350MW超临界亚临界比较专题报告

1、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超临界供热机组选型论证 东东 北北 电电 力力 设设 计计 院院 设计证书 -sj 勘察证书 -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 目目 次次 1、概述、概述.1 2、国内亚临界、超临界供热机组的发展状况、国内亚临界、超临界供热机组的发展状况.2 3、

2、超临界空冷机组与亚临界供热机组方案比较、超临界空冷机组与亚临界供热机组方案比较.2 4主机厂对主机厂对 350MW 超临界抽汽机组中压末级叶片设计说明超临界抽汽机组中压末级叶片设计说明.6 5. 叶根型式的选择及安全性分析叶根型式的选择及安全性分析.10 6 1029MM 末级动叶片末级动叶片 .10 7、结论、结论.15 1、概述、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 2533 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

3、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 2050%，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 1520 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

4、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

5、机组分为 2 个层次： 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 540560； 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 2535MPa 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

6、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。

7、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、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

8、 2350MW 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、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：1100 t/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：914 t/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：3.75

9、3MPa (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 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

10、(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

11、.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： 85 t/h 最大工业抽汽流量： 100 t/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：3000 r/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

12、.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：100 t/h （最大负荷工况） 工业平均工况抽汽流量：50 t/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：600 t/h （最大负荷工况） 采暖平均工况抽汽流量：480 t/h

13、（暂定） 额定冷却水温度：20 额定背压：4.9kPa 额定转速：3000 r/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 48.550.5 Hz 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 2300MW 国产 亚临界供热机组 2330MW 国产 亚临界供热机组 2350MW 国产 超临界供热机组 汽机保证热耗kJ/kW.h7820.7781576

14、45 锅炉保证效率%91.5591.5591.55 采暖抽汽压力MPa0.2450.4000.400 发电设备利用小时数h550055005500 年发电量kW.h3.3001093.6301093.85109 年供热量kJ1.0010131.0410131.071013 年平均发电标准煤耗率kg/kw.h0.2700.2690.263 供热电率kw.h/GJ5.735.735.73 供热厂用电率1.951.681.78 发电厂用电率5.245.105.10 综合厂用电率7.196.786.88 名 称单位 2300MW 国产 亚临界供热机组 2330MW 国产 亚临界供热机组 2350MW

15、国产 超临界供热机组 年供电量kW.h3.061093.381093.59109 年平均供热标准煤耗率kg/GJ39.3939.3938.94 年耗标准煤量t 年平均供电标准煤耗率kg/kw.h0.2850.2840.277 年节约标准煤量t 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kJ3.7110134.0110134.141013 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，

16、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主机厂对主机厂对 350MW 超临界抽汽机组中压末级叶片设计说明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 350

17、MW 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

18、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

19、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 1 S1 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

20、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991011 蒸汽弯应力73.848.253.964.2 总应力153127.29143.51155.04 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 LBU 轮缘 44 截 面 0.326 轮缘 44 截 面

21、 0.767 轮缘 44 截面 0.841 轮缘 44 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 LBU 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。 6 1029mm 末级动叶片末级动叶片 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 260mm1200mm 的二十多只各类末级长叶片，形成了全面的

22、长叶 片体系。这些末级长叶片广泛应用于 12MW600MW 亚临界机组、50MW660MW 空冷机组、650MW 核电机组、350MW1000MW 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 300MW660MW 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

23、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 1 1029mm 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

24、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 12，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 2 1029mm 动叶片各部分应力及许用应力 叶片材料 0Cr17Ni4Cu4Nb/900 型线

25、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 50010001500200030002500 250 50 100 150 200 300 350 3 4 78 0RPM n fHz n=1850 f=247 n=2340 f=273 n=2740 f=137 30902820 图 2 新型 1029mm 长叶片坎贝尔图 6.26.2 末级叶片经济性分析末

26、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 34） 。 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 34 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

27、叶型损失必然相当小。 由图 34 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 6.36.3 低压叶片防侵蚀措施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