新一代1000MW高效一次再热机组技术在神华重庆万州工程中的应用.docx

新一代1000MW高效一次再热机组技术在神华重庆万州工程中的应用2014-07-29 1 引言更高效（节能）、更环保、更经济一直是火力发电技术发展的主题，近年来节能、环保压力愈加突出。自2006年国内第一台1000MW超超临界机组投运以来，我国在参数等级为2527MPa/600/600的超超临界机组设计、制造、安装、运行等方面，均取得了长足进展，大幅度降低了煤耗和排放水平，积累了较丰富的经验。但由于诸多原因，我国目前投运的绝大多数超超临界机组与欧洲目前最先进的燃煤机组水平还存在一定差距，主要体现在主机效率需进一步提升、厂用电率需降低、热力系统未全面综合优化、排放尚难满足更严苛的要求等。在“700计划”因材料原因难以短期内实现突破的条件下，如何使我国的超超临界机组再上一个台阶，赶上甚至超越欧洲在建的最先进机组，达到世界领先技术水平，是我国火力发电领域的重要课题。目前超超临界技术主要有三个发展方向：(1).进一步提升初参数、回热系统全面优化、集成创新技术的新一代高效一次再热机组(2).采用二次再热技术提升效率(3).采用更大单机容量（12001300MW）以降低单位造价经过对上述技术的深入对比研究，我们认为目前更大的单机容量还存在主机超大型化技术风险，并受到电网调度及负荷率制约；二次再热在变负荷下的调节适应性等课题尚待深入研究；相比之下，稳步提升参数的高效一次再热机组是目前兼顾创新和稳妥、更切实可行、更适宜全面推广的技术路线。2 新一代超超临界高效一次再热技术路线在全面总结国内已投运1000MW机组设计运行经验、调研国外最新超超临界技术发展（德国、日本）、深入研究国外和国内大量先进可靠的创新节能减排技术基础上，我们首次提出了“新一代1000MW高效一次再热机组”的概念。新一代超超临界高效一次再热机组是与国内已投运的超超临界机组相比较而言的，它必须要在主机、热力系统、全厂综合优化等方面有全面的突破，技术性能指标提升一个档次，至少达到国外在建最先进一流机组水平。近年来在以提升初参数、增加回热级数等为核心技术的新一代1000MW机组研发中，我们与主机厂、科研院所等全面协作、联合攻关，应用先进的主机技术（提升机炉材料配置、控制汽温偏差、采用更先进的汽机配汽和缸体结构、优化通流等）、综合提升优化回热系统、全面集成主辅设备和系统优化措施等，逐渐完善形成新一代超超临界高效一次再热机组技术路线。这些技术路线具有如下一些主要特点：2.1提升初参数至28MPa/600/620欧洲超超临界机组主蒸汽温度经550 、580发展到600,再热蒸汽温度从580、600发展到620,基本上是每10年上一个台阶。这种“小步慢跑”的发展策略，通过10年实践充分发现材料、设计、制造上的问题，总结经验教训，是值得我们认真学习的稳妥创新发展思路。我国经过10年左右的600实践积累，对P92等材料的应用研究已较深入，且有欧洲、日本作为“先行者”，目前已经有条件逐步将超超临界参数提升至28MPa/600/620水平。2.2对热力系统进行升级优化与提高机组初参数相比，优化热力系统一般具有投资小、技术风险小、容易实现等优点。以前国内的机组一般针对一种典型的主机型号、一个标准的铭牌容量，采用一种典型的热力系统配置，甚至参数容量等级差异很大的机组仍然沿用相同的系统配置。主机与热力系统的设计彼此相对独立，即使优化也仅仅在局部展开。例如我国目前投运的超超临界机组汽轮机，普遍采用的是从300MW等级亚临界机组沿用至今的八级回热系统，没有针对机组总体热经济性进行综合优化。这与国内设计院与主机厂相对独立的模式有关。欧洲的先进火电厂一般将主机、热力系统视为一个整体进行综合优化，主要的方法有：(1)增加回热级数；(2)利用锅炉富余烟气热量回热提高给水温度；(3)冷端优化以降低背压减少排汽损失；(4)增加再热次数等。上述第1、2项是我国高效一次再热机组急待解决的薄弱环节，这需要设计院和主机厂打破孤立，深入协作，实现整套机组的综合最优化。目前，以优化升级的九级回热为核心，辅以利用3#抽汽过热度提升给水温度，以及将烟气、热风富余热量回收至回热系统等，可实现对热力系统的全面升级优化。2.3烟气余热综合回收利用火电厂影响热利用效率的两大主要损失是锅炉排烟损失和汽机冷端损失。相对冷端损失，前者温度高，更利于回收利用。不同的回收系统经济性、可靠性差异较大。新一代超超临界机组应根据工程情况，优选适宜的烟气余热回收利用方案，回收热量用于汽机回热系统利用、加热冷风、或者提升机组环保排放水平。2.4满足更严格环保排放要求对火电厂环保排放日益严格是大势所趋，新一代超超临界机组在这方面更应发挥领头羊作用。在目前普遍采用的机组脱硝、脱硫、除尘技术基础上，应根据项目情况，优选更先进、排放更低的环保技术，例如低NOx燃烧技术、SNCR与更高效的SCR相结合的脱硝技术，大机组袋式、低低温、湿式等除尘技术，以及更高效脱硫、防止石膏雨技术等，以使排放达到高于目前环保标准要求，甚至“近零排放”的水平。2.5创新优化技术集成国内外部分已投产超超临界机组也采用了一些“四新”优化技术，但这些应用一般为分散、独立应用，效果有限。新一代超超临界机组应在全面分析比选的基础上，从全厂综合最优的角度，分析这些创新优化措施的相互影响及匹配性、适应性，筛选并集成应用这些创新优化技术。例如，集成应用降低辅机裕量、变频技术、高频电源等各种降低厂用电率的技术，对汽驱引风机的综合节能效果则需根据项目情况客观分析。3 神华重庆万州工程神华重庆万州电厂新建工程是神华国能（神东电力）集团公司在建的重点标杆性项目，规划新建41050MW燃煤发电机组，预留再扩建两台机组的条件，一期工程按21050MW机组实施。工程于2011年11月开始选厂，2012年7月核准，2013年1月28日开工，计划2014年12月1机投产发电，2015年2月2机投产发电。工程由中国电力工程顾问集团公司西南电力设计院和咨询公司组成的联合体总承包建设，目前该项目正在紧张的施工安装中。在项目论证阶段，神华集团提出要将万州工程建设成为“世界一流、国内第一”电厂，践行“自动化、智能化、数字化、集约化、社会化”和“质量型、效益型、创新型、环保型、园林型”的“五化五型”先进电站建设理念。项目预初设阶段对采用二次再热技术方案进行了深入研究，与采用新一代1000MW高效一次再热机组方案进行全面技术经济对比后发现，两者全寿命期总体经济性相当。虽然后者供电煤耗指标略逊，但技术风险更小、投资更省、变负荷调节适应性更优，且其净热效率与欧洲在建的最先进燃煤机组(如德国Karlsruhe RDK8)处于同一水平（计算方法及环境条件差异统一到与国内相同的基准后）。综合考虑工期要求等因素后，决定神华重庆万州工程在国内首次实施上述新一代1000MW高效一次再热机组技术路线。2012年8月和9月，中国电力工程顾问集团公司先后两次组织全集团设计大师、资深专家、特邀专家与业主一道就西南院提出的针对本工程创“世界一流、国内第一”及“五化五型”的12项创新与60多项设计优化措施进行了专题评审并获得通过。4 新一代高效一次再热机组技术在万州工程中的应用4.1初参数提升至28MPa/600/620，提升机组铭牌出力提升再热蒸汽参数至620是关键。近年来对P92材料性能的使用性能认识更加深入，对其用于620的条件和保障措施进行了研究。随着FB2材料锻制转子制造技术的突破，将再热温度提升至620具备了条件。万州工程首次在国内1000MW机组上将再热蒸汽参数提升至620。工程针对提升参数采取的对策方案如下表：表1 参数提升的影响和对策项目参数提升设计方案锅炉锅炉出口主汽29.4MPa过热蒸汽部分受热面、集箱厚度增加锅炉出口再热623l T92温度有26裕度，考虑最大温度偏差20后还有6裕度；l 加大HR3C、Super304H使用范围，不采用T23及TP347H，高端材料用量增加；l 全面采取措施控制温度偏差，严格监控，再热器出口温度偏差控制在20以内；l 再热出口联箱P92、接管座T92、热段P92采购时增加腐蚀裕量、控制铁素体含量及硬度等，提高耐高温和防SPE性能；l 高再及出口联箱加厚，Super 304H全喷丸，防SPE ；汽机汽机入口28MPa机组设计和用材变化小，只需对相关部件少量增加厚度汽机再热入口620l 中压进汽阀体、内缸、叶片采用FB2、CB2材料；l 中压转子采用FB2锻件；l 高温部件采用蒸汽冷却；提升参数后的1000MW等级锅炉技术继承性较高：表2 提升参数后的新一代1000MW高效一次再热锅炉 厂家东锅上锅哈锅巴威武锅ALSTOM特点型：前后墙对冲燃烧，低NOx旋流燃烧器，挡板调温，下部内螺纹螺旋管圈上部垂直管屏水冷壁（不带节流圈）， 提升参数订货业绩最多塔式：单切圆四角燃烧，燃烧器摆动出口烟窗挡板调温（开发中），低NOx直流燃烧器，下部螺旋管上部垂直管水冷壁型：双切圆八角燃烧，燃烧器摆动挡板调温型：双切圆八角燃烧，燃烧器摆动挡板调温，新型低NOx MPM燃烧器，垂直管圈水冷壁（带节流短管）型：前后墙对冲燃烧，低NOx燃烧器，挡板调温燃烧器摆动，下部内螺纹螺旋管圈上部垂直管屏水冷壁塔式：单切圆四角燃烧，燃烧器摆动，下部螺旋管上部垂直管水冷壁东汽和哈汽提升参数后的汽机设计方案优化调整较大：表3 提升参数后的新一代1000MW高效一次再热汽机厂家东汽上汽哈汽北重ALSTOM特点新型节流调节全周切向进汽，无补汽阀，冲动式，筒型高压内缸红套，四缸四排汽，FB2锻制转子，1200mm末叶，降低中低压分缸压力，九级回热，低压缸落地无调节级全周进汽，带补汽阀，反动式，桶型无中分面高压外缸，无导汽管，四缸四排汽，FB2锻制转子，1146mm末叶，低压外缸由凝汽器支撑，低压内缸落地，九级回热，模块化设计新型节流调节全周切向进汽，第一级横置静叶，反动式，筒型高压内缸红套，无导汽管，四缸四排汽，FB2锻制转子，1220mm末叶，降低中低分缸压力，九级回热，低压缸落地27MPa，全周切向进汽，带过载阀，反动式，筒型高压内缸红套，无导汽管，四缸四排汽，FB2焊接转子，九级回热，模块化设计主机参数从常规26.25MPa/600/600提升至28MPa/600/620后，汽机热耗降低50kJ/kW.h。本工程还采用夏季实际背压作为TRL背压，VWO进汽量为1.03TRL进汽量，加之综合效率提升的因素，在汽机进汽量与常规1000MW机组相当的条件下，机组铭牌出力可提升至1050MW。4.2九级回热为核心的热力系统升级优化1000MW超超临界机组从常规八级回热提升至九级回热，能以较小的代价有效提升机组效率，但需要汽机厂的全面配合。万州工程在国内首次实施九级回热系统，促使各汽机厂深入研究九级回热对汽机的影响。各主机厂的九级回热方案如下：表4 九级回热方案主机厂东汽上汽哈汽北重ALSTOM主机抽汽技术方案降低中低压分缸压力，中压缸由原2级抽汽改为3级，低压缸为4级抽汽采用M30中压模块，低压缸局部通流调整，增加一级抽汽降低中低压分缸压力，中压缸由原2级抽汽改为3级，低压缸为4级抽汽较低中低压分缸压力，中压缸为3级抽汽，低压缸为4级抽汽万州工程采用九级回热系统，比常规八级回热系统可降低汽机热耗19kJ/kW.h。采用九级回热系统需增加一台低压加热器及相应抽汽、疏水系统。由于第8级低加疏水压差较小，万州工程还优化配置了低加疏水泵，并调整了疏水系统，防止疏水不畅，提升机组热效率。万州工程对回热系统进行了全面优化，设置3#高加外置式蒸汽冷却器，充分利用3段抽汽高温特点，提升给水温度和机组效率；对高加端差进行了合理优化；采取多种措施降低抽汽管道压降；另外，采用1台100%给水泵小汽机、锅炉低温省煤器回收的热量进入回热系统等措施，都对提升回热系统效率发挥了重要作用。4.3烟气余热综合回收利用万州工程对国内外采用的烟气余热回收利用系统进行了全面的对比分析和综合优化计算，分别对采用一级低温省煤器方案、两级低温省煤器+低低温除尘器深度利用方案（西南院专利）进行了综合比选：由于本工程锅炉设计排烟温度已经较低，两级低温省煤器+低低温除尘器方案优势不再明显，选用了可靠的2x50%一级低温省煤器方案，降低煤耗1.1g/kW.h。本工程全面采取了防止低温省煤器腐蚀、堵灰、磨损、泄露的措施，扩大低温省煤器投入的负荷范围，提高余热回收实际收益。4.4首次采用节能降噪效果显著的高位收水冷却塔高位收水冷却塔技术大幅减小了雨区跌落高度和系统静扬程，具有明显节能和低噪音优势，塔面积愈大，进风口高度愈高，其节能和降噪优势愈显著。本工程对高位收水冷却塔技术开展了深入的工程应用研究，并首次在国内大容量燃煤机组上实施。应用高位收水冷却塔后，循环水泵功率降低3300kW/机，噪音降低约10分贝，其节能、环保的优势非常明显。4.5首次采用国产100%给水泵小汽机外三工程（采用进口小机）和国外1000MW工程均证明，采用100%容量汽动给水泵组方案的经济性是明显的，能有效提升机组效率。但1000MW机组国产100%容量给水泵小汽机尚无业绩，行业内对其可靠性的担心长期制约其应用。正是由于此，国外某制造商在万州小汽机招标过程中报出了难以接受的天价。基于上述现状，在对100%小机可靠性影响因素、及其对机组运行经济性影响进行深入分析，并对国产小机技术进行深入调研、研讨的基础上，万州工程决定首次采用国产100%容量小机，并在辅助设备、系统设计等方面采取全面措施提升其综合可靠性。虽然其效果尚待实际投运验证，但这一选择必将为国内1000MW后续工程及制造商开辟一条新路，为打破进口设备垄断、提升大容量国产小机竞争力起到“先行者”的关键作用。4.6集成式主厂房和集约化总平面布置国内电厂一般将大量辅助厂房独立设置，占地较大。欧洲部分电厂采用集约化布置，不仅美观，而且大幅度减少占地，减少管线、电缆、沟道、管架、栈桥等长度和阻力，方便运行管理。万州电厂决定借鉴这一理念，为国内电厂集约化设计探索一条新路。本工程以满足工艺流程为原则，将生产性质和功能类似的建筑物大量联合布置，重新优化整合相关系统配置，并充分利用烟道、栈桥、管架下方空间。除采用先进的侧煤仓布置外，在国内大机组中首次将配电装置、集控室、水处理车间、生产辅助建筑集成合并，毗邻汽机房布置，室内500kV GIS与主变、高厂变、起动/备用变等合并布置于主厂房毗屋内，炉后部分经流场数值模拟分析优化后采用紧凑型布置。整个厂区建筑简洁明朗，占地大幅减小。4.7创新优化技术集成万州工程对国内外工程中采用的创新优化技术（新技术、新流程、新装备、新材料）进行了大量集成应用，并提升了应用深度和范围，主要体现在：(1) 大量采用降低厂用电率的措施，如全面应用电机变频技术、除尘器采用五电场全高频电源、采用四分仓空预器减少漏风降低电耗、优化风机选型点降低辅机裕量避免“大马拉小车”、提高电机功率因素和电机效率、部分采用双速电机，以及采暖、空调、通风、照明、建筑节能节电措施等。(2) 大量采用节能节油措施，如优化主要蒸汽管道压降、采用大面积凝汽器降低背压、设置邻机辅助蒸汽加热系统、采用IFT惯性流动技术实现无动力除尘、采用少油点火、采用过热度取代机组负荷控制疏水阀启闭、加厚保温等。(3) 大量采用数字化技术，实现数字化设计、建设、移交、管理等。全厂全面推广使用现场总线FCS技术、采用数字化智能升压站、实现数字化煤场、实现分断点APS控制、实现全厂一体化监控、管控一体化网络平台、炉膛温度场声波测量等。(4) 合理采用降低工程造价的措施，如侧煤仓、圆形烟风道、选用三相一体变压器、采用带肋整体式结构136m直径（国内最大）圆形煤场、采用移动式泵船取水技术、选用型锅炉、采用三合一风机、高端阀门国产化、国产脱硝催化剂、单列高加、取消检修变、优化地基处理、湿式除渣专利渣仓等。5 新一代1000MW高效一次再热技术实施效果万州工程创下了国内多个第一，仅设计方面就采用了10余项同类工程首次采用的创新技术、60余项先进的方案优化措施、以及80余项精细化设计优化措施，全面实施了新一代1000MW高效一次再热机组技术路线，以期将国内超超临界机组技术水平提升至一个新的层次。通过上述创新优化技术的应用，万州工程设计供电标煤耗降至273g/kW.h以下，在国内已经投运的绝大部分1000MW超超临界机组设计供电标煤耗基础上下降了10g/kW.h以上，与欧洲在建的最先进燃煤机组处于同一水平（计算方法及环境条件差异统一到与国内相同的基准后）。上述新技术对设计、施工、调试、运行均提出了更高要求，部分新技术（如汽温偏差控制、国产100%小汽机应用等）实施中的细节问题还需要调试、运行等进一步配合解决，上述设计指标能否最终实现也尚待工程投运检验。但万州工程的创新实践为我国后续新一代1000MW高效一次再热机组技术的全面应用奠定了基础，近期国内陆续有10余个1000MW和660MW超超临界机组采用了类似的技术路线进行主机订货，新一代1000MW高效一次再热技术将在这些应用中走向成熟。6 结论（1）以提升初参数、升级回热系统、回收余热减少排放、集成创新优化技术为核心的新一代1000MW高效一次再热机组技术是兼顾创新和稳妥、更宜全面推广的技术路线，它有能力将我国的超超临界机组技术水平提升到一个新的层次。（2）通过在万州工程中的首次全面应用，新一代1000MW高效一次再热机组技术路线逐渐清晰和完善，但还需要后续工程的共同努力，将这些技术的应用推向成熟。