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 100120；2.重庆大学，重庆 400044)

1 概述

我国电力结构以燃煤发电为主。截至2010年底，全国发电装机容量达到9.66亿kW，其中火电机组装机约7.1亿kW，占总容量73.43%。2010年我国原煤产量32.4亿t，其中发电消耗原煤约占54.24%。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。

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(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)－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350℃、420℃和480℃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20世纪70年代前是全套沿用前苏联三大主机设备使用寿命30年的理念。原电力工业部针对20世纪70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30年，一般按200,000运行小时设计寿命计算；②汽轮机的使用寿命应不小于30年(不包括易损件)；③发电机使用寿命一般为40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，GB/T7064－2008《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30年。GB50660－2011《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30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30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10年带基本负荷，中间10年考虑50%～100%负荷区间运行，后10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)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10%额定负荷)次数分别为500、4000、5000、300和12000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75%控制，另外25%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75%，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56.25%。

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－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30年，但一些弯头、三通、异径管等寿命可能会低于30年。对热力系统管道的检验监督和寿命评估执行DL/T940－2005《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/T441－2004《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》(GB 50068－2001)和《火力发电厂土建结构设计技术规定》(DL5022)，火力发电厂主厂房结构设计使用年限一般为50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，50年是正常情况下建筑结构保持良好使用的年限，超过50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50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200,000 h设计寿命按照30年折算，相当于每年可以运行6666h，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10%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30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30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200MW以下、初参数低和技术指标差的机组建议以低于30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30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)199MW及以下纯凝机组，原则上按照20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30年。供热机组可参照执行，原则上可按照经济寿命30年考虑。

(2)200－299MW机组：根据2010年度火电机组设计发电标煤耗指标统计，200MW超高压(12.7/535/535)实际运行供电标准煤耗约370g/kWh，比2010年平均标准煤耗335g/kWh高出约10%，建议经济寿命按照30年服役期限考虑控制。

(3)300－399MW机组：根据2010年度火电机组设计发电标煤耗指标统计，300MW湿冷机组实际运行供电标准煤耗约325g/kWh，比2010年平均供电煤耗低约10g/kWh，空冷机组比2010年平均标准煤耗335g/kWh高出约5～10g/kWh，建议经济寿命按照40年服役期限考虑，投产运行30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)500MW及以上机组经济寿命按照50年服役期限考虑控制，投产运行30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2011年4月发布的《全国发电机组手册》(2010年度)和《二0一0年电力工业统计资料汇编》等资料：

截至2010年底，全国在役单机容量6MW及以上燃煤火电机组总装机容量为646,606.4 MW，其中100MW及以上机组564,495.5 MW，6MW～99MW机组82,110.9 MW，具体统计数据如下：

单机容量100MW～199 MW机组共有345台，合计容量45480.5MW；

单机容量200MW～299MW机组共计225台，合计容量46,165MW；

单机容量300MW～399MW机组共计703台，合计容量219,328MW；

单机容量500MW～1000MW机组394台，总容量253,522MW。

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100MW及以上机组退役预测为：

2011年～2015年退役机组总容量为：6141 MW；

2016年～2020年退役机组总容量为：21380.5 MW；

2021年～2025年退役机组总容量为：35456 MW；

2026年～2030年退役机组总容量为：22147.5 MW。

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100MW～199MW机组合计容量45480.5MW于2030年全部退役；200MW～299MW 和300MW～399MW 机组2030年前退役容量分别为31640MW和18004.5MW，约占现有同容量机组总量的69.5%和8.2%；500MW及以上 机组2030年前无退役容量。

现阶段在役的100MW及以上燃煤火电机组2030年前合计退役总容量为95125MW，考虑在役的6MW～99MW机组82110.9 MW容量按照20年技术寿命控制，则2030年前全部退役，两项合计预计退役总容量为177,235.9MW(1.77 亿 kW)。

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300MW及以上机组投产运行30年后，请有资质的单位根据DL/T654－2009《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60年。

[1]电力可靠性管理中心．全国发电机组手册(2011年度)[K]．北京：电力可靠性管理中心，2011.

[2]中国电力企业联合会．二0一0年电力工业统计资料汇编[K]．北京：中国电力企业 联合会，2011．

[3]DL/T654—2009，火电机组寿命评估技术导则[S]．

[4]EPRI CS—4778，火力发电厂延长寿命通用导则[S]．