余佳琳,姚向昱

(中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司,上海 200063)

申能安徽平山電廠位于安徽省淮北市,二期工程建設(shè)1臺1 350 MW新型高效超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電機組。采用國際首創(chuàng)高低位布置方式的雙軸二次中間再熱汽輪發(fā)電機組技術(shù),同時采用一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)及專利的節(jié)能減排創(chuàng)新技術(shù),機組設(shè)計供電煤耗251 g/(kW·h),比二次再熱百萬千瓦機組煤耗進一步下降超15 g/(kW·h),可大幅提高能源的利用水平,每年可節(jié)省燃煤近10萬t,向世界提供了凈效率最高值的潔凈燃煤發(fā)電機組中國案例,為踐行“雙碳”戰(zhàn)略、節(jié)能環(huán)保和能源安全作出積極貢獻。

對于傳統(tǒng)的大容量、高參數(shù)火電機組,汽輪機均采用低位布置方式,汽輪機布置高度不高于17 m,煤倉間采用前煤倉或側(cè)煤倉格局,靠近鍋爐布置,汽輪機房與煤倉間完全分離。本項目汽輪機采用雙軸高低位布置,高位汽輪機位于約80 m標(biāo)高處,低位汽輪機位于17 m標(biāo)高處,常規(guī)火電機組汽機房、煤倉間及鍋爐房的布置格局已不再適合,需要研究一種全新的布置方案,結(jié)合汽輪機高位布置的特點,將傳統(tǒng)的汽機房與煤倉間有機融合。

1 主廠房布置總體思路

1.1 總體設(shè)想

目前,超超臨界機組的參數(shù)已達到了600 ℃/600 ℃/28 MPa[1]以上。發(fā)展高參數(shù)超超臨界火力發(fā)電機組的關(guān)鍵技術(shù)之一是開發(fā)耐高溫性能更好的耐熱鋼[2]。眾所周知,對于高參數(shù)的超超臨界機組,高等級的金屬材料(如HR3C、Super304H、P92等)將占據(jù)大量的工程投資,是影響超超臨界機組建設(shè)的一個瓶頸。我國由于金屬材料工業(yè)發(fā)展的相對滯后,大量高等級的金屬材料需要進口,進一步增加了超超臨界機組建設(shè)的初投資。本項目采用二次再熱方案,在提高機組運行經(jīng)濟性的同時,將進一步增加高等級的金屬材料的使用量,這是目前制約二次再熱技術(shù)發(fā)展的一個重要原因。因此,在主廠房布置方面,應(yīng)考慮通過合理的布置方案降低高等級的金屬材料的使用量。

根據(jù)以上原則,考慮將超高壓缸及高壓缸汽輪機布置在靠近鍋爐出口聯(lián)箱位置,以降低主汽及部分再熱蒸汽管道金屬材料的使用量。這就意味著,超高壓缸及高壓缸汽輪機的布置將有別于常規(guī)單軸汽輪機的低位布置方案,將采用高位的布置方案,并盡可能靠近鍋爐蒸汽出口聯(lián)箱。

按照二次再熱、雙軸汽輪機的自身特點,高位汽輪機擬布置在鍋爐爐前約80～85 m標(biāo)高處。結(jié)合高位汽輪機廠房的布置方案,需研究在汽輪發(fā)電機高位布置時,如何合理地利用高位汽輪機底部的高度空間,布置各類輔機設(shè)備,做到設(shè)備及管道布置順暢,各系統(tǒng)功能區(qū)分明顯,設(shè)備檢修方便,同時降低工程初投資。

汽輪機高位緊貼鍋爐設(shè)置,將占據(jù)原有的煤倉間位置,煤倉間的設(shè)置方案將成為本項目研究的重點。將傳統(tǒng)煤倉間融入汽輪機高位布置后下部的巨大空間,是本項目研究的技術(shù)方向之一。

1.2 主廠房區(qū)域的布置格局

主廠房區(qū)域采用汽輪機高低位方案,布置順序為高位汽輪機房—鍋爐房,低位汽輪機房布置在鍋爐爐側(cè),爐后依次布置：靜電除塵器、引風(fēng)機、脫硫系統(tǒng)和排煙冷卻塔。

結(jié)合本項目的場地特點及鍋爐布置的總體方案,低位汽輪機房布置在鍋爐爐側(cè),類似于常規(guī)的側(cè)煤倉布置方式,以減少循環(huán)水管道的長度及二次再熱熱段管道的長度。主廠房布置示意見圖1。

圖1 主廠房示意

針對以上高低位汽輪機房的布置格局,如何將傳統(tǒng)煤倉間內(nèi)的設(shè)備合理布置是本項目重點研究的內(nèi)容。

2 煤倉間類型

煤倉間在布置方案上主要分為前煤倉、側(cè)煤倉、后煤倉等方式[3]。前煤倉為煤倉間設(shè)置在鍋爐的爐前,側(cè)煤倉為煤倉間設(shè)置在鍋爐的爐側(cè)面,后煤倉為煤倉間設(shè)置在鍋爐的爐后。

后煤倉方案是出于縮短機爐之間的距離、縮短輸煤棧橋及皮帶的長度而提出的,國內(nèi)神頭一廠采用后煤倉方案。但后煤倉方案大大增加了煙道長度,同時煙道無論在煤倉間運轉(zhuǎn)層上走還是在運轉(zhuǎn)層下走,對煤倉間的運行檢修均有較大影響。為解決這一問題,神頭一廠的捷克設(shè)計方采用將煤倉間布置在鍋爐燃燒室與尾部煙道之間的辦法,此方法須與鍋爐廠詳細研究方可采用。側(cè)煤倉布置同樣具有后煤倉布置方案的優(yōu)點,因此目前國內(nèi)大容量機組的煤倉間布置大多采用前煤倉或側(cè)煤倉的布置方案。

前煤倉方案為國內(nèi)常規(guī)布置方式,設(shè)計時大多以布置緊湊、降低造價、方便運行檢修為目標(biāo),結(jié)合中速磨煤機結(jié)構(gòu)特點,對煤倉間進行優(yōu)化設(shè)計。對于同步建設(shè)2臺機組,側(cè)煤倉方案通常將兩臺爐的煤倉間合并,集中布置于兩爐中間。煤倉間采用三框架,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,且有利于兩臺爐的磨煤機合用檢修場地及檢修起吊設(shè)施。典型1 000 MW機組的煤倉間布置方案比較見表1,結(jié)構(gòu)形式均為鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)。

表1 典型1 000 MW機組煤倉間布置方案比較表

3 煤倉間區(qū)域布置研究

3.1 前煤倉布置

結(jié)合高低位雙軸汽輪機的自身特點,借鑒大容量機組前煤倉布置的經(jīng)驗,本項目可以將煤倉間區(qū)域布置與高位機房相結(jié)合。當(dāng)雙軸汽輪機軸系采用高低位布置方案后,高位汽輪機布置于80～85 m標(biāo)高處,高位汽輪機運轉(zhuǎn)層下方留出大量的高度空間,可以考慮取消常規(guī)的煤倉間及除氧間,將煤倉間及除氧間布置在高位汽輪機運轉(zhuǎn)層的下部空間內(nèi),在充分利用高度空間的同時,保留原有前煤倉方案的特點。

根據(jù)制粉系統(tǒng)的設(shè)計方案,本項目將設(shè)置7臺磨煤機,煤倉間區(qū)域的長度將長于高位汽輪機房的長度。由于低位汽輪機房采用爐側(cè)布置方式,使煤倉間區(qū)域的磨煤機布置可以采用雙列布置方式,以減小煤倉間區(qū)域的長度,見圖2;或者采用常規(guī)的磨煤機單列布置方式,部分磨煤機布置在高位汽輪機房外側(cè)區(qū)域,見圖3。

圖2 前煤倉區(qū)域雙列磨煤機布置

圖3 前煤倉區(qū)域單列磨煤機布置

采用雙列磨煤機的布置方式,磨煤機按前后二列布置在高位汽輪機房的底層,前列布置3臺磨煤機,后列布置4臺磨煤機,可以將高位汽輪機房50 m標(biāo)高以下的空間全部用于制粉系統(tǒng)的布置,高位汽輪機房的利用率較高。由于磨煤機采用雙列布置方式,煤倉間區(qū)域需要設(shè)置雙列磨煤機的設(shè)備檢修通道及檢修設(shè)施,磨煤機進口的冷、熱一次風(fēng)及出口的送粉管道均要進行雙列布置,后列磨煤機的送粉管道將布置在前列磨煤機的上部進入鍋爐房,致使給煤機層及皮帶層抬高。同時,本期工程的輸煤皮帶從一期工程引接后,煤倉間區(qū)域內(nèi)需要設(shè)置2+2路輸煤皮帶,整個輸煤皮帶系統(tǒng)較為復(fù)雜。

對于單列磨煤機的布置,由于煤倉間區(qū)域的長度長于高位汽輪機房的長度,部分磨煤機將位于高位汽輪機房的外側(cè)區(qū)域。煤倉間區(qū)域的布置格局、設(shè)備的檢修方式等均可借鑒常規(guī)前煤倉的方案。

對比兩種磨煤機布置方式,單列磨煤機布置方案與常規(guī)方案一致,運行人員更為熟悉,相對成熟可靠。同時結(jié)合本項目已有的場地布置特點,可以從一期工程已有的輸煤皮帶直接引接,不必再設(shè)置輸煤轉(zhuǎn)運站,系統(tǒng)更為簡潔。鑒于以上因素,對于前煤倉的布置,推薦采用單列磨煤機的布置方式。

3.2 側(cè)煤倉布置

采用高位汽輪機的布置方式后,高位汽輪機房的結(jié)構(gòu)設(shè)計難度較大。為避免制粉系統(tǒng)布置在高位汽輪機房區(qū)域內(nèi)引起高位機房結(jié)構(gòu)設(shè)計難度的進一步加大,也可以采用側(cè)煤倉的布置方式。側(cè)煤倉形式的煤倉間的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及抗震能力是煤倉間布置時必須要考慮的主要因素[5]。

本項目為擴建單臺機組,針對這一特點,側(cè)煤倉間內(nèi)的磨煤機布置也存在兩種布置方式：單列磨煤機布置見圖4;雙列磨煤機布置見圖5。

圖4 側(cè)煤倉區(qū)域單列磨煤機布置

圖5 側(cè)煤倉區(qū)域雙列磨煤機布置

對于單列磨煤機布置方案,布置上借鑒了前煤倉的布置格局,相當(dāng)于常規(guī)前煤倉布置旋轉(zhuǎn)90°后布置在爐側(cè)。設(shè)備的運行及檢修方案均可按照前煤倉的方式。為滿足本期輸煤皮帶可以從一期工程已有的輸煤皮帶直接引接,不再設(shè)置輸煤轉(zhuǎn)運站,本期輸煤皮帶布置在A磨和B磨之間。

對于雙列磨煤機布置方案,布置上借鑒了典型側(cè)煤倉的布置格局。雙列磨煤機共用一條檢修通道及檢修設(shè)施,磨煤機進口的冷、熱一次風(fēng)及出口的送粉管道均要進行雙列布置,后列磨煤機的送粉管道將布置在前列磨煤機的上部進入鍋爐房,致使給煤機層及皮帶層抬高。

區(qū)別于常規(guī)工程的側(cè)煤倉布置方案,采用側(cè)煤倉后,本項目的磨煤機依然沿鍋爐中心線對稱布置,管道布置比較均勻,可改善常規(guī)側(cè)煤倉方案引起的布置不均而影響燃燒的情況。相比單列磨煤機布置方案,雙列磨煤機布置共用檢修通道及檢修設(shè)施,投資造價相對較低。鑒于以上因素,對于側(cè)煤倉的布置,推薦采用雙列磨煤機的布置方式。

3.3 煤倉間方案比選

針對本項目的特點,前煤倉及側(cè)煤倉方案對比如下：

(1)側(cè)煤倉布置對施工組織和大型機械的布置及作業(yè)帶來一定影響,同時也會給施工帶來一定難度,需要在施工前合理規(guī)劃[4]。由于本項目的場地特點及鍋爐布置的總體方案,低位汽輪機房布置在鍋爐爐側(cè),采用側(cè)煤倉方案后,鍋爐左右兩側(cè)均被廠房包圍,給機組建設(shè)的施工場地帶來難度,需考慮低位汽輪機房或側(cè)煤倉間緩建,待鍋爐吊裝完成后建設(shè),影響工程進度。

(2)受鍋爐除渣設(shè)施布置的影響,采用側(cè)煤倉布置后,低位汽輪機房無法完全布置到鍋爐爐后,僅能后移至除渣裝置區(qū)域。相較于前煤倉方案,循環(huán)水管道及二次再熱熱段管道的長度都相應(yīng)增加,增加了工程的初投資及運行損耗。

(3)對于常規(guī)的大容量火電機組,采用側(cè)煤倉方案的目的在于減少四大管道的長度,降低工程的初投資。由于本項目采用高位汽輪機的布置方式,已經(jīng)大幅減少了昂貴的高溫管道的長度。無論采用何種煤倉間布置方式,四大管道的長度都基本不變,側(cè)煤倉的優(yōu)勢無法在本項目體現(xiàn)。

(4)對于前煤倉布置方案,在高位汽輪機房內(nèi)布置制粉系統(tǒng),有效利用高位機房的高度空間;對于側(cè)煤倉布置方案,需要設(shè)置單獨的煤倉間。在廠房面積上前煤倉方案更具優(yōu)勢。

綜合以上對比,本項目推薦采用前煤倉的布置方案。

3.4 煤倉間區(qū)域尺寸

對于常規(guī)1 000 MW機組,煤倉間的檔距一般為10 m、跨距一般為13.5～14 m。由于本項目采用了7臺磨煤機的配置方案,單臺磨煤機的型號相當(dāng)于1 000 MW機組的磨煤機型號,設(shè)備的可靠性得到了保證,同時煤倉間的尺寸可以參照1 000 MW機組?？紤]到本項目的煤倉間布置在高位汽輪機房內(nèi),高位汽輪機房采用混凝土結(jié)構(gòu),并且高位汽輪機房的立柱截面遠大于常規(guī)1 000 MW機組的主廠房立柱尺寸,本項目煤倉間的檔距為10.5 m、跨距為14.5 m。為配合高位汽輪機及管道的整體布置,煤倉間的部分檔距為12 m及13 m。

煤倉間內(nèi)的給煤機層高度為17 m,與低位汽輪機房運轉(zhuǎn)層及鍋爐房運轉(zhuǎn)層標(biāo)高一致。根據(jù)SM中速磨煤機的檢修起吊要求,起吊分離器時,吊鉤中心線標(biāo)高應(yīng)大于9.8 m。磨煤機過軌吊層的梁底標(biāo)高為12.75 m,過軌吊吊鉤到軌底的最小距離為1.5 m,分離器檢修時在起吊高度上還有約0.7 m的高度余量,完全滿足分離器起吊的空間高度要求。在過軌吊層及17 m運轉(zhuǎn)層之間的空間里,布置一層送粉管道。

3.5 煤倉間區(qū)域布置

本項目煤倉間區(qū)域位于高位汽輪機房內(nèi),處在鍋爐爐前,為前煤倉布置。

煤倉間區(qū)域共占據(jù)8檔,采用10.5 m、12 m及13 m的不等柱距,外加2 m的伸縮縫,總長度為92.5 m。

煤倉間內(nèi)設(shè)有46 m層、17 m層和0 m層。46 m層布置輸煤皮帶機,17 m層布置給煤機,46 m層和17 m層間布置鋼制原煤倉。0 m層每臺爐順列布置7臺中速磨煤機及其附屬設(shè)備。

煤倉間利用汽輪機房兩端的通道和樓梯,以及鍋爐本體通向煤倉間各層的通道,滿足煤倉間內(nèi)設(shè)備巡視和檢修件運輸?shù)囊蟆?/p>

煤倉間0 m層側(cè)邊留有寬約5 m的磨煤機檢修通道,以方便設(shè)備檢修件的就地放置和運輸。

4 結(jié)語

通過以上方案的研究比較,可以得出如下結(jié)論：

(1)結(jié)合本項目高低位汽輪機的布置特點及相關(guān)大容量機組的布置經(jīng)驗,推薦煤倉間采用前煤倉方案。

(2)在高位汽輪機房內(nèi)設(shè)置煤倉間區(qū)域,采用單列磨煤機的布置方式。

(3)本項目磨煤機與1 000 MW機組磨煤機型號基本相當(dāng),煤倉間區(qū)域廠房尺寸可借鑒1 000 MW機組,并結(jié)合高位汽輪機房立柱截面變大的情況,本工程煤倉間的檔距為10.5 m、跨距為14.5 m。

(4)配合高位汽輪機及管道的整體布置,煤倉間的部分檔距為12 m及13 m。煤倉間區(qū)域共占據(jù)8檔,采用10.5 m、12 m及13 m的不等柱距,外加2 m的伸縮縫,總長度為92.5 m。