现行标准中机炉参数系列匹配优化问题探讨

(中国电力建设工程咨询有限公司，北京 100120)

1 概述

对于电站锅炉、汽轮机机炉参数系列标准的规定，是招投标中确定发电项目主机参数选择的主要依据，但从工程实践及国内/国际文献比照角度，现行火电行业标准中关于锅炉、汽轮机的参数系列多源自前苏联文献，其机炉参数匹配显得偏于保守，存在较大优化空间。为适应当前节能降耗优化主机参数的需要，本文按大中型机组及热电联产中小型机组，对这一问题进行讨论。

2 300 MW以上再热机组规范优化问题

对锅炉与汽轮机初参数匹配通常按大中型机组设计规范进行选用，推荐的主蒸汽压降不大于5%，但对其进一步优化则缺乏指导性条款，导致实际运行中的锅炉设计压力裕量仍然偏大(按文献统计资料机炉运行压降多数为2.5%～3.5%)。而目前招投标中仍然很少考虑优化因素。如350 MW级的超临界机组，汽轮机的进汽参数按国标GB/T754为24.2 MPa.a，而几大锅炉厂的锅炉设计压力多为25.4 MPa.g，相应的机炉压降为[(25.5－24.2)/24.2]×100%=5.37%，对比设计院主蒸汽计算压降3%～3.5%，裕量明显偏大；但按此进行机炉压降优化还需要得到行业规范的支持。

3 热电联产项目规范优化问题

对于中小型热电联产机组及分布式能源项目中的燃气轮机/余热锅炉－蒸汽轮机机组，现行中小型火电厂规范及燃气轮机联合循环设计规范中均缺乏明确规定，在招投标文件中大多按现行电站机炉系列标准GB/T754及GB753为依据提要求；但该系列标准系以30多年前的行业标准SD264－1988为蓝本，其机炉压降高达10%左右，见表1。

表1 国内中小型火电机组锅炉－汽轮机蒸汽参数系列标准

就节能降耗角度，主蒸汽的压降高达10%以上是相当不合理的，与设计院主蒸汽系统压降计算的优化结果也不相匹配，应该进行修订调整。

4 机炉压降偏大的历史原因

现行锅炉汽轮机参数系列标准中的中小型机组参数匹配参照了前苏联的标准，而前苏联的机炉初参数匹配源于其当时的技术水平相对落后，所用的管道内壁粗糙度为0.2 mm，直管阻力系数高达0.018～0.022，热压弯头等管件阻力系数也偏大；相比之下目前实际使用的无缝钢管粗糙度按国际通用标准为0.0457 mm，直管阻力系数0.013～0.014，在四大管道优化中普遍推荐使用弯管来替代弯头，管件部分阻力系数比弯头小很多；加上前苏联计算方法偏于保守，对于管件在计算局部阻力后另外再计算摩擦阻力，又考虑裕量，使得机组投运后实际总的机炉压降只有计算值的50%左右，以此为依据取用的机炉压降必然偏大。

5 机炉压降优化的理论依据

由流体力学基本方程可以推得主蒸汽系统比压降公式如下：

式中： Δp为主蒸汽系统压降(MPa)；p为汽轮机进口主蒸汽压力(MPa)；Le为管线当量计算长度(m)；λ为直管摩擦阻力系数；D为主蒸汽管内径(m)；W为主蒸汽管管内流速(m/s)；v为与主蒸汽压力相匹配的蒸汽比容(m3/kg)；ζe为阻力因子；C1为流速因子，由于流速W取值与蒸汽参数关系不大，C1值变化不大。C2为气体特性因子，对于中压、次高压、高压、超高压及超临界机组的C2值分别为1.049、1.007、0.939、0.962及0.994，变化较小。

根据文献的分析，按国际通用的Crane手册查取的管件阻力系数已包括管件展开长度的摩擦阻力在内，则在已知管线展开长度L及以弯管为代表的管件数n时的当量计算长度为：

式中：L为管系直管段长度(m)；Ld为管件当量长度(m)；R/D为管件相对于管径的弯曲半径。

由于阻力系数λ的变化不大，ζe主要取决于当量长度Le及管径D；对于中小型机组来说λ值略大，Le及D均较小，ζe值的总体水平仍与大中型机组相当。

在典型的工程技术条件下，按公式(1)、(2)所估计的主蒸汽系统比压降见表2。

表2 典型条件下的主蒸汽系统压降估算数据(适用于弯管替代弯头时)

据以上分析，对于大中型机组：

(1)当采用较大单管设计容量使主管内径较大(例如邹县三期600 MW机组主蒸汽系统采用单管制连接方式)。

(2)因主厂房布置优化使四大管道长度更短情况下，主蒸汽系统的比压降有可能控制在3.5%以内。对于中小型机组的主蒸汽合理压降仍可控制在与大中型机组同等范围内即5%以内；对于燃机/余热锅炉－蒸汽轮机机组，主蒸汽系统的优化比压降可以控制的更低；没有必要取到10%的高值。

6 机炉压降优化的实践

6.1 大中型再热机组

国内从ALSTOM引进的330 MW及邹县三期600 MW机组的设计压降均不到3.5%；ALSTOM－SIEMENS设计的外高桥电厂二期参数为25 MPa 的900 MW超临界机组，主蒸汽压降按0.805 MPa取用，锅炉设计压力为25.76 MPa，机炉设计压降仅为3.2%，按投运经验仍有裕量，表明在大中型再热机组中的机炉压降上具有相当的优化空间。

6.2 燃气轮机联合循环及中小型机组

新近设计的崇明岛燃机配高压机组的机炉主蒸汽压降为(12.85－12.473)/12.473=3%，比表1中的配套数据要小得多。最近对于某分布式能源项目燃气轮机/余热锅炉－供热汽轮机机炉初参数匹配检查中发现，初设中按机炉参数匹配确定的主蒸汽压降为(9.8－8.83)/8.83=10.98%，大大超标，审查中要求设计院根据理论计算并参照该项目老厂实际运行经验(约为3%左右)比算，调整到3%～4%，达到合理水平。

7 对行业标准修订及完善建议

(1)对大中型锅炉的蒸汽参数在大火规规定基础上按设计院四大管道优化成果进行优化，以降低锅炉设计裕量并调低给水泵选型压头裕量。

(2)对中小型供热机组或燃气轮机联合循环机组的机炉参数匹配，不再套用前苏联的蒸汽锅炉→汽轮机标准系列参数，而应支持按设计院主蒸汽压降优化成果或燃机联合循环标准来选取。