徐 鋼， 胡 玥， 楊勇平， 許 誠， 宋曉娜， 宋景慧

（1.華北電力大學(xué) 國家火力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，北京102206；2.北京信息科技大學(xué) 機電實習(xí)中心，北京100192；3.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州510080）

節(jié)能降耗工作日益受到重視，為了進一步降低能耗、減少污染物排放，大容量、高參數(shù)機組的發(fā)展勢在必行.針對爐膛尺寸與受熱面布置匹配、降低鍋爐爐膛出口及各受熱面左右的煙溫偏差以及減少汽輪機受固體顆粒侵蝕等問題，電站通常采用塔式鍋爐以體現(xiàn)出對機組參數(shù)提高更好的適應(yīng)性［1］.

同時，隨著電站機組容量的不斷增加，迫切需要解決以下問題：（1）鍋爐的高度增加，塔式鍋爐的高度增加更多.在國外，燃用褐煤的1 000MW超超臨界塔式鍋爐的高度已經(jīng)達到了160m，我國燃用煙煤的1 000MW超超臨界塔式鍋爐的高度也達到了129m［2］.隨著鍋爐高度的增加，本體支吊及相關(guān)受熱面和管道的布置更加困難，鋼架結(jié)構(gòu)的金屬材料耗量也更大.同時，由于各類管道的長度增加，阻力損失增大，影響機組效率的進一步提高［3］.（2）管道投資大幅增加.由于主蒸汽、再熱蒸汽管道承受的壓力高、溫度高，需要采用特殊鋼種，其價格昂貴.有報告稱，將蒸汽溫度提高到700°C后，機組的熱效率將比目前超超臨界機組蒸汽溫度為600°C時提高3%，但是特種合金的價格將提高9倍，可見管材價格過高已經(jīng)成為限制高參數(shù)機組發(fā)展的重要問題之一［4］.

鑒于此，很多科研工作者提出不同的布置方案以縮短管道長度，節(jié)約管材投資，如馮偉忠提出將汽輪機高壓缸放到鍋爐上部，但是設(shè)計存在結(jié)構(gòu)強度問題；堯國富等提出對鍋爐與汽輪機等進行高設(shè)計，但由于鍋爐采用П型布置，當(dāng)煙氣轉(zhuǎn)向后容易造成受熱面熱偏差，可能導(dǎo)致部分管道因超溫而損壞.

因此，筆者提出了一種新型沉降式鍋爐設(shè)計，即通過向地下挖掘或利用原有地勢將塔式電站鍋爐主體部分的1／2～2／3沉入地表以下，使汽輪機平臺和鍋爐過熱器、再熱器平臺處于同一水平面，從而大幅度縮短主蒸汽和再熱蒸汽管道的長度，并對因管道長度變化帶來的管道阻力特性、管道投資成本及電站整體技術(shù)經(jīng)濟性變化進行了深入研究.

1 新型沉降式電站鍋爐系統(tǒng)

針對高參數(shù)、大容量機組存在的問題，筆者提出的新型沉降式電站鍋爐能有效縮短三大蒸汽管道（主蒸汽、再熱蒸汽冷段和熱段）長度，而且可以提高機組效率.沉降式電站鍋爐系統(tǒng)布置見圖1.該設(shè)計選用塔式鍋爐，在安裝電站鍋爐處開挖或利用原有地勢對鍋爐結(jié)構(gòu)進行改造，形成50～100m深的地下空間，將塔式電站鍋爐主體部分的1／2～2／3沉入地表以下，沉降式塔式電站鍋爐頂部距離地面只有20～40m，煙道經(jīng)轉(zhuǎn)向后僅需10～30m管道就能直接與地面的空氣預(yù)熱器1、引風(fēng)機3連接至脫硫單元.空氣經(jīng)空氣預(yù)熱器加熱后由空氣管道2送入塔式鍋爐的下部與風(fēng)口相連接.過熱器4、再熱器5和省煤器6均布置在塔式鍋爐上部，與汽輪機平臺基本處于同一水平面上.這種設(shè)計大幅度縮短了鍋爐過熱蒸汽和再熱蒸汽管道的長度，降低了鍋爐的鋼架懸吊結(jié)構(gòu)成本［3］.若能利用地勢條件，如利用山坡、峽谷等的高度差布置沉降式鍋爐，可以降低土建費用，則新型沉降式塔式鍋爐的投資成本節(jié)省空間會更大.

圖1 沉降式電站鍋爐系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the settlement boiler system

塔式鍋爐還具有以下優(yōu)點：（1）占地面積小.塔式鍋爐一般為瘦高型，П型鍋爐多為矮胖型，沉降式塔式鍋爐解決了由于機組容量增大、鍋爐高度增加帶來的布置及懸吊問題.（2）減輕受熱面積灰.由于受熱面均布置在第一煙道，灰的運動方向與重力方向相反，灰顆粒大到一定程度后就不能被煙氣攜帶而返回爐膛或懸浮在爐膛中，因此減輕了受熱面積灰.（3）輸水能力強.鍋爐所有的受熱面均采用水平布置，具有很強的自疏水能力.（4）受熱均勻.與П型鍋爐相比，塔式鍋爐所有受熱面均布置在第一煙道，因此不會因煙氣轉(zhuǎn)向而造成煙氣溫度場分布不均，可以減小受熱面熱偏差［5－7］.

2 沉降式鍋爐設(shè)計的管道性能分析

2.1 管道的流動損失計算

管道阻力損失分為沿程阻力損失和局部阻力損失.沿程阻力損失發(fā)生在緩變流整個流程中，與管道長度和管內(nèi)工質(zhì)流態(tài)有關(guān).局部阻力損失發(fā)生在流動狀態(tài)急劇變化的急變流中，如管道閥門、彎頭和大小頭等處，主要是由于在管件附近產(chǎn)生漩渦以及流體微團碰撞等造成的能量損失［8］.

2.1.1 沿程及局部阻力

沿程及局部阻力計算公式分別為式中：Δpf為直管段沿程阻力損失，Pa；Δpj為局部阻力損失，Pa；λ為沿程阻力損失系數(shù)；ξ為局部阻力損失系數(shù)；v為管道內(nèi)介質(zhì)流速，m／s；ρ為蒸汽的密度，kg／m3；L為直管長度，m；d為管道內(nèi)徑，m.

2.1.2 串聯(lián)管道阻力

由不同直徑或粗糙度的數(shù)段管子連接在一起的管道稱為串聯(lián)管道.串聯(lián)管道的阻力損失為各段管道損失的總和，其計算公式為

式中：Δp為管道系統(tǒng)阻力損失，Pa；λi為第i段管道沿程阻力損失系數(shù)；ξi為第i段管道局部阻力損失系數(shù)；vi為第i段管道內(nèi)介質(zhì)流速，m／s；li為第i段管道長度，m；di為第i段管道內(nèi)徑，m.

2.1.3 并聯(lián)管道阻力

在某處分為幾路、到下游某處匯合成一路的管道稱為并聯(lián)管道，并聯(lián)管道的各管路損失相同.2條支管的簡單并聯(lián)管路，各支管的質(zhì)量流量與阻力損失的關(guān)系為

式中：G1、G2分別為第一、第二條支管的質(zhì)量流量，kg／h；ξ1、ξ2分別為第一、第二條支管的總阻力損失系數(shù)［9］.

經(jīng)計算得出各支管質(zhì)量流量后，可以通過式（1）和式（2）計算出并聯(lián)管路阻力損失.

2.2 典型1 000MW超臨界機組的管道系統(tǒng)性能分析

筆者以某1 000MW超臨界機組管道系統(tǒng)為研究對象，采用新型沉降式鍋爐使汽輪機平臺和鍋爐過熱器、再熱器平臺處于同一水平面，大幅度縮短了鍋爐主蒸汽、再熱蒸汽冷段和熱段的管道長度，從而減少了管道阻力損失，提高了機組效率.

2.2.1 主蒸汽管道的計算結(jié)果

假設(shè)主蒸汽管道水平走向及距離不變，取消豎直方向管道，使主蒸汽管道的平均長度從186m降至126m，減少約60m，且取消10個彎頭，在不采用任何減阻優(yōu)化措施下，主蒸汽管道的阻力損失由設(shè)計值5.11%降至3.59%.

沉降式電站鍋爐設(shè)計使汽輪機、過熱器和再熱器基本處于同一平臺上.這種優(yōu)化布置不僅能夠縮短垂直方向的管道長度，同時也能縮短水平方向的管道長度.當(dāng)主蒸汽管道長度在126～66m間變化、彎頭為13個時，主蒸汽管道的阻力損失系數(shù)發(fā)生變化，其管道阻力損失系數(shù)隨管道長度減小值的變化見圖2.從圖2可知：當(dāng)主蒸汽管道的長度減小值在60～120m時，管道阻力損失系數(shù)在3.59%～2.25%內(nèi)變化，長度越短，管道阻力損失系數(shù)越小.當(dāng)主蒸汽管道的平均長度為66m時，管道阻力損失系數(shù)僅為原值5.11%的一半左右，減阻效果明顯.由圖2還可以看出，當(dāng)主蒸汽管道長度縮短時，沿程阻力損失所占比重減小，局部阻力損失所占比重增大，可以通過采用彎管替代彎頭來進一步降低管道系統(tǒng)的阻力損失.

圖2 主蒸汽管道阻力損失系數(shù)隨管道長度減小值的變化Fig.2 Variation of pressure loss in main steam pipe with pipe length reduction

2.2.2 再熱蒸汽冷段

假設(shè)再熱蒸汽冷段管道的水平走向及距離不變，取消豎直方向管道，使再熱蒸汽冷段管道的平均長度由205m減至177m，平均減少30m左右，取消8個彎頭，在不采用任何減阻優(yōu)化措施下可以使再熱蒸汽冷段管道的阻力損失系數(shù)由1.74%下降至1.41%.

對于再熱蒸汽冷段管道系統(tǒng)，在縮短垂直方向管道長度的同時，可以通過優(yōu)化布置進一步縮短水平方向的管道長度.當(dāng)再熱蒸汽冷段管道的長度在85～175m變化、彎頭僅為6個時，再熱蒸汽冷段管道的阻力損失系數(shù)隨管道長度減小值的變化見圖3.從圖3可知：管道越短，阻力損失越小，當(dāng)主蒸汽管道的平均長度縮短到120m時，管道阻力損失系數(shù)由1.74%降至1.08%.由于再熱蒸汽冷段管道材料的價格較便宜，可以考慮通過增大管道直徑的方法進一步減小管道阻力.當(dāng)管道長度縮短120m、管徑增大70mm時，管道阻力損失系數(shù)降低至0.76%，約為原管道阻力損失的44%，減阻效果十分明顯.

圖3 再熱蒸汽冷段管道阻力損失系數(shù)隨管道長度減小值的變化Fig.3 Variation of pressure loss in cold segment reheated steam pipe with pipe length reduction

2.2.3 再熱蒸汽熱段

今年10月，當(dāng)戴鴻靖在開心地推出2018 Pét-Nat時，一位上海的高級侍酒師（Advanced Sommelier）武肖彬（Arneis）做了一個決定——放棄今年的MS考試資格。

圖4 再熱蒸汽熱段管道阻力損失系數(shù)隨管道長度減小值的變化Fig.4 Variation of pressure loss in hot segment reheated steam pipe with pipe length reduction

假設(shè)再熱蒸汽熱段管道的水平走向及距離不變，取消豎直方向管道，使再熱蒸汽熱段管道的長度由218m縮短到148m，平均縮短約70m，取消12個彎頭，在不采用任何減阻措施下也能夠大幅度降低管道的阻力損失，使再熱蒸汽熱段管道的阻力損失系數(shù)由3.06%降至1.87%.經(jīng)過管道優(yōu)化布置后，再熱蒸汽熱段的管道阻力損失系數(shù)隨管道長度減小值的變化見圖4.從圖4可知：當(dāng)再熱蒸汽熱段管道長度減小值在70～120m內(nèi)變化時，阻力損失系數(shù)在1.87%～1.36%內(nèi)變化，且管道長度越短，阻力損失越小.當(dāng)管道長度由218m縮短至98m時，阻力損失系數(shù)降至1.36%，為原阻力損失系數(shù)的45%左右，減阻效果明顯.由于再熱蒸汽熱段的管道較長，沿程阻力損失所占比重大，因此縮短管道長度能夠有效減小管道阻力損失.當(dāng)管道長度縮短到一定值時，可以通過減少管道局部阻力損失來進一步降低再熱蒸汽熱段的管道阻力損失.

2.2.4 再熱器的阻力損失

由于塔式鍋爐的所有受熱面均布置在第一煙道，因此受熱比較均勻，不會由于煙氣轉(zhuǎn)向而產(chǎn)生熱偏差，因此可以適當(dāng)取消各級再熱器的進出口聯(lián)箱，以減小再熱器系統(tǒng)的阻力損失［10］.由于塔式鍋爐受熱均勻，爐膛窄，熱負荷高，因而提高了對流受熱面的傳熱系數(shù)，與其他爐型相比，在對流受熱面的進、出口煙氣和蒸汽參數(shù)相同的條件下，塔式鍋爐對流受熱面的傳熱面積明顯減小，并且減小了各受熱面蒸汽側(cè)的阻力損失［5］.綜上分析可知，塔式鍋爐能夠大幅度減小鍋爐再熱器的阻力損失.根據(jù)已投產(chǎn)的外高橋三期工程報道，采用塔式鍋爐優(yōu)化布置后，再熱器的阻力損失由0.32MPa減小到0.2MPa，再熱器的阻力損失系數(shù)減小到3.1%［11］.

2.2.5 熱力性能綜合分析

綜上分析可知，采用沉降式電站鍋爐可以使主蒸汽、再熱蒸汽冷段和熱段管道的長度大幅縮短，阻力損失減小，煤耗減少.假設(shè)電站鍋爐效率為93%，管道效率為99%，再熱器的阻力損失系數(shù)參照外高橋三期工程取3.1%，對1 000MW超臨界機組采用沉降式電站鍋爐進行熱力計算，其結(jié)果見表1.當(dāng)主蒸汽、再熱蒸汽冷段和熱段的管道長度均縮短120m 時，熱耗由7 277.57kJ／（kW·h）降 至7 249.40kJ／（kW·h），煤耗率由269.682g／（kW·h）降至268.638g／（kW·h），電廠熱效率比常規(guī)鍋爐機組提高0.18%.

3 沉降式鍋爐設(shè)計的經(jīng)濟性分析

3.1 經(jīng)濟性計算方法

由于沉降式鍋爐使汽輪機平臺與過熱器、再熱器平臺基本處于同一水平面，因此可以大大縮短三大管道的長度.管道長度縮短一方面降低了管道阻力損失、提高了機組效率、節(jié)約了燃料，另一方面還可以減少鍋爐系統(tǒng)管道的初投資.

3.1.1 機組熱經(jīng)濟性計算

管道長度對機組效率的影響可由以下公式計算

表1 沉降式電站鍋爐系統(tǒng)熱力性能匯總Tab.1 Thermal performance summary for the settlement boiler system

式中：q0為機組的熱耗率，J／（kW·h）；bcp為全廠煤耗率，kg／（kW·h）；ηcp、ηb、ηp分別為全廠熱效率、鍋爐效率和管道效率，%；Q0為機組熱耗，kJ；Pe為機組發(fā)電量，kW·h；qm，0、qm，rh分別為主蒸汽、再熱蒸汽質(zhì)量流量，kg／h；h0為新蒸汽焓值，kJ／kg；hfw為給水焓值，kJ／kg；h″rh為熱段再熱蒸汽焓值，kJ／kg；h′rh為冷段再熱蒸汽焓值，kJ／kg.

3.1.2 管道投資計算

管道長度縮短對管道投資影響的計算式為

式中：Δc為管道比投資減少值，元／kW；ΔC為管道長度縮短獲得的投資減少值，萬元；K為考慮安裝使管道投資增加的系數(shù)；Pe為額定裝機容量，MW；I為投資降低率；Cgro為總比投資，元／kW.

3.1.3 發(fā)電成本計算

在經(jīng)濟性分析中，發(fā)電成本是一個最重要的性能參數(shù)，其計算公式為

年燃料費用可由年燃料消耗量乘以燃料價格得到；年運行維護費用在簡化計算中可由系統(tǒng)直接投資乘以一定的系數(shù)來進行估算；年投資費用是考慮資金的時間價值，由系統(tǒng)總投資分攤到各年的費用，其計算公式為

式中：A為年平均投資，萬元；P為總投資，萬元；CRF（i，n）為平均投資系數(shù)；i為貼現(xiàn)率，%；n為機組使用壽命，a.

3.2 典型1 000MW超臨界機組的經(jīng)濟性分析

3.2.1 燃料費用

對于1 000MW超臨界機組，采用沉降式電站鍋爐設(shè)計能夠大幅度縮短管道長度，減小管道阻力損失，降低煤耗和燃煤費用.表2給出了沉降式電站鍋爐系統(tǒng)對機組燃煤費用的影響，表2中的煤價變化為600～1 000元／t.當(dāng)主蒸汽、再熱蒸汽冷段和熱段管道的長度均縮短120m、煤價為1 000元／t時，1 000MW超臨界機組年可節(jié)省燃料費609萬.未來隨著煤炭資源日益緊張，燃料價格必將上漲，沉降式電站鍋爐帶來的燃料費用的降低將更加顯著.

表2 沉降式電站鍋爐系統(tǒng)對機組燃煤費用的影響1）Tab.2 Fuel cost reduction resulted from adopting settlement boiler system

3.2.2 管道投資

管道長度縮短使得管道初投資減少，筆者分析三大管道長度減小值在70～120m內(nèi)變化對初投資的影響，各管道的價格采用《火電工程限額設(shè)計參考造價指標(biāo)》的參考價格，主蒸汽、再熱蒸汽冷段和熱段的管道價格分別為12.6萬元／t、3.1萬元／t和17.6萬元／t，管道安裝投資增加系數(shù)取1.49%［2］.

由于主蒸汽管道、再熱蒸汽熱段管道的價格較高，若三大管道縮短相同的長度，再熱蒸汽熱段管道、主蒸汽管道對管材初投資減少的貢獻較大（見圖5）.當(dāng)三大管道的長度均縮短120m時，三大管道的初投資共減少6 526萬元，其中再熱蒸汽熱段管道初投資減少3 207萬元，主蒸汽管道初投資減少2 873萬元，而再熱蒸汽冷段管道初投資減少446萬元.

圖5 三大管道初投資減少值隨管道長度減小值的變化Fig.5 Reduction of pipe investment vs.pipe length decrease

表3給出了沉降式電站鍋爐系統(tǒng)對管道投資的影響.從表3可以看出，當(dāng)管道長度減小值在70～120m內(nèi)變化時，機組總比投資下降62～97元／kW，管道長度減小值越大，機組總比投資下降越明顯.當(dāng)三大管道的長度均縮短120m時，投資降低率為2.71%.隨著機組參數(shù)及容量的進一步增大，將對管道提出更高的要求，管道價格也會顯著上漲，采用沉降式鍋爐帶來管道初投資的減少將會更加明顯.

表3 沉降式電站鍋爐系統(tǒng)對管道投資的影響1）Tab.3 Pipe investment reduction resulted from adopting settlement boiler system

3.2.3 發(fā)電成本

沉降式鍋爐對機組總投資的影響如下：（1）需要向下開挖一定空間，增加了土建成本；（2）管道長度縮短對鋼結(jié)構(gòu)強度更有保證，降低了鍋爐鋼架懸吊結(jié)構(gòu)成本及相應(yīng)的建筑安裝成本；（3）管道長度縮短，管材采購及安裝費用降低.

由于建造施工的復(fù)雜性，筆者重點關(guān)注管道性能分析，因此忽略沉降式鍋爐帶來的前兩項影響.表4列出了沉降式電站鍋爐系統(tǒng)對發(fā)電成本的影響.從表4可知，當(dāng)煤價為600元／t、三大管道的長度均縮短120m時，發(fā)電成本下降0.28分／（kW·h），煤價越高，管道長度縮短對發(fā)電成本的影響越大.

表4 沉降式電站鍋爐系統(tǒng)對發(fā)電成本的影響Tab.4 Cost reduction of power generation resulted from adopting settlement boiler system

4 結(jié) 論

（1）當(dāng)主蒸汽、再熱蒸汽冷段和熱段的管道長度縮短時，其阻力損失明顯降低.當(dāng)三大管道長度均縮短120m時，阻力損失系數(shù)分別從設(shè)計值5.11%、1.74%和3.06%降至2.55%、1.08%和1.36%.

（2）當(dāng)三大管道的阻力損失系數(shù)分別取2.55%、1.08%和1.36%時，機組煤耗率降低1.044 g／（kW ·h），效 率 由 設(shè) 計 值 45.54% 提 高 至45.72%，取機組年利用小時數(shù)為5 294h，一年可節(jié)約煤6 093t.

（3）由于管道長度縮短，鍋爐系統(tǒng)的管道投資明顯減少.當(dāng)三大管道的長度均縮短120m、煤價為600元／t時，機組發(fā)電成本下降0.28分／（kW·h），且煤價越高，對發(fā)電成本的影響越大.

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