1 350 MW二次再热燃煤发电机组煤仓间布置方案比选研究

余佳琳,姚向昱

(中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司,上海 200063)

申能安徽平山电厂位于安徽省淮北市,二期工程建设1台1 350 MW新型高效超超临界二次再热燃煤发电机组。采用国际首创高低位布置方式的双轴二次中间再热汽轮发电机组技术,同时采用一系列具有自主知识产权及专利的节能减排创新技术,机组设计供电煤耗251 g/(kW·h),比二次再热百万千瓦机组煤耗进一步下降超15 g/(kW·h),可大幅提高能源的利用水平,每年可节省燃煤近10万t,向世界提供了净效率最高值的洁净燃煤发电机组中国案例,为践行“双碳”战略、节能环保和能源安全作出积极贡献。

对于传统的大容量、高参数火电机组,汽轮机均采用低位布置方式,汽轮机布置高度不高于17 m,煤仓间采用前煤仓或侧煤仓格局,靠近锅炉布置,汽轮机房与煤仓间完全分离。本项目汽轮机采用双轴高低位布置,高位汽轮机位于约80 m标高处,低位汽轮机位于17 m标高处,常规火电机组汽机房、煤仓间及锅炉房的布置格局已不再适合,需要研究一种全新的布置方案,结合汽轮机高位布置的特点,将传统的汽机房与煤仓间有机融合。

1 主厂房布置总体思路

1.1 总体设想

目前,超超临界机组的参数已达到了600 ℃/600 ℃/28 MPa[1]以上。发展高参数超超临界火力发电机组的关键技术之一是开发耐高温性能更好的耐热钢[2]。众所周知,对于高参数的超超临界机组,高等级的金属材料(如HR3C、Super304H、P92等)将占据大量的工程投资,是影响超超临界机组建设的一个瓶颈。我国由于金属材料工业发展的相对滞后,大量高等级的金属材料需要进口,进一步增加了超超临界机组建设的初投资。本项目采用二次再热方案,在提高机组运行经济性的同时,将进一步增加高等级的金属材料的使用量,这是目前制约二次再热技术发展的一个重要原因。因此,在主厂房布置方面,应考虑通过合理的布置方案降低高等级的金属材料的使用量。

根据以上原则,考虑将超高压缸及高压缸汽轮机布置在靠近锅炉出口联箱位置,以降低主汽及部分再热蒸汽管道金属材料的使用量。这就意味着,超高压缸及高压缸汽轮机的布置将有别于常规单轴汽轮机的低位布置方案,将采用高位的布置方案,并尽可能靠近锅炉蒸汽出口联箱。

按照二次再热、双轴汽轮机的自身特点,高位汽轮机拟布置在锅炉炉前约80～85 m标高处。结合高位汽轮机厂房的布置方案,需研究在汽轮发电机高位布置时,如何合理地利用高位汽轮机底部的高度空间,布置各类辅机设备,做到设备及管道布置顺畅,各系统功能区分明显,设备检修方便,同时降低工程初投资。

汽轮机高位紧贴锅炉设置,将占据原有的煤仓间位置,煤仓间的设置方案将成为本项目研究的重点。将传统煤仓间融入汽轮机高位布置后下部的巨大空间,是本项目研究的技术方向之一。

1.2 主厂房区域的布置格局

主厂房区域采用汽轮机高低位方案,布置顺序为高位汽轮机房—锅炉房,低位汽轮机房布置在锅炉炉侧,炉后依次布置：静电除尘器、引风机、脱硫系统和排烟冷却塔。

结合本项目的场地特点及锅炉布置的总体方案,低位汽轮机房布置在锅炉炉侧,类似于常规的侧煤仓布置方式,以减少循环水管道的长度及二次再热热段管道的长度。主厂房布置示意见图1。

图1 主厂房示意

针对以上高低位汽轮机房的布置格局,如何将传统煤仓间内的设备合理布置是本项目重点研究的内容。

2 煤仓间类型

煤仓间在布置方案上主要分为前煤仓、侧煤仓、后煤仓等方式[3]。前煤仓为煤仓间设置在锅炉的炉前,侧煤仓为煤仓间设置在锅炉的炉侧面,后煤仓为煤仓间设置在锅炉的炉后。

后煤仓方案是出于缩短机炉之间的距离、缩短输煤栈桥及皮带的长度而提出的,国内神头一厂采用后煤仓方案。但后煤仓方案大大增加了烟道长度,同时烟道无论在煤仓间运转层上走还是在运转层下走,对煤仓间的运行检修均有较大影响。为解决这一问题,神头一厂的捷克设计方采用将煤仓间布置在锅炉燃烧室与尾部烟道之间的办法,此方法须与锅炉厂详细研究方可采用。侧煤仓布置同样具有后煤仓布置方案的优点,因此目前国内大容量机组的煤仓间布置大多采用前煤仓或侧煤仓的布置方案。

前煤仓方案为国内常规布置方式,设计时大多以布置紧凑、降低造价、方便运行检修为目标,结合中速磨煤机结构特点,对煤仓间进行优化设计。对于同步建设2台机组,侧煤仓方案通常将两台炉的煤仓间合并,集中布置于两炉中间。煤仓间采用三框架,结构稳定,且有利于两台炉的磨煤机合用检修场地及检修起吊设施。典型1 000 MW机组的煤仓间布置方案比较见表1,结构形式均为钢筋混凝土或钢结构。

表1 典型1 000 MW机组煤仓间布置方案比较表

3 煤仓间区域布置研究

3.1 前煤仓布置

结合高低位双轴汽轮机的自身特点,借鉴大容量机组前煤仓布置的经验,本项目可以将煤仓间区域布置与高位机房相结合。当双轴汽轮机轴系采用高低位布置方案后,高位汽轮机布置于80～85 m标高处,高位汽轮机运转层下方留出大量的高度空间,可以考虑取消常规的煤仓间及除氧间,将煤仓间及除氧间布置在高位汽轮机运转层的下部空间内,在充分利用高度空间的同时,保留原有前煤仓方案的特点。

根据制粉系统的设计方案,本项目将设置7台磨煤机,煤仓间区域的长度将长于高位汽轮机房的长度。由于低位汽轮机房采用炉侧布置方式,使煤仓间区域的磨煤机布置可以采用双列布置方式,以减小煤仓间区域的长度,见图2;或者采用常规的磨煤机单列布置方式,部分磨煤机布置在高位汽轮机房外侧区域,见图3。

图2 前煤仓区域双列磨煤机布置

图3 前煤仓区域单列磨煤机布置

采用双列磨煤机的布置方式,磨煤机按前后二列布置在高位汽轮机房的底层,前列布置3台磨煤机,后列布置4台磨煤机,可以将高位汽轮机房50 m标高以下的空间全部用于制粉系统的布置,高位汽轮机房的利用率较高。由于磨煤机采用双列布置方式,煤仓间区域需要设置双列磨煤机的设备检修通道及检修设施,磨煤机进口的冷、热一次风及出口的送粉管道均要进行双列布置,后列磨煤机的送粉管道将布置在前列磨煤机的上部进入锅炉房,致使给煤机层及皮带层抬高。同时,本期工程的输煤皮带从一期工程引接后,煤仓间区域内需要设置2+2路输煤皮带,整个输煤皮带系统较为复杂。

对于单列磨煤机的布置,由于煤仓间区域的长度长于高位汽轮机房的长度,部分磨煤机将位于高位汽轮机房的外侧区域。煤仓间区域的布置格局、设备的检修方式等均可借鉴常规前煤仓的方案。

对比两种磨煤机布置方式,单列磨煤机布置方案与常规方案一致,运行人员更为熟悉,相对成熟可靠。同时结合本项目已有的场地布置特点,可以从一期工程已有的输煤皮带直接引接,不必再设置输煤转运站,系统更为简洁。鉴于以上因素,对于前煤仓的布置,推荐采用单列磨煤机的布置方式。

3.2 侧煤仓布置

采用高位汽轮机的布置方式后,高位汽轮机房的结构设计难度较大。为避免制粉系统布置在高位汽轮机房区域内引起高位机房结构设计难度的进一步加大,也可以采用侧煤仓的布置方式。侧煤仓形式的煤仓间的结构稳定及抗震能力是煤仓间布置时必须要考虑的主要因素[5]。

本项目为扩建单台机组,针对这一特点,侧煤仓间内的磨煤机布置也存在两种布置方式：单列磨煤机布置见图4;双列磨煤机布置见图5。

图4 侧煤仓区域单列磨煤机布置

图5 侧煤仓区域双列磨煤机布置

对于单列磨煤机布置方案,布置上借鉴了前煤仓的布置格局,相当于常规前煤仓布置旋转90°后布置在炉侧。设备的运行及检修方案均可按照前煤仓的方式。为满足本期输煤皮带可以从一期工程已有的输煤皮带直接引接,不再设置输煤转运站,本期输煤皮带布置在A磨和B磨之间。

对于双列磨煤机布置方案,布置上借鉴了典型侧煤仓的布置格局。双列磨煤机共用一条检修通道及检修设施,磨煤机进口的冷、热一次风及出口的送粉管道均要进行双列布置,后列磨煤机的送粉管道将布置在前列磨煤机的上部进入锅炉房,致使给煤机层及皮带层抬高。

区别于常规工程的侧煤仓布置方案,采用侧煤仓后,本项目的磨煤机依然沿锅炉中心线对称布置,管道布置比较均匀,可改善常规侧煤仓方案引起的布置不均而影响燃烧的情况。相比单列磨煤机布置方案,双列磨煤机布置共用检修通道及检修设施,投资造价相对较低。鉴于以上因素,对于侧煤仓的布置,推荐采用双列磨煤机的布置方式。

3.3 煤仓间方案比选

针对本项目的特点,前煤仓及侧煤仓方案对比如下：

(1)侧煤仓布置对施工组织和大型机械的布置及作业带来一定影响,同时也会给施工带来一定难度,需要在施工前合理规划[4]。由于本项目的场地特点及锅炉布置的总体方案,低位汽轮机房布置在锅炉炉侧,采用侧煤仓方案后,锅炉左右两侧均被厂房包围,给机组建设的施工场地带来难度,需考虑低位汽轮机房或侧煤仓间缓建,待锅炉吊装完成后建设,影响工程进度。

(2)受锅炉除渣设施布置的影响,采用侧煤仓布置后,低位汽轮机房无法完全布置到锅炉炉后,仅能后移至除渣装置区域。相较于前煤仓方案,循环水管道及二次再热热段管道的长度都相应增加,增加了工程的初投资及运行损耗。

(3)对于常规的大容量火电机组,采用侧煤仓方案的目的在于减少四大管道的长度,降低工程的初投资。由于本项目采用高位汽轮机的布置方式,已经大幅减少了昂贵的高温管道的长度。无论采用何种煤仓间布置方式,四大管道的长度都基本不变,侧煤仓的优势无法在本项目体现。

(4)对于前煤仓布置方案,在高位汽轮机房内布置制粉系统,有效利用高位机房的高度空间;对于侧煤仓布置方案,需要设置单独的煤仓间。在厂房面积上前煤仓方案更具优势。

综合以上对比,本项目推荐采用前煤仓的布置方案。

3.4 煤仓间区域尺寸

对于常规1 000 MW机组,煤仓间的档距一般为10 m、跨距一般为13.5～14 m。由于本项目采用了7台磨煤机的配置方案,单台磨煤机的型号相当于1 000 MW机组的磨煤机型号,设备的可靠性得到了保证,同时煤仓间的尺寸可以参照1 000 MW机组。考虑到本项目的煤仓间布置在高位汽轮机房内,高位汽轮机房采用混凝土结构,并且高位汽轮机房的立柱截面远大于常规1 000 MW机组的主厂房立柱尺寸,本项目煤仓间的档距为10.5 m、跨距为14.5 m。为配合高位汽轮机及管道的整体布置,煤仓间的部分档距为12 m及13 m。

煤仓间内的给煤机层高度为17 m,与低位汽轮机房运转层及锅炉房运转层标高一致。根据SM中速磨煤机的检修起吊要求,起吊分离器时,吊钩中心线标高应大于9.8 m。磨煤机过轨吊层的梁底标高为12.75 m,过轨吊吊钩到轨底的最小距离为1.5 m,分离器检修时在起吊高度上还有约0.7 m的高度余量,完全满足分离器起吊的空间高度要求。在过轨吊层及17 m运转层之间的空间里,布置一层送粉管道。

3.5 煤仓间区域布置

本项目煤仓间区域位于高位汽轮机房内,处在锅炉炉前,为前煤仓布置。

煤仓间区域共占据8档,采用10.5 m、12 m及13 m的不等柱距,外加2 m的伸缩缝,总长度为92.5 m。

煤仓间内设有46 m层、17 m层和0 m层。46 m层布置输煤皮带机,17 m层布置给煤机,46 m层和17 m层间布置钢制原煤仓。0 m层每台炉顺列布置7台中速磨煤机及其附属设备。

煤仓间利用汽轮机房两端的通道和楼梯,以及锅炉本体通向煤仓间各层的通道,满足煤仓间内设备巡视和检修件运输的要求。

煤仓间0 m层侧边留有宽约5 m的磨煤机检修通道,以方便设备检修件的就地放置和运输。

4 结语

通过以上方案的研究比较,可以得出如下结论：

(1)结合本项目高低位汽轮机的布置特点及相关大容量机组的布置经验,推荐煤仓间采用前煤仓方案。

(2)在高位汽轮机房内设置煤仓间区域,采用单列磨煤机的布置方式。

(3)本项目磨煤机与1 000 MW机组磨煤机型号基本相当,煤仓间区域厂房尺寸可借鉴1 000 MW机组,并结合高位汽轮机房立柱截面变大的情况,本工程煤仓间的档距为10.5 m、跨距为14.5 m。

(4)配合高位汽轮机及管道的整体布置,煤仓间的部分档距为12 m及13 m。煤仓间区域共占据8档,采用10.5 m、12 m及13 m的不等柱距,外加2 m的伸缩缝,总长度为92.5 m。