超超臨界汽輪機技術(shù)發(fā)展.docx

超超臨界汽輪機技術(shù)發(fā)展42091022 趙樹男1.超超臨界汽輪機的參數(shù)特征超臨界汽輪機(supercritical steam turbine)有明確的物理意義。由工程熱力學中水蒸汽性質(zhì)圖表知道: 水的臨界點參數(shù)為: 臨界壓力pc=22.129MPa, 臨界溫度tc =374.15 , 臨界焓hc=2095.2kJ/ kg, 臨界熵sc=4.4237kJ/(kgK),臨界比容vc= 0.003147m3/kg。工程上, 把主蒸汽壓力p0pc 的汽輪機稱為超臨界汽輪機。在國際上, 超超臨界汽輪機(Ultra Supercritical Steam Turbine)與超臨界汽輪機的蒸汽參數(shù)劃分尚未有統(tǒng)一看法。有些學者把蒸汽參數(shù)為超臨界壓力與蒸汽溫度大于或等于593稱為超超臨界汽輪機, 蒸汽溫度593可以是主蒸汽溫度,也可以是再熱蒸汽溫度; 有些學者把主蒸汽壓力大于27. 5MPa 且蒸汽溫度大于580稱為超超臨界汽輪機。1979 年日本電源開發(fā)公司(EPDC) 提出超超臨界蒸汽參數(shù)( Ultra Supercritical Steam Condition)的概念, 簡寫為USC, 也稱為高效超臨界或超級超臨界。目前, 超超臨界汽輪機的提法已被工程界廣泛接受和認可, 在傳統(tǒng)的超臨界蒸汽參數(shù)24. 2MPa/ 538/ 538的基礎(chǔ)上,通過提高主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度或主蒸汽壓力改善熱效率。國外提高超臨界機組的蒸汽參數(shù)有兩種途徑: 一種途徑是日本企業(yè)的做法, 通過把主蒸汽和再熱蒸汽的溫度提高到593或600, 實現(xiàn)了供電熱效率的提高, 生產(chǎn)出超超臨界汽輪機; 另一種途徑是歐洲一些企業(yè)的做法, 把蒸汽參數(shù)提高到28MPa 和580, 也實現(xiàn)了供電熱效率的提高, 生產(chǎn)出超超臨界汽輪機。國外投運大功率超超臨界汽輪機比較多的國家有日本和丹麥, 生產(chǎn)大功率超超臨界汽輪機臺數(shù)比較多的企業(yè)有東芝、三菱、日立、阿爾斯通(德國MAN)和西門子。我國研制超超臨界汽輪機, 建議主蒸汽壓力取為25MPa 28MPa, 主蒸汽溫度為580600, 再熱蒸汽溫度為600, 機組功率為700MW1000MW。2.超超臨界技術(shù)的發(fā)展2. 1日本超超臨界技術(shù)開發(fā)日本超超臨界技術(shù)開發(fā)分為2 個階段實施完成。第一階段超超臨界技術(shù)開發(fā)從1981 年開始, 1994 年結(jié)束。第一階段的技術(shù)研究工作分為2步同時進行: 第一步的蒸汽溫度為593/ 593,第二步的蒸汽溫度為649/ 593。第一階段技術(shù)開發(fā)的目標是在傳統(tǒng)超臨界蒸汽參數(shù)( 24.2MPa/ 538/ 538) 的基礎(chǔ)上, 熱效率再提高2. 2% 。主要技術(shù)研究工作有5項: 初步試驗( 1981年)； 鍋爐元件試驗(19821989年)；汽輪機轉(zhuǎn)動試驗( 19831989年)；超高溫汽輪機示范電廠試驗(19831993年)；總體評價與分析( 1994年)。1994年完成了第一階段技術(shù)開發(fā)的總體評價與分析工作。第二階段超超臨界技術(shù)開發(fā)從1995年開始,2001年結(jié)束。第二階段蒸汽溫度為630/ 630, 第二階段技術(shù)開發(fā)工作的重點是對9%Cr 12%Cr 新型鐵素體鋼進行開發(fā)和驗證。第二階段技術(shù)開發(fā)的目標是在常規(guī)超臨界蒸汽參數(shù)(24. 2MPa/ 538/ 538)的基礎(chǔ)上, 熱效率再提高4.8 個百分點。第二階段技術(shù)研究工作有4 項: 初步試驗( 1995 年)；鍋爐元件630試驗(19962001年)；汽輪機轉(zhuǎn)動630試驗(19962000年)；總體評價和分析(2001 年)。2001 年完成第二階段技術(shù)開發(fā)的總體評價與分析工作。日本超超臨界技術(shù)開發(fā)的階段研究工作的完成,為日本發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)研制和生產(chǎn)超超臨界火電機組提供了科學的依據(jù)。2. 2歐盟超超臨界技術(shù)開發(fā)歐洲國家從20世紀90年代開始實施COST501計劃, 繼續(xù)開發(fā)9%Cr12%Cr鐵素體鋼, 實現(xiàn)蒸汽溫度為580/ 600。歐洲13個國家有關(guān)的發(fā)電設(shè)備企業(yè)參與了COST501計劃的研發(fā)。研究成果已在丹麥投運的SVS3、NVV3和AVV2等超超臨界機組上應(yīng)用。歐洲國家從1998年開始實施COST522計劃, 開發(fā)和驗證新型鐵素體鋼和奧氏體鋼。11%Cr鋼的Co的含量增加到3% , B的含量增加到0. 01% , 以提高材料的蠕變強度和抗高溫氧化性能。實現(xiàn)蒸汽溫度為600/ 620, 目標是開發(fā)與燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)相比更有競爭力的超超臨界火電機組。按照現(xiàn)有的技術(shù)水平, 可以實現(xiàn)的主蒸汽和再熱蒸汽的溫度分別為600/ 620。歐盟從1998年1月1日啟動了開發(fā)時間長達17年的超超臨界技術(shù)研發(fā)項目“Themie 700”,也稱“AD-700計劃”。歐盟“AD-700計劃”的目的是開發(fā)具體先進蒸汽參數(shù)的超超臨界火電機組。具體目標有兩點: 一是供電熱效率(發(fā)電凈效率)由目前的47%提高到55%(深海海水冷卻)或52%(內(nèi)陸廠)； 二是廠房結(jié)構(gòu)更加緊湊, 以降低燃煤電廠的投資。歐盟“AD-700計劃”的核心技術(shù)是新材料的開發(fā)和應(yīng)用。通過使用鎳基超級合金, 使汽輪機的蒸汽溫度由目前的600/ 620提高到700/ 720。為了在700/ 720超超臨界火電機組中減少使用價格昂貴的鎳基超級合金, “AD-700計劃”還確立了奧氏體鋼和鐵素體鋼的發(fā)展計劃。歐盟“AD-700計劃”分8個子階段進行。第一子階段為初可研階段(19982000年)；第二子階段為材料性能示范試驗階段(19992003年)；第三子階段是關(guān)鍵元件的詳細設(shè)計階段(20012003年)；第四子階段是關(guān)鍵元件的示范試驗和全尺寸實體試驗階段(20022006 年)。在丹麥現(xiàn)有超超臨界機組SVS3號運行的電廠內(nèi),加裝加熱鍋爐和蒸汽溫度為700/ 720汽輪機, 進行全尺寸實體試驗。從SVS3號超超臨界機組上引出一部分30MPa/ 582蒸汽，在加熱鍋爐的過熱器中升溫到700,進入壓汽輪機做功后再回到加熱鍋爐的再熱器,升溫到720。720的蒸汽在中壓汽輪機做功后返回SV S3號的中壓汽輪機。第五子階段為示范電廠施工準備階段( 2006年)；第六子階段是示范電廠的設(shè)計和施工階段(20072011年)。計劃在波羅的海沿岸國家建造一個示范電廠,單機功率為400MW 或1000MW, 蒸汽參數(shù)為37. 5MPa/ 700/ 720/720, 一次再熱壓力為12MPa, 二次再熱壓力為3MPa, 深海海水冷卻, 冷卻水溫度為5 10, 電站名稱暫定為EMAX。第七子階段是示范電廠的運行和試驗階段(20122014年)。第八子階段是示范電廠的結(jié)果反饋到合作者階段(20132014年)。歐盟“AD-700計劃”的戰(zhàn)略意義是使歐盟成員國的燃煤火電機組的技術(shù)水平始終處于世界的領(lǐng)先水平, 顯著提高歐盟成員國燃煤火電機組的競爭能力。歐盟“AD-700計劃”成功后, 不僅可以顯著提高燃煤火電機組的熱效率、顯著降低煤的消耗量, 而且可以顯著降低CO2 的排放量。2. 3美國超超臨界技術(shù)開發(fā)1999年美國能源部(DOE) 提出了火電新技術(shù)發(fā)展的Vision 21計劃, 對1520年后工程中采用的先進發(fā)電技術(shù)提出研發(fā)實施計劃。在Vision 21計劃中, 有一個項目為超超臨界鍋爐材料的研發(fā)計劃(DOE/OCDO) , 起止日期為2001年10月至2006年9月。該項目CDOE/OCDO的核心技術(shù)包括: 選定在指定熱效率和運行溫的發(fā)電廠中使用的材料；確定蒸汽溫度為760的鍋爐管材(鎳基超級合金)的制造工藝和噴涂工藝；確定蒸汽溫度為760的超超臨界火電機組的設(shè)計和運行難點；促進新型管材技術(shù)的商業(yè)化開發(fā)和應(yīng)用；通過ASME規(guī)范的認證。該項目(DOE/OCDO)有9項研究工作: 概念設(shè)計；機械性能；汽側(cè)氧化；煙側(cè)腐蝕；焊接技術(shù)開發(fā)；制造工藝；噴涂工藝；設(shè)計數(shù)據(jù)規(guī)范；項目管理。該項目(DOE/OCDO)完成后, 美國可以制造蒸汽溫度達到760的鍋爐管材和各種部件。如果工程需要, 也應(yīng)該能夠制造蒸汽溫度為871的鎳基超級合金的部件。美國能源部(DOE)有關(guān)超超臨界汽輪機技術(shù)的研究項目2002年處于立項階段。同蒸汽參數(shù)為16. 7MPa/ 538/ 538亞臨界火電機組的熱效率35%38%相比, 美國能源部(DOE)計劃開發(fā)的35MPa/ 760/ 760/ 760超超臨界火電機組的熱效率將高于55% , CO2和其他污染物的排放約減少30%。美國能源部(DOE)開發(fā)超超臨界技術(shù)的目標有兩點: 一是選擇先進的材料使得超超臨界火電機組的成本具有競爭性、環(huán)?？山邮懿⒛軌蛉加酶吡蛎?；二是提高美國發(fā)電設(shè)備制造商生產(chǎn)的高效燃煤火電機組( 超超臨界機組) 在全世界范圍內(nèi)的競爭能力。3.超超臨界汽輪機關(guān)鍵技術(shù)的探討到2002年底, 國內(nèi)汽輪機制造企業(yè)已有亞臨界汽輪機的生產(chǎn)經(jīng)驗和投運業(yè)績。同亞臨界汽輪機的蒸汽參數(shù)16. 7MPa/ 538/ 538相比, 超超臨界汽輪機的主蒸汽壓力大幅度升高、主蒸汽溫度明顯升高, 并且再熱蒸汽的壓力和溫度均有明顯升高。超超臨界汽輪機在可靠性等方面面臨的主要技術(shù)問題如圖1 所示。圖1 超超臨界汽輪機的主要技術(shù)問題(1) 隨著蒸汽溫度的升高, 超超臨界汽輪機可靠性面臨的主要技術(shù)問題是:材料力學性能和許用應(yīng)力下降, 超超臨界汽輪機承壓部件和轉(zhuǎn)動部件的強度降低, 需要開發(fā)和采用新材料, 采用蒸汽冷卻技術(shù)。超超臨界機組選用直流鍋爐, 直流鍋爐沒有汽包, 不能進行排污, 給水中鹽與鍋爐過熱器、再熱器管子內(nèi)表面剝離的氧化垢微型固體粒子進入汽輪機, 對汽輪機高壓部分造成固體顆粒侵蝕,對汽輪機低壓部分易造成應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞。需要對調(diào)節(jié)級和再熱第1級葉片開展固體顆粒侵蝕機理研究, 采取防固體顆粒侵蝕措施；末三級葉片需要采用耐腐蝕疲勞材料, 低壓轉(zhuǎn)子需要采用防應(yīng)力腐蝕結(jié)構(gòu)。超超臨界汽輪機與高溫有關(guān)的嚴重問題是工作應(yīng)力下產(chǎn)生蠕變變形以及啟停與負荷快速變化過程中過大的熱應(yīng)力產(chǎn)生熱疲勞(低周疲勞)。超超臨界汽輪機的絕大部分高溫部件工作溫度是不均勻的和變化的, 厚截面部件如轉(zhuǎn)子、汽缸、噴嘴室、閥殼等在啟停過程與負荷快速變化過程中都承受很大的溫度梯度, 由此而產(chǎn)生的熱應(yīng)力接近或超過材料的屈服極限, 嚴重影響這些部件的使用壽命。超超臨界汽輪機參與調(diào)峰運行, 壽命問題更為突出。需要采用新材料和新結(jié)構(gòu), 開展壽命設(shè)計。(2) 隨著蒸汽壓力的升高, 超超臨界汽輪機可靠性面臨的主要技術(shù)問題是:汽缸、噴嘴室、閥殼、導汽管等承壓部件應(yīng)力增大, 面臨嚴峻的強度和壽命問題, 需要采用新材料和新結(jié)構(gòu), 開展強度和壽命設(shè)計。主蒸汽的密度高、比容小, 高壓轉(zhuǎn)子的偏心、間隙不對稱等產(chǎn)生蒸汽力, 汽流激振容易引起軸系失穩(wěn), 需要開展汽流激振機理研究, 開發(fā)汽流激振設(shè)計分析軟件。汽輪機各級間壓差和軸封的壓差也有增大, 隔板汽封、葉頂汽封、軸封等部件蒸汽泄漏量增大, 需要采用汽封新結(jié)構(gòu)。綜上所述, 隨著蒸汽參數(shù)的提高, 材料開發(fā)與工藝、固體顆粒侵蝕、強度問題、壽命問題、汽流激振、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計、蒸汽冷卻技術(shù)、通流部分優(yōu)化等技術(shù)已經(jīng)成為研制超超臨界汽輪機的關(guān)鍵技術(shù)。上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所、制造企業(yè)和國內(nèi)有關(guān)單位通過近幾年的科研工作和技術(shù)積累,對這些關(guān)鍵技術(shù)有一定的研究, 特別是對強度、壽命、汽流激振、材料開發(fā)、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計和通流部分優(yōu)化等技術(shù)有深入研究, 為研制和生產(chǎn)超超臨界汽輪機奠定了良好的基礎(chǔ)。4.結(jié)語超超臨界火電技術(shù)屬于高新技術(shù), 超超臨界火電機組的研制和生產(chǎn), 反映和代表一個國家工業(yè)化的水平。隨著蒸汽參數(shù)的不斷提高, 超超臨界火電機組的熱效率不斷提高, 電廠污染物的排放進一步減少。隨著科學技術(shù)的進步和材料技術(shù)的發(fā)展, 超超臨界汽輪機的主蒸汽溫度達到700即將成為現(xiàn)實，研發(fā)高效率、高可靠性超超臨界火電機組現(xiàn)已成為國際上先進火電技術(shù)的發(fā)展趨勢。參考文獻：1 水利電力部科學技術(shù)情報研究所. 國外超臨界壓力機組文集C.1986.2 上海汽輪機有限公司. 國外超臨界汽輪機譯文集C.2000.3 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究所. 1000MW火電機組文集C.1996.4 Hiroyuki Abe. Development of USC Power Plants J. The Thermal And Nuclear Power , 1987, 38(3):1728.5 張素心, 陽虹, 姚祖安. 超臨界汽輪機的開發(fā)與展望J.上海汽輪機,2002(1),1522.6 呂偉業(yè),湯蘊琳,方正.中國火電結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)升級研究概論J.電力建設(shè),2002, 23(11):922.7 史進淵, 施圣康, 嚴宏強. 電站汽輪機功率和參數(shù)的新發(fā)展J.動力工程,2001,21(3): 11851188.汽輪機對于我們來