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超临界机组与亚临界机组特点的比较
关键词： 超临界机组    亚临界机组                                          
河南华能沁北电厂工程处(454662)  刘发灿
摘  要：通过对国产首台超临界机组与亚临界机组的技术、经济性、可靠性等方面的比较，从而体现出超临界机组的优越性。
主题词：超临界  亚临界  特点
1  概  述         
     随着我国电力工业的发展及电力结构的调整，600MW级火电机组已经成为我国火电的发展方向并即将成为电网的主力机组，尤其是超临界参数机组，由于其更低的运行成本和高效益，使得此类型的机组在现在的电力市场中更具有竞争性。沁北电厂一期工程作为国家引进600MW超临界机组的依托项目以及2000年燃煤示范电厂，承担着引进先进技术，降低工程造价的双重任务，这就给工程的提出了较高的要求。随着2004年12月13日13：31分2＃机组顺利通过168小时，标志着超临界600MW机组国产化目标的顺利实现。
2  600MW超临界和亚临界机组的技术特点的比较
2.1  超临界机组和亚临界机组特点比较
    超临界机组是指主蒸汽压力高于临界压力（22.13MPa）的锅炉和汽轮发电机组，它具有如下特点：
     (1） 热效率高、热耗低。超临界机组比亚临界机组可降低热耗～2.5％，故可节约燃料，降低能源消耗和大气污染物的排放量。
      (2）超临界压力时水和蒸汽比容相同，状态相似，单相的流动特性稳定，没有汽水分层和在中间集箱处分配不均的困难，并不需要象亚临界压力锅炉那样用复杂的分配系统来保证良好的汽水混合，回路比较简单。
      (3) 超临界锅炉水冷壁管道内单相流体阻力比亚临界汽包炉双相流体阻力低。
      (4) 超临界压力下工质的导热系数和比热较亚临界压力的高。
      (5） 超临界压力工质的比容和流量较亚临界的小，故锅炉水冷壁管内径较细，汽机的叶片可以缩短，汽缸可以变小，降低了重量与成本。
      (6）超临界压力直流锅炉没有大直径厚壁的汽包和下降管，制造时不需要大型的卷板机和锻压机等机械，制造、安装、运输方便。同时取消汽包而采用汽水分离器，汽水分离器远比亚临界锅炉的汽包小，内部装置也很简单，制造工艺也相对容易，相应地降低了成本。
       (7）启动、停炉快。超临界压力直流锅炉不存在汽包上下壁温差等安全问题，而且其金属重量和储水量小，因而锅炉的储热能力差，所以其增减负荷允许的速度快，启动、停炉时间可大大缩短。一般在较高负荷（80～100％）时，其负荷变动率可达10％/min。
       (8) 超临界压力锅炉适宜于变压运行。
       (9）超临界锅炉机组的水质要求较高，使水处理设备费用增加，例如蒸汽中铜、铁和二氧化硅等固形物的溶解度是随着蒸汽比重的减小而增大，因而在超临界压力下，即使温度不高，铜、铁和二氧化硅等的溶解度也很高，为防止它在锅炉蒸发受热面及汽机叶片上结垢，超临界锅炉需100％的凝结水精处理，除盐除铁。
       (10）超临界压力锅炉的蓄热特性不及汽包炉，外界负荷变动时，汽温、汽压变化快而必须有相当灵敏可靠的自动调节系统，锅炉机组的自控水平要求也较高一些。               
      变压运行的超临界压力锅炉压力随机组负荷变化而变化，不需用汽轮机调节门控制机组负荷，而且部分负荷运行时，由于蒸汽容积流量变化小，能保持较高的汽机效率，并通过改善锅炉过热器和再热器的流量分配，提高了机组效率。
     可见超临界机组优点很多，中国近几年在大力发展超临界机组。但是超临界机组也存在着一些不足：
     (1) 超临界压力锅炉由于参数高，锅炉停炉事故的概率比亚临界多，降低了设备的可用率和可靠性。另外，超临界压力锅炉出现管线破裂和起动阀泄漏故障时影响较大。
     (2)超临界压力锅炉虽然热效率高，但锅炉给水泵、循环泵却要消耗较多的电耗，压力参数的提高又会增加系统的漏泄量，实际上对热效率的提高和热耗的减少都会有一定的影响。
     (3)超临界压力锅炉为了保证水冷壁和过热器的冷却，启动时要建立一定的启动压力和流量，为此要配置一整套专用的启动旁路系统，因而启、停的操作较复杂，热损失也大。
     (4) 超临界直流锅炉水冷壁的安全性较差。直流锅炉的水冷壁出口处，工质一般已微过热，故管内会发生膜态沸腾，自然循环有自补偿特性，而直流炉没有这种特性，因此，直流炉水冷壁管壁的冷却条件较差，较易出现过热现象。
     2.2  600MW超临界主机的一些特殊要求
     (1) 锅炉部分
     由于超临界锅炉的温度和压力比亚临界锅炉高，因此对锅炉提出了一些特殊的要求：               
     ①超临界锅炉受热面工作条件就较亚临界锅炉为差，故对于受热面钢种、管道规格等选择上提出较高的要求。尤其是过热器管选择时，更应注意所用钢材的抗腐蚀性和晶粒度指标。沁北电厂采用SUS347替代在亚临界压力锅炉上常用的SUS321，就是考虑到SUS321的晶粒度大，易形成氧化层（Fe3O4），脱落后将引起汽轮机的“硬粒冲蚀”的问题。               
     ②保证锅炉在各种工况下水动力的可靠性，在各种负荷下，从超临界压力到亚临界压力广泛的运行工况范围内，各水冷壁出口温度上下幅度须限定在规定范围内，确保水动力稳定性不受破坏；尤其当水冷壁悬吊管系中设有中间联箱时，必须采取措施避免在启动分离器干湿转换、工质为两相流时，联箱中出现流量分配不均匀而使悬吊管温差超限，导致悬吊管扭曲变形等问题。               
     ③超临界变压运行锅炉水冷壁对炉内热偏差的敏感性较强，当采用四角切园燃烧方式时必须采取有效的消除烟气温度偏差的措施（锅炉出口两侧最大烟温差不得大于50℃）。沁北电厂采用前后墙对冲燃烧的方式。
     (2)汽轮机部分               
     ①对于汽轮机本体来说，由于超临界压力机组是由直流炉供汽，溶解于蒸汽中的其他物质较多，蒸汽在汽轮机的通流部分做功后压力降低，原先在高压下溶解的物质会释放出来，产生固体硬粒冲蚀。针对超临界机组固体硬粒冲蚀这一突出问题哈尔滨汽轮机厂采取了对通流部件进行表面硬化处理；从防磨角度优化通流部分进汽角度，减轻对叶片的冲蚀；采用全周进汽和调节汽门合理管理系统AMS以降低启动流速，减小硬粒冲击能量等。               
      ②超临界汽轮机由于主蒸汽参数及再热蒸汽参数的提高，特别是温度的提高，一些亚临界机组使用的材料，已不能适应超临界汽轮机的工作状况，因此，在选材问题给予了高度重视。主汽调节阀壳体和主蒸汽管采用9%Cr锻钢，以适应主蒸汽温度和压力变化的要求。低压缸进汽温度由亚临界的320℃升至370℃，亚临界使用的普通30Cr2Ni4MoV转子材料的长期时效脆性敏感性高，不能满足长期安全运行的要求。因此采用了超纯30Cr2Ni4MoV转子材料，降低材料的长期时效脆性敏感性，使超临界的低压转子能够长期安全运行。               
      ③结构设计上采取防止蒸汽旋涡振荡的措施，避免由于高压缸入口压力高、汽流密度大，使调节级复环径向间隙处发生蒸汽旋涡振荡所引起的轴承不稳定振动。通常以高压调节级处出现蒸汽振荡的可能性最大，设计上采用有成熟经验的叶型，并进行动强度核算，避免轮系振动频率与喷嘴尾迹扰动力频率重合所产生的共振。               
      (3)在辅机配套方面，除了高压给水泵的扬程和高压加热器管侧压力超临界机组比亚临界机组高以外，其余的设备超临界机组和亚临界机组基本相同。

3  600MW超临界和亚临界机组性能的比较            
3.1  热经济性比较
     先将国内部分600MW机组热耗比较以下，情况如表1：（本表以上海石洞口二厂的机组作为参照标准）

     由于制造厂和生产年代不同，机组的热耗会存在较大的差异，例如，对于亚临界300MW机组，上世纪70年代从WH引进时，热耗保证值为8081            kJ/kWh，而现在国内各制造厂所提供的保证值为～7820kJ/kWh，减少了3.23%。从上表也可以看出，国产机组中，象邹县电厂、平圩电厂等建厂早的机组，热耗保证值较高，而哈尔滨三厂、吴泾电厂八期等新厂热耗保证值较低。华能上海石洞口第二电厂，建设于上世纪80年代，投产于90年代初，仅具有国际80年代水平，与其他亚临界压力机组平均相差2.66%。国产超临界机组由于在主蒸汽参数上提高，从而热耗保证值比原来的石洞口二厂热耗值减少了1.63％。
      同时我们为了验证以上结果，现比较近期投产的国产600MW亚临界机组(吴泾电厂八期)和刚刚投产国产600MW超临界机组（华能沁北电厂一期工程）。吴泾电厂八期的保证热耗为7871kJ/kWh，华能沁北电厂生产的保证热耗为7522kJ/kWh，两者相差4.4％，可以节约煤13.1g/kwh。。但考虑到，沁北电厂超临界机组的参数是566/566℃，扣出主蒸汽由538℃提高到566℃所提高的热效率，超临界机组比亚临界机组热耗可以下降～3.7%，可以节约煤10.9            g/kwh左右。
      这初步可以说明国产超临界机组比亚临界机组热耗可以下降～3.8%,可以节约煤～11g/kwh。
3.2  可靠性比较               
      600MW超临界机组与压临界机组对于汽轮机主要是高压缸及高压通流部分的区别，锅炉主要是汽水流程不同，其他基本是相同的；辅机绝大部分是相同的。机组的系统基本相同，许多先进的设计对于两者均适用。通过对由于超临界机组高温高压所产生的问题不断完善，过去超临界压力机组突出的锅炉爆管、固体粒子侵蚀以及高压加热器泄漏、阀门故障已经得到了较好的解决。
3.3  环保效益               
      由于超临界机组比压临界机组的煤耗降低，而且锅炉设计中采用了低NOX燃烧技术，电厂所排放到大气中的二氧化碳、二氧化硫、氧化氮及烟尘均可以减少，超临界机组有利于环保，符合国家的产业政策。

4  结  论  
      通过以上对亚临界机组和超临界机组技术、可靠性、环保等方面比较分析，超临界机组比较亚临界机组有较大的优越性，同时根据目前沁北电厂一期工程首台超临界机组的顺利并网发电，从而证明了中国引进超临界技术是成功的，从中国电力改革发展的总趋势看，采用超临界机组是中国电力工业发展的总趋势。