基于中温中压工业蒸汽需求的300 MW级供热机组选型分析

2012-11-14李江波阎占良

河北电力技术 2012年2期

李江波，阎占良

(河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031)

近年来，随着经济高速发展和人民生活水平的不断提高，我国北方采暖地区大型热电联产热电厂项目越来越多。目前，这些项目大多采用国产300 MW级亚临界参数抽汽凝汽式供热机组，由于这些机组以承担采暖负荷为主，形成了采暖期热电联产+非采暖期纯凝发电的运行模式，在某种程度上限制了热电联产优势的发挥。基于上述原因，近期规划建设的大型热电联产热电厂已将采暖用热和工业用汽统筹考虑，力求使项目建成后可常年在热电联产模式下运行，以期达到最好的热经济性和环保效果，并使工程有良好的经济效益。下面以河北建投任丘热电厂为例，对承担中温中压工业蒸汽需求的300 MW级供热机组进行选型分析。

1 机组承担的热负荷分析

根据《任丘市城市供热规划(2008-2020年)》(简称“供热规划”)和《任丘市热电联产规划(2008-2020年)》(简称“热电联产规划”)，河北建投任丘热电厂是任丘市近、远期的主力热源，一期工程建设2台300 MW级供热机组，主要供应任丘市采暖供热分区中A-G区的冬季采暖热负荷和北部工业区的生产用蒸汽负荷。

1.1 工业蒸汽抽汽量

根据供热规划，由河北建投任丘热电厂供汽的北部工业区现状工业蒸汽抽汽量为75.5 t/h，近期工业蒸汽抽汽量为162.5 t/h，远期工业蒸汽抽汽量为688.7 t/h，即河北建投任丘热电厂一期工程应担负的工业蒸汽抽汽量为162.5 t/h。

1.2 采暖热负荷

根据供热规划，河北建投任丘热电厂供热区现有建筑面积1 601万m2，近期建筑面积将达到1 988.65万 m2，其中集中供热面积1 610万m2，即河北建投任丘热电厂一期工程应承担采暖面积1 610万m2。

按照该地区气象条件，采暖期室外计算温度为-5.7 ℃，室外平均温度为-0.2 ℃,采暖期122天(2 928 h)，近期热负荷分别为：采暖期最大热负荷790.19 MW；采暖期平均热负荷=790.19 MW×[18-(-0.2)] ℃/[18-(-5.7)]℃=606.81 MW；采暖期最小热负荷=790.19 MW×(18-5) ℃/(18-(-5.7))℃=433.44 MW。

另外，根据供热规划，河北建投任丘热电厂要确保工业热负荷的供应。在保证工业用汽时，其采暖供热能力若无法承担1 610万m2，可由其它联网热源补充供热。

1.3 工业热负荷参数

河北建投任丘热电厂位于北部工业区。根据热电联产规划，一期工程承担工业蒸汽抽汽量162.5 t/h，考虑管网损失等，确定工业蒸汽抽汽量为180 t/h，其中向中国石油天然气股份有限公司华北石化分公司供160 t/h中温中压蒸汽(4.0 MPa、440 ℃)，向京东橡胶厂供20 t/h、280 ℃、0.8 MPa的蒸汽。

1.4 供热方式

根据供热规划，采暖用热将由设在电厂内的供热首站将130 ℃的高温热水送至各二级换热站，由二级换热站向用户供热。换热后70 ℃的热网回水回到电厂供热站。工业用蒸汽直接送至热用户。

2 装机方案的确定

2.1 超临界机组的设计要求

2.1.1 锅炉

超临界锅炉受热面工作条件比亚临界锅炉差，因此对于受热面钢种、管道规格等选用上需有专门要求，尤其是过热器管材选择时，应注意所用钢材的抗腐蚀性和晶粒度指标。为保证锅炉在各种工况下水动力的可靠性，在锅炉广泛的运行工况范围内，应保证各水冷壁出口温度在规定范围内(设计要求为50 ℃)浮动，以确保水动力稳定性不受破坏。超临界锅炉水冷壁对炉内热偏差的敏感性较强，采用四角切圆燃烧时，必须采取有效措施，消除炉内烟气温度偏差，一般锅炉出口两侧最大烟气温差不得大于50 ℃。

2.1.2 汽轮机

由于超临界汽轮机由直流锅炉供蒸汽，溶解于蒸汽中的其它物质较多，针对超临界机组固体硬粒冲蚀这一突出问题，汽轮机本体设计需要采取相应措施。由于主蒸汽参数及再热蒸汽参数的提高，汽轮机关键部分的选材要比亚临界高。超临界汽轮机高压缸入口压力高、汽流密度大，在结构设计上，需要采取措施防止蒸汽旋涡振荡，避免轮系振动频率与喷嘴尾迹扰动力频率重合所产生的共振。

2.2 国内300 MW级超临界机组现状及供热优势

自2003年初，国内建设投产多台300～1 000 MW超临界(超超临界)机组。经过几年来的不断摸索改进，目前国产超临界(超超临界)机组在设计、生产和运行管理等方面已积累了丰富的经验。

对于300 MW级超临界机组，各制造厂额定容量大都采用350 MW，目前已有华能瑞金电厂(2007年底投产，纯凝)、华能海南东方电厂、华能长春第四热电厂(2009年底投产，供热)、山东黄台火力发电厂(2009年底投产，供热)等项目投产，运行状况良好。

350 MW超临界供热机组与300 MW级亚临界供热机组相比，由于初参数提高，其各级抽汽参数也相应提高。如常用来作为工业蒸汽抽汽的二、三、四段抽汽，抽汽压力可提高约0.5～0.8 MPa，可满足更多工业热用户的生产需求。这使得机组能够在更大范围内适应工业蒸汽参数要求，从而在供热方面具有优势条件。

由于超临界汽轮机结构设计和主要材质上的特殊要求，其价格比亚临界汽轮机高。对运行的安全性和操控方面的要求也较高。从安全性考虑，直流锅炉水冷壁管壁的冷却条件较差，容易出现过热现象，而自然循环的汽包炉则有自补偿特性，安全性较高。但国内大型超临界机组已有较为成熟的设计、制造和运行管理经验，这些问题都不构成制约条件。任丘热电厂工程采用超临界供热机组在技术上是合理的。建议具有类似供热要求的300 MW级热电厂采用超临界参数机组。

2.3 针对供热需求的装机方案分析

河北建投任丘热电厂承担的热负荷中，工业蒸汽参数主要为中温中压参数，这给机组选型带来一定的难度。常规国产亚临界300 MW级供热式汽轮机高压缸排汽参数约为3.6 MPa/360 ℃，采暖抽汽参数为0.3～0.5 MPa/500～550 t/h，在减少采暖抽汽量的前提下，可具备100 t/h(约0.8 MPa)的工业蒸汽供汽能力。可见，若采用常规国产亚临界300 MW级供热式汽轮机，无法供出4.0 MPa/440 ℃的工业蒸汽。若从主蒸汽系统减温减压提供，将是一个经济性和安全性都极不理想的办法。经向制造厂咨询后，任丘热电厂一期工程选用了350 MW超临界抽凝式供热机组。

针对该工程热负荷情况，采用350 MW超临界抽凝式供热机组是一个比较好的方案，不但满足了较高参数工业热用户需求，还可提高机组热经济性，节能减排效果更好。

通过与汽轮机厂家沟通，几家汽机厂均可在350 MW超临界纯凝机组基础上改进设计，提供满足工程需要的350 MW超临界供热机组。其高压缸排汽压力高于4.4 MPa，完全可以从再热系统向外供应中温中压工业蒸汽。具体供应蒸汽的方式：一是征得锅炉厂同意，从再热器440 ℃ 蒸汽温度区域直接对外供应蒸汽；二是从再热器出口抽汽经减温器供出。

根据该工程热用户用汽量要求，每台机组的工业抽汽量确定为90 t/h，其中从高压缸排汽(经锅炉再热器加热)供出80 t/h的中温中压蒸汽，从四段抽汽抽10 t/h的高温蒸汽，分别直接供给热用户。每台350 MW超临界供热机组最大工业抽汽量可以达到266 t/h，在1台机组停运的时候，另外1台机组完全可以满足工业用户的蒸汽用量，从而保证了工业热用户的供热可靠性。

3 机组选型的经济性分析

3.1 机组选型初期投资比较

生产厂家对350 MW超临界供热机组三大主机(锅炉、汽轮机、发电机)的报价为72 800元，对300 MW级亚临界供热机组三大主机的报价为61 200元，差价为11 600元。按照2009年的价格投资水平计算，2台350 MW超临界供热机组的静态投资为29.2亿元，折合为4 170元/kW(静态)，2台300 MW级亚临界供热机组工程静态投资为26.5亿元，折合为4 416元/kW(静态)。

3.2 机组热经济性分析

为分析350 MW超临界供热机组热经济性，对350 MW超临界供热机组热经济指标和具有类似热负荷条件的常规300 MW亚临界供热机组热经济指标进行对比，对比情况见表1。

从表1可以看出，在采暖期工况下，采用350 MW超临界供热机组比采用300 MW亚临界供热机组全厂热效率高6.5%；在非采暖期工况下，采用350 MW超临界供热机组比采用300 MW亚临界供热机组全厂热效率高4.9%。上述比较中，2种机组的供热条件不完全相同，但比较接近，因此可以定性地得出结论，采用350 MW超临界供热机组比采用300 MW亚临界供热机组全厂热效率高。