＷ·ｈ），远低于全国平均煤耗。在煤价上涨、环保压力不断加大的情况下，具有较强的市场竞争力。不同技术等级空冷发电机组设计标准煤耗对比情况见表１。
表１　不同等级空冷机组设计标准煤耗对比
指　　　　标
６００ＭＷ
亚临界
６００ＭＷ

超临界１０００ＭＷ超超临界机组保证工况下的热耗／［ｋＪ·（ｋＷ·ｈ）－１］８０６４７７５５７５４７
锅炉保证效率／％９３．５０９３．５０９３．５０
机组绝对效率／％４４．６４４６．４２４７．７０
管道效率／％９８．００９８．００９８．００
发电厂热效率／％４０．９１４２．５４４３．７１
机组发电计算标准煤耗／［ｇ·（ｋＷ·ｈ）－１］３００．６６２８９．１７２８１．４０
　　由表１可知，１０００ＭＷ超超临界空冷机组的发电标准煤耗比６００ＭＷ超临界空冷机组降低了７．７７ｇ／（ｋＷ· ｈ），比６００ＭＷ亚临界空冷机组降低了１９．２６ｇ／（ｋＷ·ｈ），在同等发电量的情况下，采用２×１０００ＭＷ超超临界空冷发电机组的节煤效果明显，经测算比３×６００ＭＷ亚临界空冷机组节约标煤约２０万ｔ／年。
６　结束语
（１）我国１０００ＭＷ超超临界湿冷机组技术和６００ＭＷ空冷机组技术已经成熟，均有良好的运行业绩。采用１０００ＭＷ超超临界湿冷机组的高中压缸模块与６００ＭＷ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）１０００ＭＷ超超临界空冷机组节水效果明显，同步建设脱硫和脱硝设施，机组ＳＯ２、烟尘、ＮＯＸ和灰渣的排放量均明显减少，符合国家的产业政策。
（３）１０００ＭＷ超超临界机组高效节煤，具有极强的市场竞争力，其建设步伐可适当加快。
参考文献：
［１］朱军，王运泽．１０００ＭＷ超超临界直接空冷机组可行性和与经济性探讨［Ｊ］．中国电力，２００７，４０（７）：８－１１．
（编辑：白银雷）
作者简介：
安普亮（１９６９－），男，山东曹县人，华电宁夏灵武发电有限公司副总经理，高级工程师，从事大容量发电机组生产管理方面的工作（上接第１３页）的工程项目而言，高压给水管道可以取用较高的流速来以到节省初投资的目的。
致谢：本文在编写的过程中，引用了浙江国华宁海电厂二期２×１０００ＭＷ扩建工程司令图设计专题报告及成品中的部分数据和材料，在此表示感谢！
参考文献：
［１］朱瑾，唐茂平．高压给水管道规格优化专题报告［Ｒ］．成都：西南电力设计院，２００６．
（编辑：刘芳）
作者简介：
唐茂平（１９６９－），男，四川乐至人，西南电力设计院高级工程师，从事火力发电厂热机专业的设计和技术管理工作。
王斌（１９６６－），男，重庆江津人，西南电力设计院副总工程师，教授级高级工程师，从事火力发电厂热机专业的设计和技术管理
工作。

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