靳朝暉 ，劉 玲 ，劉 利

(1.中國能建工程研究院IGCC&CCS 研究所，北京 100120；2.中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院有限公司，北京 100120)

0 引言

基于國家“3060”碳達峰、碳中和目標，我國煤電機組定位已發(fā)生根本變化，既要滿足經(jīng)濟發(fā)展需求，又要符合減碳目標，不斷提高運行質(zhì)量和發(fā)電效率，實現(xiàn)煤電高質(zhì)量轉(zhuǎn)型，因此發(fā)展大容量高參數(shù)機組是火力發(fā)電廠節(jié)能減排的重要途徑。

目前我國1 000 MW 一次、二次中間再熱技術(shù)發(fā)展成熟，運行業(yè)績較多。本文就1 250MW 等級高效超超臨界機組的汽輪機入口主蒸汽參數(shù)、熱力系統(tǒng)配置等進行研究，并對1 250 MW 與1 350 MW 機組的技術(shù)特點及1 250 MW 等級機組的一次再熱與二次再熱方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較，提出1 250 MW 等級電站汽輪機組的選型建議。

1 1 250 MW等級機組技術(shù)研發(fā)情況

1.1 汽輪機技術(shù)研發(fā)情況

1 250 MW 等級一次再熱機組，可采用1 000 MW 一次再熱機組的成熟模塊。該模塊技術(shù)可靠，設(shè)計制造經(jīng)驗豐富。國內(nèi)某汽輪機廠表示，和1 250 MW 一次再熱機組方案相比，1 350 MW一次再熱機組需要增加一個中壓缸，必要時還可能需要增加一個高壓缸，具體情況需根據(jù)工程實際進一步評估。由于機組配置的缸體數(shù)量增加，需要配置雙軸軸系。1 250 MW 等級二次再熱機組相比較于一次再熱機組，需增加一級超高壓缸，部分廠家表示需采用2 個中壓缸，由于機組配置的缸體數(shù)量較多，機組軸系需采用雙軸。

當(dāng)汽機缸體數(shù)量過多后，如果仍采用單軸軸系，將使得軸系過長，發(fā)電機側(cè)的軸系徑向水平位移過大，進而致使產(chǎn)生扭振的頻率增多，并對轉(zhuǎn)子及其連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計影響較大，存在一定風(fēng)險。根據(jù)經(jīng)驗，機組配7 個缸，則需設(shè)置雙軸軸系。采用雙軸配置相對于單軸配置，對機組靈活性運行的適應(yīng)性較差，機組啟?？刂聘鼮閺?fù)雜。

1 250 MW 機組與1 350 MW 機組方案對比見表1 和表2 所列?？梢钥闯?，如采用1 250 MW 二次再熱機組，不同的主機廠汽輪機型式各異，有單軸、6 缸6 排汽抽汽凝汽式汽輪機，也有雙軸、7 缸6 排汽抽汽凝汽式汽輪機，1 350 MW 二次再熱機組，均需采用雙軸7 缸6 排汽抽汽凝汽式汽輪機。單軸的二次再熱機組汽輪機全長相比一次再熱機組有所增加，軸系結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力分布也更加復(fù)雜。

表2 二次再熱1 250 MW及1 350 MW汽輪機方案對比表

1.2 鍋爐技術(shù)研發(fā)情況

1 250 MW 機組的鍋爐可借鑒1 000 MW、620 ℃項目的技術(shù)方案和研究成果，難點在于流量增大和參數(shù)提高后，管道集箱規(guī)格隨之變化，壁厚增大，制造加工困難。因此需要優(yōu)化設(shè)計方案。國內(nèi)某鍋爐廠針對性優(yōu)化措施為：1)采用雙集箱布置形式，降低壁厚；2)屏式過熱器出口兩側(cè)連接管分別引入高溫過熱器進口集箱左右側(cè)；3)高溫過熱器由端頭兩進兩出的結(jié)構(gòu)改為四進四出結(jié)構(gòu)，減小偏差，加強混合。

針對1 350 MW 方案，國內(nèi)各鍋爐廠技術(shù)路線及配置基本相同，其與1 250 MW 方案相比，鍋爐受熱面相應(yīng)增大，鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)尺寸寬、深、高方向略有增加；大板梁尺寸增大；集箱等采用雙集箱方案；鍋爐輸入熱量增加，單只燃燒器出力略有增大。

二次再熱鍋爐相比一次再熱鍋爐，汽水循環(huán)增加了二次再熱，對鍋側(cè)汽水系統(tǒng)和受熱面布置影響較大，對爐側(cè)燃燒系統(tǒng)基本上沒有影響。燃燒側(cè)基本無變化，且通過受熱面的合理分配，排煙溫度基本相當(dāng)，故對于一次再熱鍋爐和二次再熱鍋爐，鍋爐效率并無明顯變化。

2 汽輪機入口主蒸汽參數(shù)的選擇分析

2.1 入口主蒸汽參數(shù)對機組熱耗的影響

對于一次和二次再熱機組，提高主機入口主蒸汽參數(shù)是提高機組熱效率的重要途徑。而超超臨界機組的熱效率主要體現(xiàn)在汽輪機的熱耗值上，機組的進汽參數(shù)越高，其熱耗值也越低，熱效率則越高。如圖1 所示為不同進汽壓力、溫度下機組熱耗相對收益的變化關(guān)系。

圖1 入口主蒸汽壓力、溫度與機組熱耗的變化關(guān)系

2.2 汽輪機入口主蒸汽參數(shù)的選取

2.2.1 汽輪機入口主蒸汽壓力的選取

由圖1 可知，主蒸汽壓力每提高1 MPa 可以降低熱耗0.1%左右。

主蒸汽壓力的選取與各汽輪機廠采用的制造技術(shù)有關(guān)，目前國內(nèi)主要汽輪機廠已投運1 000 MW 超超臨界機組主蒸汽門前額定壓力有25 MPa、26.25 MPa、27 MPa、28 MPa、30 MPa等參數(shù)。1 000 MW 一次再熱機組主蒸汽壓力普遍為28 MPa，也有機組主蒸汽壓力為30 MPa，二次再熱機組主蒸汽壓力普遍為31 MPa，32 MPa。

根據(jù)國內(nèi)某汽輪機廠的經(jīng)驗，通過對汽輪機相關(guān)模塊的強度和軸系等方面進行具體分析后，可對汽輪機現(xiàn)有模塊進行升級優(yōu)化，使汽輪機入口的主蒸汽壓力由28 MPa 提升至30 MPa。但由于壓力提升所帶來的循環(huán)效率提升幅度有限，且更進一步提升壓力將使汽輪機本體效率呈現(xiàn)較為明顯的下降。因此，為綜合提高機組的熱效率，對于1 250 MW 的一次再熱機組建議主蒸汽壓力取30 MPa，對于1 250 MW 的二次再熱機組建議主蒸汽壓力取32 MPa。

2.2.2 汽輪機入口主蒸汽和再熱蒸汽溫度的選取

1 000 MW 機組可適當(dāng)提升主、再熱蒸汽溫度至605 ℃/622 ℃。與之相比，1 250 MW 等級的機組，由于機組容量增加，在設(shè)計過程中，葉片、轉(zhuǎn)子等高溫部件的材料需要適應(yīng)更高的強度。國內(nèi)某汽輪機廠表示，根據(jù)同類型機組的設(shè)計經(jīng)驗，目前1 250 M 等級機組所采用的材料的性能已得到充分使用，如果繼續(xù)提升蒸汽溫度，將導(dǎo)致機組熱效率下降，安全性風(fēng)險增加。因此，無論采用一次再熱機組還是二次再熱機組，考慮在當(dāng)前成熟的高溫高壓材料條件下，均推薦采用600 ℃/620 ℃作為1 250 MW 等級機組的主蒸汽及再熱蒸汽溫度。

2.3 提高機組初參數(shù)對鍋爐的影響

對于30 MPa/600 ℃/620 ℃的參數(shù)(對應(yīng)鍋爐出口為31.4 MPa/605 ℃/622 ℃)，鍋爐的高溫段受熱面管道材質(zhì)并未發(fā)生本質(zhì)變化，仍為HR3C、Super304H-SB、S30432 等級別的材料，集箱也仍然采用P92 材料。另外由于參數(shù)提高，鍋爐側(cè)主蒸汽系統(tǒng)管道、聯(lián)箱等部件壁厚的增加，將導(dǎo)致設(shè)備成本小幅增加。

3 一次再熱機組與二次再熱機組的經(jīng)濟性分析

二次再熱機組熱效率的提高是依靠增加再熱次數(shù)和提高機組初參數(shù)帶來的疊加效應(yīng)實現(xiàn)的，在相同蒸汽壓力溫度條件下，采用一次再熱，機組熱效率可提高約5%；采用二次再熱，熱效率可再提高約2%[2]。

3.1 機組熱經(jīng)濟指標對比分析

由于熱效率提高，在相同的排汽壓力時，二次再熱機組熱耗比一次再熱機組低100 ～150 kJ/kWh[3]。在相同的主機初溫和背壓終參數(shù)下，1 250 MW 等級機組一、二次再熱技術(shù)方案的熱經(jīng)濟性對比見表3 所列。

可以看出，采用二次再熱方案比一次再熱方案，單臺機組煤耗降低4 g/kWh，以標煤價1 100 元/t(含稅價)折年節(jié)約標煤消耗投資約2 750 萬元。

3.2 綜合經(jīng)濟性對比分析

1 250 MW 等級機組一次再熱方案和二次再熱方案的初投資比較和綜合比較分別見表4 和表5 所列。

表4 一次再熱方案和二次再熱方案的初投資比較表(單臺機組)萬元

表5 綜合經(jīng)濟性對比表(單臺機組)

從表3 ～表5 中可知，采用二次再熱方案比一次再熱方案，單臺機組投資增加29 345 萬元。煤耗降低4 g/kWh。以煤價1 100 元/t(含稅價)，年利用小時數(shù)按5 000 h，按照最小年費用計算方法，投資回收期約15 a。

4 結(jié)語

1 250 MW 等級一次再熱機組，可采用百萬機組一次再熱的成熟模塊，技術(shù)可靠，設(shè)計制造經(jīng)驗較多，而國內(nèi)對于1 250 MW 等級二次再熱(雙軸)機組的設(shè)計和制造的經(jīng)驗較少。

在現(xiàn)有材料下，充分利用高溫材料的使用上限，進一步提高機組主蒸汽參數(shù)，在技術(shù)上是可行的，且具有一定的節(jié)能效果，可提高機組熱效率，降低污染物的排放。從主機廠反饋的信息來看，對于1 250 MW 等級一次再熱機組的汽輪機進口參數(shù)為30 MPa/600 ℃/620 ℃的選擇理論上可行，但初投資會有所增加。

考慮機組高效、靈活和經(jīng)濟運行等綜合因素，本文推薦1 250 MW 等級電站機組采用高效超超臨界一次再熱機組，汽輪機入口參數(shù)30 MPa/600 ℃/ 620 ℃。二次再熱方案與一次再熱方案相比，投資較高。對于工程的實施，建議結(jié)合工程煤價、發(fā)電年利用小時數(shù)和項目的投資條件等因素，綜合評估是否采用1 250 MW等級的機組，再確定選擇一次再熱或二次再熱方案。