350MW超临界亚临界比较专题报告

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1、华能长春热电厂新建工程初步设计第四卷 热机部分专项报告超临界供热机组选型论证东 北 电 力 设 计 院设计证书070001-sj勘察证书070001-kj环评证书 甲字1605质量管理体系证书05004Q10052R0L5月 长春华能长春热电厂新建工程初步设计第四卷 热机部分专项报告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 5月 长春目 次1、概述12、国内亚临界、超临界供热机组的发展状况23、超临界空冷机组与亚临界供热机组方案比较24主机厂对350MW超临界抽汽机组中压末级叶片设计阐明65. 叶根型式的选择及安全性分析106 1029MM末级动叶片107、结论1

2、51、概述 据有关预测表白，要实现全面建设小康目的，国内一次能源的需求将在2533亿吨原则煤之间。也就是说，按现行经济增长模式，若要实现GDP翻两番的目的，国内能源需求在既有消费量基本上至少需翻一番，到，人均能源消费将由的约1.0吨标煤增长到2.0吨标煤左右。目前，国内单位产品的能耗水平较高。能源加工、转换、贮运和终端运用的效率仅约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，国内全面提高能源效率的任务十分艰巨。将来15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体现的时

3、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、目前国内的能源运用效率水平等都决定了国内必须要大力推动经济增长方式的转型，建立节省型社会，走适合中国特点的节能型发展道路。这是中国特色社会主义在能源运用方面的具体规定，也是树立和贯彻科学发展观的必然选择。随着全球范畴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、减少机组热耗、节省燃料、减少发电成本、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重要发展方向。为保证电力工业可持续发展，加快电力构造调节的步伐，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

4、率、可靠性、运营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不小于水的临界压力（22.12MPa）的机组。习惯上又将超临界机组分为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，一般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。同步，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减少2%；50%负荷条件下，超临界机组的效率减少5.5-8%。而原则亚临界机组

5、在75%负荷条件下，效率相应减少4%；50%负荷条件下，亚临界机组相应减少10-11%。目前国内三大动力集团已经具有了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伙、技术转让等措施具有了生产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，为可以既减少项目的初投资，又能减少煤耗，减少机组的运营成本，按可研审查意见规定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、减少机组热耗、节省燃料、减少发电成本、提高电厂热效率等长处。但同步也引起投资的增长。而对华能长春热电

6、厂此类都市供热电站，煤价相对较高，选用超临界机型更具有一定优势。然而对于350MW超临界供热机组，国内目前现状尚无制造和运营业绩。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的发电机组已进入大容量、高参数的发展阶段。“六五”期间国内引进了300MW、600MW亚临界机组的设计制造技术近10近年来是国内都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此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2350MW超

7、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国内“十一五”后的重要发展机型。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、自然循环锅炉最大持续蒸发量：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：3.753MPa (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

8、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营直流炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、紧身封闭、固态排渣、全钢构架、全悬吊构造型锅炉。三分仓容克式空气预热器。锅炉采用全钢构架，悬吊构造，锅炉运转层以上紧身封闭。型式：HG-1110/25.4-HM最大持续蒸发量：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(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

9、（涉及静压头）：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a1.2 省煤器出口空气过剩系数a11.2 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1473.2 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： 16.67MPa 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

10、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/minb) 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）：380.161MW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

11、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 （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容许系统周波摆动 48.550.5 Hz3.3重要技术经济指标对于

12、300MW级别供热机组，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似时，其技术经济指标对例如下：300MW级别供热机组重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.h7820.778157645锅炉保证效率%91.5591.5591.55采暖抽汽压力MPa0.2450.4000.400发电设备运用小时数h550055005500年发电量kW.h3.3001093.6301093.85109年供热量kJ1.0010131.0410131.0710

13、13年平均发电原则煤耗率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年供电量kW.h3.061093.381093.59109年平均供热原则煤耗率kg/GJ39.3939.3938.94年耗原则煤量t126574013712141412565年平均供电原则煤耗率kg/kw.h0.2850.2840.277年节省原则煤量t659177707386773781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.

14、1%全年耗热量kJ3.7110134.0110134.141013注：表中厂用电率系参照值从三种装机方案重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，2x350MW超临界方案的汽机保证热耗、机组发电原则煤耗、年平均发电原则煤耗率、年平均供热原则煤耗率等指标，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体相称。即2x350MW超临界方案在三个方案中最优，特别是汽机保证热耗比2X330MW亚临界机组低 170kJ/kW.h，比2x300MW亚临界方案低 1

15、75.3kJ/kW.h，发电标煤耗比2x330MW亚临界机组低6g/kW.h。4主机厂对350MW超临界抽汽机组中压末级叶片设计阐明哈尔滨汽轮机厂设计制造的350MW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规定，因此需要对中压缸叶片构造进行很大的调节。为了满足抽汽工况的规定，在进口流量与350MW超临界冷凝机组相近的状况下，中压缸末级叶片焓降由冷凝机组的52.95KJ/Kg增长到122KJ/Kg，级后压力由冷凝机组的1.06Mpa减少到0.4Mpa。为此在中压缸叶片构造设计时，一方面要保证叶片的强度满足安全准则的规定，在综合考虑热力计算、通流构造以及运营安全等状况，先

16、后做出四种设计方案，优中选优，最后拟定采用中压缸11级叶片的构造，以达到最佳的流量、焓降分派，各级的压差和焓降更趋于均匀。在中压末级叶片的设计过程中，由于抽汽的需要，级后压力的减少，以及焓降的增长，增大了中压末级叶片承受的动应力，必须增长叶片自身的强度以保证叶片的安全运营。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构造的合理性；在保证一定通流面积的基本上，合理选择叶片只数和叶根型线，满足叶片工作部分、叶根、轮缘的强度规定。在增长级数后，为了保证轮缘的强度，增长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

17、和抽汽）下均有较高经济性和气动安全性。叶片型线所有采用新设计的气动性能好的变截面扭曲叶片，叶型加厚了，在有抽汽和有加高的级，合适选择了宽叶片。因末级焓降、叶高都增长，且为抽汽级，因此新设计型线。采用了优化气动参数沿叶高分布，增长叶型面积和刚性的措施，使之在满足强度和振动规定期，在常用工况下综合经济性高。末级流场气动计算成果如下：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”型叶根的构造尺寸不同，“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

18、工装配规定比“R”型更为严格，动叶末叶片定位形式由定位销构造改为锁紧键构造，在本机组设计时同样采用“P”叶根型线，以充足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成果比较如下表所示：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153127.29143.51155.04LBU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轮缘44截面0.326轮缘44截面0.767轮缘44截面0.841轮缘44截面0.612

19、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原则，即考核动应力系数LBU值。综上所述，为达到动应力考核规定：我们在中压叶片构造上，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；增长末级轮缘的轴向宽度。保证了中压缸的强度规定。6 1029mm末级动叶片哈汽公司具有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、350M

20、W1000MW超临界、超超临界机组中，经近年运营实践证明，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合用于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%，利于变工况运营,提高了低负荷运营能力和安全性，改善了机组调峰性能，同步可以减少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

21、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/9006.1 末级叶片安全性分析1029mm动叶片采用自带围带、凸台拉金连接构造,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近年来

22、深厚的设计经验保证了计算分析成果的可靠性。静强度和振动特性的分析成果见表2和图12，由分析成果可见，该叶片的应力和频率都符合安全准则，这表白该叶片是安全可靠的。为了进一步保证末级及次末级叶片频率符合安全规定，叶片在出厂前必须作动调频实验，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长叶片应力分布图2 新型1

23、029mm长叶片坎贝尔图6.2 末级叶片经济性分析在保证的安全性基本上，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，分析成果见后图，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）。叶型损失的重要部分产生在吸力面，并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

24、叶片叶型损失必然相称小。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、背弧压差息息有关，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6.3 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，同步减少通流的湿气损失，必须采用了某些去湿和防侵蚀设计措施。本次设计中采用了如下措施：1） 在低压末级采用槽内去湿比较有效，这种措施是通过在静叶片表面开出专用的去湿槽，把流道表面

25、的水膜中的水份导走。槽内去湿效率重要由槽的形状和开槽位置决定。本次设计去湿槽设立在叶片上半部接近出汽边的内弧部分，去湿效果更明显。末级静叶除湿槽三维流动见图5。2） 末级动叶片上半部出气边背弧焊接的司太立合金片，增强末级动叶片的防侵蚀能力。3） 合适加大末三级动、静叶片间的轴向距离。在不影响级间气动性能的状况下保证有足够的间隙以最大限度的清除汽流中的水份。拟S1流面矢量三维矢量图5 末级静叶除湿槽内及其附近速度矢量分布6.4 小结1） 1029mm动叶片采用自带围带、凸台拉金连接构造,叶片通过扭转恢复形成整圈连接，刚度大耐振动性能好，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；2

26、） 根部反动度提高到32%，利于变工况运营,提高了低负荷运营能力和安全性，并改善了机组调峰性能；3） 1029mm动叶片的振动应力远不不小于许用振动应力，抽汽工况下叶片安全性有足够的保证。综上所述，1029mm动叶片是一只性能优良的末级长叶片，可以保证机组在多种恶劣工况下安全工作。7、结论通过本报告的技术经济论证和比较，超临界机组技术是成熟、先进的发电技术，350MW超临界供热机组具有热效率高、发电煤耗少等长处，此外它的可靠性、可用率、机组使用寿命等方面已经可以和同类亚临界机组相媲美。 然而，亚临界机组煤耗高，燃料成本加大，污染物的生成量和排放量加大。而采用超临界机组可以减少污染物的生成量和排放量，可以减少发电煤耗，节省能源，提高电厂循环热效率，符合可持续发展的政策，是大型机组的发展方向。从国家产业政策和技术发展，以及从环保的长远角度出发，超临界机组更具有明显的优势。根据以上比较，2x350MW超临界方案在汽机保证热耗、机组发电原则煤耗、年平均发电原则煤耗率、年平均供热原则煤耗率方面占有优势。2x350MW及2x330MW比2x300MW方案在供热总量，发电总量，供热可靠性方面占有优势。并且350MW超临界汽机具有优良可靠的中级和末级长叶片设计。因此本期工程推荐选择2x350MW供热机组。