蒸汽參數

在影響循環熱效率的諸因素中,蒸汽膨脹終了的狀態參數 (即背壓) 受冷卻介質温度的限制,因此提高循環效率主要依靠提高蒸汽的初壓力和初温度。在初壓力一定的條件下提高初温度,循環熱效率總是提高的,但提高初温要受所能提供的金屬材料性能的限制。在初温一定的條件下提高初壓,壓力範圍內循環熱效率也總是提高的,但隨着初壓的提高蒸汽膨脹終了的濕度也增大,為了防止葉片損傷,汽輪機的排汽濕度也有一定的技術條件限制,這就是説初壓的提高也要受到限制。為了克服提高初壓所受的限制,現代大型火電機組均採用蒸汽中間再熱(見再熱循環)。有的還採用了二次再熱。這種根據外部條件,例如金屬性能,選定一個參數,再考慮技術經濟因素選定另一參數與之對應,稱為參數的配合。顯然,中間再熱的壓力和再熱温度也屬於參數的配合範疇。從水蒸氣焓熵圖(或温熵圖)不難了解,參數配合是由水蒸氣和蒸汽動力循環的性質決定的。

電廠的熱經濟性不僅與循環熱效率有關,還與生產過程各設備的效率相關,其中汽輪機的效率又與蒸汽參數有較大關聯。蒸汽參數高,特別是初壓力高,入口蒸汽容積流量減小,汽輪機高壓部分進汽的流動和泄漏損失增大,使汽輪機效率下降,特別是當汽輪機功率小蒸汽容積流量偏小時,效率下降愈甚,甚至超過因採用較高蒸汽參數帶來的循環熱效率提高的效益。所以較高的蒸汽參數總是與較大的機組功率聯繫在一起的,即促使蒸汽參數提高的諸因素中,機組容量的影響是最重要的因素之一。一般講,機組容量配合適當的提高蒸汽參數對電廠熱經濟性的影響為: 中參數(3.5 MPa、435℃)提高至高參數(9 MPa、535℃)可節約燃料12%～15%;進一步提高至超高參數並採用中間再熱(13.5 MPa、535/535℃),可再節約燃料約8%;再提高至超臨界參數並採用一次中間再熱(約24 MPa、550/550℃),可再節約燃料約8%。由24 MPa、565/565℃提高到30 MPa、600/600℃,相對效率提高約4.5%。改為二次再熱,即600/600/600℃時,還可提高2%。

提高蒸汽參數不僅要考慮熱經濟性的提高,還應考慮其綜合的技術經濟效益,這裏面很重要的一項是應考慮到投資額。投資要以年費用方式計入電能成本,提高蒸汽參數多追加的投資應能使電能成本降低,否則在經濟上就是不合算的。一般説,一個國家或地區冶金技術水平愈高、鋼材(特別是耐熱高合金鋼)價格相對愈低,燃料價格愈高,愈趨向於採用更高的蒸汽參數,這也就是一些工業發達國家領先採用超臨界參數乃至超超臨界參數(USC)的理由。所謂超超臨界參數,各國並無一定的界限劃分。已往認為應在30 MPa以上,但日本將25 MPa、600℃機組也劃入USC的範圍。為與常規超臨界24 MPa相區分,我們暫將大於27 MPa的機組劃入USC。影響蒸汽參數提高的另一影響因素為製造質量,以及新型金屬材料的成熟程度、機組的運行技術和管理水平。一般講,採用更高參數和更大容量的機組需要一定的技術成熟期,在一定期限內其可用率可能相對較低,這些在考慮技術經濟效益時也必須予以考慮。從環境保護角度看,機組效率越高,排出的温室氣體CO2越少,因此提高參數對環境保護是有利的。

綜合多項技術經濟因素確定的汽輪機組各容量等級優先採用的蒸汽初始壓力和初始温度的等級標準,它是火力發電設備標準化、系列化的重要組成部分。

蒸汽參數的選定涉及因素很多,這些因素也因時因地而異,所以必須通過全面的技術經濟論證才能確定。對於不同國家,甚至不同生產廠家,由於具體條件不同(其中包括經驗積累和習慣等),所採用的蒸汽參數系列也會有一定差異,下面給出國際電工委員會(IEC)推薦的蒸汽參數(表1)和中國火電廠採用的蒸汽參數系列 (表2) 作為示例。