蒸汽初参数对电厂热经济性的影响分析

（一）蒸汽初参数对理想循环热效率ηt的影响

假定初压力p0和排汽压力pc不变，仅改变初温度，热力循环吸热过程的平均温度将随之改变，理想循环热效率也会改变。

图2-1所示的理想蒸汽循环，将初温由T0升高到时，循环吸热过程平均温度升高到。由于吸热过程平均温度提高，加大了循环中吸热过程与放热过程中的平均温差，从而使与之相应的等效卡诺循环热效率得到提高，即提高了理想循环热效率。继续提高蒸汽初温度，理想循环热效率也将随之进一步提高，即理想循环热效率随蒸汽初温度的不断提高而提高；反之，若降低蒸汽初温度，则理想循环热效率也会降低，其变化规律如图2-2所示。

图2-1　具有不同初温度的理想蒸汽循环T-s图

图2-2　理想循环热效率与蒸汽初参数的关系

保持蒸汽初温度t0和排汽压力pc不变，仅提高初压力p0，其循环示意如图2-3所示。同理，由于吸热过程平均温度得到提高，也可提高理想循环效率。但必须指出的是，提高初压与提高初温对工质吸热过程平均温度的影响是不完全相同的。提高初压从而提高循环吸热过程平均温度，这一结论只是在一定范围内才是正确的。这是因为：随着初压力的逐步提高，水的汽化过程和蒸汽过热过程的吸热量占总吸热量的份额逐步减少。而把水加热到饱和水状态的吸热量所占份额逐渐增加，与汽化过程相比，水加热过程的温度低得多，所以初压提高到某一数值之后，进一步提高初压，总的吸热过程平均温度就不再升高而是降低，理想循环热效率也就下降。不过，该转折点的初压力很高，例如，蒸汽初温度为500℃时，转折点的初压力约为33.6MPa。初温度越高，转折点的数值也就越高，如图2-2所示，该压力已经超过了现代汽轮机相应初温度实用的配合初压力。因此可以说，在工程实用范围内，理想循环热效率也是随初压力的提高而提高，但提高的速度是递减的。

图2-3　具有不同初压力的蒸汽循环T-s图

若蒸汽初温、初压同时改变，理想循环热效率变化的方向与大小取决于两者变化的方向与大小。循环初温度越高，提高初压力就越有利。若能同时提高蒸汽初温度和初压力，则热力学效果更好。

（二）蒸汽参数对实际循环热效率ηi的影响

实际循环热效率ηi=ηtηri。前面已经分析了提高初参数对ηt的影响（影响的因素很多，如蒸汽参数、汽轮机通流部分空气动力学完善程度、汽轮机运行工况等）。这里主要分析其他条件不变时，由于蒸汽初参数变化对汽轮机相对内效率的影响。

其他条件不变时，仅提高蒸汽初温度，则进入汽轮机的蒸汽容积流量增大，要求增加前几级叶片高度，这就减少了汽轮机通流部分间隙的漏汽损失，同时还降低了蒸汽膨胀终了的湿度，使湿汽损失减少，因此，提高蒸汽初温度会使汽轮机相对内效率得到提高。

仅提高蒸汽初压力，使汽轮机蒸汽容积流量减少，则要求降低叶片高度，这就相对增加了汽轮机通流部分间隙的漏汽损失；同时，由于汽轮机前几级叶片高度不能小于某一限度，否则就必须采用部分进汽，这又会产生额外的鼓风损失和汽轮机机内的弧端损失；还会增加蒸汽膨胀终了的湿汽损失。总之，提高初压会使汽轮机的相对内效率降低，如图2-4所示。图中的两组曲线还表明，当初温不变时，初压提高，容量大的汽轮机其相对内效率下降慢些。这主要是因为其蒸汽容积流量较大，汽轮机各高压级叶片的高度和汽轮机的部分进汽度大，而小容量的汽轮机相对内效率下降得更快。

对容量和排汽压力一定的汽轮机。如果同时改变蒸汽初温和初压，汽轮机的相对内效率的变化情况决定于两参数变化的大小，可通过计算或查图确定。按我国现行的蒸汽初参数等级标准，对一定容量的汽轮机初参数每提高一级，其相对内效率都有所下降。所以，为使汽轮机的相对内效率达到应有的水平，蒸汽初参数总是与汽轮机的容量同时提高。正因如此，人们常常把高参数与大容量并提。

实际循环热效率与蒸汽初参数的关系如图2-5所示。

图2-4　凝汽式汽轮机的相对内效率与蒸汽初参数的关系

图2-5　实际循环热效率与蒸汽初参数的关系

由图2-5可以得到下列规律：(www.xing528.com)

（1）蒸汽初温度越高，实际循环热效率就越高；

（2）对应于每一个蒸汽初温度，都有一个使实际循环热效率达最大值的最佳初压力；

（3）蒸汽初温度越高，相应的最佳初压力越高；

（4）同样的蒸汽初温度，汽轮机的容量越大，最佳初压力就越高。

（三）提高蒸汽初参数的技术限制

提高蒸汽初温度要受到制造动力设备耐高温钢材的性能及价格的限制。当初温升高时，钢材的强度极限、屈服点及蠕变极限都会降低得很快，而且由于在高温下金属发生氧化，腐蚀结晶裂化，会使设备零件强度大大降低。在非常高的温度下，即使是耐热合金钢也无法使用，而且合金钢比普通钢价格贵得多。

提高蒸汽初压力，除使设备壁厚和零件重量增加外，还受到汽轮机末几级允许蒸汽湿度的限制。对于无再热的机组，当其他条件不变时，提高初压将使蒸汽的终湿度增加，如果超过允许值，将加剧对叶片的冲蚀，影响设备的使用寿命和安全运行，一般凝汽式机组的末级最大允许终湿度为12%～14%，大型机组常限制在10%以下，对于调节抽汽式机组，由于凝汽流量较小，其允许终湿度可提高至14%～15%。

（四）蒸汽初参数的选择

蒸汽初参数的选择与很多因素有关，确定初参数时不仅要考虑热经济性，还要考虑投资费用、运行的安全可靠性，需通过全面的技术经济比较后才能确定。

实际应用时，蒸汽初压力和初温度是配合选择的，当采用较高的初压力时，应采用较高的初温度。蒸汽初参数的选择还要考虑机组的容量。一般随着机组容量的增大，采用较高的参数。因此，笼统地说高参数设备比低参数设备热经济性高是不全面的，只有将高参数应用于大容量，才能达到提高热经济性的目的。

从发电厂技术经济性和运行可靠性考虑，中低压机组的蒸汽温度大多选取390～450℃，以便广泛采用碳素钢材；高压及其以上机组的蒸汽初温度一般选取500～565℃，多数情况下为535℃，这样可以避免采用价格昂贵的奥氏体钢材，而采用低合金元素的珠光体钢，珠光体钢耐温较低，可以在550～570℃温度下使用。但奥氏体钢价格高，膨胀系数大，导热性能差，所以，目前倾向于用珠光体钢，而把蒸汽初温度限制在550～570℃以下。

表2-1列出了我国电站设备容量和参数的匹配关系。随着科技进步，冶金工业技术的不断提高，超超临界压力机组采用两次中间再热，其参数可达33.5MPa、610℃/630℃/630℃，预计到2015年可达到40MPa，700℃/720℃/720℃。

表2-1　我国电站设备容量和蒸汽初参数的匹配关系

（五）采用高参数大容量机组的意义

发展高参数大容量的火电机组，已经成为世界电力工业发展的趋势之一，主要原因有以下几方面。

（1）热经济性高，节约一次能源，降低发电成本。随着蒸汽初参数的提高和机组单机容量的增加，发电厂的热经济性是提高的。如初参数8.8MPa/535℃的100MW机组，机组热耗率为9377.8kJ/（kW·h）；初参数为12.75 MPa/535℃的200MW机组，机组热耗率为8472.5kJ/（kW·h）；初参数为16.67MPa/538℃的600MW机组，机组热耗率为7619.8kJ/（kW·h）；初参数为25MPa/600℃的1000MW机组，机组热耗率为7347～7383kJ/（kW·h）。以上数据说明，机组的容量和初参数越高，机组热耗率就越低，发电成本越低，热经济性就越高。机组容量越大，火电厂的运行费用也越低。

我国在“六五”计划前机组的单机容量比较小，主力机组长期停留在50～100MW的高压机组和200MW的超高压机组的水平上。由于我国大容量、高参数机组的比例比较少，从而使我国的平均供电标准煤耗率比较高，达429g标准煤/（kW·h），比世界先进水平高出100g左右。

（2）节约投资、缩短建厂工期以及减少土地占用面积。随着蒸汽初参数的提高，设备的投资相应要增加，但是，机组单机容量的增加使单位容量的投资减少。一般容量大一倍的火电机组每千瓦投资节约10%～15%，钢材节约20%～25%，建筑安装材料节约25%～35%，建设工作量可减少30%～35%。如我国安装容量为4×300MW的机组，建设工期需要76个月，而2×600MW的机组只需56个月，工期缩短26%。

随着机组容量的增加，每千瓦机组的占地是降低的。例如，装机容量为4×300MW电厂与装机容量为2×600MW电厂相比，每千瓦机组占地由0.30～0.35m2降至0.28～0.32m2。

（3）促进电力工业的发展，满足社会经济增长的要求。电力工业是国民经济的基础工业，也是先行的工业。随着国民经济的快速发展，电力负荷的增长速度比较快，需要快速发展电力工业来满足快速增长的电力负荷的需要。为此，要加快大容量机组的建设步伐。我国1950～1981年的32年间，新增加机组1536台，总容量为55220MW，平均每台机组的容量为36MW。而2007年一年新增机组容量突破100000MW。现在，我国的主力火电机组已由原来的超高压200MV和亚临界压力300MW的机组发展到目前超临界压力、超超临界压力600MW和1000MW机组。“十一五”期间，我国已累计关停小火电6417万kW。全国300MW及以上的火电机组占火电总装机的比重从“十一五”初期的43.37%提高到67.11%，高效的清洁机组已经成为燃煤发电的主力。