超临界机组和亚临界机组的分析比较

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1、1 超临界机组和亚临界机组的分析比较武汉大学朱全利随着我国电力工业的迅速发展， 越来越多的高参数大容量机组陆续投产。从发展趋势看， 今后 600MW 及以上等级的机组将成为大电网的主力机组。这样，在机组的选型上就面临采 用超临界参数还是亚临界参数的抉择。对于亚临界机组，我们已经积累了运行、维护、检修 等方面的经验，但对于超临界机组我们还知之不多，因此有一种生疏感。本文就已掌握的有 关资料介绍一下超临界机组的情况，并对两种参数的机组作一粗略比较。1 国外超临界机组发展概况目前世界上将近 2/3 的电能由火电站提供，因此提高其经济性就成为迫切的问题。提高 经济性的主要方法有：提高蒸汽参数；用多次再

2、热和余热来增加蒸汽循环效率；降低排烟温 度；通过提高应力来强化受热面和扩大单机容量等。提高蒸汽参数已成为大机组发展的一种趋势。美国在 1957 年投入第一台 125MW 超临界机组， 到 60 年代中期超临界机组的投入量就 达到了同期总投入量的50%。 同时容量迅速增长， 1968 年投入第一台 1 300MW 超临界机组。 现在，美国已有159 台超临界机组投产。大多数超临界机组的额定容量为500800MW。与 相同容量的汽包炉机组相比，超临界机组的安装时间大约要早68 年。但美国从 70 年代开 始，超临界机组订购台数急剧下降，1978 年以后除原有的机组外就没有新订货的超临界机 组。其主

3、要原因是核电站担负起了发电成本很低的基本负荷，而烧矿物燃料的机组则带调峰 负荷。美国电力部门选择汽包炉机组担负调峰负荷，是因为美国缺乏超临界机组调峰运行的 经验。而日本和欧洲情况则有所不同。苏联在 1963 年投入第一台 300MW 超临界机组，其热耗率比超高压的200MW 机组降低 5.2%。这促使苏联决定对300MW 以上火电机组均采用超临界参数。日本的第一台直流炉建于1967 年，而且前日本所有烧矿物燃料的新电厂都安装超临界 机组。今后全部计划投产的燃煤机组都将是超临界机组。超临界蒸汽压力的应用始于20 年代初，但在欧洲直流炉设计采用较低压力的方案，这 是由于它与汽包式炉相比投资较低。1

4、950 年西德就有 50 多台亚临界直流炉投入运行。此后 因解决了高温耐腐蚀材料，超临界机组就应运而生。2 美国的超临界机组美国是广泛使用超临界机组的国家之一。剖析美国超临界机组的情况具有一定的代表 性。现在在美国 89 个电厂中有 159台超临界机组（最早投运的Philo 电厂 6 号机组已退役）， 占美国大型电厂的15%。其中 70%以上的超临界机组是按燃料设计的，65%是正压炉膛，而 且 25%是二次中间再热式。额定容量为500800MW 的机组占大多数。其基本情况见表1。3 热耗率2 3.1 超临界机组具有预期的低热耗率超临界机组的原始生命力就在于它们有较低的热耗率。预期的超临界循环的

5、热耗率增益 见表 2。典型机组经济效益见表3。同时，美国电力研究院调查表明，有近一半电厂反映它们的超临界机组热耗率较低，在 其系统中往往占第1 或第 2 位。而且，另一个重要指标是， 在美国热耗率最低机组一览表中， 除一年外，其它年度超临界机组均占首位，并且从1971 年以后一直占据前5 位，因此可以 说，超临界机组具有计算所预期的低热耗率。3.2 运行热耗率表 1 美国超临界机组一览表项目机组数（台）占总计的百分数% 额定容量300 以下1 1 300499 32 20 500599 43 27 600799 60 38 800以上23 14 （MW ）总计159 100 汽温主汽566再热

6、汽4 18 3 11 燃煤料油和燃汽116 43 73 27 炉微正压型循环通风104 14 65 9 再热一次次数二次134 25 84 16 表 2 预期的超临界循环的热耗率增益循环参数热耗率增益（%）16.5Mpa/538/538 (2400 磅英寸-2/1000/1000F) 作基本24.13Mpa/538/538 2.5 (3500 磅英寸-2/1000/1000F) 24.13Mpa/538/552/566 (3500 磅英寸-2/1000/1025/1050F) 5 31.07Mpa/538/552/566 (4500 磅英寸-2/1000/11025/1050F) 8* 注：

7、* 包括其它节能装置在内的潜在增益。表 3 750MW 燃煤机组典型热耗率改善状况和节约的燃料费循环参数电站净耗率变化率 （%）年节约燃料 费（美元）超过电站寿命的增资值 （美元）16.56Mpa/538/538 (2400磅英寸-2/ 1000 / 1000F) 10 023 kJ/kWh HkWkCalhkWBtu/2394/9500作基本作基本作基本24.13Mpa / 538 / 538 (3500磅英寸-2/ 1000 / 1000F) 9 875 kJ/kWh hkWkCalhkWBtu/2359/93601.6 1 930 000 19 840 000 24.13Mpa / 53

8、8 / 538 / 538(3500磅 英寸-2/ 1000/1000/1000F) 9 691 kJ/kWh hkWkCalhkWBtu/2315/91853.3 4 140 000 42 500 000 热耗率能否在整个运行期间保持良好，与可用率和运行、维修的水平有关。另一方面， 热耗率的变化与超临界机组的设计有关，多半归结为汽机方面， 即泄漏、叶片的腐蚀和结垢； 少数属于锅炉方面，如蒸汽通过启动系统的旁路阀泄漏到凝汽器。对 19731982年 10 年间热耗率的分析表明，部分负荷和两次停机检修之间的磨损对热 耗有所影响。因此，对每台机组一定时期内的热耗率取平均值，而且在确定平均热耗率和机

9、 组热耗率之间的百分差值时， 要考虑燃料和热动力循环的影响。图 1 列出了超临界机组热耗 率性能的分布情况，可以看出，约1/5 的超临界机组的运行热耗率比设计值大5%以内，而 有一半机组比设计值大10%以内。对照美国所有发电厂的平均热耗率比设计值约15%20% 的情况，应该认为超临界机组的运行热耗率性能是很好的。虽然无法获得亚临界机组运行热耗率的直接数据，但从联邦能源管理委员会（FERC）提 供的 16.56Mpa(2400磅/英寸2)400MW 及以上汽包式亚临界机组热耗率性能的鉴定中，可以4 图 1 超临界机组热耗率性能的分布情况得到超临界机组热耗率性能要优于汽包式亚临界机组的结论。3.3

10、 固体颗粒磨损（SPE）对照热耗率的影响固体颗粒磨损造成动静叶表面粗糙和产生泄漏通路，因而降低了相应级的效率，由于 SPE的影响要经历较长的时间， 而且还有其它的磨损因素， 故鉴定其性能的恶化是较困难的。 Spencer 介 绍 了 有 较 严 重 磨 损 的 机 组 热 耗 率 随 时 间 增 长 的 情 况 ， 5 年 约 恶 化 52.75kJ/kW h)50Btu/(kWh)，即年均 10.55kJ/kW h)10Btu/(kWh)。该数据与某厂对高压汽 机的效率测定数吻合。 该厂测得的恶化率为3.177.39kJ/kW h)37Btu/(kW h)。上述数据均 包含有多种因素的影响在

11、内。若假定 SPE对热耗率的恶化与叶片的磨损率成正比，根据AEP 公司修复叶片的经验， 在 经 过 5 年 运 行 之 后 ， 超 临 界 机 组 的 热 耗 率 总 计 恶 化 比汽 包 式 亚 临 界机 组 要 高 15.8321.10kJ/kW h)1520Btu/(kWh),或者是年均高 3.174.22kJ/kW h)34Btu/(kWh)。4 可用率4.1 可用率不易比较超临界机组和汽包式亚临界机组间的可用率不容易比较，主要因为设计发生了变化， 例 如引入正压型炉膛。此外，电厂的维修能力、运行方式和发电需求等也使比较工作复杂化。4.2 可用率比较的一些资料由历史上停机数字得出的可用

12、率与分析方式和采样的选择性有关。爱迪生电力研究所（ EEI）汇编的停机数据和以后北美可靠性委员会（NERC ）关于早 期超临界机组的运行记录表明，汽包式亚临界机组比超临界机组可用率高3% 4% ，而且强 迫停机率也低。由锅炉和汽机制造厂调研所得的数据表明，可用率差别不大，Curley介绍了有较高 可用率的新型超临界机组， 在分析亚临界和超临界机组的可用率时考虑了锅炉设计的陈旧性 和炉膛微正压的影响。 当除去微正压锅炉机组时， 则发现超临界与亚临界锅炉之间可用率的 差别缩小到 2% ，而且超临界机组的强迫停机率比起汽包式亚临界机组还低0.4 %( 这个结论 适用于第一个五年中已运行的400799

13、MW 燃料机组 ) 。根据 NERC Lofe分析的数据，在2000 年之前投运的超临界机组和亚临界机组将具有 相同的强迫停机率。600799MW 燃煤机组（ 19751984 年）的可靠性数据（包括超、亚临界机组）列于 表 4。5 表 4 600799MW 机组的可靠性电站设备类别强迫停用率（% ）等效强迫停用率（% ）可用率（% ）等效可用率（% ）计划停用率（% ）等效非计划 降低小时数（h）等效计划降 低小时数（h）锅炉除尘器汽轮机发电机汽轮机发电机凝汽器电厂辅机调节器整 机7.13 0.24 2.01 0.87 2.85 0.27 1.47 0.00 11.05 11.46 1.45

14、 2.51 0.95 3.44 0.67 2.95 0.05 17.52 83.72 95.76 92.55 96.42 91.46 97.5 96.05 99.61 77.98 79.68 94.76 92.27 96.36 90.92 97.16 94.81 99.56 71.72 10.43 4.05 5.89 2.91 6.34 2.29 2.81 0.39 12.89 303.98 78.89 33.35 5.38 39.37 26.39 97.6 3.31 474.53 42.32 5.31 7.67 0.08 7.70 2.49 8.54 0.38 31.77 注: 系统数为37

15、 个，机组总数77 套，单机数5.6 台。为了说明超临界机组的可用率，表5 列出了 Ebasco 设计的 3 台 790MW 超临界机组中 较早、同时也是可靠性数据较差的一台机组的数据。不难看出，其数据也较全国同容量等级 燃煤机组的平均值好。4.3 锅炉与可用率的关系表 5 Ebasco设计的 790MW 超临界机组的可靠性电站设备类别强迫停用率（% ）等效强迫停用率（% ）可用率（% ）等效可用率（% ）计划停用率（% ）等效非计划 降低小时数（h）等效计划降 低小时数（h）锅炉汽轮机发电机汽轮机发电机凝汽器电厂辅机调节器整 机7.21 1.69 0.28 1.96 0.17 0.54 0.

16、01 9.51 9.98 2.00 0.30 2.17 0.33 1.76 0.02 13.79 82.27 98.60 99.77 98.37 99.86 99.48 99.98 80.18 79.16 98.31 99.75 98.16 99.70 98.44 99.98 75.55 11.50 0.02 0.00 0.02 0.00 0.88 0.00 11.60 210.29 22.19 1.95 15.01 11.56 86.09 0.21 332.33 61.93 2.88 0.25 3.13 2.84 4.39 0.57 73.36 6 一般而言，超临界机组的可用率与亚临界机组相当，这是最近由 Ebasco为 EPRI提供的。 但是从统计的数字中可见，50% 以上的强迫停运率是由锅炉引起的，汽轮发电机组在约只占 20% 25% ，而所有辅机的强迫停用率大约为10% 。换言之，锅炉引起的强迫停运率约为汽轮 发电机和辅助设备