新型沉降式电站锅炉系统的技术经济分析

徐 钢， 胡 玥， 杨勇平， 许 诚， 宋晓娜， 宋景慧

（1.华北电力大学 国家火力发电工程技术研究中心，北京102206；2.北京信息科技大学 机电实习中心，北京100192；3.广东电网公司电力科学研究院，广州510080）

节能降耗工作日益受到重视，为了进一步降低能耗、减少污染物排放，大容量、高参数机组的发展势在必行.针对炉膛尺寸与受热面布置匹配、降低锅炉炉膛出口及各受热面左右的烟温偏差以及减少汽轮机受固体颗粒侵蚀等问题，电站通常采用塔式锅炉以体现出对机组参数提高更好的适应性［1］.

同时，随着电站机组容量的不断增加，迫切需要解决以下问题：（1）锅炉的高度增加，塔式锅炉的高度增加更多.在国外，燃用褐煤的1 000MW超超临界塔式锅炉的高度已经达到了160m，我国燃用烟煤的1 000MW超超临界塔式锅炉的高度也达到了129m［2］.随着锅炉高度的增加，本体支吊及相关受热面和管道的布置更加困难，钢架结构的金属材料耗量也更大.同时，由于各类管道的长度增加，阻力损失增大，影响机组效率的进一步提高［3］.（2）管道投资大幅增加.由于主蒸汽、再热蒸汽管道承受的压力高、温度高，需要采用特殊钢种，其价格昂贵.有报告称，将蒸汽温度提高到700°C后，机组的热效率将比目前超超临界机组蒸汽温度为600°C时提高3%，但是特种合金的价格将提高9倍，可见管材价格过高已经成为限制高参数机组发展的重要问题之一［4］.

鉴于此，很多科研工作者提出不同的布置方案以缩短管道长度，节约管材投资，如冯伟忠提出将汽轮机高压缸放到锅炉上部，但是设计存在结构强度问题；尧国富等提出对锅炉与汽轮机等进行高设计，但由于锅炉采用П型布置，当烟气转向后容易造成受热面热偏差，可能导致部分管道因超温而损坏.

因此，笔者提出了一种新型沉降式锅炉设计，即通过向地下挖掘或利用原有地势将塔式电站锅炉主体部分的1／2～2／3沉入地表以下，使汽轮机平台和锅炉过热器、再热器平台处于同一水平面，从而大幅度缩短主蒸汽和再热蒸汽管道的长度，并对因管道长度变化带来的管道阻力特性、管道投资成本及电站整体技术经济性变化进行了深入研究.

1 新型沉降式电站锅炉系统

针对高参数、大容量机组存在的问题，笔者提出的新型沉降式电站锅炉能有效缩短三大蒸汽管道（主蒸汽、再热蒸汽冷段和热段）长度，而且可以提高机组效率.沉降式电站锅炉系统布置见图1.该设计选用塔式锅炉，在安装电站锅炉处开挖或利用原有地势对锅炉结构进行改造，形成50～100m深的地下空间，将塔式电站锅炉主体部分的1／2～2／3沉入地表以下，沉降式塔式电站锅炉顶部距离地面只有20～40m，烟道经转向后仅需10～30m管道就能直接与地面的空气预热器1、引风机3连接至脱硫单元.空气经空气预热器加热后由空气管道2送入塔式锅炉的下部与风口相连接.过热器4、再热器5和省煤器6均布置在塔式锅炉上部，与汽轮机平台基本处于同一水平面上.这种设计大幅度缩短了锅炉过热蒸汽和再热蒸汽管道的长度，降低了锅炉的钢架悬吊结构成本［3］.若能利用地势条件，如利用山坡、峡谷等的高度差布置沉降式锅炉，可以降低土建费用，则新型沉降式塔式锅炉的投资成本节省空间会更大.

图1 沉降式电站锅炉系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the settlement boiler system

塔式锅炉还具有以下优点：（1）占地面积小.塔式锅炉一般为瘦高型，П型锅炉多为矮胖型，沉降式塔式锅炉解决了由于机组容量增大、锅炉高度增加带来的布置及悬吊问题.（2）减轻受热面积灰.由于受热面均布置在第一烟道，灰的运动方向与重力方向相反，灰颗粒大到一定程度后就不能被烟气携带而返回炉膛或悬浮在炉膛中，因此减轻了受热面积灰.（3）输水能力强.锅炉所有的受热面均采用水平布置，具有很强的自疏水能力.（4）受热均匀.与П型锅炉相比，塔式锅炉所有受热面均布置在第一烟道，因此不会因烟气转向而造成烟气温度场分布不均，可以减小受热面热偏差［5－7］.

2 沉降式锅炉设计的管道性能分析

2.1 管道的流动损失计算

管道阻力损失分为沿程阻力损失和局部阻力损失.沿程阻力损失发生在缓变流整个流程中，与管道长度和管内工质流态有关.局部阻力损失发生在流动状态急剧变化的急变流中，如管道阀门、弯头和大小头等处，主要是由于在管件附近产生漩涡以及流体微团碰撞等造成的能量损失［8］.

2.1.1 沿程及局部阻力

沿程及局部阻力计算公式分别为式中：Δpf为直管段沿程阻力损失，Pa；Δpj为局部阻力损失，Pa；λ为沿程阻力损失系数；ξ为局部阻力损失系数；v为管道内介质流速，m／s；ρ为蒸汽的密度，kg／m3；L为直管长度，m；d为管道内径，m.

2.1.2 串联管道阻力

由不同直径或粗糙度的数段管子连接在一起的管道称为串联管道.串联管道的阻力损失为各段管道损失的总和，其计算公式为

式中：Δp为管道系统阻力损失，Pa；λi为第i段管道沿程阻力损失系数；ξi为第i段管道局部阻力损失系数；vi为第i段管道内介质流速，m／s；li为第i段管道长度，m；di为第i段管道内径，m.

2.1.3 并联管道阻力

在某处分为几路、到下游某处汇合成一路的管道称为并联管道，并联管道的各管路损失相同.2条支管的简单并联管路，各支管的质量流量与阻力损失的关系为

式中：G1、G2分别为第一、第二条支管的质量流量，kg／h；ξ1、ξ2分别为第一、第二条支管的总阻力损失系数［9］.

经计算得出各支管质量流量后，可以通过式（1）和式（2）计算出并联管路阻力损失.

2.2 典型1 000MW超临界机组的管道系统性能分析

笔者以某1 000MW超临界机组管道系统为研究对象，采用新型沉降式锅炉使汽轮机平台和锅炉过热器、再热器平台处于同一水平面，大幅度缩短了锅炉主蒸汽、再热蒸汽冷段和热段的管道长度，从而减少了管道阻力损失，提高了机组效率.

2.2.1 主蒸汽管道的计算结果

假设主蒸汽管道水平走向及距离不变，取消竖直方向管道，使主蒸汽管道的平均长度从186m降至126m，减少约60m，且取消10个弯头，在不采用任何减阻优化措施下，主蒸汽管道的阻力损失由设计值5.11%降至3.59%.

沉降式电站锅炉设计使汽轮机、过热器和再热器基本处于同一平台上.这种优化布置不仅能够缩短垂直方向的管道长度，同时也能缩短水平方向的管道长度.当主蒸汽管道长度在126～66m间变化、弯头为13个时，主蒸汽管道的阻力损失系数发生变化，其管道阻力损失系数随管道长度减小值的变化见图2.从图2可知：当主蒸汽管道的长度减小值在60～120m时，管道阻力损失系数在3.59%～2.25%内变化，长度越短，管道阻力损失系数越小.当主蒸汽管道的平均长度为66m时，管道阻力损失系数仅为原值5.11%的一半左右，减阻效果明显.由图2还可以看出，当主蒸汽管道长度缩短时，沿程阻力损失所占比重减小，局部阻力损失所占比重增大，可以通过采用弯管替代弯头来进一步降低管道系统的阻力损失.

图2 主蒸汽管道阻力损失系数随管道长度减小值的变化Fig.2 Variation of pressure loss in main steam pipe with pipe length reduction

2.2.2 再热蒸汽冷段

假设再热蒸汽冷段管道的水平走向及距离不变，取消竖直方向管道，使再热蒸汽冷段管道的平均长度由205m减至177m，平均减少30m左右，取消8个弯头，在不采用任何减阻优化措施下可以使再热蒸汽冷段管道的阻力损失系数由1.74%下降至1.41%.

对于再热蒸汽冷段管道系统，在缩短垂直方向管道长度的同时，可以通过优化布置进一步缩短水平方向的管道长度.当再热蒸汽冷段管道的长度在85～175m变化、弯头仅为6个时，再热蒸汽冷段管道的阻力损失系数随管道长度减小值的变化见图3.从图3可知：管道越短，阻力损失越小，当主蒸汽管道的平均长度缩短到120m时，管道阻力损失系数由1.74%降至1.08%.由于再热蒸汽冷段管道材料的价格较便宜，可以考虑通过增大管道直径的方法进一步减小管道阻力.当管道长度缩短120m、管径增大70mm时，管道阻力损失系数降低至0.76%，约为原管道阻力损失的44%，减阻效果十分明显.

图3 再热蒸汽冷段管道阻力损失系数随管道长度减小值的变化Fig.3 Variation of pressure loss in cold segment reheated steam pipe with pipe length reduction

2.2.3 再热蒸汽热段

今年10月，当戴鸿靖在开心地推出2018 Pét-Nat时，一位上海的高级侍酒师（Advanced Sommelier）武肖彬（Arneis）做了一个决定——放弃今年的MS考试资格。

图4 再热蒸汽热段管道阻力损失系数随管道长度减小值的变化Fig.4 Variation of pressure loss in hot segment reheated steam pipe with pipe length reduction

假设再热蒸汽热段管道的水平走向及距离不变，取消竖直方向管道，使再热蒸汽热段管道的长度由218m缩短到148m，平均缩短约70m，取消12个弯头，在不采用任何减阻措施下也能够大幅度降低管道的阻力损失，使再热蒸汽热段管道的阻力损失系数由3.06%降至1.87%.经过管道优化布置后，再热蒸汽热段的管道阻力损失系数随管道长度减小值的变化见图4.从图4可知：当再热蒸汽热段管道长度减小值在70～120m内变化时，阻力损失系数在1.87%～1.36%内变化，且管道长度越短，阻力损失越小.当管道长度由218m缩短至98m时，阻力损失系数降至1.36%，为原阻力损失系数的45%左右，减阻效果明显.由于再热蒸汽热段的管道较长，沿程阻力损失所占比重大，因此缩短管道长度能够有效减小管道阻力损失.当管道长度缩短到一定值时，可以通过减少管道局部阻力损失来进一步降低再热蒸汽热段的管道阻力损失.

2.2.4 再热器的阻力损失

由于塔式锅炉的所有受热面均布置在第一烟道，因此受热比较均匀，不会由于烟气转向而产生热偏差，因此可以适当取消各级再热器的进出口联箱，以减小再热器系统的阻力损失［10］.由于塔式锅炉受热均匀，炉膛窄，热负荷高，因而提高了对流受热面的传热系数，与其他炉型相比，在对流受热面的进、出口烟气和蒸汽参数相同的条件下，塔式锅炉对流受热面的传热面积明显减小，并且减小了各受热面蒸汽侧的阻力损失［5］.综上分析可知，塔式锅炉能够大幅度减小锅炉再热器的阻力损失.根据已投产的外高桥三期工程报道，采用塔式锅炉优化布置后，再热器的阻力损失由0.32MPa减小到0.2MPa，再热器的阻力损失系数减小到3.1%［11］.

2.2.5 热力性能综合分析

综上分析可知，采用沉降式电站锅炉可以使主蒸汽、再热蒸汽冷段和热段管道的长度大幅缩短，阻力损失减小，煤耗减少.假设电站锅炉效率为93%，管道效率为99%，再热器的阻力损失系数参照外高桥三期工程取3.1%，对1 000MW超临界机组采用沉降式电站锅炉进行热力计算，其结果见表1.当主蒸汽、再热蒸汽冷段和热段的管道长度均缩短120m 时，热耗由7 277.57kJ／（kW·h）降 至7 249.40kJ／（kW·h），煤耗率由269.682g／（kW·h）降至268.638g／（kW·h），电厂热效率比常规锅炉机组提高0.18%.

3 沉降式锅炉设计的经济性分析

3.1 经济性计算方法

由于沉降式锅炉使汽轮机平台与过热器、再热器平台基本处于同一水平面，因此可以大大缩短三大管道的长度.管道长度缩短一方面降低了管道阻力损失、提高了机组效率、节约了燃料，另一方面还可以减少锅炉系统管道的初投资.

3.1.1 机组热经济性计算

管道长度对机组效率的影响可由以下公式计算

表1 沉降式电站锅炉系统热力性能汇总Tab.1 Thermal performance summary for the settlement boiler system

式中：q0为机组的热耗率，J／（kW·h）；bcp为全厂煤耗率，kg／（kW·h）；ηcp、ηb、ηp分别为全厂热效率、锅炉效率和管道效率，%；Q0为机组热耗，kJ；Pe为机组发电量，kW·h；qm，0、qm，rh分别为主蒸汽、再热蒸汽质量流量，kg／h；h0为新蒸汽焓值，kJ／kg；hfw为给水焓值，kJ／kg；h″rh为热段再热蒸汽焓值，kJ／kg；h′rh为冷段再热蒸汽焓值，kJ／kg.

3.1.2 管道投资计算

管道长度缩短对管道投资影响的计算式为

式中：Δc为管道比投资减少值，元／kW；ΔC为管道长度缩短获得的投资减少值，万元；K为考虑安装使管道投资增加的系数；Pe为额定装机容量，MW；I为投资降低率；Cgro为总比投资，元／kW.

3.1.3 发电成本计算

在经济性分析中，发电成本是一个最重要的性能参数，其计算公式为

年燃料费用可由年燃料消耗量乘以燃料价格得到；年运行维护费用在简化计算中可由系统直接投资乘以一定的系数来进行估算；年投资费用是考虑资金的时间价值，由系统总投资分摊到各年的费用，其计算公式为

式中：A为年平均投资，万元；P为总投资，万元；CRF（i，n）为平均投资系数；i为贴现率，%；n为机组使用寿命，a.

3.2 典型1 000MW超临界机组的经济性分析

3.2.1 燃料费用

对于1 000MW超临界机组，采用沉降式电站锅炉设计能够大幅度缩短管道长度，减小管道阻力损失，降低煤耗和燃煤费用.表2给出了沉降式电站锅炉系统对机组燃煤费用的影响，表2中的煤价变化为600～1 000元／t.当主蒸汽、再热蒸汽冷段和热段管道的长度均缩短120m、煤价为1 000元／t时，1 000MW超临界机组年可节省燃料费609万.未来随着煤炭资源日益紧张，燃料价格必将上涨，沉降式电站锅炉带来的燃料费用的降低将更加显著.

表2 沉降式电站锅炉系统对机组燃煤费用的影响1）Tab.2 Fuel cost reduction resulted from adopting settlement boiler system

3.2.2 管道投资

管道长度缩短使得管道初投资减少，笔者分析三大管道长度减小值在70～120m内变化对初投资的影响，各管道的价格采用《火电工程限额设计参考造价指标》的参考价格，主蒸汽、再热蒸汽冷段和热段的管道价格分别为12.6万元／t、3.1万元／t和17.6万元／t，管道安装投资增加系数取1.49%［2］.

由于主蒸汽管道、再热蒸汽热段管道的价格较高，若三大管道缩短相同的长度，再热蒸汽热段管道、主蒸汽管道对管材初投资减少的贡献较大（见图5）.当三大管道的长度均缩短120m时，三大管道的初投资共减少6 526万元，其中再热蒸汽热段管道初投资减少3 207万元，主蒸汽管道初投资减少2 873万元，而再热蒸汽冷段管道初投资减少446万元.

图5 三大管道初投资减少值随管道长度减小值的变化Fig.5 Reduction of pipe investment vs.pipe length decrease

表3给出了沉降式电站锅炉系统对管道投资的影响.从表3可以看出，当管道长度减小值在70～120m内变化时，机组总比投资下降62～97元／kW，管道长度减小值越大，机组总比投资下降越明显.当三大管道的长度均缩短120m时，投资降低率为2.71%.随着机组参数及容量的进一步增大，将对管道提出更高的要求，管道价格也会显著上涨，采用沉降式锅炉带来管道初投资的减少将会更加明显.

表3 沉降式电站锅炉系统对管道投资的影响1）Tab.3 Pipe investment reduction resulted from adopting settlement boiler system

3.2.3 发电成本

沉降式锅炉对机组总投资的影响如下：（1）需要向下开挖一定空间，增加了土建成本；（2）管道长度缩短对钢结构强度更有保证，降低了锅炉钢架悬吊结构成本及相应的建筑安装成本；（3）管道长度缩短，管材采购及安装费用降低.

由于建造施工的复杂性，笔者重点关注管道性能分析，因此忽略沉降式锅炉带来的前两项影响.表4列出了沉降式电站锅炉系统对发电成本的影响.从表4可知，当煤价为600元／t、三大管道的长度均缩短120m时，发电成本下降0.28分／（kW·h），煤价越高，管道长度缩短对发电成本的影响越大.

表4 沉降式电站锅炉系统对发电成本的影响Tab.4 Cost reduction of power generation resulted from adopting settlement boiler system

4 结 论

（1）当主蒸汽、再热蒸汽冷段和热段的管道长度缩短时，其阻力损失明显降低.当三大管道长度均缩短120m时，阻力损失系数分别从设计值5.11%、1.74%和3.06%降至2.55%、1.08%和1.36%.

（2）当三大管道的阻力损失系数分别取2.55%、1.08%和1.36%时，机组煤耗率降低1.044 g／（kW ·h），效 率 由 设 计 值 45.54% 提 高 至45.72%，取机组年利用小时数为5 294h，一年可节约煤6 093t.

（3）由于管道长度缩短，锅炉系统的管道投资明显减少.当三大管道的长度均缩短120m、煤价为600元／t时，机组发电成本下降0.28分／（kW·h），且煤价越高，对发电成本的影响越大.

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