600MW超臨界和亞臨界機組的技術(shù)特點的比較

1、引言隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，降低機組每千瓦設(shè)備費用、基建投資、運行維護(hù)管理費用，提高機組的經(jīng)濟(jì)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(jīng)成為我國火電的發(fā)展方向，并即將成為電網(wǎng)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(shè)有著深遠(yuǎn)的意義。甘肅景泰電廠2X660MW機組是甘肅首臺超臨界機組，在此我主要結(jié)合景泰電廠2X660MW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(shù)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(zhì)的氣、

2、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M/千克，臨界焓:2107.3x103焦/千克。在氣、液兩相平衡共存的范圍內(nèi),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

3、個層次：一個是常規(guī)超臨界機組（ConventionalSupereritica1>，其主蒸汽壓力一般為24.2MPa主蒸汽和再熱蒸汽溫度為540560C;另一個是高效超臨界機組，通常也稱為超超臨界機組（UltraSupereritica1>或者高參數(shù)超臨界機組（AdvaneedSupereritica1>，其主蒸汽壓力為28.530.5MPa主蒸汽和再熱蒸汽溫度為580600Co表一甘肅省內(nèi)部分機組技術(shù)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17.45MPa541r6KVI/ASeries5435亞臨界張掖電廠

4、自然循環(huán)汽包爐17.53MPa541r6KVOVATION6226亞臨界酒鋼宏晟電廠二期自然循環(huán)汽包爐17.5MPa541r6KVOVATION6298亞臨界景泰電廠直流爐25.4MPa571r10KVI/ASeries10580超臨界二、亞臨界和超臨界機組的技術(shù)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(shù)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10KV2、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(cè)壓力超臨界機組比亞臨界機組高以外，其余的設(shè)備超臨界機組和亞臨界機組基本相同。3、化學(xué)部分超臨界鍋爐機組的水質(zhì)要求較高。蒸

5、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(jié)垢，超臨界鍋爐需100的凝結(jié)水精處理，除鹽除鐵。4、汽輪機部分1）超臨界汽輪機因為主蒸汽參數(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(yīng)超臨界汽輪機的工作狀況，主汽調(diào)節(jié)閥殼體和主蒸汽管采用9%Cr鍛鋼，以適應(yīng)主蒸汽溫度和壓力變化的要求。低壓缸進(jìn)汽溫度由亞臨界的320C升至370C，亞臨界使用的普通30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)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30

6、Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子能夠長期安全運行。2）結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取防止蒸汽旋渦振蕩的措施，避免因為高壓缸入口壓力高、汽流密度大，使調(diào)節(jié)級復(fù)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(diào)節(jié)級處出現(xiàn)蒸汽振蕩的可能性最大，設(shè)計上采用有成熟經(jīng)驗的葉型，并進(jìn)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(chǎn)生的共振。5、鍋爐部分1）鍋爐結(jié)構(gòu)1）鍋爐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與自然循環(huán)鍋爐不同,它沒有汽包。超臨界機組采用的是直流鍋爐，結(jié)構(gòu)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

7、）工作原理自然循環(huán)鍋爐其蒸發(fā)受熱面中工質(zhì)的流動是依靠下降管和上升之間工質(zhì)的密度差來進(jìn)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(zhì)，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(dāng)壓力達(dá)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(zhì)的流動只有依靠外來能量（水泵來進(jìn)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(zhì)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

8、界自然循環(huán)鍋爐的結(jié)構(gòu)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(fù)雜的，關(guān)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(fù)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(zhuǎn)為純直流狀態(tài)運行后。分離器不再起作用。給水經(jīng)省煤器、水冷壁、過熱器，直接變成高溫高壓的過熱蒸汽進(jìn)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(fù)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

9、與亞臨界機組鍋爐在自動控制方面有所不同，其實質(zhì)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T水位；燃料T產(chǎn)汽量及汽壓；噴水T汽溫。在直流鍋爐中，因為沒有汽包，蒸發(fā)與過熱受熱面之間沒有固定的分界線，當(dāng)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(guān)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

10、亦即比熱增加），時間常數(shù)和延遲時間相應(yīng)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(fù)荷小于最低直流負(fù)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(fù)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(dǎo)致較大的汽壓波動，又因為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(fù)荷增加時必須限制熱量

11、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(shè)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(fù)荷調(diào)到與新的機組負(fù)荷相適應(yīng)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(fù)到設(shè)計的百分?jǐn)?shù)。超臨界鍋爐控制系統(tǒng)要比亞臨界汽包爐更復(fù)雜，在啟動工況下要求更多地采用變參數(shù)、變定值技術(shù)，所有控制功能應(yīng)在前饋技術(shù)的基礎(chǔ)上完成，并要求連續(xù)地校正控制系

12、統(tǒng)的增益。在控制系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)事先考慮工藝過程內(nèi)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(diào)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(jìn)協(xié)調(diào)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(diào)控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)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(yīng)考慮穩(wěn)態(tài)偏差也要考慮動態(tài)偏差。為了在機組負(fù)荷變化時機爐同時響應(yīng)，機組負(fù)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(fēng)量和蒸汽溫度維持在一

13、個可接受的限度內(nèi)。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，重新校正因為循環(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(yīng)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(yīng)，從而使發(fā)電量誤差減到最小。*F(1)PIB用力郵醮PTD實威力PT1圖3超臨界機組協(xié)調(diào)控制原理圖大唐景泰電廠2X660MWM組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計思想主要是將鍋爐和汽機作為一個整體，完成對機組負(fù)荷、鍋爐主汽壓力的控制，達(dá)到鍋爐風(fēng)、水、煤的協(xié)調(diào)動作。對于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)而言包含兩層含義：鍋爐汽輪機的協(xié)調(diào)與鍋爐

14、的協(xié)調(diào)。(1>、鍋爐汽輪機的協(xié)調(diào)鍋爐汽輪機的協(xié)調(diào)被認(rèn)為是機組的協(xié)調(diào)，因為汽輪機對壓力和功率而言具有非?？斓捻憫?yīng)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(diào)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(yīng)性。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計包含了兩種協(xié)調(diào)控制方式，一種是以爐跟機為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，另一種是以機跟爐為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，設(shè)計的基本思想是：為提高機組的穩(wěn)定性和響應(yīng)性，在正常情況下應(yīng)采用以爐跟機為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)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)RUNBAC運行工況，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)切換到機跟爐為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。爐跟機為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用的是以鍋爐控制壓力，汽機控制負(fù)荷的運行方式，為了提高鍋爐的響應(yīng)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(fù)荷的響應(yīng)特性作了動態(tài)協(xié)調(diào)的技術(shù)處理，當(dāng)負(fù)荷指令增加時，鍋爐指令以動態(tài)前饋的方式增加燃料，當(dāng)機組壓力偏差過大，系統(tǒng)對汽輪機控制指令進(jìn)行動態(tài)閉鎖，并根據(jù)偏差控制機組指令，動態(tài)協(xié)調(diào)鍋爐與汽機的控制。