河南華能沁北電廠(chǎng)工程處(454662) 劉發(fā)燦
摘 要：通過(guò)對國產(chǎn)首臺超臨界機組與亞臨界機組的技術(shù)、經(jīng)濟性、可靠性等方面的比較，從而體現出超臨界機組的優(yōu)越性。
主題詞：超臨界 亞臨界 特點(diǎn)
1 概 述
隨著(zhù)我國電力工業(yè)的發(fā)展及電力結構的調整，600MW級火電機組已經(jīng)成為我國火電的發(fā)展方向并即將成為電網(wǎng)的主力機組，尤其是超臨界參數機組，由于其更低的運行成本和高效益，使得此類(lèi)型的機組在現在的電力市場(chǎng)中更具有競爭性。沁北電廠(chǎng)一期工程作為國家引進(jìn)600MW超臨界機組的依托項目以及2000年燃煤示范電廠(chǎng)，承擔著(zhù)引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，降低工程造價(jià)的雙重任務(wù)，這就給工程的提出了較高的要求。隨著(zhù)2004年12月13日13：31分2＃機組順利通過(guò)168小時(shí)，標志著(zhù)超臨界600MW機組國產(chǎn)化目標的順利實(shí)現。
2 600MW超臨界和亞臨界機組的技術(shù)特點(diǎn)的比較
2.1 超臨界機組和亞臨界機組特點(diǎn)比較
超臨界機組是指主蒸汽壓力高于臨界壓力（22.13MPa）的鍋爐和汽輪發(fā)電機組，它具有如下特點(diǎn)：
(1） 熱效率高、熱耗低。超臨界機組比亞臨界機組可降低熱耗～2.5％，故可節約燃料，降低能源消耗和大氣污染物的排放量。
(2）超臨界壓力時(shí)水和蒸汽比容相同，狀態(tài)相似，單相的流動(dòng)特性穩定，沒(méi)有汽水分層和在中間集箱處分配不均的困難，并不需要象亞臨界壓力鍋爐那樣用復雜的分配系統來(lái)保證良好的汽水混合，回路比較簡(jiǎn)單。
(3) 超臨界鍋爐水冷壁管道內單相流體阻力比亞臨界汽包爐雙相流體阻力低。
(4) 超臨界壓力下工質(zhì)的導熱系數和比熱較亞臨界壓力的高。
(5） 超臨界壓力工質(zhì)的比容和流量較亞臨界的小，故鍋爐水冷壁管內徑較細，汽機的葉片可以縮短，汽缸可以變小，降低了重量與成本。
(6）超臨界壓力直流鍋爐沒(méi)有大直徑厚壁的汽包和下降管，制造時(shí)不需要大型的卷板機和鍛壓機等機械，制造、安裝、運輸方便。同時(shí)取消汽包而采用汽水分離器，汽水分離器遠比亞臨界鍋爐的汽包小，內部裝置也很簡(jiǎn)單，制造工藝也相對容易，相應地降低了成本。
(7）啟動(dòng)、停爐快。超臨界壓力直流鍋爐不存在汽包上下壁溫差等安全問(wèn)題，而且其金屬重量和儲水量小，因而鍋爐的儲熱能力差，所以其增減負荷允許的速度快，啟動(dòng)、停爐時(shí)間可大大縮短。一般在較高負荷（80～100％）時(shí)，其負荷變動(dòng)率可達10％/min。
(8) 超臨界壓力鍋爐適宜于變壓運行。
(9）超臨界鍋爐機組的水質(zhì)要求較高，使水處理設備費用增加，例如蒸汽中銅、鐵和二氧化硅等固形物的溶解度是隨著(zhù)蒸汽比重的減小而增大，因而在超臨界壓力下，即使溫度不高，銅、鐵和二氧化硅等的溶解度也很高，為防止它在鍋爐蒸發(fā)受熱面及汽機葉片上結垢，超臨界鍋爐需100％的凝結水精處理，除鹽除鐵。
(10）超臨界壓力鍋爐的蓄熱特性不及汽包爐，外界負荷變動(dòng)時(shí)，汽溫、汽壓變化快而必須有相當靈敏可靠的自動(dòng)調節系統，鍋爐機組的自控水平要求也較高一些。
變壓運行的超臨界壓力鍋爐壓力隨機組負荷變化而變化，不需用汽輪機調節門(mén)控制機組負荷，而且部分負荷運行時(shí)，由于蒸汽容積流量變化小，能保持較高的汽機效率，并通過(guò)改善鍋爐過(guò)熱器和再熱器的流量分配，提高了機組效率。
可見(jiàn)超臨界機組優(yōu)點(diǎn)很多，中國近幾年在大力發(fā)展超臨界機組。但是超臨界機組也存在著(zhù)一些不足：
(1) 超臨界壓力鍋爐由于參數高，鍋爐停爐事故的概率比亞臨界多，降低了設備的可用率和可靠性。另外，超臨界壓力鍋爐出現管線(xiàn)破裂和起動(dòng)閥泄漏故障時(shí)影響較大。
(2)超臨界壓力鍋爐雖然熱效率高，但鍋爐給水泵、循環(huán)泵卻要消耗較多的電耗，壓力參數的提高又會(huì )增加系統的漏泄量，實(shí)際上對熱效率的提高和熱耗的減少都會(huì )有一定的影響。
(3)超臨界壓力鍋爐為了保證水冷壁和過(guò)熱器的冷卻，啟動(dòng)時(shí)要建立一定的啟動(dòng)壓力和流量，為此要配置一整套專(zhuān)用的啟動(dòng)旁路系統，因而啟、停的操作較復雜，熱損失也大。
(4) 超臨界直流鍋爐水冷壁的安全性較差。直流鍋爐的水冷壁出口處，工質(zhì)一般已微過(guò)熱，故管內會(huì )發(fā)生膜態(tài)沸騰，自然循環(huán)有自補償特性，而直流爐沒(méi)有這種特性，因此，直流爐水冷壁管壁的冷卻條件較差，較易出現過(guò)熱現象。
2.2 600MW超臨界主機的一些特殊要求
(1) 鍋爐部分
由于超臨界鍋爐的溫度和壓力比亞臨界鍋爐高，因此對鍋爐提出了一些特殊的要求：
①超臨界鍋爐受熱面工作條件就較亞臨界鍋爐為差，故對于受熱面鋼種、管道規格等選擇上提出較高的要求。尤其是過(guò)熱器管選擇時(shí)，更應注意所用鋼材的抗腐蝕性和晶粒度指標。沁北電廠(chǎng)采用SUS347替代在亞臨界壓力鍋爐上常用的SUS321，就是考慮到SUS321的晶粒度大，易形成氧化層（Fe3O4），脫落后將引起汽輪機的“硬粒沖蝕”的問(wèn)題。
②保證鍋爐在各種工況下水動(dòng)力的可靠性，在各種負荷下，從超臨界壓力到亞臨界壓力廣泛的運行工況范圍內，各水冷壁出口溫度上下幅度須限定在規定范圍內，確保水動(dòng)力穩定性不受破壞；尤其當水冷壁懸吊管系中設有中間聯(lián)箱時(shí)，必須采取措施避免在啟動(dòng)分離器干濕轉換、工質(zhì)為兩相流時(shí)，聯(lián)箱中出現流量分配不均勻而使懸吊管溫差超限，導致懸吊管扭曲變形等問(wèn)題。
③超臨界變壓運行鍋爐水冷壁對爐內熱偏差的敏感性較強，當采用四角切園燃燒方式時(shí)必須采取有效的消除煙氣溫度偏差的措施（鍋爐出口兩側最大煙溫差不得大于50℃）。沁北電廠(chǎng)采用前后墻對沖燃燒的方式。
(2)汽輪機部分
①對于汽輪機本體來(lái)說(shuō)，由于超臨界壓力機組是由直流爐供汽，溶解于蒸汽中的其他物質(zhì)較多，蒸汽在汽輪機的通流部分做功后壓力降低，原先在高壓下溶解的物質(zhì)會(huì )釋放出來(lái)，產(chǎn)生固體硬粒沖蝕。針對超臨界機組固體硬粒沖蝕這一突出問(wèn)題哈爾濱汽輪機廠(chǎng)采取了對通流部件進(jìn)行表面硬化處理；從防磨角度優(yōu)化通流部分進(jìn)汽角度，減輕對葉片的沖蝕；采用全周進(jìn)汽和調節汽門(mén)合理管理系統AMS以降低啟動(dòng)流速，減小硬粒沖擊能量等。
②超臨界汽輪機由于主蒸汽參數及再熱蒸汽參數的提高，特別是溫度的提高，一些亞臨界機組使用的材料，已不能適應超臨界汽輪機的工作狀況，因此，在選材問(wèn)題給予了高度重視。主汽調節閥殼體和主蒸汽管采用9%Cr鍛鋼，以適應主蒸汽溫度和壓力變化的要求。低壓缸進(jìn)汽溫度由亞臨界的320℃升至370℃，亞臨界使用的普通30Cr2Ni4MoV轉子材料的長(cháng)期時(shí)效脆性敏感性高，不能滿(mǎn)足長(cháng)期安全運行的要求。因此采用了超純30Cr2Ni4MoV轉子材料，降低材料的長(cháng)期時(shí)效脆性敏感性，使超臨界的低壓轉子能夠長(cháng)期安全運行。
③結構設計上采取防止蒸汽旋渦振蕩的措施，避免由于高壓缸入口壓力高、汽流密度大，使調節級復環(huán)徑向間隙處發(fā)生蒸汽旋渦振蕩所引起的軸承不穩定振動(dòng)。通常以高壓調節級處出現蒸汽振蕩的可能性最大，設計上采用有成熟經(jīng)驗的葉型，并進(jìn)行動(dòng)強度核算，避免輪系振動(dòng)頻率與噴嘴尾跡擾動(dòng)力頻率重合所產(chǎn)生的共振。
(3)在輔機配套方面，除了高壓給水泵的揚程和高壓加熱器管側壓力超臨界機組比亞臨界機組高以外，其余的設備超臨界機組和亞臨界機組基本相同。
3 600MW超臨界和亞臨界機組性能的比較
3.1 熱經(jīng)濟性比較
先將國內部分600MW機組熱耗比較以下，情況如表1：（本表以上海石洞口二廠(chǎng)的機組作為參照標準）
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