李樹田
(神華浙江國華余姚燃?xì)獍l(fā)電有限責(zé)任公司,浙江 寧波 315400)
燃?xì)廨啓C(jī)首先應(yīng)用于航空和宇航領(lǐng)域,隨后迅速向能源發(fā)電、石油化工、冶金及海陸交通等領(lǐng)域發(fā)展。燃?xì)廨啓C(jī)涉及多學(xué)科交叉的綜合性技術(shù),其核心技術(shù)包括:重大部件的設(shè)計(jì)制造、系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和成套技術(shù);高性能壓氣機(jī)與透平及高轉(zhuǎn)速機(jī)械復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組合;高溫?zé)嵬ǖ啦考牟牧现圃旃に?、涂層保護(hù)技術(shù)及其先進(jìn)的冷卻技術(shù);高效低污染的燃燒技術(shù);長壽命主機(jī)結(jié)構(gòu)與先進(jìn)制造技術(shù);新的材料和隔熱涂層等。國際燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展步伐是緊緊圍繞著上述核心技術(shù)的突破而展開的。按技術(shù)特征不同,燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展可分為4代:20世紀(jì),發(fā)展了兩代工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī),透平初溫的提高主要通過增大壓氣機(jī)的壓比和完善相關(guān)部件實(shí)現(xiàn)。第一代的技術(shù)特點(diǎn)是:單軸重型結(jié)構(gòu),采用高溫合金和簡單空冷技術(shù),亞音速壓氣機(jī),機(jī)械液壓式/模擬式電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)。第二代的技術(shù)特點(diǎn)是:輕重結(jié)合結(jié)構(gòu),超級合金和保護(hù)涂層,先進(jìn)的空冷技術(shù),干式預(yù)混低污染燃燒,數(shù)字式微機(jī)控制系統(tǒng),聯(lián)合循環(huán)總能系統(tǒng)。進(jìn)入21世紀(jì),利用新材料和新技術(shù)的突破,陸續(xù)開發(fā)出后兩代燃?xì)廨啓C(jī)。第三代主要技術(shù)特點(diǎn)是采用更有效的蒸汽冷卻技術(shù),采用定向結(jié)晶、單晶葉片等,部分靜部件采用陶瓷材料,應(yīng)用智能型微機(jī)控制系統(tǒng),更加重視環(huán)保性能。第四代燃?xì)廨啓C(jī)是一種理想機(jī)型,發(fā)動機(jī)將處于或接近理論燃燒空氣量條件下工作,初溫將大于1600~1800℃,采用革命性的新材料,有更好的綜合高溫性能。國外燃?xì)廨啓C(jī)制造廠商主要有美國GE公司、德國siemens公司、法國Alstom公司和日本MHI公司等。
(1)重視系統(tǒng)集成與總能系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵集成技術(shù)與系統(tǒng)集成技術(shù)對提高燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)性能同樣重要,基于能量梯級利用的總能系統(tǒng)概念,燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)既能充分發(fā)揮其高溫加熱優(yōu)勢,又避免較高溫排熱、損失較大的缺陷,顯示出極好的總體性能,在電力、石化、冶金等領(lǐng)域,以聯(lián)合循環(huán)、功熱并供、三聯(lián)供、多聯(lián)產(chǎn)、注蒸汽雙工質(zhì)循環(huán)以及總能工廠等多種形式得到廣泛應(yīng)用。
(2)積極采用新技術(shù)、新材料、新工藝。燃?xì)廨啓C(jī)主機(jī)的4大集成技術(shù)(高溫合金、冷卻技術(shù)、氣動熱力設(shè)計(jì)以及燃燒技術(shù)),在很大程度上沿用了航空科技成果。工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)制造公司與航空部門密切合作,積極移植先進(jìn)技術(shù),開發(fā)新一代高性能產(chǎn)品,是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的趨勢。
(3)不斷向高參數(shù)、高性能、大型化方向發(fā)展。由于燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)的固有特點(diǎn),其熱力性能隨著透平初溫上升而提高,不斷提高熱力參數(shù)以提高性能一直是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的主要趨勢。當(dāng)前,透平初溫已提高到1300℃,單機(jī)功率250 MW,聯(lián)合循環(huán)達(dá)到390 MW。正在建造的H級燃?xì)廨啓C(jī)的初溫達(dá)到1430℃,聯(lián)合循環(huán)達(dá)到480 MW。燃?xì)廨啓C(jī)的熱力性能已提高到新水平,簡單循環(huán)熱效率已接近現(xiàn)代汽輪機(jī)電站的水平(35%~40%),而聯(lián)合循環(huán)熱效率則明顯超過汽輪機(jī)電站。另外,在提高初溫的同時(shí),采取間冷與再熱等措施,用熱力循環(huán)手段來提高系統(tǒng)性能,也是值得注意的發(fā)展方向。
(4)燃料多元化和燃煤聯(lián)合循環(huán)商業(yè)化。長期以來,燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組只燃用油氣燃料,多用于調(diào)峰、應(yīng)急及移動電站。由于油氣資源有限、價(jià)格較貴,燃?xì)廨啓C(jī)燃煤技術(shù)受到特別關(guān)注。燃煤聯(lián)合循環(huán)是高效的聯(lián)合循環(huán)和潔凈煤技術(shù)相結(jié)合的燃?xì)廨啓C(jī)總能系統(tǒng)潔凈煤發(fā)電技術(shù),將成為新世紀(jì)煤電動力的主要發(fā)展方向。而我國一次能源以煤為主,燃煤聯(lián)合循環(huán)更顯重要。
我國燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電事業(yè)始于50年代末期。70年代共引進(jìn)10套MS5000系列快裝式簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)列車電站,總?cè)萘?00 MW。80年代我國國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,電力供需矛盾日益突出,燃機(jī)發(fā)電站得到飛速發(fā)展,由70年代的20座發(fā)展到90年代的80余座,發(fā)電機(jī)組由20余臺/套增加到約140臺/套,裝機(jī)容量從300 MW增加到7200 MW,主要集中在珠江三角洲和長江三角洲。
進(jìn)入21世紀(jì),在國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略指引下,“西氣東輸”以及引進(jìn)LNG(液態(tài)天然氣)試點(diǎn)等重大工程陸續(xù)開展,為我國發(fā)展天然氣發(fā)電創(chuàng)造了良機(jī)。國家支持適度發(fā)展天然氣燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電,在以市場換技術(shù)、實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備制造本土化和國產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)開發(fā)方面取得了良好成果?!笆濉逼陂g通過3次捆綁招標(biāo),引進(jìn)了由哈爾濱汽輪機(jī)廠與美國GE公司合作生產(chǎn)109FA機(jī)組、由上海汽輪機(jī)廠與德國西門子合作生產(chǎn)V94.3A型機(jī)組、由東方汽輪機(jī)廠與日本三菱公司合作生產(chǎn)M701F型機(jī)組,共計(jì)52臺,機(jī)組總裝機(jī)容量近20000 MW。
2011年,隨著我國天然氣供應(yīng)量的增加及沿海地區(qū)環(huán)保壓力的加大,燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電在我國迎來了發(fā)展高峰,2011年初以來已建成或正在規(guī)劃建設(shè)的F級燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組已達(dá)48臺。
自2005年7月29日國內(nèi)首臺9F燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在半山發(fā)電廠投運(yùn)以來,國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組陸續(xù)出現(xiàn)了一些嚴(yán)重事故。由于國內(nèi)沒有修理能力,需要返海外檢修,周期長、費(fèi)用高。有些機(jī)組已經(jīng)超過了質(zhì)保期,制造廠商不承擔(dān)賠償責(zé)任,電廠直接損失和因停機(jī)而造成的少發(fā)電間接損失巨大。比較嚴(yán)重的故障有壓氣機(jī)報(bào)廢更換轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子返廠、透平葉片斷裂、燃燒故障導(dǎo)致燃燒部件損壞等。
2.1.1 燃?xì)廨啓C(jī)三級動葉斷裂
2007年10月9日,某電廠燃?xì)廨啓C(jī)在正常運(yùn)行中突發(fā)巨響,振動數(shù)據(jù)大幅度超標(biāo),機(jī)組跳機(jī)。停機(jī)冷卻后檢查發(fā)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)三級動葉全部斷裂,三級靜葉受損嚴(yán)重,三級復(fù)環(huán)報(bào)廢。
GE公司檢修人員于10月12日到現(xiàn)場,開缸更換了三級動葉、三級靜葉和三級復(fù)環(huán),并對開缸后發(fā)現(xiàn)的壓氣機(jī)第15和16級靜葉晃動情況進(jìn)行修復(fù),安裝了穩(wěn)定環(huán);同時(shí)利用檢修時(shí)機(jī)更換了標(biāo)準(zhǔn)型R0葉片。檢修工作至2008年1月23日結(jié)束,所有修復(fù)費(fèi)用全部由GE公司質(zhì)保流程支付。
2.1.2 一級動葉進(jìn)氣邊燒損
2008年3月4日,某電廠機(jī)組啟動時(shí)連續(xù)2次因燃?xì)廨啓C(jī)1X/1Y振動大導(dǎo)致保護(hù)動作停機(jī),初步分析故障原因是燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行銷卡澀和燃燒器部件燒壞。于3月6日開始對燃?xì)廨啓C(jī)重新復(fù)校中心,期間進(jìn)行孔窺檢查,發(fā)現(xiàn)燃燒器火焰筒涂層大面積脫落,部分火焰筒已嚴(yán)重變形,決定進(jìn)行小修,此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)點(diǎn)火運(yùn)行僅4600 h,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于8000 h的小修周期。在小修檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)一級動葉進(jìn)氣邊燒損,進(jìn)而延長了小修時(shí)間,整個(gè)檢修工作歷時(shí)2個(gè)月。
某電廠1號燃?xì)廨啓C(jī)于2008年9月12日發(fā)生了壓氣機(jī)損壞的嚴(yán)重事故。壓氣機(jī)共有38片填隙片,其中只有4片正常,其余都有不同程度的凸出現(xiàn)象。上缸共脫落填隙片2片,下缸共脫落填隙片17片。
1號燃?xì)廨啓C(jī)在投產(chǎn)僅6341 h時(shí)就出現(xiàn)過壓氣靜葉根部抬起及填隙片凸起情況,雖然按照GE公司的要求進(jìn)行了跟蹤檢查,但仍然無法阻止壓氣機(jī)事故的發(fā)生。上述事故發(fā)生時(shí)還遠(yuǎn)未到中修和大修周期(中修24000 h,大修48000 h)。壓氣機(jī)開缸后,現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)填隙片脫落、靜葉葉片松動情況較為普遍,正是由于葉片松動使得葉片振動進(jìn)入共振區(qū)、靜葉葉臺抬起過大,造成葉頂碰擦轉(zhuǎn)子,從而使葉片可能產(chǎn)生高周疲勞斷裂。由于GE公司對壓氣機(jī)的隱患處理及判斷有誤,導(dǎo)致壓氣機(jī)帶病運(yùn)行直至故障發(fā)生。
2007年5月15日,某電廠2號燃?xì)廨啓C(jī)排氣分散度從正常狀態(tài)上升至約46℉且極不穩(wěn)定,最高達(dá)60℉以上,減負(fù)荷后情況有所改善,當(dāng)晚機(jī)組正常停機(jī)。17日上午機(jī)組再次啟動,并網(wǎng)后9 s即因燃燒故障、排氣分散度高而跳機(jī)。聯(lián)系GE公司后再次啟機(jī)同時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù),機(jī)組升速至3000 r/min后30 s又因同樣情況跳機(jī)。GE公司根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后,派專人到現(xiàn)場對燃料噴嘴的天然氣支管進(jìn)行孔窺檢查。2007年5月20日,在對13號噴嘴進(jìn)行內(nèi)部孔窺檢查時(shí),發(fā)現(xiàn)13號噴嘴端蓋已經(jīng)燒穿,火焰筒嚴(yán)重?zé)g,噴嘴頭部燒損。
3 大型燃?xì)廨啓C(jī)在國內(nèi)的發(fā)展路徑
3.1.1 有利于緩解環(huán)境保護(hù)的壓力
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,二氧化碳排放無法得到有效控制,酸雨問題突出。由于燃煤所產(chǎn)生的二氧化硫等污染物排放量持續(xù)增長,導(dǎo)致酸雨面積已超過國土面積的30%。天然氣是優(yōu)質(zhì)清潔能源,用于發(fā)電時(shí)二氧化碳排放量約為燃煤電廠的43%,氮氧化物排放量約為燃煤電廠的10%,二氧化硫排放極低,沒有灰渣排放,可明顯減輕電力工業(yè)的環(huán)保壓力。
3.1.2 有利于優(yōu)化和調(diào)整電源結(jié)構(gòu)
目前,我國發(fā)電一次能源主要依賴煤炭、水力資源,核電、風(fēng)能尚處于起步階段,而太陽能等新能源的應(yīng)用尚無大規(guī)模實(shí)現(xiàn)的條件。因此,在我國特別是東南沿海地區(qū)適時(shí)適量發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī),有利于優(yōu)化和調(diào)整電源結(jié)構(gòu),逐步實(shí)現(xiàn)發(fā)電能源多元化。
3.1.3 有利于電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行
目前全國大部分電網(wǎng)的調(diào)峰主要依靠煤電機(jī)組,以犧牲煤電機(jī)組壽命和經(jīng)濟(jì)性以及增加電網(wǎng)的運(yùn)行成本換取電網(wǎng)的安全。而燃?xì)廨啓C(jī)電廠具有運(yùn)行靈活、可用率高、機(jī)組啟動快、調(diào)節(jié)范圍大,且宜于在負(fù)荷中心附近建廠等特點(diǎn),成為提高電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量的有力手段之一。
3.1.4 有利于緩解廠址資源日趨匱乏的矛盾
近年來,東南沿海地區(qū)尤其是上海、江蘇南部、浙江、廣東珠江三角洲及京津地區(qū)的燃煤電廠選址愈發(fā)困難,部分地區(qū)甚至已明令禁止規(guī)劃建設(shè)新的燃煤電廠。燃?xì)廨啓C(jī)電廠占地面積較小,一般僅為燃煤電廠的 10%~30%,耗水量一般僅為燃煤電廠的1/3。另外,對廠址外部條件的要求也相對寬松,為增加負(fù)荷中心地區(qū)的廠址資源和改善電力布局提供了有利條件。
3.1.5 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電整體效率高、電站造價(jià)低
近年來,燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)功率和熱效率不斷提高,聯(lián)合循環(huán)的理論研究、產(chǎn)品開發(fā)和電廠運(yùn)行實(shí)踐更趨成熟,目前大型燃?xì)廨啓C(jī)的單機(jī)功率已超過300 MW,聯(lián)合循環(huán)功率已達(dá)到450 MW,熱效率達(dá)到60%,聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過燃煤電廠。工程造價(jià)方面,燃?xì)廨啓C(jī)電站造價(jià)約為3000元/kW,煤電工程項(xiàng)目造價(jià)4500元/kW,風(fēng)電項(xiàng)目造價(jià)為 5500~7000元/kW,可見燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電投資成本較低,具有一定優(yōu)勢。
我國發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)雖然已有50年的歷史,但至今尚未掌握大型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品的整套設(shè)計(jì)和制造技術(shù),尚未擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的重型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品,與國外相比在某些方面差距很大。由于缺乏大型燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn),目前國內(nèi)運(yùn)行的F級燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組陸續(xù)出現(xiàn)了一些嚴(yán)重事故,而國內(nèi)廠家不具備制造核心部件的能力及維修能力,機(jī)組發(fā)生故障后需要返海外檢修,周期長、費(fèi)用高,致使發(fā)電廠損失重大。
我國燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝機(jī)容量在全國總裝機(jī)容量中占比很小。除了技術(shù)方面的問題外,也有天然氣資源的制約。前幾年西氣東輸工程建成,但天然氣供氣量不能滿足新增機(jī)組的氣量要求,新建的天然氣機(jī)組由于燃料供應(yīng)短缺而長時(shí)間處于保養(yǎng)停產(chǎn)狀態(tài),有些電廠因燃料供應(yīng)不足而無法滿負(fù)荷運(yùn)行。隨著西氣二線、川氣東輸、LNG等工程的建成,制約我國燃?xì)廨啓C(jī)電廠發(fā)展的燃料問題才有所緩解。
3.3.1 發(fā)展國際貿(mào)易,引進(jìn)國外天然氣
近年來我國在天然氣能源建設(shè)的投入非常大,油氣資源勘查和開采成果顯著。然而,僅靠國內(nèi)有限的油氣資源遠(yuǎn)不能滿足我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。要發(fā)展天然氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電,改變調(diào)整我國能源結(jié)構(gòu),必須引進(jìn)國外天然氣資源。
世界天然氣資源十分豐富,天然氣資源最豐富的俄羅斯及中東國家距離我國都不遠(yuǎn),我們有很好的條件能方便經(jīng)濟(jì)地利用這些天然氣資源。在世界經(jīng)濟(jì)走向一體化的今天,我們應(yīng)在努力開發(fā)國內(nèi)資源的同時(shí),大力發(fā)展國際貿(mào)易,引進(jìn)國外天然氣資源。目前,從哈薩克斯坦引進(jìn)的天然氣已經(jīng)通過西氣二線輸送到全國各地。
3.3.2 加快燃?xì)廨啓C(jī)國產(chǎn)化建設(shè)
燃?xì)廨啓C(jī)是聯(lián)合循環(huán)發(fā)電最關(guān)鍵的設(shè)備,燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電必須走裝備國產(chǎn)化的道路。為實(shí)現(xiàn)高科技含量的9F系列燃?xì)廨啓C(jī)在國內(nèi)研制,我國三大動力集團(tuán)的汽輪機(jī)廠都投入了大量的技術(shù)力量。目前我國已躋身國際最先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)制造行列,今后要盡快消化吸收9F級燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),實(shí)現(xiàn)本土化是當(dāng)務(wù)之急。
3.3.3 建設(shè)分布式能源
我國天然氣發(fā)電的最好形式是發(fā)展分布式能源,實(shí)現(xiàn)冷熱電三聯(lián)產(chǎn)的循環(huán)利用,不僅提高天然氣利用效率,還能有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,降低污染。分布式能源是近年來興起的利用小型設(shè)備向用戶提供能源的新型能源利用方式。與傳統(tǒng)的集中式能源系統(tǒng)相比,分布式能源更接近負(fù)荷,無需建設(shè)大電網(wǎng)來遠(yuǎn)距離高壓或超高壓輸電,可大大減少電網(wǎng)線路損耗,節(jié)省輸配電建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用。2010年4月,國家能源局發(fā)布《關(guān)于天然氣分布式發(fā)電指導(dǎo)意見(征求意見函)》,其中提出到2012年底要建成1000個(gè)天然氣分布式能源項(xiàng)目,到2020年要在大城市推廣使用分布式能源系統(tǒng),裝機(jī)容量達(dá)到5000萬kW。
3.3.4 加快發(fā)展整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)
我國是產(chǎn)煤大國,利用豐富的煤炭資源滿足國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的需要是現(xiàn)實(shí)的,也是符合我國國情的。從長遠(yuǎn)觀點(diǎn)來看,整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)將是我國燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電必然要走的道路。IGCC是先進(jìn)高效、潔凈發(fā)電技術(shù),能夠提高發(fā)電效率、降低污染物排放,甚至具有使煤電達(dá)到零排放的潛力。這一技術(shù)不僅可以合理利用一次能源發(fā)電,而且形成了能源資源的多產(chǎn)多供、聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供的新概念,將發(fā)展成能源、電力、化工等領(lǐng)域相互交錯(cuò)的學(xué)科,更有利于能源、資源的優(yōu)化和綜合利用。
目前天然氣在我國一次能源消費(fèi)中的比例約為3%,不僅遠(yuǎn)低于前蘇聯(lián)的50%,英國的34%和美國的27%,還遠(yuǎn)低于世界的平均比例23%,發(fā)展空間很大。根據(jù)電力工業(yè)“十二五”規(guī)劃,至2015年我國燃?xì)廨啓C(jī)裝機(jī)容量將達(dá)6000萬kW,燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電必將迎來新的發(fā)展高峰。燃?xì)廨啓C(jī)專業(yè)技術(shù)人員要在燃?xì)廨啓C(jī)核心部件制造、先進(jìn)技術(shù)研發(fā)、運(yùn)行維護(hù)人才培養(yǎng)等方面共同努力,促進(jìn)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的健康發(fā)展。
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