1000MW超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電技術(shù)分析

施偉

[摘? ? 要]本文梳理超超臨界的二次再熱系統(tǒng)的實(shí)際使用性能，從設(shè)備、機(jī)組兩個(gè)方面的單耗展開。并整理相應(yīng)的關(guān)鍵因素，包括材料、調(diào)溫及軸系三個(gè)部分，進(jìn)一步分析機(jī)組系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，涉及到總體思路、主機(jī)參數(shù)、主裝置以及污染控制等。

[關(guān)鍵詞]燃煤發(fā)電;鍋爐;換熱溫差

[中圖分類號]TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）09–00–03

[Abstract]This paper combs the actual performance of ultra-supercritical secondary reheat system， and expands the unit consumption from two aspects： equipment and unit. The key factors， including material， temperature adjustment and shafting， are arranged， and the overall design of the unit system is further analyzed， which involves the overall idea， main engine parameters， main device and pollution control.

[Keywords]coal-fired power generation; boiler; heat transfer temperature difference

燃煤發(fā)電始終是我國電能領(lǐng)域極為重要的角色，而在提倡節(jié)能減排的社會(huì)趨勢下，其實(shí)際的市場份額有所下調(diào)。所以，行業(yè)若要保持穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)，應(yīng)當(dāng)注重運(yùn)轉(zhuǎn)效率的提升以及控制能耗。根據(jù)近年的發(fā)電機(jī)組研究情況來看，實(shí)際水平已經(jīng)得到優(yōu)化，而在蒸汽參數(shù)持續(xù)擴(kuò)大的過程中，二次再熱系統(tǒng)在超超臨界體系中所在展現(xiàn)的應(yīng)用性能也發(fā)生變化。

1 二次再熱系統(tǒng)的應(yīng)用性能

為掌握系統(tǒng)實(shí)際的能量消耗成因和各裝置的實(shí)際分布狀況，基于由此得出的結(jié)果，調(diào)整消耗占比偏大的裝置，以提高機(jī)組系統(tǒng)的使用性能。

1.1 設(shè)備單耗

該項(xiàng)應(yīng)用性能分析是根據(jù)熱力學(xué)進(jìn)行探究，把機(jī)組內(nèi)的所有裝置運(yùn)轉(zhuǎn)消耗以量化方式表達(dá)，形成機(jī)組內(nèi)部的能量消耗布局，為后續(xù)的系統(tǒng)調(diào)整及節(jié)約能耗提供探究的方向。

1.2 機(jī)組單耗

需要進(jìn)行單耗分析的裝置涉及到鍋爐、汽輪機(jī)、加熱裝置、冷卻裝置、管道系統(tǒng)與其他部件，其中管道方面的能耗一般來源于壓力及混流環(huán)節(jié)，而其他部件有水泵及發(fā)電裝置等。根據(jù)對裝置單耗的分析得出鍋爐耗能最大。通常情況下，單耗計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)指標(biāo)無過大出入，在不同工況中，鍋爐消耗均占總體的絕大部分。同時(shí)，在負(fù)荷不斷下調(diào)的過程中，所有裝置的實(shí)際煤耗量都隨之提高，其中鍋爐的增加值同樣位居榜首。由此基本可以斷定，鍋爐能耗占比在超超臨界的機(jī)組系統(tǒng)內(nèi)，也處于最高的狀態(tài)。所以，如果想要合理調(diào)整機(jī)組性能，需以鍋爐為重點(diǎn)[1]。

鍋爐不同受熱面的能耗存在差異，有水冷壁、低高溫過熱裝置、空氣預(yù)熱裝置等，除具體裝置部件的能耗外，還有其他方面的損耗，如煙氣散熱、燃燒不徹底及排煙等不屬于換熱類的損耗，此類能耗至少占總體的0.5 %，而形成能耗的原因一般是燃燒煤的品質(zhì)、鍋爐結(jié)構(gòu)及燃燒模式等因素影響，通常難以調(diào)整。從整體來看，水冷壁的耗能最大，形成此種情境的原因在于爐膛內(nèi)的溫度偏高，而此部件換熱溫差較為明顯，占比一般超過0.25 %。因?yàn)榻?jīng)過水冷壁后的煙氣，實(shí)際溫度依舊處于高溫的狀態(tài)，所以由此到高溫過熱裝置之內(nèi)的所有受熱面是高溫不減的，煤炭的消耗量還是偏高。通過高溫過熱裝置后，溫度有所下調(diào)，且換熱的溫差隨之減小，煤炭消耗便也降低。而空氣預(yù)熱裝置在進(jìn)口處的的煙氣溫度相對偏低，但受到被加熱的氣體溫度偏低的影響，導(dǎo)致實(shí)際溫差反而偏高，煤炭的消耗由此提高。如果要下調(diào)鍋爐的實(shí)際能耗，提升其運(yùn)轉(zhuǎn)效率，先應(yīng)控制其換熱過程的消耗率，降低各環(huán)節(jié)的溫差值。但因?yàn)檎羝麛?shù)據(jù)會(huì)受到鍋爐材料性能的制約，為保證燃燒過程的連貫性，溫度還需達(dá)到基本的燃點(diǎn)溫度，同時(shí)如果排煙溫度不夠，會(huì)使部分煙氣通道被腐蝕，再加上高溫?zé)嵩床豢上抡{(diào)溫度。因此，為達(dá)到提升設(shè)備運(yùn)行效率的目的，需從控制低溫吸熱方面入手，轉(zhuǎn)由高溫吸熱。

2 二次再熱機(jī)組的重要因素

2.1 部件材料

在此種機(jī)組中，需要鍋爐及汽輪機(jī)等裝置的構(gòu)件可以承受工作高溫，其包含的部件，包括鍋爐中的高溫過熱裝置及再熱器管材等，與汽輪機(jī)中的轉(zhuǎn)子、氣缸以及各類閥門等。當(dāng)前應(yīng)用材料的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，部分材料可以承受700℃左右的高溫，并能適應(yīng)超過600℃的再熱蒸汽。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是鍋爐機(jī)組內(nèi)的再熱裝置出口爐外段和集箱中的接頭位置溫度裕度僅為10℃，屬于該設(shè)備內(nèi)相對較弱的部分。所以需盡可能控制T92實(shí)際使用量，以降低由于高溫而引發(fā)的爆管事故發(fā)生率。另一方面，汽輪機(jī)。因?yàn)樵贌嵴羝膶?shí)際溫度已經(jīng)升至600℃以上，且其內(nèi)部的各構(gòu)件均為鐵素體材料。改良后的相關(guān)材料，如FB2等，其和常規(guī)材料相較，抵抗高溫波動(dòng)以及抵抗時(shí)長都實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，基本可以滿足此類機(jī)組工作期間形成的高溫以及應(yīng)力等因素對材料的要求。所以單就部件的材料而言，當(dāng)前所用的材料，可以達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 溫度調(diào)節(jié)

近幾年，大部分一次再熱機(jī)組進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)時(shí)，通常會(huì)借助煙氣擋板及噴水加以處理，甚至?xí)Y(jié)合燃燒加以調(diào)節(jié)。但在二次再熱機(jī)組中，為降低熱能的消耗，在設(shè)備出口區(qū)域的調(diào)節(jié)處理中，大幅降低，甚至完全不采用噴水的處理辦法。結(jié)合相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)前此類機(jī)組上，運(yùn)用的調(diào)溫手段包括煙氣擋板以及再循環(huán)，此外還有裝設(shè)擺動(dòng)燃燒裝置[2]。在此種機(jī)組下，三者可單獨(dú)使用，也可結(jié)合應(yīng)用。目前部分調(diào)溫模式還未能在較大容量的機(jī)組中得到有效應(yīng)用，所以，具體應(yīng)用成效還需通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

2.3 軸系

二次機(jī)組相比一次機(jī)組額外添加汽缸，由此使得整個(gè)機(jī)組的軸系有所延長。對此應(yīng)當(dāng)以氣缸結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)加以改進(jìn)，通過對各類特性的運(yùn)算探究，得出更為細(xì)致的參數(shù)結(jié)果，以確保整個(gè)機(jī)組的軸系得以平穩(wěn)地發(fā)揮作用。

3 總體設(shè)計(jì)規(guī)劃

3.1 系統(tǒng)優(yōu)化思路

以往的此類機(jī)組中，空氣預(yù)熱裝置的進(jìn)口位置使用所處空間內(nèi)的空氣，其溫度約為30℃，由此使得此裝置內(nèi)的換熱溫差值偏高，進(jìn)而使得能耗加大。對此，通過去除鍋爐內(nèi)各模塊的界限，以優(yōu)化煙氣熱量的整體布局，通過在煙氣通道的尾端加以調(diào)整，使煙溫偏高的區(qū)域進(jìn)行給水，同時(shí)，溫度相對偏低的部分則通過給水預(yù)熱，以達(dá)到控制換熱損失的目的。在該種優(yōu)化處理模式下，只針對管道為尾端實(shí)施調(diào)整，其他部分不會(huì)因此受到影響。由此可以形成區(qū)別于以往的機(jī)組結(jié)構(gòu)，利用給水操作提高空氣溫度，傳送至空氣預(yù)熱組裝置中。確定鍋爐出口產(chǎn)出煙氣無變化的基礎(chǔ)上，針對鍋爐展開合理設(shè)計(jì)。因?yàn)榭諝馔ㄟ^事先預(yù)熱，所以到達(dá)空氣預(yù)熱裝置時(shí)，吸熱指數(shù)會(huì)有所下降，使得鍋爐總體吸熱值降低。在出口溫度固定不變的情況下，設(shè)備內(nèi)部的各部件所承受的溫度差也會(huì)隨之下調(diào)，由此產(chǎn)生的損耗便會(huì)減少，運(yùn)轉(zhuǎn)效率得以提升。

基于此，在環(huán)境空氣到預(yù)熱裝置前，借助低溫加熱裝置把空氣溫度上調(diào)至60℃。以鍋爐內(nèi)部的裝置總量層面來看，額外加設(shè)一臺預(yù)熱裝置，整體結(jié)構(gòu)無過大變化，而在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)規(guī)劃期間，由于機(jī)組系統(tǒng)的差異，使得受熱面會(huì)擴(kuò)大。因?yàn)閾Q熱溫差值下調(diào)，使運(yùn)轉(zhuǎn)生產(chǎn)效率得以提升，耗煤量隨之下降。最終的設(shè)計(jì)目的是使煤耗減少，發(fā)電質(zhì)量及效率實(shí)現(xiàn)提升。

3.2 主機(jī)參數(shù)確定

在1000W的機(jī)組中，管件的選用及制作極為重要，具體而言，需確定鍋爐的聯(lián)箱及管道的鋼質(zhì)材料，以及受熱面部分的材料。汽輪機(jī)在轉(zhuǎn)子及閥門部分的材料需能承受至少600℃的高溫，此種材料參數(shù)設(shè)定，根據(jù)當(dāng)前相關(guān)技術(shù)，基本可以達(dá)到。實(shí)際的參數(shù)確定，需通過反復(fù)斟酌，結(jié)合我國該領(lǐng)域內(nèi)的專家，將該部分的壓力值設(shè)定成31兆帕，溫度為600℃，而一次或二次的再熱溫度應(yīng)為610℃?，F(xiàn)實(shí)工作溫度若高于600℃，鍋爐設(shè)備所應(yīng)用的材料，幾乎已經(jīng)達(dá)到其極限值，同時(shí)，其運(yùn)轉(zhuǎn)期間，對于溫度的誤差有較高的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。但使用二次機(jī)組，其調(diào)溫技術(shù)屬于較新的內(nèi)容，所以控制難度相對偏高。若從確保程度更高的要求出發(fā)，溫度參數(shù)應(yīng)在原定的基礎(chǔ)上合理提升，并預(yù)留實(shí)際溫度誤差值的波動(dòng)空間。因此溫度最終鎖定在610℃[3]。

3.3 主裝置

鍋爐整體結(jié)構(gòu)以單爐膛踏為主體，并搭配平衡通風(fēng)及懸吊框架等，受熱區(qū)域采用當(dāng)前最佳的材料，以保證其耐高溫的性能。其調(diào)節(jié)溫度技術(shù)是以擺動(dòng)燃燒裝置配以再熱模塊。和以往的筒式架構(gòu)有區(qū)別，調(diào)整至桁架模式，經(jīng)過此種調(diào)節(jié)，提高整體受力的均衡度，同時(shí)可減少部分前期投入。汽輪機(jī)的軸系不應(yīng)長于百萬千瓦規(guī)格的最大值，使用彈簧的基座，以強(qiáng)化隔振效果，使得在延長軸系的同時(shí)，還能保證基本的的安全。基于此，合理調(diào)整裝置的實(shí)際容量與各模塊的參數(shù)，并開展有關(guān)于軸系安全系數(shù)、不同壓力情境下的模塊等研究。

3.4 控制系統(tǒng)

現(xiàn)如今，有關(guān)此方面的研究已經(jīng)有所成就，在1000 MW規(guī)格下的機(jī)組，尤其是再熱系統(tǒng)及動(dòng)靜態(tài)特征等方面，以構(gòu)建非線性的前提下，采用軟測試工藝，掌握機(jī)組實(shí)際的工作狀態(tài)信息，由此改進(jìn)控制系統(tǒng)。另外，在規(guī)范化的數(shù)據(jù)框架中，借助信息技術(shù)及有關(guān)自動(dòng)化技術(shù)，打造多對象的改進(jìn)模塊，利用多項(xiàng)自動(dòng)控制手段，達(dá)到在線調(diào)整的目的。而利用總線工藝形成的自動(dòng)控制系統(tǒng)，涉及到多個(gè)DCS運(yùn)算法及設(shè)備溫度自適應(yīng)模塊、自動(dòng)控制開關(guān)等，有序整合后形成完整的控制系統(tǒng)，提高機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)效率及安全系數(shù)。

3.5 機(jī)組性能

綜合運(yùn)用二次再熱以及煙氣余熱等技藝，整個(gè)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性有所優(yōu)化，切實(shí)控制實(shí)際的煤炭消耗量，實(shí)際的發(fā)電質(zhì)量也得以提升。同時(shí)，二次再熱使得熱耗量得以降低，實(shí)際熱耗量下調(diào)至原本的半數(shù)左右。綜合運(yùn)用節(jié)能工藝和輔機(jī)本身的容量下調(diào)，工廠的用電率一般可下降0.8 %左右，整體變動(dòng)幅度可達(dá)到15 %左右。從環(huán)境的角度分析，鍋爐應(yīng)用的燃燒裝置及脫硫方式、濕式的除塵裝置，配以干式的靜電除塵裝置等，最終的排煙量和易引起污染的氣體均有所下降。

3.6 污染控制

通過燃燒煤炭進(jìn)行發(fā)電的方式，勢必會(huì)產(chǎn)生較大的污染問題，不利于生態(tài)均衡發(fā)展。所以，強(qiáng)化污染控制是有必要的。為此，機(jī)組內(nèi)的煙氣除塵環(huán)節(jié)可綜合運(yùn)用高頻電源及靜電除塵、濕式除塵技藝。在除塵裝置的入口位置加設(shè)余熱回收設(shè)備，并確保除塵率至少達(dá)到99.93 %，而脫硫環(huán)節(jié)的出口位置，除塵率需超過七成，可使用濕式裝置處理，在假定煤種的情境下，最終煙氣的粉塵占比不應(yīng)超過每立方米3.3毫克[4]。

4 結(jié)束語

超超臨界二次再熱，既能減少不可再生資源的消耗量，同時(shí)控制污染排放，維護(hù)其機(jī)組的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)性，對我國電力領(lǐng)域的研究，發(fā)揮出正面的價(jià)值。通過實(shí)踐應(yīng)用，此種燃煤機(jī)組基本可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，并促使大型火電廠數(shù)量增多。相信在自動(dòng)化程度不斷加深的趨勢下，二次再熱技術(shù)會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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