超临界及超超临界机组的运行特性研究

超临界及超超临界机组的运行特性研究*
刘国跃1，朱宝田2，雷兆团2
（1华能国际电力股份公司，北京市 100031；2西安热工研究院，陕西省西安市 710032）
摘要：研究了超临界及超超临界机组运行中的一些特殊问题，如高蒸汽参数对锅炉、汽轮机启动及变负荷运行特性影响；机组的旁路系统、机组低负荷运行、负荷变化范围、负荷阶跃、负荷变动率、启动时间等运行特性等。

文章认为超超临界机组运行在60%～100%负荷范围内比较经济合理，其效率仅下降2.3%。

关键词：超临界机组；超超临界机组；锅炉；汽轮机；旁路系统；变负荷；运行；火力发电厂
超临界及超超临界机组有较高的主蒸汽压力和主蒸汽温度，机组设备选用的材料有所不同，承压部件的壁厚较厚，在运行中存在一些特殊问题。

对其运行特性进行研究，对确保机组的安全、经济运行是必要的。

1高蒸汽参数对锅炉运行特性的影响
1.1锅炉启动系统
超临界及超超临界机组采用直流锅炉。

直流锅炉在启动前必须建立一定的启动流量和启动压力，强迫工质流经受热面，使其得到冷却。

但是，不同于汽包锅炉那样有汽包作为汽水固定的分界点，直流锅炉是水在锅炉管中加热、蒸发和过热后直接向汽轮机供汽，在启停或低负荷运行过程中有可能提供的不是合格蒸汽，而是汽水混合物，甚至是水。

因此，直流锅炉必须配套特有的启动系统，以保证锅炉启停和低负荷运行期间水冷壁的安全和正常供汽。

超超临界直流锅炉的启动流量一般选取为额定流量的30%～35%。

丹麦超超临界锅炉的启动流量为30％最大持续定额功率（MCR）。

我国引进前苏联超临界锅炉的启动流量为30％MCR。

石洞口二厂ABB超临界锅炉的启动流量为35%MCR。

日本超临界锅炉启动流量选取得较小，一般为25%～30%MCR。

根据超临界直流锅炉启动分离器的运行方式，启动系统可分为内置式和外置式2种。

外置式启动分离器系统只在机组启动和停运过程中投入运行，而在正常运行时被解列。

我国125MW和300MW亚临界机组锅炉均采用外置式启动分离器系统。

外置式启动分离器系统在启动系统解列或投运前后操作复杂，汽温波动大，难以控制，对汽轮机运行不利。

因此，欧洲国家、日本及我国运行的超临界和超超临界锅炉均未采用外置式启动分离器系统。

内置式启动分离器系统在锅炉启停及正常运行过程中，汽水分离器均投入运行，所不同的是在锅炉启停及低负荷运行期间，汽水分离器湿态运行，起汽水分离作用，而在锅炉正常运行期间，汽水分离器只作为蒸汽通道。

内置式启动分离器设在蒸发区段和过热区段之间，汽水分离器与蒸发段和过热器间没有任何阀门，系统简单，操作方便，无外置式启动系统那样的分离器解列或投运操作，从根本上消除了汽温波动问题。

由于它适合于机组调峰，因而在世界各国超临界及超超临界锅炉上得到了广泛应用。

我国超临界锅炉全部采用内置式启动分离器系统。

内置式启动分离器系统由于疏水回收系统不同，基本可分为扩容器式、循环泵式和热交换器式3种。

不同的内置式分离器启动系统各有优缺点，其选择原则应以用户的要求为主，主要考虑投资和运行维修的方便性。

我国燃料价格相对于日本和西方国家低，调峰幅度还没有达到两班制和周日停机的程度，因而适合采用投资小、运行维修简单的扩容器式内置式启动分离器系统。

1.2高蒸汽参数对锅炉变负荷运行特性的影响
1.2.1高参数对锅炉变负荷速率的影响
一般亚临界自然循环汽包锅炉允许变负荷速率为0.6％MCR/min，控制循环汽包锅炉变负荷速率为3.6％MCR/min，而螺旋管圈式直流锅炉允许变负荷速率为5%～8%MCR/min。

直流锅炉由于没有厚壁部件汽包，具有快速变负荷的能力。

但是，随着锅炉参数的提高，内置式启动分离器的壁厚会增加，因而将限制锅炉负荷的变化速率。

超超临界锅炉由于材料等级的提高，分离器壁厚仅为亚临界600MW锅炉汽包壁厚的1/3左右，因此超超临界锅炉允许负荷变化速率还是较大的。

国外超超临界机组的变负荷速率一般为2％MCR/min，完全可以满足机组的负荷变化速率的要求。

机组的调峰速度主
要取决于汽轮机热应力、涨差等因素。

随着机组蒸汽参数的提高，机组的高温高压部件壁厚将增加，有些部件可能采用奥氏体钢，这样对机组运行方式可能产生不利影响。

据有关资料介绍，机组参数为26MPa/540℃/560℃时，允许机组以任何方式运行(包括每日启停、每周启停)；参数为28MPa/560℃/580℃，且当过热器末级受热面采用膨胀系数较大的奥氏体钢时，按每日启停运行，将有高温腐蚀的危险；参数达28MPa/580℃/600℃时，过热器末级受热面高温腐蚀危险性就更大。

1.2.2超超临界锅炉的调峰幅度
超超临界机组调峰幅度与诸多因素有关，主要是安全性和经济性方面的要求。

超超临界锅炉最低负荷主要取决于水冷壁的安全负荷。

一般超超临界锅炉的最低负荷为30%～35%MCR。

锅炉在此负荷以上运行时，水冷壁是安全的，但需要启动分离器系统，以增加水冷壁的质量流速。

启动分离器系统的投运将造成工质热量的损失，使机组的经济性变差。

同时，频繁的投运启动分离器系统，将使其阀门受到损伤。

因此，超超临界锅炉最低调峰幅度不应低于水冷壁的安全负荷。

调峰幅度还应考虑锅炉最低不投油稳燃负荷。

若负荷较低，锅炉燃烧不稳，需要投油助燃，燃料成本将增大。

最低不投油稳燃负荷取决于煤质和燃烧器特性，锅炉一旦建成，可通过试验确定最低不投油稳燃负荷。

因此，超超临界锅炉的调峰幅度应以保证水冷壁安全、不投运启动分离器系统和最低不投油稳燃为原则，以此原则来确定锅炉的最低调峰负荷。

1.2.3锅炉滑压运行应注意的问题
超超临界直流锅炉在滑压运行时，水冷壁内的工质随负荷的变化会经历高压、超高压、亚临界和超临界压力区域，在设计和运行时必须重视可能产生的问题。

如：
(1) 锅炉负荷降低时，水冷壁中的工质质量流速也按比例下降。

在直流运行方式下，工质流动的稳定性会受到影响。

为了防止出现流动的多值性不稳定现象，要限制最低直流负荷时水冷壁入口工质欠焓；同时压力不能降得太低，一般最低压力在8MPa左右（即所谓定－滑－定运行方式）。

(2) 低负荷时，水冷壁的吸热不均匀将加大，可能导致温度偏差增大。

(3) 在临界压力以下运行时，会产生水冷壁管内两相流的传热和流动，要防止膜态沸腾而导致的水冷壁管超温。

(4) 在整个滑压运行过程中，蒸发点的变化使水冷壁金属温度发生变化，要防止因温度频繁变化引起的疲劳破坏。

2高蒸汽参数对汽轮机运行特性的影响
目前的超超临界火力发电机组的蒸汽温度已达到580～600℃，转子、叶片等旋转部件在此高温下运行需持续承受高的离心力。

长期处于高温下工作的汽轮机转子，由于高温和启停中的热应力，会造成持久强度的消耗(低周热疲劳)和高温蠕变的累积。

随着主蒸汽压力的进一步增加，超超临界汽轮机组存在一些特殊问题：
(1) 超超临界机组压力、温度提高后，汽缸、喷嘴室、主汽阀、导汽管等承压部件的壁厚增加。

壁厚的增加将使非稳定热应力增大，对运行不利。

从控制机组启停热应力的角度考虑，应尽量控制壁厚增加，部件形状应尽量简单，内径要小。

即在满足对超超临界机组的运行性能的要求下，还要兼顾和解决超超临界机组关键零部件的疲劳损耗趋于严重的问题。

(2) 若汽轮机转子材料仍用铬钼钒钢时，为适应600℃的再热进汽温度，要采用蒸汽冷却转子的高温部分，使其工作温度降至510℃左右。

这也要解决好汽轮机中压进汽部分的冷却技术，包括冷却方式、冷却效果及转子温度场、温度应力及兼顾部件强度、膨胀、蠕变、热应力和低周热疲劳性能之间的矛盾。

(3) 超超临界机组高压部分的蒸汽密度极大，级间压差大，相应的蒸汽激振力也大。

为此，除要研究和精心设计轴系及汽封结构外，在运行中对轴系稳定性问题要格外注意。

(4) 超超临界机组的蒸汽密度大，压差大，蒸汽携带的能量也大。

机组在甩负荷时，汽缸、管道、加热器中的蒸汽推动转子转速的飞升要比超临界机组的大。

这会直接影响机组的安全运行，因而必须解决。

(5) 汽轮机轴系较长，启动过程中因温度变化引起的动静部分的胀差需要进行精心组织。

据调查分析，限制汽轮机组启停和变负荷运行的主要因素有：①汽轮机蒸汽室、阀门和内缸热应力；②汽轮机转子低周应力疲劳寿命；③汽轮机在启动和停机过程中的振动及胀差。

启停和变负荷运行能力的关键在于停机不同时间后，再次启动所需的时间和运行中对负荷变化的响应能力。

良好的调峰特性体现在低负荷时具有较高的效率、良好的启动特性（启动时间短）和良好的负荷适应性。

要求超超临界机组具有良好的运行特性，能以最小的寿命损耗进行启停和变负荷运行，则应从机组部件采用的材料、部件设计、控制系统、运行方式等方面考虑。

3旁路系统
机组的旁路系统是机组的重要辅助系统，其配置的优劣直接影响机组运行的安全性和经济性。

旁路系统的形式及其容量的合理选择，与机组在系统中承担的负荷性质，锅炉型式、启动方式和启动参数，汽机的结构及其冲转方式、冷热态冲转参数以及自动控制水平等有关。

旁路系统除常用的高压、低压两级串联旁路外，还有三用阀旁路系统。

三用阀旁路系统的特点是高压旁路阀兼有启动调节阀、减温减压阀和安全阀的作用，故称为三用阀。

三用阀系统亦是由高、低压旁路组成的两级串联旁路系统，但其容量配置较大，一般推荐采用100％容量的高压旁路，60％～70％容量的低压旁路，并设置带有附加控制的再热器安全阀。

在进口机组中，采用直流型锅炉的机组均设置了三用阀旁路系统，如元宝山电厂二期工程1×626.9MW机组，华能石洞口第二发电厂2×600MW机组等。

选择高、低压旁路的容量，需按机组的需求、运行模式等因素综合考虑。

当输电线路等发生故障，机组只带厂用电运行（FCB工况）时，汽机负荷急剧变化，而锅炉负荷响应较缓慢，此时旁路系统吸收锅炉负荷与汽机负荷之差及带厂用电最低负荷与锅炉燃烧系统最低负荷之差。

若需旁路系统来平衡机炉之间的蒸汽量，且不使安全阀动作，则需保证以下2点：旁路容量足够大(根据前苏联做过的大量试验统计，旁路容量不小于85%)；旁路阀全开时间不超过3s。

机组从满负荷跌至厂用电或零，要求锅炉负荷从100％减至50％，一般需60s。

在此期间，为避免过热器和再热器管子过热，也为避免过热器安全阀动作(超临界锅炉安全阀动作后再复位就要泄漏)，高压旁路容量至少要75％锅炉最大额定出力（BMCR）并加上20％BMCR的释放阀容量，低压旁路容量可以采用50％BMCR加上100％BMCR的再热器释放阀容量。

欧洲许多国家以水电和核电作为基本负荷，用大型火电厂调峰，普遍采用100％BMCR高压旁路容量，取消锅炉过热器的安全阀和所有释放阀，而低压旁路容量为65％～80％BMCR加上100％BMCR的再热器释放阀容量。

因为低压旁路容量如取100％BMCR，则凝汽器容量要增加较多，因此当只带厂用电运行（FCB工况）时，放掉一些中压蒸汽，而不用100％旁路容量。

高压旁路阀开启时间的长短会影响FCB的性能。

超临界机组旁路阀开启时间见表1，低压旁路开启时间约5s。

表1高压旁路开启时间和动作压力
表2给出了3种高压旁路容量和阀门开启时间的3种结果，其中只有第3种情况才能满足FCB的需要。

通过对超临界机组旁路系统的比较和分析，我国超超临界机组旁路系统宜选择两级串联旁路系统，使机组具有较高的运行灵活性，以加快机组的启动速度，缩短启动时间，并具有较好的调峰能力。

旁路系统的容量应结合机组的运行方式和旁路系统的功能来确定。

表23种高压旁路容量和阀门开启时间
情况高压旁路
容量/%
阀门开启
时间/s
结果
最大压力/MPa 回复时间/s
1 76 23 27.44 70
2 55 2
3 27.73 120
3 76 3 26.75 60
4超临界及超超临界机组的运行特性
4.1低负荷运行
丹麦和欧洲的超超临界机组的良好性能是基于低负荷滑压运行，即主蒸汽压力随着负荷的降低而降低，日本的部分超超临界机组也是低负荷滑压运行。

从滑压运行到定压运行的切换点在30％负荷，这提高了机组在低负荷时的效率。

低负荷运行的特性是炉膛的出口烟温降低，这意味着吸热的增加，将会对炉膛水冷壁管的冷却带来问题。

而纯滑压运行意味着降低蒸汽压力，使得蒸发受热面的吸热增加补偿了这种趋势。

纯滑压运行使得电厂控制系统更简单，在采用电动给水泵时也能配合得很好。

电厂低负荷运行方式对电厂设计的影响很大。

复合滑压运行的电厂设计通常是在3阀全开运行时最经济，过负荷时是第4个阀打开。

尽管3阀全开时最经济，然而电厂大部分辅机在减负荷运行，降低了该负荷下的效率。

丹麦和欧洲的超超临界机组的额定负荷被设计成最经济的负荷，在低负荷时滑压运行，以保证电厂在额定负荷运行时，所有设备也在额定负荷运行。

超超临界机组在部分负荷滑压运行时的效率：当负荷分别为100%、60%和40%时，相对净效率分别为100%、97.7%和93.6%。

此外，从丹麦ELSAM超超临界机组的运行表明，在80%～100%负荷范围内机组效率基本是不变的，在60%～100%负荷范围内机组效率的变化也不大。

4.2负荷变化范围
超超临界机组的负荷可在10%～100%BMCR之间变动，锅炉最低稳燃负荷约为30％BMCR，在35％BMCR以上时为纯直流运行。

在丹麦，当带厂用电运行时，蒸汽通过高低旁路排入凝汽器。

4.3负荷变动率
超超临界机组可能的负荷变动率列于表3。

由于受厚壁部件热应力的限制，通常降负荷时的负荷变动率要比升负荷时的要求严一些。

表3超超临界机组可能的负荷变动率
负荷变动/燃料煤油或气
50%～90%MCR 4%MCR／min 8%MCR／min
20%～50% 及 90%～100%MCR 2%MCR／min 4%MCR／min
4.4负荷阶跃
对于超超临界机组，在70%～95%MCR负荷范围内，能做到5％额定负荷的负荷阶跃，其中2.5%以上在5s内完成，其余2.5%在30s内完成，仅通过停止凝结水及相应的抽汽快关阀。

在70%负荷以下时，则需采用汽轮机进汽阀节流来获得5%的负荷阶跃，也就是在负荷阶跃前，机组必须改进滑压运行方式。

在40%MCR负荷时，为满足5%的负荷变动率，汽轮机节流约为8%～10%。

4.5启动时间
表4列出了超超临界机组一些典型的启动时间。

表4超超临界机组启动时间
启动状态点火到并网时间/min 并网到额定负荷运行时间/min
热态启动通常发生在晚间停机后，温态启动通常发生在周末停机后。

5结束语
超超临界机组由于比超临界和亚临界机组有较高的效率和相同的运行可靠性，因而具有巨大优势。

然而，其高效率是在较高的负荷时才能显示出来的。

在超超临界机组的日常运行中，若其承担调峰运行或维持低负荷下运行，当机组负荷降低至一定负荷时，其经济性将与超临界机组或亚临界机组相当，此时的负荷（或负荷率）可称之为超超临界机组的最低运行经济负荷点。

当机组继续降低负荷运行，则其经济性则等同于超临界机组或亚临界机组，失去了其高效率的意义，因此，应避免机组在过低负荷下运行，尽量使机组保持在其最低运行经济负荷点之上运行。

超超临界机组在60%～100%负荷范围内滑压运行时其效率的变化不大，仅下降2.3%，随后下降较快。

因此，超超临界机组运行在60%～100%负荷范围内是比较经济合理的。