600MW超臨界和亞臨界機組的技術特點的比較.doc

引言隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，降低機組每千瓦設備費用、基建投資、運行維護管理費用，提高機組的經濟效益越來越引起人們的重視。蒸汽參數(shù)提高到超臨界，則是提高機組熱效率的有效方法之一。 600MW級火電機組已經成為我國火電的發(fā)展方向，并即將成為電網的主力機組。 甘肅省是一個少油多煤的省份，火電裝機容量占全省總裝機容量的60以上，因此發(fā)展600MW級火電機組對我省的電力建設有著深遠的意義。甘肅景泰電廠2660MW機組是甘肅首臺超臨界機組，在此我主要結合景泰電廠2660MW機組和其他一些亞臨界機組的參數(shù)特點對超臨界和亞臨界機組的技術特點做個比較。一、 亞臨界和超臨界機組定義水蒸汽的臨界狀態(tài)是指純物質的氣、液兩相平衡共存的極限熱力狀態(tài)。在此狀態(tài)時,飽和液體與飽和蒸氣的熱力狀態(tài)參數(shù)相同,氣液之間的分界面消失,因而沒有表面張力,氣化潛熱為零。處于臨界狀態(tài)的溫度、壓力和比容，分別稱為臨界溫度、臨界壓力和臨界比容。 水蒸汽的臨界溫度T=647.30K、臨界壓力Tc=22.1287兆帕、臨界比容vc=0.00317立方米/千克，臨界焓:2107.3 x 103焦/千克。在氣、液兩相平衡共存的范圍內,包括臨界點,其定壓比熱容、容積熱膨脹系數(shù)、等溫壓縮系數(shù)和絕熱指數(shù)均趨于無限大。亞臨界機組是指機組的主蒸汽參數(shù)（壓力、溫度等）均低于水蒸汽的臨界參數(shù)，同理，主汽參數(shù)高于臨界參數(shù)的機組成為超臨界機組。超臨界機組一般可分為兩個層次：一個是常規(guī)超臨界機組(Conventional Supereritica1)，其主蒸汽壓力一般為242 MPa，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為540560 ；另一個是高效超臨界機組，通常也稱為超超臨界機組(Ultra Supereritica1)或者高參數(shù)超臨界機組 (Advanced Supereritica1)，其主蒸汽壓力為285305MPa，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為580600。表一 甘肅省內部分機組技術參數(shù)對照表電廠名稱鍋爐類型主汽參數(shù)高壓廠用電壓等級控制系統(tǒng)單元機組I/O點數(shù)備注連城電廠二期自然循環(huán)汽包爐17.45MPa 5416KVI/A Series5435亞臨界張掖電廠自然循環(huán)汽包爐17.53 MPa 5416KVOVATION6226亞臨界酒鋼宏晟電廠二期自然循環(huán)汽包爐17.5 MPa 5416KVOVATION6298亞臨界景泰電廠直流爐25.4MPa 57110KVI/A Series10580超臨界二、亞臨界和超臨界機組的技術特點的比較參照表1，我們來比較亞臨界和超臨界機組的技術特點。1、電氣部分亞臨界機組的高壓廠用電電壓電壓為6KV，超臨界機組的高壓廠用電電壓電壓為10KV。2、輔機部分在輔機配套方面，除了高壓給水泵的揚程和高壓加熱器管側壓力超臨界機組比亞臨界機組高以外，其余的設備超臨界機組和亞臨界機組基本相同。3、化學部分超臨界鍋爐機組的水質要求較高。蒸汽中銅、鐵和二氧化硅等固形物的溶解度是隨著蒸汽比重的減小而增大，因而在超臨界壓力下，即使溫度不高，銅、鐵和二氧化硅等的溶解度也很高，為防止它在鍋爐蒸發(fā)受熱面及汽機葉片上結垢，超臨界鍋爐需100的凝結水精處理，除鹽除鐵。4、汽輪機部分 1）超臨界汽輪機由于主蒸汽參數(shù)及再熱蒸汽參數(shù)的提高，特別是溫度的提高，一些亞臨界機組使用的材料，已不能適應超臨界汽輪機的工作狀況，主汽調節(jié)閥殼體和主蒸汽管采用9%Cr鍛鋼，以適應主蒸汽溫度和壓力變化的要求。低壓缸進汽溫度由亞臨界的320升至370，亞臨界使用的普通30Cr2Ni4MoV轉子材料的長期時效脆性敏感性高，不能滿足長期安全運行的要求。因此采用了超純30Cr2Ni4MoV轉子材料，降低材料的長期時效脆性敏感性，使超臨界的低壓轉子能夠長期安全運行。 2）結構設計上采取防止蒸汽旋渦振蕩的措施，避免由于高壓缸入口壓力高、汽流密度大，使調節(jié)級復環(huán)徑向間隙處發(fā)生蒸汽旋渦振蕩所引起的軸承不穩(wěn)定振動。通常以高壓調節(jié)級處出現(xiàn)蒸汽振蕩的可能性最大，設計上采用有成熟經驗的葉型，并進行動強度核算，避免輪系振動頻率與噴嘴尾跡擾動力頻率重合所產生的共振。5、鍋爐部分 1）鍋爐結構亞臨界機組采用自然循環(huán)鍋爐，自然循環(huán)鍋爐設有汽包。圖1 汽包爐汽水流程示意圖超臨界機組采用的是直流鍋爐，結構與自然循環(huán)鍋爐不同，它沒有汽包。圖2 超臨界直流爐汽水流程示意圖2）工作原理自然循環(huán)鍋爐其蒸發(fā)受熱面中工質的流動是依靠下降管和上升之間工質的密度差來進行的。隨著鍋爐容量的增大，特別是壓力的 提高，大大增加了自然循環(huán)和汽水分離的困難。因為根據(jù)水蒸汽性 質，壓力愈高，汽水密度差愈小，所以自然循環(huán)形成就愈困難和愈不可靠，特別當壓力達到甚至超過臨界壓力時，自然循環(huán)無法形成。在此情況下，鍋爐蒸發(fā)受熱面中工質的流動只有依靠外來能量(水泵)來進行，超臨界鍋爐就是這種依靠外來能量建立強迫流動的鍋爐。直流鍋爐蒸發(fā)受熱面中工質的流動全部依靠給水泵的壓頭來實現(xiàn)。給水在給水泵的壓力作用下，順次連續(xù)流過加熱、蒸發(fā)、過熱各區(qū)段受熱面，一次將給水全部加熱成過熱蒸汽。3）啟動方式超臨界鍋爐與亞臨界自然循環(huán)鍋爐的結構和工作原理不同，因此，啟動方法也有較大的差異。超臨界鍋爐的啟動過程是非常復雜的，關鍵就是其啟動過程分成三個階段，一是亞臨界自然循環(huán)階段，二是亞臨界直流運行，三是超臨界直流運行。超臨界直流爐在啟動或較低負荷時，其運行方式和汽包爐相似，它用分離器來分離汽水。在轉為純直流狀態(tài)運行后。分離器不再起作用。給水經省煤器、水冷壁、過熱器，直接變成高溫高壓的過熱蒸汽進入汽輪機。6、控制部分超臨界機組與亞臨界機組相比，控制系統(tǒng)更為復雜， I/O點數(shù)有大幅增加。亞臨界機組單元系統(tǒng)的I/O點數(shù)在5000點至6000點左右，超臨界機組單元系統(tǒng)的I/O點數(shù)在10000點以上。1）鍋爐控制超臨界機組鍋爐與亞臨界機組鍋爐在自動控制方面有所不同，其實質是直流鍋爐與汽包鍋爐之間的差別，因為超臨界鍋爐必須是直流鍋爐；直流爐與汽包爐在運行原理及特性上有較大差別。在汽包鍋爐中給水流量的變化，僅影響汽包水位，而在燃料量變化時又僅僅改變蒸汽壓力和流量，因此鍋爐給水量、燃料量、汽溫控制等都是相對獨立的，亦即：給水水位；燃料產汽量及汽壓；噴水汽溫。在直流鍋爐中，由于沒有汽包，蒸發(fā)與過熱受熱面之間沒有固定的分界線，當給水量或燃料量變化時都會引起蒸發(fā)量、汽溫和汽壓的同步變化，相互有牽制，關系密切。隨著超臨界機組蒸汽壓力的升高，直流鍋爐中間點汽溫（通常取啟動分離器出口汽溫）和過熱器出口汽溫控制點的溫度變動慣性增加（亦即比熱增加），時間常數(shù)和延遲時間相應增大，在燃料或給水量擾動時，超臨界鍋爐的蒸汽溫度變化具有更大慣性。在超臨界機組起動和低負荷（小于最低直流負荷）運行期間，必須投入啟動系統(tǒng)，因此也增加了鍋爐啟動系統(tǒng)對控制的要求。超臨界鍋爐在穩(wěn)定運行期間，必須維持某些比率為常數(shù)，在變動工況時必須使這些比率按一定規(guī)律變化，以便得到穩(wěn)定的控制，而在起動和低負荷運行時，要求大幅度地改變這些比率，以得到寬范圍的控制。這些比率是： 給水流量蒸汽流量：因為給水系統(tǒng)和蒸汽系統(tǒng)是直接連通的，給水流量和蒸汽流量比率的偏差過大將導致較大的汽壓波動，又由于超臨界鍋爐存貯能力較小，給水流量與蒸汽流量的比率，在鍋爐負荷增加時必須限制。 熱量輸入給水流量(即煤水比)：在穩(wěn)定運行工況，煤水比必須維持不變以保證過熱器出口汽溫為設計值。而在變動工況下，煤水比必須按一定規(guī)律改變，以便既充分利用鍋 爐蓄熱能力，又按要求增減燃料，把鍋爐熱負荷調到與新的機組負荷相適應的水平。 噴水流量給水流量，超臨界鍋爐僅能夠瞬時快速改變汽溫，但不能始終起到維持汽溫的作用，因為過熱受熱面的長度和熱焓都是不固定的。為了保持通過改變噴水流量來校正汽溫的能力，控制系統(tǒng)必須不斷地把噴水流量和總給水流量之比恢復到設計的百分數(shù)。超臨界鍋爐控制系統(tǒng)要比亞臨界汽包爐更復雜，在啟動工況下要求更多地采用變參數(shù)、變定值技術，所有控制功能應在前饋技術的基礎上完成，并要求連續(xù)地校正控制系統(tǒng)的增益。在控制系統(tǒng)設計時應事先考慮工藝過程內部的相互作用，采取合理的前饋、變定值、變增益、變參數(shù)控制策略，而不是象通常那樣，僅根據(jù)偏差采取反饋控制策略。2）機組協(xié)調控制系統(tǒng)超臨界機組的蓄熱能力相對較小，因而，表現(xiàn)出鍋爐跟隨系統(tǒng)的局限性。解決這個問題需改進協(xié)調控制系統(tǒng)。 和亞臨界的汽包鍋爐機組一樣，超臨界機組的協(xié)調控制系統(tǒng)的基本目標是將鍋爐和汽輪發(fā)電機作為一個整體操作運行，鍋爐和汽機的控制指令，既應考慮穩(wěn)態(tài)偏差也要考慮動態(tài)偏差。為了在機組負荷變化時機爐同時響應，機組負荷指令要作為前饋信號分別送到鍋爐和汽機的主控系統(tǒng)，以便將過程控制變量(機組發(fā)電量、蒸汽壓力、煙氣含氧量、爐膛風量和蒸汽溫度)維持在一個可接受的限度內。如果在所要求的輸出和實際的發(fā)電量之間存在偏差，則將偏置鍋爐和汽輪機命令，重新校正由于循環(huán)系統(tǒng)變化后的系統(tǒng)。同樣，節(jié)流壓力誤差用來校正蒸汽生成量和蒸汽使用量之間的平衡。為補償鍋爐和汽輪機不同的響應時間，這兩個誤差信號作為一個過渡過程變量使用，以便于利用鍋爐蓄能變化使汽輪機快速響應，從而使發(fā)電量誤差減到最小。圖3 超臨界機組協(xié)調控制原理圖大唐景泰電廠2660MW機組協(xié)調控制系統(tǒng)的設計思想主要是將鍋爐和汽機作為一個整體，完成對機組負荷、鍋爐主汽壓力的控制，達到鍋爐風、水、煤的協(xié)調動作。對于協(xié)調控制系統(tǒng)而言包含兩層含義：鍋爐汽輪機的協(xié)調與鍋爐的協(xié)調。 (1)、鍋爐汽輪機的協(xié)調鍋爐汽輪機的協(xié)調被認為是機組的協(xié)調，由于汽輪機對壓力和功率而言具有非常快的響應特性，而鍋爐對與壓力和功率而言是一個非常慢的控制環(huán)節(jié)，因此要協(xié)調控制鍋爐和汽輪機，保證鍋爐和汽輪機之間的能量平衡，必須要提高鍋爐對燃料的響應性。協(xié)調控制系統(tǒng)的設計包含了兩種協(xié)調控制方式，一種是以爐跟機為基礎的協(xié)調控制系統(tǒng)，另一種是以機跟爐為基礎的協(xié)調控制系統(tǒng)，設計的基本思想是：為提高機組的穩(wěn)定性和響應性，在正常情況下應采用以爐跟機為基礎的協(xié)調控制系統(tǒng)。在鍋爐輔機出現(xiàn)故障影響機組處力、以及機組出現(xiàn)RUNBACK運行工況，協(xié)調控制系統(tǒng)應切換到機跟爐為基礎的協(xié)調控制系統(tǒng)。爐跟機為基礎的協(xié)調控制系統(tǒng)采用的是以鍋爐控制壓力，汽機控制負荷的運行方式，為了提高鍋爐的響應性，穩(wěn)定控制鍋爐主汽壓力，保證機組的穩(wěn)定性，系統(tǒng)對鍋爐與汽輪機對負荷的響應特性作了動態(tài)協(xié)調的技術處理，當負荷指令增加時，鍋爐指令以動態(tài)前饋的方式增加燃料，當機組壓力偏差過大，系統(tǒng)對汽輪機控制指令進行動態(tài)閉鎖，并根據(jù)偏差控制機組指令，動態(tài)協(xié)調鍋爐與汽機的控制