华能营口电厂600MW超超临界机组设计特点(一)

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摘要：华能营口电厂2X600MW超超临界机组为国内首台投运的600MW等级超超临界机组，本文介绍汽轮机系统及设备在系统拟定、设备选型和主厂房布置等方面的设计特点。
关键词：两缸两排汽；超超临界；保证热耗；标准煤耗；主厂房布置
1 概述
华能营口电厂二期工程安装两台600MW超超临界机组，三大主机由哈尔滨三大动力厂引进日本三菱技术设计制造。两台机组分别于2007年8月31日及10月14日移交生产，通过投产后运行实践，两台机组各项指标达到设计要求
2 主要热经济指标
1) 汽轮机在热耗率验收(THA)工况的保证热耗率值：7428KJ/KW.h（暂定）
2) 锅炉在额定蒸发量时的保证热效率：93.34 % (设计煤种)
3) 机组绝对效率：48.465 %
4) 发电厂热效率：44.785%
5) 发电标准煤耗率：274.65g/KW.h
3 汽轮机主要设计特点
3.1机组的参数
汽轮机采用哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的超超临界、一次中间再热、单轴、两缸两排汽、单背压、凝汽式汽轮机。汽轮机具有八级非调整回热抽汽，给水泵汽轮机排汽进入主机凝汽器。汽轮机额定转速为3000转/分。汽轮机型号：CLN600-25/600/600型。

汽轮机主要参数汇总表

名 称

单位

TRL工况

TMCR工况

VWO工况

THA工况

功率

MW

600.000

624.100

646.900

600.000

热耗率

kJ/kWh

7637

7447

7469

7428

主蒸汽压力

MPa(a)

25.0

25.0

25.0

25.0

再热蒸汽压力

MPa(a)

4.30

4.33

4.54

4.12

主蒸汽温度

℃

600

600

600

600

再热蒸汽温度

℃

600

600

600

600

主蒸汽流量

t/h

1709.232

1709.232

1795.000

1622.487

再热蒸汽流量

t/h

1389.123

1398.132

1464.445

1330.774

高压缸排汽压力

MPa(a)

4.78

4.81

5.04

4.58

低压缸排汽压力

kPa(a)

11.8

4.9

4.9

4.9

低压缸排汽流量

t/h

970.433

972.811

1012.721

932.235

补给水率

%

3

0

0

0

3.2机组的形式
华能营口电厂二期工程的2X600MW超超临界机组采用的是日本三菱公司设计的两缸两排汽机组，与备选方案三缸四排汽机型相比，机组的高中压部分设计相同，均为三菱公司的设计技术；两缸机组的低压缸为三菱公司设计技术，而三缸机组的低压缸为哈汽的常规超临界设计技术。两缸两排汽机组长21米，宽10.5米，高7.5米，本体总重770吨；三缸四排汽机组长28米，宽10.5米，高6.2米，本体总重1020吨。两缸机组的外形及重量均远小于三缸机组，制造成本低。从热耗率来看，三缸机组THA工况的设计热耗率比两缸机组低24kJ/kW.h，全年加权平均热耗率比两缸机组低6.4kJ/kW.h，两缸机组的热耗率略高于三缸机组。与两缸机组完全相同的日本广野5#机组，到目前运行的各项指标均达到设计值。尤其是世界上最长的48英寸末级钢制叶片在投运前进行了大量的实验验证，以确保其安全性，并且在广野5#机组上安全运行。综合上述因素，由于两缸机组与三缸机组的经济性基本相当，而两缸机组的制造成本及运行维护成本均低于三缸机组，安全性也得到了相应的验证，因而两缸两排汽机型是比较合理的选择。
3.2机组参数的确定
主蒸汽的温度拟采用580℃或600℃，汽机厂对采用两种不同的主蒸汽温度，从热耗率和制造成本方面进行了计算比较，主蒸汽温度采用580℃，在THA工况下，机组的热耗率比主蒸汽温度采用600℃高43 kJ/kW.h，全年的运行成本高228万元左右（年运行小时7800h，标准煤价400元/吨，标准煤发热量29300 kJ/kg）。主蒸汽温度从580℃提高到600℃，汽轮机主要部件的材料不变，只是高压进汽部分的壁厚增加20%左右，对汽轮机的制造成本的影响仅20万元左右。综合上述，主蒸汽温度采用600℃比主蒸汽温度采用580℃有较大优势。主蒸汽压力经过优化后，确定锅炉出口为26.25MPa，汽轮机入口为25MPa。
3.3机组的特点
汽轮机为单轴、两缸、两排汽、一次中间再热、凝汽式机组。高中压汽轮机采用合缸结构，汽轮机低压缸采用48英寸末级叶片，这种设计降低了汽轮机总长度，紧缩电厂布局。机组采用超超临界蒸汽参数（25MPa、600℃／600℃），因此具有较高的经济性，设计工况下机组热耗率为7428kj/kwh，发电煤耗274.65g/kwh，供电煤耗294.13g/kwh，处于同功率等级机组领先地位。两台机组分别于2007年8月31日及10月14日移交生产，通过投产后运行实践，机组各项指标达到设计值。
3.4 机组技术经济性比较
与超临界机组的经济性比较
营口600MW超超临界机组与600MW超临界机组经济指标比较
技 术 经 济 指 标 比 较

项 目

600MW超超临界机组

600MW超临界机组

主蒸汽参数

25MPa/600℃/600℃

24.5MPa/566℃/566℃

汽机热耗(kJ/kW.h)

7428

7522

锅炉效率(%)

93.3

93.3

管道效率(%)

99

99

发电效率(%)

44.8

44.2

发电煤耗(g/kW.h)

274.7

278.3

效率提高(%)

+1.3

0

600MW超超临界机组比600MW超临界机组有较好的经济性，效率提高1.3%。为营口电厂降低成本，竞价上网发电打下良好的基础；
与600MW超临界机组比年节省标准煤23760吨/年（按发电设备利用小时5500小时计算），预计年降低生产成本1069.2万元（按标煤450元/吨）。

4 四大管道材料设计特点
4.1主蒸汽和再热热段管道材料
超超临界机组设计关键之一是选择合适的高温管道用钢材，高温管道用钢材一般考虑以下因素：要求具有高的高温热强度、耐高温腐蚀、耐汽侧氧化、有良好的焊接及加工性能，经济上比较合理。根据各国的应用经验，适用于600℃以上的高温管道材料主要有ASTM A335 P92、ASTM A335 P122和E911等三种。对于主蒸汽和再热热段蒸汽管道，从高温热强度、焊接方面及抗氧化性等方面的综合比较，A335 P92做为主蒸汽和再热热段管道的材料比P122和E911有更大的优势。由于当时A335 P92材料没有纳入任何材料标准（只列入ASME Code Case），通过研讨，其许用应力值是根据2005年EC(欧洲蠕变学会)的评估值而选取的，610℃时的许用应力为66.6Mpa。2007年，P92材料被纳入欧洲标准：DIN EN 10216-2，材料牌号为：X10CrVVMoVNb9-2，610℃时的许用应力为66.6Mpa。
4.2再热冷段管道材料
对于再热冷段蒸汽管道，虽然超超临界主蒸汽压力提高，但受到低压缸排汽湿度的限制，高压缸的排汽压力变化不大，因此，其正常工作最高排汽温度也不会超过400°C。但营口二期工程的主机有特殊要求，其高压缸排放温度可有短暂的450°C，最高允许使用温度为427°C的A672B70CL32电熔焊接钢管已不能使用，所以选择能耐更高温度的A691Cr1-1/4CL22电熔焊接钢管。
4.3高压给水管道材料
对于高压给水管道，由于受到烟气露点的限制，空气预热器出口的排烟温度很难做到低于120°C，因此尽管超超临界机组的蒸汽参数提高得较多，但给水温度仍维持在300°C左右，而目前建设的超超临界机组给水管道压力只是略高于600MW超临界机组，就目前国内外高压给水管道普遍采用的EN10216－2标准的15NiCuMoNb5-6-4无缝钢管来说，仍然适用，不涉及新材料的应用。
4.4四大管道材料及规格
四大管道的材料和规格

名称

管道规格

管道材质

1

主蒸汽支管

ID292X71

A335P92

2

主蒸汽总管

ID406X98

A335P92

3

再热热段总管

ID883X41

A335P92

4

再热热段支管

ID626X29

A335P92

5

再热冷段总管

OD1016x31.75

A691Gr2 1/4CL22 1/4CL22

6

再热冷段支管

OD711x22.23

A691Gr2 1/4CL22

7

旁路阀前母管

ID197X49

A335P92

8

旁路阀前支管

OD152X38

A335P92

9

旁路阀后管道

OD630X8

Q235-A

OD630X8

A691Gr21/4CL22 1/4CL22L22 1/411/1/1/4CrCL22

10

汽泵支管

OD355.6X40

15NiCuMoNb5-6-4（WB36）

11

电泵支管

0D323.9X40

15NiCuMoNb5-6-4（WB36）

12

给水母管

OD508X55

15NiCuMoNb5-6-4（WB36）

5 汽轮机旁路系统设计特点
由于三菱公司机组的成熟启动方式为汽轮机高压缸启动，机组启动时，锅炉再热器在控制烟温的前题下可以干烧，所以旁路系统采用一级旁路系统，由主汽经旁路阀减温减压后进入凝汽器。旁路容量按满足机组启动功能设计，容量为30%BMCR，旁路阀采用电动。减温水来自凝结水系统。
一级大旁路系统降低了电厂设备的初投资，比二级旁路系统减少了占地面积，简化了控制连锁程序，降低了运行维护费用。

给水系统设计特点
6.1 给水系统
给水系统采用单元制，每台机组配置二台50%B-MCR容量的汽动给水泵，一台电动定速给水泵作为启动及紧急停机（主机凝汽器破坏真空）锅炉补水用泵。锅炉最小直流负荷为25%BMCR，为满足锅炉启动要求，电动定速给水泵的容量为25%BMCR。每台汽动给水泵有一台定速电动机拖动的前置泵。汽动给水泵与前置泵不考虑交叉运行。电动给水泵前置泵与主泵用同一电机拖动。
给水系统中三台高压加热器采用大旁路系统，旁路管道由3号高加入口前三通阀接出，在1号高加出口电动闸阀后接入，具有系统简单，阀门少，投资节省，运行维护方便等优点。
给水泵汽轮机为单缸、单轴、纯凝汽汽轮机。
正常工作汽源来自主汽轮机四级抽汽，备用汽源来自主汽轮机高压缸排汽。小汽机排汽进入主凝汽器。