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- ; m蛐I J . 发 电设计 火力发电机组运行寿命研究及退役容量预测 嘲嗍 火力发电机组 运行寿命研究及退役容量预测 潘军 ,潘怡辰 1 . 中国电力建设工程咨询公司,北京 1 0 0 1 2 0 ;2 . 重庆大学,重庆4 0 0 0 4 4 摘要 本文对火电机组关键设备三 大主机的设计、检测和实际运行情况进行 了调研 分析 ,综合考虑热力系统管 道和建筑结构等其他主要 因素,从宏观上研 究和预测 了火力发电机组的运行寿命,对不 同容量和参数机组的寿 命提 出建议性、参考性意见。在此基础上 ,本文对机组退役或替代时间、周期和容量进行宏观预测。 关键词燃煤火电厂 ;运行寿命 ;退役装机容量 。 中图分类号 T M6 2 1 文献标志码B文章编号1 6 7 1 . 9 9 1 3 2 0 1 4 0 5 . 0 0 3 5 . 0 5 Re s e a r c h o n Op e r a t i o n Na t ur e Li f e a n d Re t i r i n g Ca p a c i t y o f Th e r ma l Ge n e r a t i o n Un i t s P AN J u n ,P AN Yi c he n 1 . C h i n a P o w e r E n g i n e e r i n g C o n s u l t i n g C o r p o r a t i o n ,B e i j i n g 1 0 0 1 2 0 ,C h i n a 2 . C h o n g q i n g U n i v e r s i t y , C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 4 , C h i n a Ab s t r a c t T h e s i t u a t i o n s o f t h e ma i n e q u i p me n t s o f c o a l fi r e d p o we r p l a n t s , b o i l e r s , t u r b i n e s a n d g e n e r a t o r s , we r e i n v e s t i g a t e d a n d a n a l y z e d , t h r o u g h o u t t h e wh o l e d e s i g n - t e s t o p e r a t i o n p r o c e s s .Co n s i d e r i n g a l l t h e a s p e c t s s u c h a s e q u i p me ms , p i p e s , b u i l d i n g s t r u c t u r e s e t c . , t h e r e c o mme n d e d l i f e s p a n o f v a r i o u s c o a l - fir e d p o we r p l a n t s we r e r e s e a r c h e d a n d e s t i ma t e d . Ba s e d o n t h a t , t h e r e t i r i n g / r e p l a c e me n t o f t h e i n s t a l l e d c o a l - fire d p o we r p l ant s i n Ch i n a we r e p r e d i c t e d , i n c l u d i n g r e t i r i n g t i me , a v e r a g e o p e r a t i n g p e ri o d, a n d y e arl y r e t i r i n g c a p a c i t y . K e y WOr d s c o a l fi r e d P o we r P l a n t s ; o p e r a t i n g L i f e s p a n ; r e t i r i n g c a p a c i t y . 1概述 我 国电力结构 以燃煤发电为主。截至 2 0 1 0 年 底, 全 国 发 电装 机 容 量 达 到 9 . 6 6亿 k W, 其 中火 电机 组 装 机 约 7 . 1 亿 k W , 占 总 容 量 7 3 . 4 3 %。2 0 1 0年我 国原煤产量 3 2 . 4亿 t ,其 中 发 电消耗 原煤 约 占 5 4 . 2 4 。从今后发展来看, 火力发 电仍将在相当长的时期 内在我国电力结 构中占据主导地位。 面对燃煤火 电机组 当前面 临和长远发展形 势,研 究其装机构成和现状,对机组经济、安 全 的合理寿命进行综合分析,取得尽可能准确 和量化 的在役火力发 电机组的退役预期,为我 国燃煤火 电机组规划和建设提供基础性、指导 性数据,对 电力产业结构调整和有序发展有着 重要的意义 。 本文针 对在役 的燃煤火力发 电机组现 状、 运行寿命周期和预测退役期限等进行的专题分 析和研 究,提出机组寿命建议并预测各阶段退 役容量 。 收稿 日期 2 0 1 4 0 5 0 7 作者简介 潘军 1 9 6 6 一 ,男,山西临猗人,研 究生学历 ,教授 级高工 ,从事火电厂咨询和设计工作 。 2 0 1 4 年1 O 月第5 期 - 5 t - - 咖唧 - 嘲唧 发 电设计 火力发电机组运行寿命研究及退役容量预测 2火力发电机组的寿命 2 . 1概述 寿命一般是指构件 或设备从投运直至 由于 损伤失效或经济性等原 因,而不能继续服役所 经历的总时间。火电机组的寿命有设计寿命 f 理 论安全运行寿命或设计使用寿命 、技术寿命 、 经济寿命、实际安全运行寿命等概念。 火 电机 组寿命 取 决于其采 用 的关键设 备 或部件 的寿命,而设备 或部件 的寿命 主 要取决于使用 的金属材料 的安全使用寿命 。金 属材料 的寿命 损耗主要是疲劳和蠕变两大类 , 两种寿命损耗形成机理不 同,但往往是 同时发 生、相互作用,使得金属材料 的寿命损耗加剧。 疲劳破坏是金属材料在交变 循环 应 力 的作用下,经过一定的循环次数之后,材料 发 生断裂损坏,主要是 由于负荷变化等 因素产 生 的交变应力 引起,损耗量取决于负荷变化的次 数。火电机组负荷变化主要表现在机组的冷态、 温态、热态、极热态 启动过程和机组升降负荷 时的阶跃变化,疲劳寿命控制是根据界定的机 组在 电网中的作用等 因素,事先规定好运营期 可能会发生的各类启动或负荷阶跃量和次数等, 依据材料的S 即应力或应变 一N 次数或寿命 曲线进行材料选择、寿命核算并适 当留出一定 的安全裕度。疲劳寿命核算采用线性累计方式, 即确定和计算不 同的启动工况单次疲劳寿命 消 耗,按照线性方式折合成总寿命 消耗 的百分数 后,乘 以各 自允许的启动次数即为此种启动 工 况合计寿命消耗,将各种工况寿命消耗叠加计 算即为总寿命消耗 ,设计阶段控制总寿命消耗 在允许的范围内。 蠕变是金属材料在 高温工作条件下,即使 承受的低于材料屈服极限的恒定应力作用,也 会发 生持 续增长 的永 久变 形,一 般情况 下碳 钢、合金钢和热强钢部件在工作温度分别高于 3 5 0 ℃、4 2 0 ℃和 4 8 0 ℃时均需考虑蠕变 的影 响, 蠕变造成 的破坏多属低应力破坏,损耗取决于 金属材料在某一高温和应力作用下持续 的时间 或是永久变形 的积累量 。火 电机组设计阶段蠕 变损耗 一般 是经验 的按照疲劳损耗 总量的 1 / 3 来考虑 ,实际运行 中是参照材料的蠕变 曲线或 3 6 . 2 o 1 4 年 1 0 月 第 5 期 是实际运行时间等进行监护和控制 。 目前,火电机组一般所提的设计或使用寿 命基本为沿用 国外相关规定和要求。我 国建 国 初至 2 0世纪 7 0年代前是全套沿用前苏联三大 主机设备使用寿命 3 0年的理念。原 电力工业部 针对 2 0世纪 7 0年代末开始大量引进西方技术 专门编制和下发的 进 口大容量火力发 电设备 技术谈判指南 中对三大主机设备寿命界定和 要求如下 ①锅炉主要承压部件使用寿命应不 小于 3 O年,一般按 2 0 0 , 0 0 0运行小时设计寿命 计算 ; ②汽轮机的使用寿命应不小于 3 0年 f 不 包括易损件 ; ③发电机使用寿命一般为 4 0年 。 锅炉和汽轮机设备设计和加工制造 国标中 未对设计寿命提出具体年限要求,G B / T 7 0 6 4 2 0 0 8 隐极同步发 电机技术 明确要求发 电机 的设计使 用寿 命应 不小于 3 0年。G B5 0 6 6 0 2 0 1 1 大 中型火力发电厂设计规程 中明确发 电厂的工艺系统设计寿命按 3 0年考虑。 目前国内外火 电机组部件均为常规强度设 计而非有 限寿命设计,故从理论上讲是不能给 出部件或机组的准确 的设计或安全运行寿命年 限,实际机组建成投产后运营期也基本是参照 3 0年寿命控制。 鉴于影响火 电机组寿命的因素较多,包括 选用的原材料特 性参数波动性、设计过程中裕 度控制的差异性、加工制造环节质量管理的离 散性、安装质量 的随机性、运行方式和大修周 期更换易损部件 范围多少的不确定性等等综合 因素均影响机组的实际寿命 ,很难通过建立数 学模型或是较精确的公式进 行预测和判 定,故 本文只是针对火电机组关键设备三大主机设备 的设计、检测和实际运行的调研分析情况 ,并 从热力系统管道和建筑结构等其他主要 因素的 设计寿命等方面进行综合分析,以期从宏观上 分析、 了解和预测火 力发 电机组 的运行寿命 , 对机组 的寿命提 出建议性、参考性意见,并为 以此为基础 ,对机组退役或替代时间、周期和 容量进行宏观预测。 2 . 2锅炉、汽轮机和发电机设备设计和运 行寿命情况 锅 炉、汽轮 机和 发 电机 设备 运行 期 的冷 态 、温态、热态 、极热态 启动和 负荷阶跃次数 是影 响其疲劳寿命 的主要因素 。 目前国内基本 是按照机组前 l 0年带基本负荷 ,中间 1 0年考 虑 5 0 % ~ 1 0 0 % 负荷 区间运行,后 1 O年按照两 班制方式运行 即 机组在夜间低负荷时停用, 次 日再启动,属调峰运行的一种方式 1 的模式, 预测 机组典型的冷态启动、温态启动、热态启 动、 极热态启动和负荷阶跃 大于 1 0 %额定负荷 次数分别为 5 0 0 、4 0 0 0 、5 0 0 0 、3 0 0和 1 2 0 0 0次, 一 般 情况 下均据此条件进 行设计 ,针对特殊运 行条件的机组可根据具体情况预测或模拟运行 状态进行适当调整 。 三大主机主要部件设计时分别进行各状态 单次寿命 消耗计算并采用线性 累计方式进行总 体叠加,常规是按照疲劳寿命消耗不超过总寿 命的 7 5 %控制,另外 2 5 %考虑为蠕变寿命消耗 值,也有项 目针对汽轮机 设备提 出要求疲劳寿 命消耗不超过总寿命消耗 的 7 5 %,实 际上汽轮 机设备基本为标准 系列产 品,制造厂针对选定 的机型和材料核算后疲劳寿命消耗值基本均未 超 过 5 6 . 2 5 %。 2 . 3热 力系统主要管道 热力系统关键部件主要是主蒸汽管道、高 温再热蒸汽管道和大 口径三通,其主要损伤机 理是蠕变、疲劳、蠕变一疲 劳交互作用、腐蚀 和高温氧化腐蚀 ,服役条件苛刻,其薄弱区域 为焊缝和管件。正常条件下直管段 的寿命可达 到或超过 3 0 年 ,但一些弯头、三通、异径管等 寿命可能会低于 3 0年。对热力系统管道的检验 监督和寿命评估执行 D L / T 9 4 0 2 0 0 5 火力发 电厂高温高压蒸汽管道寿命评估技术导则 。管 道设计时壁厚的选 择计算 中已考虑 了腐蚀 、磨 损和机械强度要求 的部分 附加厚度,且一般均 在计算壁厚基础上圆整到整数值厚度或是制造 厂的标准厚度系列值 ,并执行 DL / T 4 4 1 2 0 0 4 火力发 电厂高温高压蒸汽管道 蠕变监督规程 的要求在管道上最小壁厚段设置蠕账监察段和 检测点进行运行过程 中的监督。 2 .4 其它影响因素 影响火 电机组寿命除了上述 的三大主机设 备和热力系统主要管道外,辅机 设备等也影响 机组整体寿命,但考虑到其投资额度相对较低, 且影响范围小,可 以通过定期更换 易损件或是 损坏后整套更换 等方式处理,故不作为主要影 响因素考虑。 除此之外还有许多因素交相影响,其 中主 厂房等主要建构筑物寿命也是影响火 电机组寿 命 的关键 因素之一。根据 建筑结构可靠度设 计统一标准 G B 5 0 0 6 8 2 0 0 1 和 火力发 电 厂土建 结构设计技术规定 DL 5 0 2 2 ,火力发 电厂主厂房结构设计使用年限一般为 5 0年,即 在这 一规定时期 内,主厂房在正常设计、正常 施工 、正常使用和维护下不 需要进行大修就能 够 按其预 定的 目标使 用。因此 ,从理论 上讲 , 5 0年是正常情况下建筑结构保持 良好使用 的年 限,超过 5 0年结构需进行鉴定确定是否需要加 固后延长结构的使用年限,即主厂房结构的寿 命应不止 5 0年。 3寿命综合分析意见和结论 考虑到材料 的疲劳寿命 曲线中寿命 次数为 试验 中出现初始裂纹 的最小循环 次数,且在部 件设计寿命核算时尚要求留有一定 的裕度 ,在 实际运行 中即使 是出现 了初始裂纹还可修补后 继续使用 ,故从材料 的角度 分析火 电机组设备 是具备延长一定的使用寿命条件的。 针 对锅 炉主要承 压部件运 行 2 0 0 , 0 0 0 h设 计寿命 按照 3 O年 折算,相 当于每年 可 以运行 6 6 6 6 h ,实际上近年设备年运行小时均有不 同程 度的下降,考虑 到设备实际运行的时间与设计 允许的时间有差异,同时考虑寿命还取决于原 材料选择、加工精度和运行精细化程度等综合 因素,加之实际上承压元件制造完毕后的成品 壁厚基本上都比强度计算需要壁厚大。针对锅 炉、汽轮机和发 电机设备对总 的寿命和疲劳消 耗寿命 的要求及冷态、温态、热态、极热态和 负荷阶跃 大于 1 0 %额定负荷 次数预测原则, 实际运行 中启动次数存在着小于设计要求值的 情况,加之实际上设备制造厂在设计时疲 劳寿 命消耗值控制较低,故很多机组超过经验寿命 年限仍然超期服役。 考虑充分利用和发挥材料的寿命裕度和设 2 0 1 4 E 1 0 N 第 5 期 .3 7 计裕量,火力发 电机组的实际安全运行寿命理 论上讲应该能超过原经验寿命 3 0年,延期使用 在节省初投资和系统规划等方面均有一定的优 势。但考虑到 即便是针对相 同容量和相 同参数 并同期制造的火电机组,其原材料 的选择和供 应批次、加工制造和安装等环节差异 、机组所 处地域差异造成运行方式不同 包括不同的设 备实际可利用系数和机组强迫停机率等 ,大修 周期更换 易损 部件范围差异等等综合 因素均切 实地影 响着机组的实 际运行寿命,现阶段如何 准确的量化界定机组的实 际安全运行寿命仍是 一 个世界性的难题 。本文 只针对燃煤火 电机组 三大主机设备的设计、检测和实际运行 的调研 情况,同时从 热力系统管道和建筑结构等其他 主要因素的设计寿命等方面着手,宏观的分析、 了解和预测火力发 电机组的运行寿命,兼顾考 虑火 电行业 技术进 步和产业政策等相关要求 , 提 出针对不 同容量和参数的机组 ,分别 以技术 寿命和经济寿命确定其合理的退役期限。 综合 以上分析,从设计角度分析并参考实 际运行机组寿命经验,机组 的运行寿命是可以 超过原设计 3 0年寿命的,但考虑到不 同机组原 始设计初参数的选择和运行技术指标相对于现 阶段新机组的优劣程度的差异性,考虑设备老 化等因素造成机组的效率下降等 因素,兼顾考 虑火 电行业技术提升、更新、进步和产业政策 等相关要求 ,针对单机容量 2 0 0 MW 以下、初 参数低和技术指标差的机组建议以低于 3 0年的 技术寿命确定其退役的期限 ; 针对大容量、高 参数机组考虑充分利用设备寿命裕量、最大限 度发挥其经济效益,运行后期如需要可 以考虑 更换部分部件等方式确保机组安全运行,建议 以高于 3 0年的经济寿命控制其退役的期 限。具 体建议火 电机组经济 技术 寿命控制原则如下 1 1 9 9 MW 及 以下纯凝机组,原则上按照 2 0年技术寿命控制 ,如有特殊情况 需要继续维 持运行,也可考虑在监督下运行服役 到 3 0年。 供热机组可参照执行,原则上可按照经济寿命 3 0年考虑。 2 2 0 0 2 9 9 MW 机组 根据 2 0 1 0年度火 电机 组设计发 电标煤耗 指标统计,2 0 0 MW 超 高压 1 2 . 7 / 5 3 5 / 5 3 5 实 际运 行供 电标 准煤 耗约 3 8 .2 o 1 4 年 1 0 月 第 5 期 3 7 0 g / k Wh , 比 2 0 1 0年平均标准煤 耗 3 3 5 g / k Wh 高出约 1 0 %,建议经济寿命按照 3 0年服役期限 考虑控制。 3 3 0 0 3 9 9 MW 机组 根据 2 0 1 0 年度火 电机 组设计发 电标煤耗指 标统计,3 0 0 MW 湿 冷机组实际运行供电标准煤耗约 3 2 5 g / k Wh ,比 2 0 1 0年平 均 供 电煤 耗低 约 l O g / k Wh ,空 冷机 组 比 2 0 1 0年 平 均 标 准煤 耗 3 3 5 g / k Wh高 出约 5~ 1 0 g / k Wh ,建议经济寿命按照 4 0年服 役期 限考虑,投产运行 3 O 年后按照每 5年开展一次 主要承压部件寿命检测和鉴定,确定其寿命消 耗状况,综合分析提出相应措施 并处理后 继续 监控运行。 4 5 0 0 MW 及 以上机组经济寿命按照 5 0年 服役期 限考虑控制,投产运行 3 0年后按照每 5 年开展一次主要承压部件寿命检测和鉴定,确 定其寿命 消耗状况,综合分析提 出相应措施并 处理后继续监控运行。 以下暂按照上述经济 或技术 寿命 年限 原则针对在役燃煤火力发 电机组现状情况进行 分析,并预测实际的退役时间和容量。 4在役燃煤火电机组基础数据统计 与分析 数据 分析主 要依据 电力 可靠性 管理 中心 2 0 1 1 年 4月发布的 全 国发 电机组手册 2 0 1 0 年度 1 和 二 0 0年电力工业统计资料汇编 等资料 截至 2 0 1 0年底,全 国在役 单机容量 6 MW 及 以上 燃煤火 电机 组总 装机 容量为 6 4 6 , 6 0 6 . 4 MW,其中 I O O MW 及以上机组 5 6 4 , 4 9 5 . 5 Mw, 6 MW ~ 9 9 MW 机组 8 2 , 1 1 0 . 9 Mw,具体统计数 据如下 单 机 容 量 1 0 0 MW ~ 1 9 9 Mw 机 组 共 有 3 4 5台,合计容量 4 5 4 8 0 . 5 MW ; 单机容量 2 0 0 MW ~ 2 9 9 MW 机组共计 2 2 5 台,合计容量 4 6 。 1 6 5 MW ; 单机容量 3 0 0 MW ~ 3 9 9 MW 机组共计 7 0 3 台,合计容量 2 1 9 , 3 2 8 MW ; 单机容量 5 0 0 MW ~ 1 0 0 0 MW 机组 3 9 4台, 总容量 2 5 3 , 5 2 2 MW。 t 碉几 J . 发电设计 火 力 发电 机组 运行 寿 命 研 究 及 退 役 容 量 预 测 圈 哪 哪咖岫 盖 5结论和意见 5 . 1 在役机组 分析和机组退役预测 按照上述建议的机组寿命控制年 限,对现 役单机容量 l 0 0 MW 及 以上机组退役预测为 2 0 1 1年 ~ 2 0 1 5年 退 役 机 组 总 容 量 为 61 4l M W 2 0 1 6年 ~ 2 0 2 0年 退 役 机 组 总 容 量 为 21 38 0 . 5 M W 2 0 2 1年 ~ 2 0 2 5年 退 役 机 组 总 容 量 为 3 5 45 6M W; 2 0 2 6年 ~ 2 0 3 0年 退 役 机 组 总 容 量 为 2 21 47. 5 M W 。 近 期需退 役 的机组 主要 为技 术寿命 控制 的小 机组 ,单机 容量 1 0 0 MW ~ 1 9 9 MW 机 组 合 计 容 量 4 5 4 8 0 . 5 MW 于 2 0 3 0年 全 部 退 役 ; 2 0 0 MW ~ 2 9 9 MW和 3 0 0 MW ~ 3 9 9 MW机 组 2 0 3 0年 前 退 役 容 量 分 别 为 3 1 6 4 0 MW 和 1 8 0 0 4 . 5 MW, 约 占 现 有 同 容 量 机 组 总 量 的 6 9 . 5 % 和 8 . 2 % ; 5 0 0 MW 及 以上 机组 2 0 3 0年前 无退役容量 。 现 阶段在役 的 1 0 0 MW 及 以上燃 煤火 电机 组 2 0 3 0年前 合计退役总容量为 9 5 1 2 5 MW,考 虑 在 役 的 6 MW ~ 9 9 MW 机 组 8 2 1 1 0 . 9 Mw 容 量 按 照 2 0年 技 术 寿 命 控 制, 则 2 0 3 0年 前 全 部 退 役 ,两 项 合 计 预 计 退 役 总 容 量 为 1 7 7 , 2 3 5 . 9 MW 1 . 7 7亿 k W 。 5 . 2说明和建议 在本文建议 的寿命期 内,为确保机组安全 运行,针对 3 0 0 MW 及 以上机组投产运行 3 0年 后,请有资质 的单位根据 D L / T 6 5 4 2 0 0 9 火 电机组寿命评估技术导则 ,按照每 5年开展一 次主要承压部件寿命检测和鉴定,确定其寿命 消耗状况,综合分析提出相应措施并处理后继 续监控运行到经济寿命。当机组服役到经济寿 命后,如因特殊情况还需要继续延长使用,建 议按照每 2年开展一次主要承压部件寿命检测 和鉴定,确定其寿命消耗状况,综合分析提 出 相应措施并处理后继续监控运行,原则上机组 安全运行寿命不超过 6 0年。 参考文献 [ 1 ] 电力可靠性管 理中心.全 国发 电机 组手册 2 0 1 1 年 度 [ K ] .北京 电力可靠性管理中心,2 0 1 1 . [ 2 ] 中国 电力企业联合会 .二 0 0年 电力工业统计 资 料汇编 [ K ] .北京 中国电力企业 联合会,2 0 1 1 . [ 3 】D L / T 6 5 4 --2 0 0 9 ,火电机 组寿命评估技术 导则 [ S ] . [ 4 】E P R I C S 一4 7 7 8 ,火力发 电厂延长寿命通用 导则 [ S ] . _ ■ 自主知识产权板式脱硝催化剂打破国外技术封锁 信息 ⋯“ 一 4 年 1 0月 2 2日,2 0 1 4中国国际电力电工展上,华北 电力大学展 出的 “ 板式脱硝催化剂及 相 关技术”引起 了业界的关注。这是国内唯一具有 完全 自主知识产权的成套板式脱硝技术,已经获 得 9项国内发 明专利 、1项国际发明专利。 该产品经第三方检测,各项指标达到国际领先水平。通过安装 S C R板 式脱硝催化剂,大唐集团 哈 尔滨第一热电厂使 电厂的脱硝效率增至 8 0 %,国电宣威发 电有限责任公司的脱硝效率超过 8 0 %。 技术发 明人 、华北电力大学董长青教授告诉记者 ,煤炭、生物质燃料在燃烧过程 中产生 的氮氧 化物 N O、 NO 和 N , O等 , 是主要的大气污染物之一。大中型锅 炉烟气脱硝普遍采用 S C R脱硝技术 , 其核心在 于 S C R脱硝催化剂。由于我 国烟气脱硝技术研究开展得相对较晚,早期脱硝催化剂配方与 生产线均为购买欧美和 日本技术 ,并在诸多技术层 面受到制约。该项完全拥有 自主知识产权 的 S C R 板式脱硝催化剂 ,不但打破 了国外的技术封锁 ,还使整个市场的产品价格下降三分之一。 生物质发电成套设备 国家工程 实验室与北京华电光大环保技术有 限公司合作 ,已经在浙江、湖 北、山西等地建成 了年产能力达 2万 1T I 、具有全 自 动化脱硝催化剂的生产线。 摘 自 h t t p / / www.b j x . c o rn. c n 2 0 1 4 g 1 0 N 第 5 期 .3 9
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