超超临界机组新技术的应用 
柯文石 
（华能玉环电厂，浙江省台州市玉环县，317604） 
摘要：华能玉环电厂的建成在我国电力发展史上具有里程碑的意义,标志着我国已掌握了代表世界先进火力发电技术水平的超超临界技术，使我国电力装备制造水平上了一个新的台阶；新技术的应用对于积累超超临界机组的建设、运行、管理经验，加速发电设备的国产化，降低机组造价，具有重要的意义。对实现火电结构调整，实现能源效率的持续提高具有重要意义；同时对建设自主创新型、节能环保型企业也起到积极的示范作用。 
关键词：超超临界 新技术 
1 电厂基本概况 
华能玉环电厂位于浙江省台州市玉环县大麦屿开发区下青塘，地处浙江省东南沿海瓯江口，乐清湾东岸，玉环半岛西侧。玉环电厂一、二期工程建设四台一百万千瓦超超临界燃煤发电机组，自2006年11月28日起至2007年11月25日止一年内四台机组全部投产发电。 
华能玉环电厂工程是国家“十五”863计划“超超临界燃煤发电技术”课题的依托工程和超超临界国产化示范项目，装机容量为4台100万千瓦超超临界燃煤机组，机组采用“技术引进，联合设计，国内制造”的方式，锅炉、汽轮机、发电机分别由哈尔滨锅炉厂有限责任公司、上海汽轮机有限公司和上海汽轮发电机有限公司制造。 
玉环工程设计主蒸汽压力达到26.25MPa，主蒸汽和再热蒸汽温度达到600℃，热效率高达45%。发电煤耗设计值为272g/kW.h，达到了国际先进水平；机组配置了效率达99.7%的电气除尘器，同步建设了石灰石—石膏湿法脱硫装置，脱硫率不低于95%；锅炉设计采用低氮燃烧技术，氮氧化物排放量仅为360mg/Nm3。 
四台机组目前设备运行状况良好，一期两台机组在投产一年后顺利进行了一次B级检修，二期两台机组在投产后半年了各完成一次C级检修。四台机组运行技术指标达到了国内领先、国际优秀，在2008年相继获得节约环保型示范电厂、国家环境友好工程和电力行业优质工程金奖的荣誉。 
2 机组主要设备概况
2.1锅炉及其系统 
锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产的超超临界参数变压运行垂直管圈水冷壁直流炉，单炉膛、一次中间再热、采用八角双火焰切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、露天布置、全钢悬吊结构Π型燃煤锅炉。 
锅炉采用日本三菱公司的PM（Pollution Minimum）主燃烧器和MACT（Mitsubishi Advanced Combustion Technology）型低NOx分级送风燃烧系统，炉膛采用内螺纹管垂直上升膜式水冷壁、循环泵启动系统，调温方式除煤/水比外，还采用烟气调节挡板、燃烧器摆动、喷水等方式。 
BMCR工况锅炉主要设计参数： 
锅炉最大蒸发量 2953 t/h 
主蒸汽压力 27.46MPa 
主蒸汽温度 605℃ 
再热蒸汽(进/出口)压力 6.14/5.94MPa 
再热蒸汽(进/出口)温度 377/603℃ 
再热蒸汽流量 2446t/h 
给水温度 298℃ 
排烟温度(未修正) 129.4℃ 
锅炉效率（BRL工况） 93.68％ 
烟风系统采用平衡通风方式，空气预热器为三分仓回转再生式空气预热器，每台锅炉配2台动叶可调轴流式送风机、2台离心式一次风机和2台静叶可调轴流式引风机。 
制粉系统为采用正压直吹式，一台锅炉配置6台高效可靠的中速磨煤机和皮带称重式给煤机，机组满负荷时5台运行、1台备用，煤粉细度为200目筛中通过率为80%。设计煤种为神府东胜煤，校核煤种为晋北煤。 
锅炉点火原设计采用高能电弧点火装置，二级点火系统，由高能电火花点燃轻柴油，然后点燃煤粉。油枪采用回油压力式机械雾化。每炉共装设24根油枪和高能点火器，每根油枪出力2500kg/h，总输入热量为30%B-MCR时的热负荷。 
锅炉A层PM燃烧器浓侧改为等离子燃烧器，配用烟台龙源科技公司等离子点火装置。采用的等离子点火系统由等离子点火设备及其辅助系统组成，等离子点火设备由等离子发生器、等离子燃烧器、电源柜、隔离变压器等组成，辅助系统由载体空气系统、冷却水系统、图像火检系统、热控系统、冷炉制粉系统、等离子燃烧器壁温监测系统、等离子一次风速监测系统等组成。 
锅炉设内置式启动系统，由启动循环泵、启动分离器、贮水箱、疏水扩容器、水位控制阀（WDC阀）、凝结水疏水泵等设备组成。 
2．2 汽轮机及其系统 
玉环电厂汽轮机是上海汽轮机有限公司引进德国西门子技术生产的1000MW超超临界汽轮发电机组。型号为N1000-26.25/600/600（TC4F）。汽轮机型式是超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、凝汽式、采用八级回热抽汽。 
主蒸汽管道采用双-单-双连接方式，再热蒸汽采用二根平行管道供汽。每台机组设置一套高压和低压两级串联汽轮机旁路系统，机组的旁路容量按40%BMCR设置。 
调节系统采用西门子T3000数字电液调节系统。汽机润滑油系统由交流润滑油泵、直流事故油泵、氢气密封油泵、顶轴盘车装置、冷油器、排烟系统、主油箱等组成。 
汽轮机保安系统未设计机械式超速保安装置，只设计两套电子式超速保安装置，通过危急跳闸ETS系统危急遮断，能确保机组在设备出现危险工况时快速有效的执行汽轮机跳闸命令，保障设备的安全。汽轮机配用一套EH高压抗燃油系统。 
汽轮机监视仪表TSI采用瑞士VIBROMETER公司生产的VMS6000系列。 
锅炉给水系统配置两台汽动给水泵和一台电动给水泵，机组正常运行为两台汽动给水泵运行，电动给水泵作为机组启动用，也可作为备用泵。每台汽动给水泵调速、保安、润滑共用一套油系统。 
真空系统配置三台50%容量水环式真空泵，两用一备运行方式。 
配置两台100%容量的循环水泵，夏季满负荷运行时两台循环水泵均投入运行，冬季可只投一台循环水泵运行。系统设有两台100%容量凝结水泵，两台100%容量闭式冷却水泵，两台100%容量开式冷却水泵；6台高压加热器分A、B列布置；一台除氧器；四台低压加热器。还设有顶轴油系统、盘车系统；发电机密封油系统；发电机氢气冷却系统等。 
汽轮机主要技术规范： 
额定主蒸汽压力： 26.25 MPa
额定主蒸汽温度： 600 ℃
额定主蒸汽流量： 2733 t/h
额定再热蒸汽压力： 5.35 MPa
额定再热蒸汽温度： 600℃
额定再热蒸汽流量： 2274 t/h
主蒸汽最大进汽量： 2953 t/h
低压缸排汽压力： 4.4/5.4 kPa
配汽方式： 全周进汽，节流配汽，带补汽阀 
额定给水温度： 292.5℃
额定转速： 3000r/min
THA工况热耗： 7316kJ/kWh
低压末级叶片长度： 1145.8mm
汽轮机总内效率： 92.03%
回热系统： 三高（A、B列共6台）、四低、一除氧共8级 
启动及运行方式： 高中压缸联合启动方式 
通过临界转速时轴振相对振动值：≤0.165mm 
允许周波变化范围： 48.5Hz-51.5Hz
调节控制系统型式： T3000 DEH
通流级数(高+中+低)： 14+2×13+2×2×6=64级 
盘车转速： 50 r/min
转向： 从汽轮机端向发电机端看顺时针 
2.3 发电机及其系统 
发电机为上海汽轮发电机有限公司引进德国西门子公司技术生产的THDF 125/67型三相同步汽轮发电机。发电机额定容量1112 MVA，发电机最大连续输出功率1000 MW（额定条件且发电机冷却器冷却水温35℃），发电机输出额定功率1000 MW（额定条件且发电机冷却器冷却水温38℃）。 
发电机采用水氢氢冷却方式：定子绕组水内冷，转子绕组和定子主出线氢内冷，铁心轴向氢冷。密封油系统采用单流环式密封。 
励磁系统采用无刷励磁系统，含主励磁机、永磁副励磁机、旋转整流装置、数字式自动电压调整器（AVR）、工频手动备用励磁装置自动电压调节器 (当两套DAVR的CPU均故障退出时能自动投入，也可根据需要退出)、中频调试机组（试验用）。发电机技术规范如下： 
发电机型号： THDF 125/67
额定容量Sn： 1056MVA
额定功率Pn： 950MW
最大连续输出功率（TMCR）： 1000MW
最大输出功率（VWO）Pmax： 1050MW
额定功率因数COSΦ： 0.9（滞后） 额定定子电压： 27±5%kV
额定定子电流： 22581 A
额定频率 fn： 50Hz
额定转速Nn： 3000 r/min
额定励磁电压Ufn： 437V
额定励磁电流Ifn： 5887A
空载励磁电压Ufo： 144V
空载励磁电流Ifo： 1952A
定子线圈接线方式： YY
冷却方式： 水氢氢 
励磁方式： 无刷励磁 
2.4分散控制系统（DCS） 
4×1000MW超超临界机组分散控制系统(DCS) 采用Ovation系统，该系统采用开放性网络、SUN工作站和Intel奔腾处理机这些普遍认可且熟悉的硬件，简化了组态和执行过程。同时，在软件平台设计中采用AutoCAD、Oracle相关数据库等软件，功能涵盖了数据采集系统(DAS)、模拟量控制系统(MCS)、顺序控制系统(SCS)、锅炉炉膛安全监控系统(FSSS)等各项控制功能，是一套软硬件一体化的完成全套机组各项控制功能的完善的控制系统。 
软件组态分包商为西安热工研究院有限公司。汽轮机控制系统配用西门子T3000 DEH系统，日本三菱重工负责给水泵汽轮机控制系统(MEH)系统的设计供货(含液压部分)。 
机组控制方式分为：协调控制方式（CC），锅炉跟随控制方式（BF），锅炉输入控制方式（BI）（包括汽机跟随方式），锅炉手动方式(BH)（包括汽机跟随方式）。 
3玉环电厂新技术的应用 
3.1等离子点火燃烧技术 
等离子点火燃烧技术在玉环电厂是首次在一百万机组应用。玉环电厂锅炉的点火原设计采用燃烧轻油来实现的，近年来，随着世界性的能源紧张，原油价格不断上涨，火力发电燃油愈来愈受到限制。因此锅炉点火和稳燃用油被做为一项重要的指标来考核，为了减少燃油的耗量，玉环电厂改为采用 DLZ-200型等离子煤粉点火燃烧器来实现无油点火，该种方式采用直流空气等离子体作为点火源，可点燃挥发份较低的（10%）贫煤，实现锅炉的无油冷态启动。在四台机组调试及投产后的机组启停过程中，等离子点火燃烧技术为玉环电厂节约了大量燃油。 
采用等离子点火燃烧器，点火和稳燃与传统的燃油相比有以下几大优点： 
a) 经济：采用等离子点火运行和技术维护费仅是使用重油点火时费用的15%～20%，对于新建电厂，可以节约上千万的初投资和试运行费用； 
b) 环保：由于点火时不燃用油品，电除尘装置可以在点火初期投入，因此，减少了点火初期排放大量烟尘对环境的污染；另外，电厂采用单一燃料后，减少了油品的运输和储存环节，亦改善了电厂的环境； 
c) 高效：等离子体内含有大量化学活性的粒子，如原子（C、H、O）、原子团（OH、H2、O2）、离子（O2－、H2－、OH－、O－、H＋）和电子等，可加速热化学转换，促进燃料完全燃烧； 
d） 安全：炉前燃油系统不长期运行，也自然避免了经常由于燃油系统造成的各种事故。 
3.2海水淡化技术 
玉环电厂生产用淡水全部由“双膜法”海水淡化供给。由于作为预处理的超滤处理的是原海水，不同地域、不同情况下的原海水差别相当大，在基建前期玉环电厂组织试验以确定其设计参数、运行参数，在试验中，解决了各种技术难题，为海水淡化系统的设计奠定了坚实的基础，为海水淡化系统运行良好提供了保障。 
玉环电厂最大淡水耗量为1728 m3/h，海水淡化项目设计出力为1440 m3/h，为节约用水，能回用的煤场喷淋、栈桥冲洗、冲渣用水、干灰调湿用水均采用回用水。 
玉环电厂“双膜法”海水淡化项目新技术集中，科技含量较高，其中的“高效混凝沉淀系列净水技术”是在原哈尔滨建筑大学承担的国家建设部“八五”攻关课题“高效除浊与安全消毒”的科研成果“涡旋混凝低脉动沉淀给水处理技术”基础上发展而来的，是第一次在海水项目中应用；大规模的使用超滤作为海水淡化的预处理在世界同行业中处于前列；大容量的海水淡化系统在国内目前列膜法的第一位。 
玉环电厂海水淡化系统充分利用了电厂的循环水系统，以降低造价，同时可以利用发电厂余热使循环排放水温升高9－16℃的的有利条件，降低海水淡化工程的能耗。海水经过循环冷却之后，冬季工况有16 ℃左右的温升，夏季工况有9℃左右的温升，因此，玉环电厂的海水淡化系统采用了两路进水，一路取自循环水泵出口（未经热交换的海水），一路取自虹吸井，根据原海水的水温变化采用不同的进水方式，基本保证水温在20～30℃，调整后维持25℃左右。来水经4×1300m3/h反应沉淀池混凝澄清后，自流至超滤配水槽，超滤设置6套，根据来水水质确定回收率，程控自动运行。超滤产水通过6×240m3/h一级反渗透脱盐，根据产水水质的情况和和二级反渗透产水配合分类供水，以节约运行成本。 
从开始设备安装、调整试运到正式制出淡水运行，玉环电厂已经掌握了海水淡化运行和维护技术。目前，海水淡化不但能满足四台机组生产用水的需要，同时还向淡化水紧缺的玉环县城居民供应淡水。 
3.3汽轮机抗腐蚀技术的应用 
超超临界机组由于压力的原因，其低压缸的排汽湿度比同样进汽温度的亚临界机组要大，从安全性、经济性的角度，更应注重抗水蚀和抗腐蚀技术的应用，我厂四台机组在设计上采取了以下措施： 
末端叶片采用抗腐蚀性能好的17-4PH材料。 
结构上有足够的疏水槽。 
相当大的轴向间隙，这是公认十分有效的防冲蚀措施。 
末级静叶采取空心叶片结构，在内部抽出水分。 
末级动叶片采用新型的激光表面硬化技术，这是西门子公司的一项特有技术，其特点在于： 
Ú 叶片的进汽边硬化层能完全穿透。 
Ú 表面硬度可超过500HV。 
Ú 激光硬化的最大优点在于，它与其他技术不同，在表面形成压应力不但不会降低（一般下降20%-50%），反而有利于提高材料的抗疲劳强度和抗应力腐蚀能力。 
3.4补汽技术 
我厂机组在设计上的另一个特点是采用了补汽技术。补汽技术是指从某一工况（本机组在TMCR工况）开始从主汽阀后、主调阀前引出一些新蒸汽（额定进汽量的5~10%，本机组约为8%），经补汽阀节流降低参数（蒸汽温度约降低30℃）后进入高压第五级动叶后空间，主流与这股蒸汽混合后在以后各级继续膨胀做功的一种措施。 
3.5新钢种应用及焊接 
由于我厂的过热蒸汽温度和再热汽温度分别为605℃和603℃，在这样高的温度下，高温过热器和再热器管的最高壁温可达到640-650℃，只有采用热强性高、抗蒸汽氧化和烟侧高温腐蚀的新型高铬奥氏体钢才能满足要求，锅炉的三级过热器和四级过热器的蛇形管（炉内部分）均由超级304H（ASME Code Case 2328）和HR3C（ASME Code Case 2115）组成，前者为含铜达3%的细晶粒奥氏体钢，即18Cr10Ni3Cu，后者为含铬达25%、含镍达20%并含有少量铌的高铬奥氏体钢，即25Cr20NiNb。SUP304及Super304H在高温下具有较高的蠕变断裂强度和许用应力，因此该钢是性能价格比较好的材料，采用这种钢管制造超超临界锅炉受热面部件的经济性非常显著，同时可以使钢管壁厚减薄，钢耗量大大降低。HR3C 在日本焊接，现场没有安装焊口，该材料的性能价格比较高，比Super304H高出91%。HR3C抗氧化氧化的能力远远高于TP347H和TP347HFG。基抗烟气腐蚀能力也高于TP347H和TP347HFG。 P122/T122，P92/T92在国内首次使用，在施工上具有焊接工艺、特别是热处理工艺比原来的T91/P91要求高，具有温度控制精确、范围小的特点。为了保证其冲击韧性，在焊接、热处理、检验验收环节上对焊缝焊后热处理硬度值提出了HB180~HB250的验收标准，明显严格于DL/T869—2004焊接技术规程和原T91/P91焊接工艺导则的要求。在光谱分析上与P91一样，采用直读式光谱分析仪，不能采用电火花验钢镜，以免灼伤材料、诱发微裂纹。由于高Cr马氏体钢的材料声速，明显区别于其它合金钢，所以在超声波检验上采用了同材质的试块。 
3.6石灰石—石膏湿法烟气脱硫 
玉环电厂烟气脱硫采用石灰石—石膏湿法工艺，按一炉一塔布置，对每台锅炉的全烟气进行脱硫处理，处理烟气量达833.9Nm3/s（湿态、标准状况、设计煤种），吸收塔为喷淋空塔。吸收塔单塔直径达18.4米，塔高33米，浆池容积达2650 m3。烟气经进、出口烟气挡板进、出脱硫装置，脱硫装置发生故障时，烟气可通过旁路烟道直接排放。石灰石磨制系统和石膏脱水系统为一、二期公用。一期不设烟气换热器，为避免低温烟气腐蚀，烟囱钢内筒采用钛合金贴衬工艺。二期则设有烟气换热器，净烟道内衬大面积采用镍基合金贴衬工艺（合金牌号为C22和1.529）。 脱硫装置按照脱硫设计煤种神府东胜煤设计，SO2脱除率不小95%，装置出口SO2浓度不超过98mg/Nm3。装置对SO3脱除率不小于50%，对烟气粉尘有50%以上的脱除率。 
3.7 PM燃烧器和MACT燃烧系统 
华能玉环1000MW超超临界锅炉采用了MHI的PM型燃烧器和MACT燃烧系统，PM型的燃烧器风粉混合物通过入口分离器分成浓淡二股分别通过浓相和淡相二只喷嘴进入炉膛，由于浓相煤粉浓度高，所需着火热量少，利于着火和稳燃；由淡相补充后期所需的空气，利于煤粉的燃尽，同时浓淡燃烧均偏离了NOx生成量高的化学当量燃烧区，大大降低了NOx生成量，与传统的切向燃烧器相比，NOx生成量可显著降低。PM燃烧器由于将每层煤粉喷嘴分开成上下二组，增加了燃烧器区域高度，降低了燃烧器区域壁面热负荷，有利于防止高热负荷区结焦。 
MACT燃烧系统，就是在PM主燃烧器上方一定高度增设二层AA风（附加风）喷嘴达到分层燃烧目的，这样整个炉膛沿高度分成三个燃烧区域，即下部为主燃烧区，中部为还原区，上部为燃尽区，这种MACT分层燃烧系统可使NOx生成量减少25%。在炉膛的主燃烧区燃料是缺氧燃烧，炉膛过量空气系数为0.85，但在燃烧器喷口附近，由于燃烧率较低，需要的氧量较少，因此在燃烧器喷口附近的区域内是氧化性气氛，这时燃料氮氧化后生成NOx，在炉膛中间的主燃烧区，空气量仅为燃烧理论空气量的0.85，因此燃烧的过程也是一个还原的过程，这时部分NOx被还原成为NH3、HCN。采用三菱公司特有的MACT燃烧技术燃用神华煤，烟气排放NOx含量实测值约为270~290mg/Nm3，完全满足我国环保标准。 
3.8垂直管圈炉膛水冷壁 
1000MW超超临界锅炉采用了MHI开发的世界上最先进的垂直管圈水冷壁，到目前为止采用这种垂直水冷壁的锅炉已有11台容量为700-1000MW的超临界与超超临界锅炉投运，最早投运的机组已运行14年。 
膜式水冷壁采用SA-213 T12四头内螺纹管焊成，与螺旋管圈相比，垂直型水冷壁的主要优点为： 
结构简单、便于安装。 
不需用复杂的张力板结构，启动或负荷变化时热应力较小。 
较好的正向流动特性，在各种工况下保证水动力的稳定性。 
阻力较小，比螺旋管圈水冷壁少1/3。 
不易结渣 
在传统的一次上升垂直水冷壁的基础上，本工程中又加装了带有二级分配器的水冷壁中间集箱，以降低水冷壁出口沿炉膛周界的工质温度偏差，根据MHI的经验，加装了带有二级混合器的水冷壁中间集箱后，水冷壁出口温度偏差可减少1/3以上，迄今已有6台大容量的超临界及超超临界锅炉采用此项改进。 
另一项重大改进是将水冷壁入口的控制流量的节流孔圈由传统的装在水冷壁下集箱内改为装在水冷壁集箱的出口管接头上，以便于在运行和调试过程中更换节流孔圈，同时由于增加了装节流孔圈的管段直径，因此也提高流量调节的幅度。内螺纹管的采用又进一步提高了水冷壁的可靠性，由于滑压运行的超超临界锅炉的运行中要经历启动阶段的再循环模式、亚临界和近临界的直流运行和超临界直流三个阶段，内螺纹管的采用有利于防止亚临界低干度区发生DNB（膜态沸腾）和控制近临界高干度区发生DRO（干涸）时壁温上升的幅度，此外还可以采用较低的质量流速以达到降低水冷壁阻力目的，近年来，内螺纹管在超临界和超超临界锅炉上已被各公司广泛采用。 
3.9八角反向双切圆燃烧方式 
目前，国内已投运的大容量燃煤锅炉以四角切向燃烧方式居多，制造厂与电厂对四角切圆燃烧方式已积累了丰富的设计运行经验。切向燃烧方式的优点是煤种适用性强，与前后墙对冲燃烧相比，炉内NOx排放量相对较低。 
玉环电厂1000MW超超临界锅炉采用了MHI反向双切圆燃烧方式，它具有炉内烟气温度场和热负荷分配较为均匀、单只燃烧器热功率较小的优点，避免了大于1000MW大型燃煤锅炉采用单切圆燃烧时炉膛尺寸上的限制。双切圆燃烧炉膛相当于二个尺寸较小的单切圆炉膛，对保证直流燃烧器的火焰穿透能力和改进燃烧组织均是有利的。 
作者简介： 
柯文石，1961年5月8日出生于浙江台州，浙江大学电力系统及自动化专业毕业，学士学位。现任华能玉环电厂生产厂长。多年来一直从事火力发电厂的相关技术工作，自1990年开始担任电厂生技处长，并长期任职总工程师，对电厂的生产管理有着较丰富的实际经验，较早介入超超临界百万千瓦机组在我国的推广应用，著有《1000MW超超临界机组建设的探讨与实践》等多篇论文，目前管理着四台百万机组的安全生产。