發(fā)展超超臨界發(fā)電機(jī)組若干技術(shù)問題探討

發(fā)展超超臨界發(fā)電機(jī)組若干技術(shù)問題探討摘要：總結(jié)國外超臨界和超超臨界機(jī)組的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,探討超超臨界機(jī)組技術(shù)選型的若干問題，提出了我國發(fā)展超超臨界機(jī)組的發(fā)展思路。0前言我國在未來相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)電力生產(chǎn)仍是以煤為主的格局。為保證電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，加快電力結(jié)構(gòu)調(diào)整的步伐，最現(xiàn)實(shí)、最可行的途徑就是加快建設(shè)超臨界機(jī)組，配備以常規(guī)的煙氣脫硫系統(tǒng)。目前，CFB,PFBC，IGCC等技術(shù)仍處于試驗(yàn)或示X階段，在大型化方面還有很長的路要走，而超臨界和超超臨界機(jī)組的發(fā)展已日趨成熟，其可用率、可靠性、運(yùn)行靈活性和機(jī)組壽命等方面已接近亞臨界機(jī)組。超臨界機(jī)組是指主蒸汽壓力大于水的臨界壓力(22.12MPa)的機(jī)組。習(xí)慣上又將超臨界機(jī)組分為2個(gè)層次：①常規(guī)超臨界參數(shù)機(jī)組其主蒸汽壓力一般為24MPa左右,主蒸汽和再熱蒸汽溫度為540~560°C:②高效超臨界機(jī)組，通常也稱為超超臨界機(jī)組或高參數(shù)超臨界機(jī)組，其主蒸汽壓力為25~35MPa及以上，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為580C及以上。理論和實(shí)踐證明常規(guī)超臨界機(jī)組的效率可比亞臨界機(jī)組高2%左右，而對于高效超臨界機(jī)組，其效率可比常規(guī)超臨界機(jī)組再提高4%左右。外超臨界機(jī)組的發(fā)展?fàn)顩r與計(jì)劃1?1發(fā)展現(xiàn)狀大型超臨界機(jī)組自20世紀(jì)50年代在美國和德國開始投入商業(yè)運(yùn)行以來，隨著冶金工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，提供了發(fā)電設(shè)備用的碳素體鋼、奧氏體鋼及超合金鋼。到今天超臨界機(jī)組已大量投運(yùn)，并取得了良好的運(yùn)行業(yè)績。近十幾年來，發(fā)達(dá)國家積極開發(fā)應(yīng)用高效超臨界參數(shù)發(fā)電機(jī)組。美國（169臺(tái)）和前蘇聯(lián)（200多臺(tái)）是超臨界機(jī)組最多的國家，而發(fā)展超超臨界技術(shù)領(lǐng)先的國家主要是日本、德國和丹麥。德國是發(fā)展超超臨界技術(shù)最早的國家之一，在早期追求高參數(shù)但后來蒸汽參數(shù)降低并長期穩(wěn)定在25MPa/5459/5459的水平上，其后蒸汽參數(shù)逐步提高。2003年投產(chǎn)的Niederaussen電廠參數(shù)為965MW26 MPa/5809/6009,設(shè)計(jì)熱效率為44.5%。日本因能源短缺，燃料主要依賴進(jìn)口，因此采用超臨界發(fā)電機(jī)組（占總裝機(jī)容量的60%以上）。1989年和1990年，日本的川越（Kawagoe）電廠先后投運(yùn)兩臺(tái)參數(shù)為700MW31MPa/5669/5669/5669。這是日本發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)的標(biāo)志性機(jī)組。近年來一批百萬千瓦級超超臨界發(fā)電機(jī)組相繼投入運(yùn)行，除達(dá)到很高可靠性外，其循環(huán)效率可達(dá)到45%左右。丹麥亦十分重視高參數(shù)超臨界機(jī)組的發(fā)展，在提高機(jī)組蒸汽參數(shù)的同時(shí)利用低溫海水冷卻大幅提高機(jī)組效率。1998年投運(yùn)的ordjylland電廠其機(jī)組參數(shù)為400 MW28.5 MPa/580°C/580°C/580C,機(jī)組效率高達(dá)47%。2001年投運(yùn)的AVV2電廠一臺(tái)超超臨界機(jī)組，其機(jī)組效率高達(dá)49%，這是目前世界上超超臨界機(jī)組中運(yùn)行效率最高的機(jī)組。從各國的發(fā)展來看，自20世紀(jì)90年代初開始發(fā)展超超臨界機(jī)組到90年代末期其蒸汽溫度基本都提高到了580~600C,并且都有相應(yīng)的電廠成功地投入了商業(yè)運(yùn)行。值得注意的是國外超超臨界發(fā)電機(jī)組許多建在海邊，利用低溫海水冷卻，使機(jī)組循環(huán)效率進(jìn)一步提高。1.2發(fā)展計(jì)劃歐盟為了發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)先后制定了若干研究計(jì)劃，正在執(zhí)行的Thermie計(jì)劃（先進(jìn)的700C燃煤電廠）（1998~2014），計(jì)劃建設(shè)參數(shù)為37.5MPa/700C/720C/720C的超超臨界機(jī)組，主要目標(biāo)是：①使電廠的凈效率由47%提高到55%（對于低的海水冷卻水溫度）或52%左右（對于內(nèi)陸地區(qū)和冷卻塔）；②降低燃煤電站的造價(jià)。日本進(jìn)行了目標(biāo)分別為31.4 MPa/593C/593C/593°C、31 MPa/630C/630C和34.3MPa/649C/593C/593C的超超臨界機(jī)組研發(fā)計(jì)劃。力爭將發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)效率提高到45%以上。美國也正在組織和支持一項(xiàng)發(fā)展更高參數(shù)超超臨界發(fā)電機(jī)組的研究項(xiàng)目一“760°C”計(jì)劃，目標(biāo)是研制適合蒸汽參數(shù)為38.5MPa/760C的新合金材料，將超超臨界機(jī)組的主蒸汽溫度提高到760C的水平從而大大提高超超臨界機(jī)組的效率。俄羅斯也設(shè)計(jì)了新一代的超超臨界機(jī)組，蒸汽參數(shù)為30~32MPa/580~600C/580-600C,預(yù)計(jì)電站的效率可達(dá)44%~46%?？梢娚鲜龈鲊紝⒏邊?shù)超超臨界發(fā)電機(jī)組作為今后的發(fā)展方向。內(nèi)超臨界機(jī)組的發(fā)展?fàn)顩r目前我國的發(fā)電機(jī)組已進(jìn)入大容量、高參數(shù)的發(fā)展階段，近10多年來已從國外引進(jìn)了7800MW常規(guī)超臨界機(jī)組（不包括后石電廠已投運(yùn)4x600MW）,分別是華能石洞口二廠2x600MW，華能XX電廠2x300MW，華能XX電廠2x300MW，華能伊敏電廠2x500MW,盤山電廠2x500MW，綏中電廠2x800MW，外高橋電廠2x900MW，這些機(jī)組具有較高的技術(shù)性能，在提高發(fā)電煤炭利用率和降低污染方面發(fā)揮了一定的作用，也為我國超臨界機(jī)組的運(yùn)行積累了經(jīng)驗(yàn)。目前，中國華能集團(tuán)公司正在沁北電廠建設(shè)2x600MW超臨界機(jī)組（預(yù)計(jì)2004年投運(yùn)），為我國自行研制、開發(fā)大型超超臨界發(fā)電機(jī)組奠定了基礎(chǔ)。2002年國家科技部把“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)”研究課題列入8

63計(jì)劃，并由國內(nèi)近20個(gè)科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)、電力設(shè)計(jì)單位參與課題的各項(xiàng)研究任務(wù)。國家計(jì)委也批準(zhǔn)了華能玉環(huán)電廠建設(shè)兩臺(tái)百萬千瓦級超超臨界發(fā)電機(jī)組，2003年3月已動(dòng)工興建。超臨界和超超臨界機(jī)組將成為我國“十?五”后的主要發(fā)展機(jī)型。3發(fā)展超超臨界發(fā)電機(jī)組的若干技術(shù)問題3.13發(fā)展超超臨界發(fā)電機(jī)組的若干技術(shù)問題3.1材料問題發(fā)展超超臨界機(jī)組在設(shè)計(jì)和制造中有許多關(guān)鍵技術(shù)問題有待解決，其中開發(fā)熱強(qiáng)度高、抗高溫?zé)煔庋趸g和高溫汽水介質(zhì)腐蝕、可焊性和工藝性良好、價(jià)格低廉的材料是最關(guān)鍵的問題。火電機(jī)組用鋼主要有兩大類：奧氏體鋼和鐵素體鋼(包括珠光體、貝氏體和馬氏體及其兩相鋼)。奧氏體鋼比鐵素體鋼具有高的熱強(qiáng)性，但膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱性能差，抗應(yīng)力腐蝕能力低，工藝性差，熱疲勞和低周疲勞(特別是厚壁件)也不及鐵素體鋼，且成本高得多。目前，超臨界和超超臨界機(jī)組根據(jù)采用的蒸汽溫度的不同，主要采用了以下三類合金鋼：(1)低鉻耐熱鋼。包括1.25%Cr-0.5%Mo(SA213T11).2.25Cr-1Mo(SA213T22/P22)、1Cr-Mo-V(12Cr1MoV)以及9%~12%Cr系的Cr-Mo與Cr-Mo-V鋼等，其允許主汽溫為538~566°C。(2)改良型9%~12%鐵素體■馬氏體鋼。包括9Cr-1Mo(SA335，T91/P91)、NF616、HCM12A、TB9、TB12等，一般用于566~593C的蒸汽溫度X圍。其允許主汽溫為610C,30MPa再熱汽溫625C;使用壁溫：鍋爐625~650C，汽機(jī)600~620C。(3)新型奧氏體耐熱鋼。包括：18Cr-8Ni系，如SA213TP304H、TP347H、TP347HFG、Super304H、TempaloyA-1等；20-25Cr系，如HR3C、NF709、TempaloyA-3等。這些材料的使用壁溫達(dá)650~750C,可用于汽溫高達(dá)600C的過熱器與再熱器管束，具有足夠的蠕變斷裂強(qiáng)度和很好的抗高溫腐蝕性能。正是由于上述低鉻耐熱鋼和改良型9%~12%Cr鐵素體型鋼的研制及使用成功，促進(jìn)和保證了超超臨界機(jī)組的發(fā)展，并降低了超超臨界機(jī)組的造價(jià)，在經(jīng)濟(jì)上具備競爭力。目前，這些新型鋼已在歐洲和日本的電廠推廣應(yīng)用，主蒸汽溫度最高達(dá)610C。國外的成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為我國設(shè)計(jì)制造超超臨界發(fā)電機(jī)組打下良好基礎(chǔ)，但材料的若干技術(shù)問題還須進(jìn)一步研究：在所選蒸汽參數(shù)下，鍋爐、汽輪機(jī)各部件所選用材料、壁厚、用材量、造價(jià)分析，運(yùn)行性能及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析；還應(yīng)驗(yàn)證新材料的持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、斷裂韌性、低周疲勞特性、設(shè)計(jì)應(yīng)用安全系數(shù)，熱應(yīng)力壽命損耗特性、工藝性等。3.2蒸汽參數(shù)機(jī)組的蒸汽參數(shù)是決定機(jī)組熱效率，提高熱經(jīng)濟(jì)性的重要因素。提高蒸汽參數(shù)（蒸汽的初始壓力和溫度）、采用再熱系統(tǒng)、增加再熱次數(shù)，都是提高機(jī)組效率的有效方法。根據(jù)工程熱力學(xué)原理，工質(zhì)參數(shù)提高必然使得機(jī)組的熱效率提高，這主要是改善熱力循環(huán)系統(tǒng)所致。從研究成果可知，主蒸汽溫度每提高10°C，熱效率值可提高約0.28%;再熱蒸汽溫度每提高10C,熱效率可提高約0.18%。對于一次中間再熱的超臨界參數(shù)以上的發(fā)電機(jī)組，工質(zhì)壓力每提高1MPa，熱效率大約可提高0.2%。因此，在同比條件下（均為一次再熱），主蒸汽壓力從25MPa升至31MPa，機(jī)組熱效率相對只提高約1%,只有單純將溫度從566C/566C提高至600C/600C時(shí)熱效率提高的一半。部分專家的分析意見認(rèn)為，我國目前超超臨界機(jī)組的主汽壓力應(yīng)取在世界先進(jìn)水平28~31MPa的下限，這主要是考慮到提高設(shè)備的可靠性。根據(jù)早期超超臨界機(jī)組的運(yùn)行情況看，機(jī)組事故的產(chǎn)生多是由于高壓段參數(shù)所引起。另一個(gè)考慮就是降低設(shè)備的造價(jià)。主汽參數(shù)的選擇對造價(jià)影響非常大，特別是在鍋爐受熱面和汽輪機(jī)高壓缸。但對于主汽壓力25MPa的情況來說，采用25MPa/600C/600C與相同容量常規(guī)超臨界24.2MPa/566C/566°C機(jī)組相比，除部分材料及圖紙需要更改外，大部分圖紙可以通用，技術(shù)繼承性較好。從近年來國際上超超臨界發(fā)電機(jī)組參數(shù)發(fā)展看，主流是走大幅度提高蒸汽溫度（取值相對較高600C左右）、小幅度提高蒸汽壓力（取值多為25MPa左右）的技術(shù)發(fā)展之路。此技術(shù)路線問題單一，技術(shù)繼承性好，在材料成熟前提下可靠性較高、投資增加少、熱效率增加明顯，即綜合優(yōu)點(diǎn)突岀，此技術(shù)路線以日本為代表。另一種技術(shù)發(fā)展是蒸汽壓力和溫度都取值較高（28-30MPa,600C左右）、從而獲得更高的效率，主要以丹麥的技術(shù)發(fā)展為代表。近年德國也將蒸汽壓力從28MPa降至25MPa左右。綜合上述，我國發(fā)展超超臨界起步參數(shù)選為25MPa/600C/600C是較為合理的。超超臨界今后發(fā)展重點(diǎn)仍偏重在材料研發(fā)與溫度提高上。將目前已經(jīng)達(dá)到的600-610C平臺(tái)依次躍升到650-660C、700-710C及750-760C三個(gè)臺(tái)階。與此同時(shí)，在技術(shù)已經(jīng)成熟及不斷降低制造成本、提高自動(dòng)化水平前提下，也會(huì)繼續(xù)嘗試升壓之路，把初壓最終提高到35Mpa以上并采用兩次再熱，使汽輪機(jī)效率達(dá)到最高境界。應(yīng)該看到，世界上先進(jìn)的超臨界和超超臨界電站的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，機(jī)組效率的提高來源于許多方面的因素，如：較低的鍋爐排煙溫度，高效率的主、輔機(jī)設(shè)備，煤的良好燃燒，較高的給水溫度，較低的凝汽器壓力，較低的系統(tǒng)壓損，蒸汽再熱級數(shù)，等等。據(jù)國外研究報(bào)告估計(jì)，僅由于提高蒸汽參數(shù)而提高的效率最多為效率總提高量的一半左右。因此，發(fā)展超超臨界機(jī)組的工作不僅僅是簡單地提高蒸汽參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)，還必須同時(shí)注重其他相關(guān)技術(shù)的開發(fā)和研究工作。3.3機(jī)組容量影響發(fā)電機(jī)組容量選擇的因素有：①電網(wǎng)（單機(jī)容量＜電網(wǎng)容量的10%）:②汽輪機(jī)背壓；③汽輪機(jī)末級排汽面積（葉片高度）；④汽輪發(fā)電機(jī)組（單軸）轉(zhuǎn)子長度；⑤發(fā)電機(jī)的大容量化，即單軸串聯(lián)布置或雙軸并列布置。—般而言單機(jī)容量增大，單位容量的造價(jià)降低，也可提高效率，但根據(jù)國外多年分析研究得岀，提高單機(jī)容量固然可以提高效率，但當(dāng)容量增加到一定的限度（1000MW）后，再增加單機(jī)容量對提高熱效率不明顯。國外已投運(yùn)的超超臨界機(jī)組單機(jī)容量大部分在700MW~1000MW之間。就鍋爐而言，單機(jī)容量繼續(xù)增大，受熱面的布置更為復(fù)雜，后部煙道必須是雙通道，還必須增加主蒸汽管壁厚或增加主蒸汽管道的數(shù)目。單機(jī)容量的進(jìn)一步增大還將受到汽輪機(jī)的限制。近30年來，汽輪機(jī)單機(jī)容量增長緩慢，世界上現(xiàn)役的單軸汽輪機(jī)大部分為900MW以下，最大功率單軸汽輪機(jī)仍然是前蘇聯(lián)制造的1200MW汽輪機(jī)，雙軸最大功率汽輪機(jī)是美國西屋公司制造的（60Hz）1390MW。目前世界上900MW以上的機(jī)組，無論50Hz還是60Hz，都是以雙軸布置占多數(shù)。但是隨著近年來參數(shù)的不斷提高，更長末葉片的開發(fā)以及葉片和轉(zhuǎn)子材料的改進(jìn)，單軸布置越來越成為新的發(fā)展趨勢。由于超超臨界機(jī)組與超臨界機(jī)組在設(shè)計(jì)和制造方面實(shí)際上沒有原則性的界限，溫度600°C以下的這兩種機(jī)組所用的材料種類有許多是相同的，因此，從現(xiàn)有國內(nèi)制造業(yè)基礎(chǔ)及技術(shù)可行性考慮，建議我國起步階段開發(fā)的超超臨界機(jī)組的容量應(yīng)在700~1 000MW之間。而從效率、單位千瓦投資、占地、建設(shè)周期、我國經(jīng)濟(jì)和電力工業(yè)發(fā)展的需要考慮，選擇1 000MW大型化超超臨界機(jī)組方案是合理的。3.4鍋爐爐型3.4.1鍋爐布置型式超臨界鍋爐的整體布置主要采用n型布置和塔式布置，也可T型布置；采用T型布置的主要是前蘇聯(lián)的超臨界機(jī)組。如我國引進(jìn)的伊敏、盤山電廠500MW和綏中電廠800MW鍋爐。超超臨界鍋爐設(shè)計(jì)通常采用n型爐和塔式爐，其中n型爐在市場中占多數(shù)。所有的褐煤爐都采用塔式爐，如德國和丹麥的燃煤電廠。歐洲的煙煤爐兩種型式都有，而日本和美國通常采用n型爐。我國發(fā)展超臨界機(jī)組，選擇鍋爐的整體布置形式，必須根據(jù)具體電廠、燃煤條件、投資費(fèi)用、運(yùn)行可靠性等方面，進(jìn)行全面技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，選定鍋爐n型或塔式的布置型式。選用時(shí)應(yīng)重視煤質(zhì)特性，特別是煤的灰分。燃用高灰分煤，從減輕受熱面磨損方面考慮，采用塔式布置較為合適。3.4.2燃燒方式直流燃燒器四角切圓燃燒和旋流燃燒器前后墻對沖燃燒是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的煤粉燃燒方式。由于切圓燃燒中四角火焰的相互支持，一、二次風(fēng)的混合便于控制等特點(diǎn)，其煤種適應(yīng)性更強(qiáng)，目前我國設(shè)計(jì)制造的300MW、600MW機(jī)組鍋爐大多數(shù)采用這種燃燒方式。對沖燃燒方式則具有鍋爐沿爐膛寬度的煙溫及速度分布較均勻，過熱器與再熱器的煙溫和汽溫偏差相對較小的特點(diǎn)。國外各主要鍋爐制造商在其燃燒器的型式方面都有各自的傳統(tǒng)技術(shù)，例如：美國CE公司以及同屬一個(gè)技術(shù)流派的日本三菱重工是采用直流燃燒器切圓燃燒方式，而美國B&W公司、俄羅斯等則采用旋流燃燒器前后墻對沖燃燒方式。在我國雖然直流燃燒器切圓燃燒方式占主導(dǎo)地位，但實(shí)際運(yùn)行情況表明，除一般認(rèn)為直流燃燒器切圓燃燒方式NOx的生x成量比旋流燃燒器前后墻對沖燃燒方式稍低外，在大容量煤粉爐的著火及低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性、燃燒經(jīng)濟(jì)性、對爐膛水冷壁結(jié)渣的影響等方面，旋流燃燒器前后墻對沖燃燒方式與直流燃燒器四角切圓燃燒方式并沒有顯著差異。鍋爐布置方式與其采用的燃燒方式之間并無必然的聯(lián)系。不過，當(dāng)采用n型布置切圓燃燒時(shí)，一般認(rèn)為，四角切圓燃燒鍋爐由于爐膛岀口的殘余旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的煙氣側(cè)熱力偏差會(huì)隨著鍋爐容量的增大而加劇，因此部分鍋爐制造商提岀四角切圓燃燒適用的鍋爐容量上限應(yīng)有所限制，鍋爐容量進(jìn)一步增大，應(yīng)采用八角雙切圓燃燒方式。日本三菱重工提岀，四角切圓燃燒方式適用的鍋爐容量上限大約為800MW,而八角雙切圓燃燒方式自500MW起可一直適用到1000MW以上。超超臨界的鍋爐布置型式和燃燒方式兩者應(yīng)合理搭配，根據(jù)國內(nèi)外鍋爐制造廠的設(shè)計(jì)方案，如下四種燃燒方式與鍋爐布置型式相適應(yīng)：①四角單切圓塔式布置;②墻式對沖塔式布置;③八角雙切圓行筒賈;④墻式旋流行筒賈。3.5汽機(jī)系統(tǒng)提高汽輪機(jī)岀力的途徑主要有以下幾點(diǎn)：①提高新蒸汽參數(shù)，增大汽輪機(jī)總體理想焓降ai:②采用給水回?zé)嵯到y(tǒng)，減小汽輪機(jī)低壓缸排汽流量，增加進(jìn)汽量，從而達(dá)到增加岀力的目的；③增加汽輪機(jī)低壓缸末級通流面積，一種辦法就是增加末級葉片高度，這是國內(nèi)外大容量汽輪機(jī)的一個(gè)主要發(fā)展方向，另一種辦法采用低轉(zhuǎn)速(如半轉(zhuǎn)速)；④采用多排汽口，低壓缸采用分流技術(shù)是增大單軸汽輪機(jī)很有效的措施，國外百萬千瓦級超超臨界單軸機(jī)組的低壓缸排汽口數(shù)量已達(dá)6個(gè)以上(采用3個(gè)及以上雙流低壓缸)：⑤提高汽輪機(jī)排汽背壓，使汽輪機(jī)末級葉片岀口蒸汽的密度增大，從而增加汽輪機(jī)岀力。鍋爐的設(shè)計(jì)必需同時(shí)考慮燃燒和汽水循環(huán)，而汽機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行只需考慮蒸汽一種。汽輪機(jī)設(shè)計(jì)過去注重提高岀力和可靠性，現(xiàn)在還應(yīng)注重材料的合理選用以降低投資和提高效率。因此超超臨界汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮：(1)材料選擇和消耗。蒸汽溫度影響材料的