350MW超临界亚临界比较专题报告综述分析.docx
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350MW超临界亚临界比较专题报告综述分析
华能长春热电厂新建工程
初步设计
第四卷热机部分
专题报告
超临界供热机组选型论证
东北电力设计院
设计证书070001-sj
勘察证书070001-kj
环评证书甲字1605
质量管理体系证书05004Q10052R0L
2008年5月长春
华能长春热电厂新建工程
初步设计
第四卷热机部分
专题报告
超临界供热机组选型论证
批准
安力群
审核
李健
校核
裴育峰
编写
石志奎
2008年5月长春
目次
1、概述
据有关预测表明，2020年要实现全面建设小康目标，我国一次能源的需求将在25～33亿吨标准煤之间。
也就是说，按现行经济增长模式，若要实现2020年GDP翻两番的目标，我国能源需求在现有消费量基础上至少需翻一番，到2020年，人均能源消费将由2000年的约1.0吨标煤增加到2.0吨标煤左右。
目前，我国单位产品的能耗水平较高。
能源加工、转换、贮运和终端利用的效率仅约33%，比发达国家低10个百分点；高耗能行业的单位产品能耗比世界先进水平高20～50%，而这些行业的能源消费占工业部门能源消费总量的70%。
因此，我国全面提高能源效率的任务十分艰巨。
未来15～20年既是中国发展的重要战略机遇期，也是能源、土地、环境等资源性瓶颈制约突出表现的时期。
中国能源的资源总量和构成、建设小康社会对能源的需求、当前我国的能源利用效率水平等都决定了我国必须要大力推进经济增长方式的转型，建立节约型社会，走适合中国特点的节能型发展道路。
这是中国特色社会主义在能源利用方面的具体要求，也是树立和落实科学发展观的必然选择。
随着全球范围内煤炭资源的日益紧张和发电技术的不断进步，发展超临界技术，提高火力发电的蒸汽参数、降低机组热耗、节约燃料、降低发电成本、提高电厂热效率，已成为当今工业先进国家火力发电技术的主要发展方向。
为保证电力工业可持续发展，加快电力结构调整的步伐，最现实、最可行的途径就是加快建设高效率发电机组。
超临界和超超临界机组的发展已日趋成熟，其可用率、可靠性、运行灵活性和机组寿命等方面已接近亚临界机组。
超临界机组是指主蒸汽压力大于水的临界压力（22.12MPa）的机组。
习惯上又将超临界机组分为2个层次：
①常规超临界参数机组，其主蒸汽压力一般为24MPa左右,主蒸汽和再热蒸汽温度为540～560℃；②高效超临界机组，通常也称为超超临界机组，其主蒸汽压力为25～35MPa及以上，主蒸汽和再热蒸汽温度为580℃及以上。
理论和实践证明常规超临界机组的效率可比亚临界机组高2%左右。
同时，超临界机组的部分负荷效率明显高于相应的亚临界机组。
在75%负荷条件下，超临界机组的效率约降低2%；50%负荷条件下，超临界机组的效率降低5.5-8%。
而标准亚临界机组在75%负荷条件下，效率相应降低4%；50%负荷条件下，亚临界机组相应降低10-11%。
目前国内三大动力集团已经具备了600MW超临界设备的制造能力，现又通过与欧美、日本等国家进行技术合作、技术转让等方法具备了生产1000MW超超临界机组的条件。
华能长春热电厂新建工程拟建2台350MW供热机组，为能够既减少项目的初投资，又能降低煤耗，减少机组的运行成本，按可研审查意见要求我院对本期工程机组选型做亚临界供热机组方案与超临界供热机组方案的比较。
超临界机组与亚临界机组相比，具有提高火力发电的蒸汽参数、降低机组热耗、节约燃料、降低发电成本、提高电厂热效率等优点。
但同时也引起投资的增加。
而对华能长春热电厂这类城市供热电站，煤价相对较高，选用超临界机型更具有一定优势。
然而对于350MW超临界供热机组，国内目前现状尚无制造和运行业绩。
因此，本报告重点针对350MW超临界供热机组和亚临界供热机组的选型比较进行论述。
2、国内亚临界、超临界供热机组的发展状况
我国的发电机组已进入大容量、高参数的发展阶段。
“六五”期间我国引进了300MW、600MW亚临界机组的设计制造技术
近10多年来是我国城市供热发展的高峰期，已从单机容量50MW、100MW发展到200MW、300MW。
但都是亚临界机组，从节能环保的角度出发今后应发展大容量高参数的超临界攻破国内供热机组。
目前，中国华能集团公司长春热电厂的2×350MW超临界供热机组正在建设当中。
超临界机以上供热机组将成为我国“十一•五”后的主要发展机型。
3、超临界空冷机组与亚临界供热机组方案比较
3.1锅炉
a）亚临界机组：
锅炉按煤粉炉，亚临界参数、一次中间再热、单炉膛、平衡通风、强制循环直流锅炉。
三分仓回转式空气预热器。
型式：
亚临界、一次中间再热、自然循环锅炉
最大连续蒸发量：
1100t/h
过热蒸汽出口压力：
17.45MPa（g）
过热蒸汽出口温度：
541C
再热蒸汽流量：
914t/h
再热蒸汽进口压力：
3.954Mpa（g）
再热蒸汽进口温度：
330C
再热蒸汽出口压力：
3.753MPa（g）
再热蒸汽出口温度：
541C
省煤器入口给水温度:
：
280C
排烟温度（修正前）：
134C
锅炉额定工况保证热效率（低位发热量）：
>93%
b）超临界机组：
锅炉采用哈尔滨锅炉厂有限公司生产的超临界参数变压运行直流炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、紧身封闭、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。
三分仓容克式空气预热器。
锅炉采用全钢构架，悬吊结构，锅炉运转层以上紧身封闭。
型式：
HG-1110/25.4-HM
最大连续蒸发量：
1110t/h
过热蒸汽出口压力：
25.4MPa（g）
过热蒸汽出口温度：
571℃
再热蒸汽流量：
921.35t/h
再热蒸汽进口压力：
4.565MPa（g）
再热蒸汽进口温度：
325.1℃
再热蒸汽出口压力：
4.099MPa（g）
再热蒸汽出口温度：
569℃
省煤器入口给水压力（包括静压头）：
28.87MPa
省煤器入口给水温度：
284.7℃
空气预热器型式：
三分仓回转式空气预热器
空气预热器进风温度：
26/23℃（一次/二次）
一次风/二次风热风温度：
401.7℃/386.1℃
炉膛出口过剩空气系数1.2
省煤器出口空气过剩系数11.2
空气预热器出口烟气修正前温度155℃
空气预热器出口烟气修正后温度147℃
3.2汽轮机
a）亚临界机组：
型式：
单轴、双缸、双排汽、亚临界抽汽凝汽式汽轮机
纯凝工况额定功率：
330MW
主汽门进口蒸汽压力：
16.67MPa
主汽门进口蒸汽温度：
538C
再热蒸汽门进口蒸汽温度：
538C
工业抽汽压力：
1.624Mpa
工业抽汽温度：
421C
额定工业抽汽流量：
85t/h
最大工业抽汽流量：
100t/h
采暖抽汽压力：
0.4Mpa
采暖抽汽温度：
244.8C
采暖平均工况抽汽流量：
420t/h
采暖最大抽汽流量：
480t/h
额定冷却水温度：
20C
额定背压：
4.9kPa
额定转速：
3000r/min
b）超临界机组：
型式：
超临界参数、一次中间再热、单轴双排汽、抽汽凝汽式机组。
额定纯凝工况主蒸汽流量：
997.27t/h
纯凝工况额定功率：
350MW
最大出力（VWO工况）：
380.161MW
平均热负荷工况出力：
336.595MW
主汽门进口蒸汽压力：
24.2MPa
主汽门进口蒸汽温度：
566℃
再热蒸汽流量：
879t/h
再热蒸汽进口蒸汽温度：
566℃
再热蒸汽进口蒸汽压力：
4.368Mpa
工业抽汽压力（平均工况）：
2.0MPa（非调节）
工业抽汽温度（平均工况）：
467℃（非调节）
工业最大工况抽汽流量：
100t/h（最大负荷工况）
工业平均工况抽汽流量：
50t/h（暂定）
采暖抽汽压力（平均工况）：
0.4MPa（可调节）
采暖抽汽温度（平均工况）：
255℃（可调节）
采暖最大工况抽汽流量：
600t/h（最大负荷工况）
采暖平均工况抽汽流量：
480t/h（暂定）
额定冷却水温度：
20℃
额定背压：
4.9kPa
额定转速：
3000r/min
旋转方向:
从汽轮机向发电机方向看为顺时针方向
最大允许系统周波摆动48.5～50.5Hz
3.3主要技术经济指标
对于300MW等级供热机组，有300MW亚临界，330MW亚临界及350MW超临界机组可供选择。
当3种机组对外供热量基本相同时，其技术经济指标对比如下：
300MW等级供热机组主要技术经济指标比较表
名称
单位
2×300MW国产
亚临界供热机组
2×330MW国产
亚临界供热机组
2×350MW国产
超临界供热机组
汽机保证热耗
kJ/kW.h
7820.7
7815
7645
锅炉保证效率
%
91.55
91.55
91.55
采暖抽汽压力
MPa
0.245
0.400
0.400
发电设备利用小时数
h
5500
5500
5500
年发电量
kW.h
3.300×109
3.630×109
3.85×109
年供热量
kJ
1.00×1013
1.04×1013
1.07×1013
年平均发电标准煤耗率
kg/kw.h
0.270
0.269
0.263
供热电率
kw.h/GJ
5.73
5.73
5.73
供热厂用电率
％
1.95
1.68
1.78
发电厂用电率
％
5.24
5.10
5.10
综合厂用电率
％
7.19
6.78
6.88
年供电量
kW.h
3.06×109
3.38×109
3.59×109
年平均供热标准煤耗率
kg/GJ
39.39
39.39
38.94
年耗标准煤量
t
1265740
1371214
1412565
年平均供电标准煤耗率
kg/kw.h
0.285
0.284
0.277
年节约标准煤量
t
659177
707386
773781
年平均全厂热效率
%
56.8%
56.2%
57.2%
年平均热电比
%
90.7%
85.3%
83.1%
全年耗热量
kJ
3.71×1013
4.01×1013
4.14×1013
注：
表中厂用电率系参考值
从三种装机方案主要技术经济指标比较表中可以看出，由于最大抽汽量的限制，2x300MW机组比2x350MW机组对外供热量及发电量要小些。
在对外供热量相等的条件下，2x350MW超临界方案的汽机保证热耗、机组发电标准煤耗、年平均发电标准煤耗率、年平均供热标准煤耗率等指标，优于2x330MW亚临界方案；2x330MW亚临界方案与2x300MW亚临界方案各指标大致相当。
即2x350MW超临界方案在三个方案中最优，尤其是汽机保证热耗比2X330MW亚临界机组低170kJ/kW.h，比2x300MW亚临界方案低175.3kJ/kW.h，发电标煤耗比2x330MW亚临界机组低6g/kW.h。
4．主机厂对350MW超临界抽汽机组中压末级叶片设计说明
哈尔滨汽轮机厂设计制造的350MW超临界抽汽机组由于采用中压级后抽汽，对中压缸叶片强度提出了更严格的要求，因此需要对中压缸叶片结构进行很大的调整。
为了满足抽汽工况的要求，在进口流量与350MW超临界冷凝机组相近的情况下，中压缸末级叶片焓降由冷凝机组的52.95KJ/Kg增加到122KJ/Kg，级后压力由冷凝机组的1.06Mpa降低到0.4Mpa。
为此在中压缸叶片结构设计时，首先要保证叶片的强度满足安全准则的要求，在综合考虑热力计算、通流结构以及运行安全等情况，先后做出四种设计方案，优中选优，最后确定采用中压缸11级叶片的结构，以达到最佳的流量、焓降分配，各级的压差和焓降更趋于均匀。
在中压末级叶片的设计过程中，由于抽汽的需要，级后压力的降低，以及焓降的增加，增大了中压末级叶片承受的动应力，必须增加叶片自身的强度以保证叶片的安全运行。
为此我们应用全三维气动计算程序，通过流场计算，新设计叶片型线，从气体动力学方面保证叶片结构的合理性；在保证一定通流面积的基础上，合理选择叶片只数和叶根型线，满足叶片工作部分、叶根、轮缘的强度要求。
在增加级数后，为了保证轮缘的强度，增加了末三级叶轮的轴向宽度。
全三维气动设计
设计热电联供汽轮机，在气动方面，要保证在常用工况（纯凝和抽汽）下都有较高经济性和气动安全性。
叶片型线全部采用新设计的气动性能好的变截面扭曲叶片，叶型加厚了，在有抽汽和有加高的级，适当选择了宽叶片。
因末级焓降、叶高都增加，且为抽汽级，所以新设计型线。
采取了优化气动参数沿叶高分布，增加叶型面积和刚性的方法，使之在满足强度和振动要求时，在常用工况下综合经济性高。
末级流场气动计算结果如下：
图1S1流面压力分布
图2叶型表面压力分布
5.叶根型式的选择及安全性分析
哈汽厂在设计350MW超临界抽汽机组时，中压叶根由“R”型改为“P”型，“P”型和“R”型叶根的结构尺寸不同，“P”型的载荷分布比“R”型更合理，“P”型的承载能力比“R”型更强，“P”型加工装配要求比“R”型更为严格，动叶末叶片定位形式由定位销结构改为锁紧键结构，在本机组设计时同样采用“P”叶根型线，以充分保证叶根和轮缘的强度。
两个典型方案下末级叶片强度计算结果比较如下表所示：
名称
方案1（共9级）
方案4（共11级）
级别
9
9
10
11
蒸汽弯应力
73.8
48.2
53.9
64.2
总应力
153
127.29
143.51
155.04
L·B·U
叶型根截面
1.13
叶型根截面
1.397
叶型根截面
1.458
叶型根截面
1.173
叶根D-D截面
0.72
叶根D-D截面
1.33
叶根D-D截面
1.334
叶根D-D截面
1.368
轮缘4－4截面
0.326
轮缘4－4截面
0.767
轮缘4－4截面
0.841
轮缘4－4截面
0.612
备注
叶根、轮缘强度不合格
合格
合格
合格
哈汽厂对350MW机组动叶片的动强度安全性考核采用西屋公司标准，即考核动应力系数L·B·U值。
综上所述，为达到动应力考核要求：
我们在中压叶片结构上，采用中压十一级叶片，比350MW超临界冷凝机组中压缸多二级；中压末级叶片采用新叶片型线；增加末级轮缘的轴向宽度。
保证了中压缸的强度要求。
61029mm末级动叶片
哈汽公司具备国内最强大的末级长叶片设计加工能力，五十年来，先后设计生产了高度260mm～1200mm的二十多只各类末级长叶片，形成了全面的长叶片体系。
这些末级长叶片广泛应用于12MW～600MW亚临界机组、50MW～660MW空冷机组、650MW核电机组、350MW～1000MW超临界、超超临界机组中，经多年运行实践证明，这些叶片都是安全高效的。
1029mm动叶片是哈汽引进三菱公司设计的适用于300MW～660MW机组末级叶片，该叶片设计中应用最新的三元流技术进行流场设计,静叶采用后加载叶型，复合弯扭叶片,动叶采用先进的跨音速叶型。
动叶沿叶高反扭，改善参数沿叶高的分布，大幅度地减少径向和端部二次流损失，型线速度分布合理，没有分离现象，激波损失很小，使末级根部反动度提高到32%，利于变工况运行,提高了低负荷运行能力和安全性，改善了机组调峰性能，同时可以降低导叶汽封的漏汽损失。
表11029mm动叶片基本参数
叶片高度
1029mm
根部直径
1728mm
叶片只数
80
排汽面积
8.91M2
叶根宽度
239.22mm
拉筋高度
525.8mm
额定工作背压
4.9Kpa
叶根形式
斜三齿枞树型
拉筋形式
整体凸台拉筋
围带形式
整体围带
叶片材料
0Cr17Ni4Cu4Nb/900
6.1末级叶片安全性分析
1029mm动叶片采用自带围带、凸台拉金连接结构,叶片通过扭转恢复形成整圈连接，强度振动性能好，可通过围带之间、凸台拉金之间的摩擦阻力来减少叶片的动应力。
并可通过自带围带的厚度进行调频。
为了保证1029mm叶片的安全性，设计人员分别采用平均应力法和有限元法对1029mm叶片静强度和振动特性进行了分析。
设计中采用了国际上最先进的非线性有限元分析软件，先进的分析软件和哈汽设计工程师多年来深厚的设计经验保证了计算分析结果的可靠性。
静强度和振动特性的分析结果见表2和图1～2，由分析结果可见，该叶片的应力和频率都符合安全准则，这表明该叶片是安全可靠的。
为了进一步确保末级及次末级叶片频率符合安全要求，叶片在出厂前必须作动调频试验，合格后方可出厂。
表21029mm动叶片各部分应力及许用应力
叶片材料
0Cr17Ni4Cu4Nb/900
型线根部静应力
393.0
许用静应力
448.2
型线根部振动应力
34.8
许用振动应力
269.3
叶根齿静应力
252
许用静应力
448.2
转子材料
30Cr2Ni4MoV/830
最大轮缘齿应力
312.0
许用最大应力
344.8
图1新型1029mm长叶片应力分布
图2新型1029mm长叶片坎贝尔图
6.2末级叶片经济性分析
在保证的安全性基础上，对该机组的低压通流采用先进的全三维流动数值模拟软件CFX-tascflow对低压叶片进行了设计和分析，提高通流效率，分析结果见后图，静叶中的流动具有很强的后加载性，因此叶型损失和二次流损失都很小，动叶中流场稳定，没有明显的分离流动，安全高效（见图3～4）。
叶型损失的主要部分产生在吸力面，而且是在出口部分的逆压梯度段。
由图3～4可见，在末级叶片吸力面上的边界层在大部分轴向弦长的漫长距离内都是在较大顺压梯度的作用下流动，边界层厚度增长很慢，直至顺压梯度段末端，亦即加速段末端，才开始转捩，等到边界层转变成湍流已从尾缘流出。
因此，末级叶片叶型损失必然相当小。
由图3～4可见叶片的表面最大气动负荷在叶栅流道的后部，前部内、背弧横向压力梯度相对较小，由于端部二次流的产生与叶型内、背弧压差息息相关，采用这种具有后部加载特性叶型，使末级叶片的上下端壁表面存在的端壁二次流较弱。
图3末级静叶中部表面压力分布
图4末级动叶中部表面压力分布
6.3低压叶片防侵蚀措施
对于大容量机组的末级叶片而言，由于叶顶圆周速度很高，因此湿蒸汽对末级叶片的冲蚀更严重。
为保证叶片安全，同时降低通流的湿气损失，必须采取了一些去湿和防侵蚀设计措施。
本次设计中采取了以下措施：
1）在低压末级采用槽内去湿比较有效，这种方法是通过在静叶片表面开出专用的去湿槽，把流道表面的水膜中的水份导走。
槽内去湿效率主要由槽的形状和开槽位置决定。
本次设计去湿槽设置在叶片上半部靠近出汽边的内弧部分，去湿效果更明显。
末级静叶除湿槽三维流动见图5。
2）末级动叶片上半部出气边背弧焊接的司太立合金片，增强末级动叶片的防侵蚀能力。
3）适当加大末三级动、静叶片间的轴向距离。
在不影响级间气动性能的情况下保证有足够的间隙以最大限度的去除汽流中的水份。
拟S1流面矢量
三维矢量
图5末级静叶除湿槽内及其附近速度矢量分布
6.4小结
1）1029mm动叶片采用自带围带、凸台拉金连接结构,叶片通过扭转恢复形成整圈连接，刚度大耐振动性能好，可通过围带之间、凸台拉金之间的摩擦阻力来减少叶片的动应力；
2）根部反动度提高到32%，利于变工况运行,提高了低负荷运行能力和安全性，并改善了机组调峰性能；
3）1029mm动叶片的振动应力远小于许用振动应力，抽汽工况下叶片安全性有足够的保证。
总而言之，1029mm动叶片是一只性能优良的末级长叶片，可以保证机组在各种恶劣工况下安全工作。
7、结论
通过本报告的技术经济论证和比较，超临界机组技术是成熟、先进的发电技术，350MW超临界供热机组具有热效率高、发电煤耗少等优点，另外它的可靠性、可用率、机组使用寿命等方面已经可以和同类亚临界机组相媲美。
然而，亚临界机组煤耗高，燃料成本加大，污染物的生成量和排放量加大。
而采用超临界机组可以降低污染物的生成量和排放量，可以降低发电煤耗，节约能源，提高电厂循环热效率，符合可持续发展的政策，是大型机组的发展方向。
从国家产业政策和技术发展，以及从环境保护的长远角度出发，超临界机组更具有明显的优势。
根据以上比较，2x350MW超临界方案在汽机保证热耗、机组发电标准煤耗、年平均发电标准煤耗率、年平均供热标准煤耗率方面占有优势。
2x350MW及2x330MW比2x300MW方案在供热总量，发电总量，供热可靠性方面占有优势。
并且350MW超临界汽机具有优良可靠的中级和末级长叶片设计。
因此本期工程推荐选择2x350MW供热机组。
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