李江波，閻占良

(河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊 050031)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，我國北方采暖地區(qū)大型熱電聯(lián)產(chǎn)熱電廠項目越來越多。目前，這些項目大多采用國產(chǎn)300 MW級亞臨界參數(shù)抽汽凝汽式供熱機(jī)組，由于這些機(jī)組以承擔(dān)采暖負(fù)荷為主，形成了采暖期熱電聯(lián)產(chǎn)+非采暖期純凝發(fā)電的運行模式，在某種程度上限制了熱電聯(lián)產(chǎn)優(yōu)勢的發(fā)揮。基于上述原因，近期規(guī)劃建設(shè)的大型熱電聯(lián)產(chǎn)熱電廠已將采暖用熱和工業(yè)用汽統(tǒng)籌考慮，力求使項目建成后可常年在熱電聯(lián)產(chǎn)模式下運行，以期達(dá)到最好的熱經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保效果，并使工程有良好的經(jīng)濟(jì)效益。下面以河北建投任丘熱電廠為例，對承擔(dān)中溫中壓工業(yè)蒸汽需求的300 MW級供熱機(jī)組進(jìn)行選型分析。

1 機(jī)組承擔(dān)的熱負(fù)荷分析

根據(jù)《任丘市城市供熱規(guī)劃(2008-2020年)》(簡稱“供熱規(guī)劃”)和《任丘市熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)劃(2008-2020年)》(簡稱“熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)劃”)，河北建投任丘熱電廠是任丘市近、遠(yuǎn)期的主力熱源，一期工程建設(shè)2臺300 MW級供熱機(jī)組，主要供應(yīng)任丘市采暖供熱分區(qū)中A-G區(qū)的冬季采暖熱負(fù)荷和北部工業(yè)區(qū)的生產(chǎn)用蒸汽負(fù)荷。

1.1 工業(yè)蒸汽抽汽量

根據(jù)供熱規(guī)劃，由河北建投任丘熱電廠供汽的北部工業(yè)區(qū)現(xiàn)狀工業(yè)蒸汽抽汽量為75.5 t/h，近期工業(yè)蒸汽抽汽量為162.5 t/h，遠(yuǎn)期工業(yè)蒸汽抽汽量為688.7 t/h，即河北建投任丘熱電廠一期工程應(yīng)擔(dān)負(fù)的工業(yè)蒸汽抽汽量為162.5 t/h。

1.2 采暖熱負(fù)荷

根據(jù)供熱規(guī)劃，河北建投任丘熱電廠供熱區(qū)現(xiàn)有建筑面積1 601萬m2，近期建筑面積將達(dá)到1 988.65萬 m2，其中集中供熱面積1 610萬m2，即河北建投任丘熱電廠一期工程應(yīng)承擔(dān)采暖面積1 610萬m2。

按照該地區(qū)氣象條件，采暖期室外計算溫度為-5.7 ℃，室外平均溫度為-0.2 ℃,采暖期122天(2 928 h)，近期熱負(fù)荷分別為：采暖期最大熱負(fù)荷790.19 MW；采暖期平均熱負(fù)荷=790.19 MW×[18-(-0.2)] ℃/[18-(-5.7)]℃=606.81 MW；采暖期最小熱負(fù)荷=790.19 MW×(18-5) ℃/(18-(-5.7))℃=433.44 MW。

另外，根據(jù)供熱規(guī)劃，河北建投任丘熱電廠要確保工業(yè)熱負(fù)荷的供應(yīng)。在保證工業(yè)用汽時，其采暖供熱能力若無法承擔(dān)1 610萬m2，可由其它聯(lián)網(wǎng)熱源補(bǔ)充供熱。

1.3 工業(yè)熱負(fù)荷參數(shù)

河北建投任丘熱電廠位于北部工業(yè)區(qū)。根據(jù)熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)劃，一期工程承擔(dān)工業(yè)蒸汽抽汽量162.5 t/h，考慮管網(wǎng)損失等，確定工業(yè)蒸汽抽汽量為180 t/h，其中向中國石油天然氣股份有限公司華北石化分公司供160 t/h中溫中壓蒸汽(4.0 MPa、440 ℃)，向京東橡膠廠供20 t/h、280 ℃、0.8 MPa的蒸汽。

1.4 供熱方式

根據(jù)供熱規(guī)劃，采暖用熱將由設(shè)在電廠內(nèi)的供熱首站將130 ℃的高溫?zé)崴椭粮鞫墦Q熱站，由二級換熱站向用戶供熱。換熱后70 ℃的熱網(wǎng)回水回到電廠供熱站。工業(yè)用蒸汽直接送至熱用戶。

2 裝機(jī)方案的確定

2.1 超臨界機(jī)組的設(shè)計要求

2.1.1 鍋爐

超臨界鍋爐受熱面工作條件比亞臨界鍋爐差，因此對于受熱面鋼種、管道規(guī)格等選用上需有專門要求，尤其是過熱器管材選擇時，應(yīng)注意所用鋼材的抗腐蝕性和晶粒度指標(biāo)。為保證鍋爐在各種工況下水動力的可靠性，在鍋爐廣泛的運行工況范圍內(nèi)，應(yīng)保證各水冷壁出口溫度在規(guī)定范圍內(nèi)(設(shè)計要求為50 ℃)浮動，以確保水動力穩(wěn)定性不受破壞。超臨界鍋爐水冷壁對爐內(nèi)熱偏差的敏感性較強(qiáng)，采用四角切圓燃燒時，必須采取有效措施，消除爐內(nèi)煙氣溫度偏差，一般鍋爐出口兩側(cè)最大煙氣溫差不得大于50 ℃。

2.1.2 汽輪機(jī)

由于超臨界汽輪機(jī)由直流鍋爐供蒸汽，溶解于蒸汽中的其它物質(zhì)較多，針對超臨界機(jī)組固體硬粒沖蝕這一突出問題，汽輪機(jī)本體設(shè)計需要采取相應(yīng)措施。由于主蒸汽參數(shù)及再熱蒸汽參數(shù)的提高，汽輪機(jī)關(guān)鍵部分的選材要比亞臨界高。超臨界汽輪機(jī)高壓缸入口壓力高、汽流密度大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，需要采取措施防止蒸汽旋渦振蕩，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。

2.2 國內(nèi)300 MW級超臨界機(jī)組現(xiàn)狀及供熱優(yōu)勢

自2003年初，國內(nèi)建設(shè)投產(chǎn)多臺300～1 000 MW超臨界(超超臨界)機(jī)組。經(jīng)過幾年來的不斷摸索改進(jìn)，目前國產(chǎn)超臨界(超超臨界)機(jī)組在設(shè)計、生產(chǎn)和運行管理等方面已積累了豐富的經(jīng)驗。

對于300 MW級超臨界機(jī)組，各制造廠額定容量大都采用350 MW，目前已有華能瑞金電廠(2007年底投產(chǎn)，純凝)、華能海南東方電廠、華能長春第四熱電廠(2009年底投產(chǎn)，供熱)、山東黃臺火力發(fā)電廠(2009年底投產(chǎn)，供熱)等項目投產(chǎn)，運行狀況良好。

350 MW超臨界供熱機(jī)組與300 MW級亞臨界供熱機(jī)組相比，由于初參數(shù)提高，其各級抽汽參數(shù)也相應(yīng)提高。如常用來作為工業(yè)蒸汽抽汽的二、三、四段抽汽，抽汽壓力可提高約0.5～0.8 MPa，可滿足更多工業(yè)熱用戶的生產(chǎn)需求。這使得機(jī)組能夠在更大范圍內(nèi)適應(yīng)工業(yè)蒸汽參數(shù)要求，從而在供熱方面具有優(yōu)勢條件。

由于超臨界汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計和主要材質(zhì)上的特殊要求，其價格比亞臨界汽輪機(jī)高。對運行的安全性和操控方面的要求也較高。從安全性考慮，直流鍋爐水冷壁管壁的冷卻條件較差，容易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，而自然循環(huán)的汽包爐則有自補(bǔ)償特性，安全性較高。但國內(nèi)大型超臨界機(jī)組已有較為成熟的設(shè)計、制造和運行管理經(jīng)驗，這些問題都不構(gòu)成制約條件。任丘熱電廠工程采用超臨界供熱機(jī)組在技術(shù)上是合理的。建議具有類似供熱要求的300 MW級熱電廠采用超臨界參數(shù)機(jī)組。

2.3 針對供熱需求的裝機(jī)方案分析

河北建投任丘熱電廠承擔(dān)的熱負(fù)荷中，工業(yè)蒸汽參數(shù)主要為中溫中壓參數(shù)，這給機(jī)組選型帶來一定的難度。常規(guī)國產(chǎn)亞臨界300 MW級供熱式汽輪機(jī)高壓缸排汽參數(shù)約為3.6 MPa/360 ℃，采暖抽汽參數(shù)為0.3～0.5 MPa/500～550 t/h，在減少采暖抽汽量的前提下，可具備100 t/h(約0.8 MPa)的工業(yè)蒸汽供汽能力?？梢姡舨捎贸Ｒ?guī)國產(chǎn)亞臨界300 MW級供熱式汽輪機(jī)，無法供出4.0 MPa/440 ℃的工業(yè)蒸汽。若從主蒸汽系統(tǒng)減溫減壓提供，將是一個經(jīng)濟(jì)性和安全性都極不理想的辦法。經(jīng)向制造廠咨詢后，任丘熱電廠一期工程選用了350 MW超臨界抽凝式供熱機(jī)組。

針對該工程熱負(fù)荷情況，采用350 MW超臨界抽凝式供熱機(jī)組是一個比較好的方案，不但滿足了較高參數(shù)工業(yè)熱用戶需求，還可提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，節(jié)能減排效果更好。

通過與汽輪機(jī)廠家溝通，幾家汽機(jī)廠均可在350 MW超臨界純凝機(jī)組基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計，提供滿足工程需要的350 MW超臨界供熱機(jī)組。其高壓缸排汽壓力高于4.4 MPa，完全可以從再熱系統(tǒng)向外供應(yīng)中溫中壓工業(yè)蒸汽。具體供應(yīng)蒸汽的方式：一是征得鍋爐廠同意，從再熱器440 ℃ 蒸汽溫度區(qū)域直接對外供應(yīng)蒸汽；二是從再熱器出口抽汽經(jīng)減溫器供出。

根據(jù)該工程熱用戶用汽量要求，每臺機(jī)組的工業(yè)抽汽量確定為90 t/h，其中從高壓缸排汽(經(jīng)鍋爐再熱器加熱)供出80 t/h的中溫中壓蒸汽，從四段抽汽抽10 t/h的高溫蒸汽，分別直接供給熱用戶。每臺350 MW超臨界供熱機(jī)組最大工業(yè)抽汽量可以達(dá)到266 t/h，在1臺機(jī)組停運的時候，另外1臺機(jī)組完全可以滿足工業(yè)用戶的蒸汽用量，從而保證了工業(yè)熱用戶的供熱可靠性。

3 機(jī)組選型的經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 機(jī)組選型初期投資比較

生產(chǎn)廠家對350 MW超臨界供熱機(jī)組三大主機(jī)(鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī))的報價為72 800元，對300 MW級亞臨界供熱機(jī)組三大主機(jī)的報價為61 200元，差價為11 600元。按照2009年的價格投資水平計算，2臺350 MW超臨界供熱機(jī)組的靜態(tài)投資為29.2億元，折合為4 170元/kW(靜態(tài))，2臺300 MW級亞臨界供熱機(jī)組工程靜態(tài)投資為26.5億元，折合為4 416元/kW(靜態(tài))。

3.2 機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性分析

為分析350 MW超臨界供熱機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，對350 MW超臨界供熱機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和具有類似熱負(fù)荷條件的常規(guī)300 MW亞臨界供熱機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行對比，對比情況見表1。

從表1可以看出，在采暖期工況下，采用350 MW超臨界供熱機(jī)組比采用300 MW亞臨界供熱機(jī)組全廠熱效率高6.5%；在非采暖期工況下，采用350 MW超臨界供熱機(jī)組比采用300 MW亞臨界供熱機(jī)組全廠熱效率高4.9%。上述比較中，2種機(jī)組的供熱條件不完全相同，但比較接近，因此可以定性地得出結(jié)論，采用350 MW超臨界供熱機(jī)組比采用300 MW亞臨界供熱機(jī)組全廠熱效率高。

表1 350 MW超臨界供熱機(jī)組與300 MW亞臨界供熱機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

4 結(jié)論

通過對河北建投任丘熱電廠300 MW級供熱機(jī)組選型的比較分析，認(rèn)為在有中溫中壓工業(yè)蒸汽需求，又要兼顧采暖供熱的條件下，采用350 MW超臨界供熱機(jī)組比300 MW亞臨界供熱機(jī)組，從各方面來說都具有一定得優(yōu)勢。

a. 從機(jī)型對供熱需求的適應(yīng)性看，若350 MW超臨界供熱機(jī)組高壓缸排汽壓力可滿足對外供應(yīng)中溫中壓蒸汽的要求(溫度稍低)，可從鍋爐再熱器溫度合適的地方抽汽對外供熱或從再熱蒸汽熱段管道上抽汽減溫后對外供熱，其熱經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于亞臨界機(jī)組。

b. 從熱經(jīng)濟(jì)方面看，采用350 MW超臨界供熱機(jī)組比采用300 MW亞臨界供熱機(jī)組全廠熱效率高5%左右。