1000MW超超临界机组设计运行优化

文章编号：1005-006X(2014)02-0028-031000 MW 超超临界机组设计运行优化王渡 1孙海彦 2（1.上海电力学院能源与机械工程学院，2.华电句容发电厂）摘 要：依据国内某百万机组设计及运行优化方案并结合仿真机进行了同类型机组的优化及启动特性研究。在总结国内同类型先进机 组的设计及运行经验的基础上，针对该机组进行了设计优化和运行优化同时对该类型机组进行了机组启动特性研究。分析结果对同类机 组的启动特性研究有重要的意义，即对百万机组的设计优化及运行优化可有效降低机组煤耗，提高机组经济性。 关键词：超超临界；锅炉；启动特性；优化中图分类号：TK227文献标识码：AResearch on Design and Operation Optimization of 1000MW Ultra-Supercritical UnitsWANG Du, SUN Hai-yanAbstract：In accordance with a 1000MW units to design and run the optimization program, combined with the simulator, the optimization of the same type of unit and the characteristics of start-up. On the basis of summing up the experience of design and operation of the advanced units of the same type, summing up the experience of design and operation of the advanced units of the same type on the basis of the optimized design for the construction crew for the completion of the unit operation optimization. This type of unit start-up characteristics is studied. The results have an important significance for studying characteristics of start-up of similar unit. Design optimization and operation optimization of ultra-supercritical units can effectively reduce the unit coal consumption and improve unit economy.Key words: ultra-supercritical; boiler; characteristics of start up; optimize我国要实现节能减排的有效技术途径之一是发展超超 临界发电技术。当前我国已投入运行的超超临界百万机组近 50 台，平均煤耗为 290.36 g/kWh1。对国内外同类型的先 进机组的运行经验进行研究后发现，出于机组建设的实际情 况及建成后的运行的要求对机组进行设计初始优化及运行 优化是十分必要的。同时也需要对机组的启动系统的特点进 行分析。1超超临界机组启动过程及特点直流锅炉启动系统按分离器正常运行时是否参与汽水 系统工作可以分为外置式分离器启动系统和内置式分离器 启动系统。外置式启动分离器只在启动和低负荷时投用，而 在直流运行中切除，适用于定压运行机组。设计制造简单， 投资成本低，对于定压运行的基本负荷机组，有可取之处。 但系统控制复杂，对机组启停不利。内置式分离器启动系统 是指在正常运行时，从水冷壁出来的微过热蒸汽经过分离 器，进入过热器，此时分离器仅起到连接通道作用。内置式 分离器系统一般可分为：扩容器式（大气式、非大气式两种）、 启动疏水热交换器式、再循环泵式（并联和串联两种）。内置式启动分离器系统在锅炉启停及正常运行过程中， 汽水分离器均投入运行，所以该系统具有控制简便，避免过 热器带水运行等优点，所以目前超超临界机组大部分采用内 置式启动分离器2。通过在 1000 MW 机组仿真机上完成机组冷态（汽轮机收稿日期：2013-9-28王渡(1980-)，男，讲师。上海，200090高压转子平均温度50 ，停机超过 72 h）启动仿真过程， 先后完成了机组就地操作、投运汽机辅助系统、投运锅炉辅 助系统、汽机冲转、发电机并网、360rpm 暖机、升负荷至 满负荷过程。下图 1 为仿真机完成机组启动后绘制的冷态启 动曲线图。锅炉点火汽机冲转并网额定负700600500T400值Tr参数300P/20MPa200R/6rpmH/10t/h1000050010001500-100时间（min）图 1 仿真机冷态启动曲线图在与汽包锅炉的启动过程对比的基础上，得出以下结 论：(1) 直流锅炉较汽包锅炉启动系统简单，造价低，系 统维护量小，人工操作量小；(2) 系统汽水分离器结构简单，操作简易，热量损失 小，启动初期至满负荷操作步骤小，监视量少；(3) 直流锅炉启动系统安装有启动循环泵，水循环特性 较汽包炉好，启动用水量及工质损失小；(4) 水冷壁下部采用内螺纹管螺旋管圈水冷壁，不设 任何节流圈，安全裕度大，可靠性高；第 2 期王 渡等：1000 MW 超超临界机组设计运行优化 29(5) 直流锅炉系统惯性小，启动速度快；(6) 锅炉冷态清洗水冷壁的流量大约 25%B-MCR3， 采用再循环泵清洗水质合格的前提下，直流锅炉启动流量 小。汽包锅炉无热态清洗。2 机组设计优化2.1 设计优化意义和原则我国超超临界机组发展过程中克服了诸多困难，主要是 我国电力市场环境及能源利用结构与国际市场有显著区别。 在总结国内同类型先进发电机组的先进设计经验后，依据国 内某在建超超临界机组的建设情况对 1000 MW 同类型机组 的设计进行优化及可行性分析。目前国内超超临界机组优化主要针对土建、热机、输煤 系统等进行优化46。主要表现为：优化厂区布局结构设 计，使锅炉汽机系统及各辅助设备占地紧凑合理；采用优 质高效的主辅机设备，优先采用国产、成熟的新工艺、新结 构、新材料和先进技术；系统配置力求简单实用，合理减 少备用设备和备用容量；加强项目建设时的先行介入理 念，按时安装，提高机组建设效率，降低建设成本。2.2 某百万机组优化设计背景该电厂为在建超超临界 1000 MW 机组，在通过预审查 后的 2009 年 3 月开始设计优化工作。该公司优化设计方案 主要依据国内先期建成运行的同类型机组的运行工况、优化 设计特点并进行了充分理论计算和可行性分析后进行的。该 公司优化设计后累计折算投入资金 3000 万元，使得机组各 项参数达到国内最先进水平。设计供电煤耗为 278.9g/kWh。 2.3 引风机设置优化该项目采用湿法脱硫，不设 GGH。取消脱硫旁路烟道 后，机组带脱硫装置运行时，烟气系统是一个整体。根据机 组负荷的变化，烟气量和系统阻力也随之发生变化，引风机 和增压风机需做相应的调节7。参考国内及欧美国家先进超 超临界机组建设经验，结合我国经济发展态势以及环境保护 方面愈加严格的要求，该项目采取了“三合一”3 台引风机 并列的安装方案，即：脱硫增压风机与引风机合并，取消脱 硫旁路烟道，锅炉烟气系统仅设置引风机。布置图如图 2 所 示。图 2 三合一引风机布置结构图1.输煤栈道 2.烟囱 3.净烟气烟道 4.1#脱硫塔 5.引风机 A 6.引风 机 B 7.引风机 C 8.余热换热器 A 9.余热换热器 B 10.余热换热器 C 11.静电除尘器机组带脱硫装置运行时，烟气系统是一个整体。如果风机和脱硫、脱销增压风机合一，调节对象单一，烟气系统相 应负荷变化较分设模式迅速、准确。但 3 台引风机布置，增加了系统信息采集点及控制量，也增加了检修工作量。表 1为两种引风机布置方式经济性比较表。表 1 250%引风机、335%引风机布置经济性比较表静调动调静调动调投资费用差万元/炉基准15036.5231.5年固定费用0.170.170.170.17年运行费用差万元/炉基准-135.1-121.31-31.47年费用比较差万元/炉基准-109.6-115.17.88项 目 造价 250%引风机 335%引风机 2.4 最新移动电极除尘器技术根据征求意见稿新制定的排放标准，对于新建火力发电 厂，火力发电锅炉烟尘最高允许排放浓度由原来的 50 mg/m3 降低至 30 mg/m3。原初步设计时，电除尘设计效率已无法满 足新排放标准的要求。通过对电除尘器、脱硫厂商的调研， 为满足 30 mg/m3 新排放标准的要求，电除尘器效率需由 99.7%提高至 99.8%，原电除尘器三室四电场方案需改为三 室五电场方案。该工程首次采用在国内亚临界以上参数机组 安装的五电场除尘器。图 3 为移动电极式除尘器结构示意 图。图 3 移动电极式除尘器结构示意图该除尘器开发了采用移动电极的构造及旋转电刷剥离 粉尘的新方法，通过干式装置能更有效收集粉尘的同时，不 但提高了性能，还实现了小型化。特点：能保持阳极板的 永久清洁；能最大限度地减少二次扬尘，显著降低电除尘 器粉尘排放浓度。因此能大幅提高除尘效率（旋转电极电场 的除尘效率可达 95%）；应用范围比常规电除尘器更广；可使电除尘器小型化；特别适合于老机组电除尘器改 造；与布袋除尘器相比，阻力损失小，维护费用低，对烟 气温度和烟气性质不敏感。2011 年 11 月 1 日，包一电厂 2300 MW 机组所配的旋转电极式电除尘器投运，实测值：烟尘排放浓度 28.2 mg/m3，本体漏风率 1.49%，系统压力降 220 Pa。表 2 为相同工况下，采用转动电极电除尘器与常规电除 尘器的各参数比较。项目常规电除尘器转动极板电除尘器电场数占地面积46(常规电场)135 (24 常规电场+1 转动极板)75% 67%重量182% 71%制造成本193% 78%运行能耗176% 68%排放浓度30mg/m330mg/m3表 2 转动电极电除尘器与常规电除尘器参数比较（保证值）30电 站 系 统 工 程2014 年第 30 卷3机组运行优化3.1 调整冲转参数由于超超临界锅炉的三级喷水减温装置以及微油燃烧 器，可以有效地调节汽温、汽压，使得机组完全具备低参数 冲转的技术条件。该方式可使得冲转时进汽阀开度增大，进 汽流量大于原规定压力下的冲转流量，提高暖机速度，有利 于对汽机胀差的控制，缩短启动时间。为同类机组最先进水平。表 3 某电厂优化设计考评参数保证值项 目优化测算保证值 机组热耗/kJ kWh-17284锅炉热效率/% 93.86管道效率/% 99机组绝对效率/% 49.38发电厂热效率/% 45.88发电标准煤耗率/g kWh-1 267.9厂用电率/% 4.282-1279.88目前百万机组的冲转参数要求为：主汽压力 8.5 MPa，主汽温度 400 ，再热蒸汽压力 1.2 MPa，再热蒸汽温度 3801112。优化后的冲转参数为：主汽压力 4 MPa，主汽温度420 ，再热蒸汽压力 0.6 MPa，再热蒸汽温度 480 。3.2 停机方式优化机组停运分为计划检修停机和事故抢险停机。由于种种 原因国内百万机组因为锅炉爆管停机的故障还比较多13。因 为锅炉爆管的停机，国内一般采用闷炉自然冷却和通过强制 开启旁路降压两种途径。锅炉自然冷却的方法安全性比较 高，但是等到锅炉具备检修条件时时间比较长，一般需要 3 天左右，停机时间较长，发电企业的损失较大。锅炉通过强 制开启旁路的方式降压，时间比较快，但是由于此时水冷壁 没有水汽流动，在降压时，水冷壁的饱和温度变化大，管壁 的内外温度差很大，使管壁的热应力很大，对锅炉的使用寿 命产生很大的影响15。在计划检修的情况下，因为锅炉检修允许时间比较长， 锅炉随着汽机进行滑参数停机，一般压力在 8.5 MPa 时，锅 炉开始闷炉，通过自然冷却达到检修条件。在逐步降低燃料 量的同时，缓慢降低锅炉的压力，在 4 支油枪运行时将锅炉 压力降至 2.5 MPa 左右，稳定半个小时后锅炉进行闷炉14。 这样 10 h 后锅炉就具备放水条件。由于锅炉整个汽水系统 处于运行状态下，水冷壁和其他管壁温度内外温差很小，经 过 10 h 的闷炉进一步降低了锅炉管壁的热应力，有效保障 锅炉运行的安全性，将停炉对锅炉管壁使用寿命的影响降至 最低。4综合优化结果根据工程实际情况，按照工程实施意见，通过深化精细 化设计，加强方案论证和经济比较，在初步设计的基础上进 一步进行了创新和优化，提出了更为先进的主要设计技术指 标：机组热耗、厂用电率、供电煤耗等。采取的具体措施可 使得该厂的各项参数指标达到国内先进水平，在同类型机组 中处于较先进水平。表 3 为该电厂一期百万机组的优化设计 参数保证值。从表中的各项数据分析比较，该工程的设计保证值在同 类机组中处于领先水平。供电煤耗控制在 280 g/kWh 以内，供电煤耗/g kWh5结论本文以某 1000 MW 机组为研究对象，对超超临界机组 的启动过程、启动特性进行了研究分析。进行了启动过程方 案实施。针对国内某在建百万机组的特点进行了设计优化并 进行仿真运行。参考文献1 广东电网公司电力科学研究院. 锅炉设备及系统M. 中国电力出 版社, 2011.2 广东电网公司电力科学研究院. 汽轮机设备及系统M. 中国电力 出版社, 2011.3 GB 10184-88, 电站锅炉性能试验规程S.4 上海汽轮机有限公司. 1000MW 等级四缸四排汽超超临界凝汽式 汽轮机运行和维护说明书Z. 2009.5 Marion J. ALSTOM powe