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1、超超临界1000MW机组技术讲座,水的临界状态参数为22.115MPa，374.15，在水的参数达到该临界点时，汽化会在一瞬间完成，即在临界点时，在饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的二相区存在，二者参数不再有分别。当机组参数高于这一临界状态参数时，通常称其为超临界参数机组。而在我国通常把主蒸汽压力大于27Mpa或者蒸汽温度大于580的机组成为超超临界参数机组。而汽、水在过临界点不再有汽、水共存的二相区存在，也就决定了超临界或超超临界机组所配备的锅炉必须是直流炉。,一、国外超超临界机组的发展,1.1超临界机组概述在一定范围内,新蒸汽温度或再热蒸汽温度每提高10,机组的热耗就可下降0.25-0
2、.3%。常规亚临界循环的典型参数为16.7MPa/538/538,发电效率约为38-39%。当汽机进口蒸汽参数超过水临界状态点的参数,即压力为22.115MPa,374.15,统称为超临界机组。在70-80年代,一般超临界循环典型的参数为24.1MPa、538/538,或24.1MPa、538/566,对应的发电效率约为41-42%。,超超临界参数实际上是在超临界参数的基础上向更高压力和温度提高的过程。各国、甚至各公司对超超临界参数的开始点定义也有所不同,例如:日本的定义为压力大于等于25MPa,或温度大于566；丹麦定义为压力大于27.5MPa；西门子公司的观点是应从材料的等级来区分超临界和
3、超超临界机组；我国电力百科全书则将超超临界定义为蒸汽参数高于27MPa的机组,这些说法都称为超超临界机组,英文为Ultrasupercritical(USC)。,第一阶段,以美国GE和西屋公司为代表的超超临界参数发展起始阶段(50-70年代)。西屋公司于1959年首台制造的超超临界机组的容量为310MW,进汽压力为34.5MPa,进汽温度达到649,该机组目前仍在运行。当时有5台投运的超超临界机组温度达到593,11台机组为二次中间再热。由于机组可靠性的问题,在经历了初期超超临界参数后,从60年代后期开始至70年代,美国超临界机组大规模发展时期所采用的参数均降低到常规超临界参数:压力24.1M
4、Pa,温度538/566。直至80年代,美国超临界机组的参数始终稳定在这个水平。这个时期,美国的超临界机组总数达到170余台。,第二阶段,从80年代起的超临界机组优化及新技术发展阶段。从70年代起,美国GE及西屋公司分别将超临界技术转让给日本(GE向东芝、日立,西屋向三菱)和欧洲。经过不断完善,美国常规超临界机组的可靠性问题得到解决,到1985年,美国超临界机组的运行可靠性己达到亚临界相同的水平。从80年代起,GE和西屋公司对己投运的170台机组进行了大规模的优化及改造。通过改造,形成了一批经过验证的新设计方法、新结构,大大提高了机组的经济性、可靠性、运行灵活性。与此同时,GE及西屋又将这些新
5、的先进技术与日本日立、东芝、三菱联合进行了一系列超超临界机组的开发设计,使超超临界技术的发展进入了一个新的阶段。,第三阶段,90年代新一轮超超临界参数的发展阶段。从90年代开始,以日本、欧洲(西门子、前ABB为中心,超超临界火电机组又进入了新一轮的发展阶段。在保证机组高可靠性、高可用率条件下采用更高的温度、更高的压力是目前发展阶段的主要特点。按压力温度和功率的不同,可将这个阶段超超临界机组的发展分为三个层次:(1)压力在25MPa左右,采用高温参数。高温、高强度材料的成功应用使投入商业运行一系列超超临界机组的温度参数不断提高,近期欧洲及日本新订购机组,不论功率大小(375MW1050MW),进
6、汽温度均提高到580600。新投运最大功率的高效超临界机组为日本三菱公司2000年投运的双轴(全/半速)1050MW机组,其参数达到25MPa/600/610。,(2)在采用高温的同时,压力也提高到27MPa以上,如按3.445MPa为一档,超超临界压力有27.6MPa、31MPa、34.5MPa。压力参数不仅涉及有关部件的材料及强度结构设计，而且由于汽轮机排汽湿度的原因,为保证机组的正常运行,当压力提高到某一数值,必须采用更高的再热温度(如在31MPa下,温度应在600以上)或二次中间再热循环。在目前参数下,二次再热热效率得益1.315%左右,而投资将增加1015%。据有关统计资料,日本19
7、90-2004年投运或即将投运的超超临界机组中,除1989/1990年有二台东芝超超临界机组采用700MW,31MPa-566/566/566外,其它超超临界机组的蒸汽压力参数均维持在24.1MPa25MPa。1998年以后提高蒸汽压力的主要业绩是西门子公司的产品,最高初压为西门子一台375MW,30MPa/580/600一次再热机组。,(3)1000MW等级超超临界机组的开发。超大功率与汽轮机进汽超临界参数无直接关系,它涉及的关键之一是低压缸的排汽能力,功率越大加上背压越低(排汽比容越大),就需要配置更大排汽面积的低压缸,或更多的低压缸数。在采用超超临界压力的二次再热循环时,在高压端又要求增
8、加一个VHP(超超压力缸)汽缸。从汽缸总数一定的角度,增加了超超临界压力参数下对机组增大容量的限制。此外,当功率大于700MW等级时还必须考虑高中压分缸以及发电机单轴功率限制等因素。从轴系长度限制的角度,目前单轴汽轮机有业绩的汽缸总数为5个,即一般可采用3个低压缸,但是对具有VHP缸,容量大于700MW的超超临界汽轮机只能采用2个低压缸,四排汽。,目前新的全速3000r/min大功率机组中己普遍采用高度为1000mm120Omm的长叶片,排汽面积在9m211m2左右。最长的有三菱公司用于50Hz机组的1218mm叶片(排汽面积11.3m2,该叶片已用于两缸两排汽600MW机组。此外,西门子公司
9、用于我国外高桥四缸四排汽超临界900MW机组的1143mm长叶片,玉环、北疆10000MW机组末级长叶片1145.8mm。西门子用于6OHz机组的钛合金1067mm(相当5OHZ的1280mm）叶片也开始用于产品。出于对低背压及更大功率超超临界机组减少低压缸数量的考虑,目前长叶片的技术储备己相当充分(极小动应力的ILB叶片型式,钛合金制造技术),机组容量大型化和采用汽缸数的限制,将推动今后特大型钛合金叶片在汽轮机中的应用。为减少低压缸的数量,各国公司都致力于开发更长,排汽面积更大的末级长叶片。日本和西门子,ALSTOM等在大功率机组中己开始使用钛合金末级长叶片。,1.3世界各国超超临界技术发展
10、现状1.3.1美国美国是发展超临界发电技术最早的国家。世界上第一台超超临界机组1957年在Philo菲罗电厂(6#)投运,该机组由B与24.5MPa/600/600等级的超超临界机组相比,热效率仅提高0.5%。而采用31MPa主蒸汽压力和两次再热,机组制造成本明显提高,所以,九十年代以来日本各公司都转向生产高温参数的超超临界机组。19902003年间,日本投运或预定投运一批压力为24.5MPa,温度提高至593/593、600/600和600/610的机组。9798年,三菱公司24.1MPa/593/593和24.5MPa/600/600的两台1000MW超超临界机组分别投入运行。98年由B1
11、999年在Lippendorf电厂投运的933MW,蒸汽参数为26.7MPa/554/593的超超临界机组;2000年在Nideraubem电厂投运的965MW,蒸汽参数为26.9MPa/580/600的超超临界机组在Hessler电厂投运的700MW,蒸汽参数为30MPa/580/600的超超临界机组。,丹麦1998年和2001年投运了二台参数分别为29MPa/582/580/580的40OMW超超临界机组,分别安装于Nordjyllandsvaerket(NVV3)和Avedore(AVV2)电厂,前者燃煤,后者燃气,在海水冷却的情况下,其热效率达到47%,从而成为迄今为止世界上报导的热效
12、率最高的火电机组。欧洲超超临界机组的再热方式的发展与日本类似,除丹麦两台超超临界机组采用两次再热外,欧洲其他超超临界机组也都改为采用一次再热。与日本不同的是主蒸汽压力和温度同时提高(30.5MPa/580/600),其热效率与29MPa、580两次再热机组基本相同。,1.3.5目前世界超超临界机组容量及参数状况的分析日本三家公司技术来源于GE和西屋。其结构特点是以700MW作为汽轮机高中压缸是否合缸的分界线,容量超过700MW采用分缸。高压缸改为双流，使高压叶片高度下降,出现效率下降、成本向上的突跳。因此,日本基本没有700MW-900MW功率以内的机组。日本各公司近期机组多为1000MW等级
13、。此外,原来由于发电机最大功率的限制,在2002年前,日本1000MW机组均采用双轴形式。东芝制造的单轴1000MW的机组在2002年11月投运。德国西门子公司自90年代后期在发电机功率方面有所突破,己有多台900MW-1025MW单轴机组投运,但蒸汽压力为21.8MPa-26.5MPa,且均为一次再热(更高压力28.5MPa-30MPa机组的功率在400MW左右)。九十年代以来,尚没有超过27MPa压力百万千瓦级汽轮机机组设计和投运的报道。,新材料是近期超高温超临界机组发展的关键。国外已形成用于566以下的CrMoV钢,566的225%Cr钢,600等级的9%Cr钢及12%钢等标准材料系列。
14、新高温铁素体-马氏体9%-12%Cr材料己可用于31MPa,600/610参数。经过汽轮机各高温高压部件近十多年的应用,该材料系列己相当成熟，并已形成标准。日本,美国及欧洲正在开发的34.3MPa/650以及40MPa/700新钢种系列,开发新材料的目的是使将来的火电机组热效率能够达到55%以上。目前新的超超临界火电机组均集中在日本和欧洲市场,目前的参数状况为:进汽温度:普遍达到600,根据对日本电厂的统计,目前不论功率大小,所有机组均已采用600参数。现役机组的实际年均运行小时均达到8300小时左右,可靠性高,整体技术己相当成熟。,进汽压力:日本三家公司1990年以来所有机组进汽压力均为25
15、MPa左右。西门子1998年后相继有25.8MPa,26.5MPa,27.5MPa,28.5MPa,30MPa的业绩,但目前投运的大功率(大于700MW)机组的进汽压力均不大于26.5MPa。机组容量:日本三家公司均有双轴1000MW的业绩,最大的为三菱2001年投运的1050MW机组。日本2002年前单轴最大功率为700MW,第一台由东芝制造100OMW单轴机组(6OHZ)将于2002年11月投运。西门子1998年后有多台容量大于900MW投运的业绩,最大单轴机组的铭牌功率达到1025MW,1.3.6超临界和超越临界机组的可靠性美国和德国等国家早期开发的超超临界机组投运初期曾出现一系列问题,
16、导致超超临界机组的可靠性较低,影响了超临界和超超临界技术的进一步发展。出现的问题主要是因为的蒸汽参数的选择超出了当时的金属材料技术水平,过分依赖并大量使用了奥氏体钢。此外,大多数超临界锅炉按正压燃烧而不是负压燃烧设计和运行。为此,在以后的超临界机组的设计中选用了与金属材料技术水平相称的相对较低的压力和温度,从而使超临界机组的可靠性达到了亚临界机组的相同水平,而其经济性则高于亚临界机组。与此同时,美国、日本和欧洲各国适应更高蒸汽参数的新型铁素体钢和改进奥氏体耐热钢的开发和研究,并取得了成功。在日本,450MW以上的机组均采用超临界参数,并采用美国成熟的技术,事故较少,因而并没有超临界机组可靠性比亚临界机组低的评价。,德国大电厂技术协会(VGB)19781987年对大容量超临界和亚临界机组的统计结果表明,亚临界和超临界机组的可用率基本相同,且与机组的容量和参数无关。由此可见,现代燃煤电厂采用超超临界参数机组不会降低其可用率。近十余年来,超超临界技术在日本和欧洲得到迅速发展。日本、欧洲和美国等己掌握了超超临界机组的技术，并己批量生产、投运，取得了良好的运行业绩，具有良好的可靠性、经济性和灵活
