纵观火电设备的技术发展史, 可以看到火电设备始终沿着不断提高机组的经济性、可靠性、负荷及燃料适应性方向稳步发展。每一次重大的发展总是围绕提高机组热效率进行的, 而提高机组热效率的主要途径是提高单机容量、提高蒸汽参数和优化热力系统等手段来实现的。从我国国情出发, 发展超超临界燃料机组将利于机组热效率的提高, 降低发电煤耗, 而且也能大幅度减少污染物的排放, 提高环境水平, 这是提高我国火电机组技术水平、实现技术优化升级最有效又现实的措施, 也是我国火力发电机组发展的必由之路。
根据电力工业的现状和发展规划, 将有许多1000MW等级的大机组投入使用, 但作为主力机组可能还有时日。其主要原因是:一是一些厂址受到建厂条件和运输条件的限制;二是主机和辅机在国内制造上还未成熟;三是国产化进程将直接关系到工程造价和上网竞争能力。因此, 研究在我国600MW机组上采用超超临界参数有着非常重要的意义。本文将重点论述600MW机组采用超超临界机组的可行性并与常规超临界和亚临界机组进行技术经济比较。
1 超超临界机组的定义
目前通常把机组参数压力在24MPa～26MPa之间称为超临界, 大于26.0MPa或温度大于580℃的参数称为超超临界 (Ultra Super Critical) 。
2 机组情况
2.1 日本的情况
日本70年代之后, 新增加的大容量机组基本上以超临界机组为主, 450MW以上机组全部采用超临界或超超临界参数, 超临界机组和超超临界机组的容量已占全国容量的61%以上。
2.2 欧洲的情况
德国近几年建造的超临界及超超临界500MW～1000MW机组, 蒸汽参数为26MPa/540℃～580℃/560℃～600℃, 机组净热效率最高可达45.5%。意大利、丹麦等投运的660MW等级机组, 参数多为24.2MPa538/538℃, 最近准备在筹建几台660MW超超临界机组。丹麦曾建造了容量为400MW的超超临界机组, 蒸汽参数为29MPa/582/580/580℃和容量为534MW的超超临界机组, 蒸汽参数为30MPa/580/580℃, 由于丹麦冷却水温较低, 机组最高效率达47%。
欧洲投运的超超临界参数电厂如表1所示。
欧洲超临界和超超临界机组都采用变压运行方式和一次再热。
2.3 国内情况
从国内目前情况来看, 20世纪90年代前大多数是亚临界机组, 典型的电厂有:安徽平圩电厂 (2×600MW) 、浙江北仑港电厂 (5×600MW) 、扬州第二发电厂、上海吴泾电厂八期、山东邹县电厂、内蒙元宝山电厂、哈尔滨第三发电厂等, 以上电厂除北仑港电厂、扬州第二发电厂、元宝山发电厂为进口600MW亚临界机组外, 其余均为国产600MW亚临界燃煤机组。超临界机组从上世纪九十年代陆续引进并投运, 典型的电厂有:沁北电厂、安徽平圩二期、国华太仓电厂四期、大唐洛河电厂三期等。进入21世纪特别是近几年超超临界机组得到了很大的发展, 建成的或在建的的电厂有:徐州阚山电厂、华电望亭电厂、华能玉环电厂、华能邹县电厂等。从近期新建项目的情况也体现了这种趋势, 如沁北电厂新建600MW超超临界机组;安徽芜湖电厂超超临界机组等等。随着煤炭供应的日益紧张, 国家对环保要求的提高, 高效率低能耗的大型燃煤机组必将是我国电力工业发展的方向。
3 机组的效率
超超临界机组、超临界机组与亚临界机组相比, 其最大的优越性就是经济性。根据不同国家, 不同厂商的测算, 根据不同的参数, 采用常规超临界参数的机组比亚临界参数的机组其净热耗率约可下降1.7%～5.5%, 而超超临界机组又将比常规超临界机组再下降0.7%～5.5%。我国已有的部分机组热耗进行比较, 见表2。
从表2可看出, 超临界机组比亚临界机组具有更高的效率, 超超临界机组比超临界机组具有更高的效率, 石洞口二厂的热耗较吴泾电厂八期低199kJ/kWh (2.5%) 。设计中的玉环电厂比石洞口二厂的热耗低248kJ/kWh (3.3%) 。结论基本和上述二家公司一致。由于机组效率提高, 机组的发电煤耗降低。据石洞口二厂一期ABB公司进口的600MW超临界机组资料, 供电煤耗约300g/kWh标煤, 而我们的陈家港发电公司所采用的660MW超超临界机组根据华东院计算煤耗为270.6g/kWh。这样, 不仅机组每年可节煤上万吨, 而且还减少了SO2和NOX的排放, 有利于环保。SO2和NOX排放量减少, 排放收费就可以减少。对于烟气脱硫设施, 由于煤耗降低, 从而脱硫运行成本降低, 经济性更加突出。
4 机组的可用率
4.1 参数和机组可用率的关系
根据美国“火电可用率数据系统”1990年的分析报告, 71台超临界机组 (1300MW, 最小531MW, 平均737MW) 与27台亚临界机组 (平均603MW) 可用率进行了比较。美国火电可用率数据系统资料 (1990年) 如表3所示。
从上述数据可看出, 蒸汽参数对机组可用料影响不大, 其各项指标基本相同, 具有同样好的性能。从国内的情况看, 根据我国1994年可靠性管理中心报告资料, 我国当时6台600MW机组中, 石洞口二厂#1、#2机组的等效可用率分别为89.7%和79.15%, 强迫停机率为2.20%和0.84%。
4.2 容量和机组可用率的关系
根据SARGENT&LUNGDY公司为外高桥电厂二期提供的资料表明, 机组容量对可用率是有影响的, 见表4S&L公司对800MW、1000MW机组可用率的分析资料。
如表4所示。
资料表明, 1000MW机组的可用率要比800MW机组高, 而1000MW机组的强迫停机率则比800MW机组的很多。所以, 采用大容量高参数机组不仅不会因为参数提高影响可用率, 还会因为大容量的原因, 提高可用率。
5 设备和材料
5.1 锅炉本体
在锅炉本体制造方面, 超超临界锅炉、超临界锅炉和亚临界锅炉的区别主要在于材料的选用问题。根据丹麦FLS milj公司的分析, 只要锅炉出口蒸汽参数低于30.0MPa、600℃, 水冷壁和分离器内蒸汽温度就可控制在450℃以内, 则水冷壁的材料即可选用13CrMo44或P11;若主蒸汽压力高于30.0MPa, 则分离器的温度可能升值500℃～520℃, 此时水冷壁的材料需选用P22或X20CrMoV12.1, 即水冷壁材料要上一个等级。超超临界锅炉 (30.0MPa、580/580/580℃) , 除高温段受热面的材料上了一个等级, 采用了奥氏体不锈钢TP347, 其余部分的受压部件仍为铁素体合金钢, 与常规超临界锅炉选用的材料基本一致。这些材料都是成熟材料, 在我国已经成功应用。
5.2 系统和辅机设备
烟风制粉系统方面, 600MW等级超超临界机组与超临界机组和亚临界机组仅仅是燃料和烟、风量的变化, 在系统的配置上与亚临界机组相比没有变化。
6 主机设备制造技术
超超临界机组在国际上已经是一项成熟的技术, 但对于国内制造企业来说, 由于温度或压力将超过常规超临界参数, 虽然他们在设计手段上也已具备这一条件, 但在某些核心技术上与国外厂相比还有一定的差距, 需要国外技术方的支持才能实现完全国产化的道路。
三大锅炉厂与国外技术支持方的合作情况如表5所示。
7 机组选型方案比较
在效率方面, 超超临界机组比超临界机组和亚临界机组具有更高的效率;在可用率上, 所有类型机组都相差无几, 所以在相同机组容量的选择时, 应优先选择超超临界机组, 以600MW机组为例, 不同类型机组的热耗对比表如表6所示。
不同类型机组的投资对比表 (2001年) , 如表7所示。
由上表可知, 从亚临界机组到超临界机组, 热耗降低2.9%, 投资增加7.9%;提高至超超临界机组, 热耗再降低1.6%, 投资增加4.0%。现在由于物价上涨, 各类机组的投资均在增加, 但总的比例没有多大变化。
8 结语
超超临界机组由于进口材料价格的不断上涨, 使主机价格偏高, 使工程造价高于亚临界和超临界机组, 但由于效率的提高, 使机组煤耗下降, 上网电价均低于亚临界和超临界机组, 带来了长远运行的经济效益。在基准收益率为8%时, 测算出超超临界机组与超临界机组相比所增加的动态投资回收期为8年。采用超超临界机组与亚临界和超临界机组相比, 还可以降低电厂的污染物排放水平。根据2003年7月1日将要执行的《排污费征收使用管理条例》规定, 粉尘、NOX、SO2等污染物都将纳入征费范围, 这使得超超临界机组的经济性更加显著。
因此, 采用超超临界机组机组方案比较合理, 既符合电力发展的趋势, 也符合目前的国情。
摘要：本文通过超超临界机组与超临界机组、亚临界机组性能及其投资对比, 叙述了国内外超超临界技术的现状和发展趋势, 研究了各种因素对超超临界机组参数和热力系统选择的影响, 指出发展国产化大容量超超临界参数机组十分必要, 提出了港电公司发展超超临界技术方案的可行性。
关键词：超超临界机组,锅炉选型,研究
参考文献
[1] 冯俊凯, 沈幼庭.锅炉原理及计算 (第2版) [M].