发展超超临界发电机组若干技术问题探讨

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1、发展超超临界发电机组若干技术问题探讨发展超超临界发电机组若干技术问题探讨来源：中国论文下载中心 06-02-28 10:51:00 作者：纪世东 编辑： studa9ngns摘要：总结国外超临界和超超临界机组的发展现状及趋势，探讨超超临界机组 技术选型的若干问题，提出了我国发展超超临界机组的发展思路。 关键词：超超临界 发电机组 技术选型 0 前言前言我国在未来相当长的时期内电力生产仍是以煤为主的格局。为保证电力工 业可持续发展，加快电力结构调整的步伐，最现实、最可行的途径就是加快建 设超临界机组，配备以常规的烟气脱硫系统。目前，CFB，PFBC，IGCC 等技 术仍处于试验或示范阶段，在大型

2、化方面还有很长的路要走，而超临界和超超 临界机组的发展已日趋成熟，其可用率、可靠性、运行灵活性和机组寿命等方 面已接近亚临界机组。超临界机组是指主蒸汽压力大于水的临界压力（22.12MPa）的机组。习 惯上又将超临界机组分为 2 个层次： 常规超临界参数机组，其主蒸汽压力一 般为 24MPa 左右,主蒸汽和再热蒸汽温度为 540560； 高效超临界机组， 通常也称为超超临界机组或高参数超临界机组，其主蒸汽压力为 2535MPa 及以上，主蒸汽和再热蒸汽温度为 580 及以上。理论和实践证明常规 超临界机组的效率可比亚临界机组高 2%左右，而对于高效超临界机组，其效率 可比常规超临界机组再提高

3、4%左右。1 国外超临界机组的发展状况与计划国外超临界机组的发展状况与计划1.1 发展现状发展现状大型超临界机组自 20 世纪 50 年代在美国和德国开始投入商业运行以来， 随着冶金工业技术的发展，提供了发电设备用的碳素体钢、奥氏体钢及超合金碳素体钢、奥氏体钢及超合金 钢钢。到今天超临界机组已大量投运，并取得了良好的运行业绩。近十几年来， 发达国家积极开发应用高效超临界参数发电机组。美国（169 台）和前苏联 （200 多台）是超临界机组最多的国家，而发展超超临界技术领先的国家主要 是日本、德国和丹麦。德国是发展超超临界技术最早的国家之一，在早期追求高参数，但后来蒸 汽参数降低并长期稳定在 2

4、5 MPa/545 /545 的水平上，其后蒸汽参数逐步提 高。2003 年投产的 Niederaussen 电厂参数为 965MW26MPa/580 /600 ，设 计热效率为 44.5%。日本因能源短缺，燃料主要依赖进口，因此采用超临界发 电机组（占总装机容量的 60%以上） 。1989 年和 1990 年，日本的川越 （Kawagoe）电厂先后投运两台参数为 700MW31MPa/566 /566 /566 。这 是日本发展超超临界发电技术的标志性机组。近年来一批百万千瓦级超超临界发电机组相继投入运行，除达到很高可靠性外，其循环效率可达到 45%左右。 丹麦丹麦亦十分重视高参数超临界机组

5、的发展，在提高机组蒸汽参数的同时利用低 温海水冷却大幅提高机组效率。1998 年投运的 ordjylland 电厂其机组参数为400MW28.5MPa/580 /580 /580 ，机组效率高达 47%。2001 年投运的年投运的AVV2 电厂一台超超临界机组，其电厂一台超超临界机组，其机组效率机组效率高达高达 49%，这是目前世界上超超临，这是目前世界上超超临 界机组中运行效率最高的机组界机组中运行效率最高的机组。 从各国的发展来看，自 20 世纪 90 年代初开始发展超超临界机组，到 90 年 代末期其蒸汽温度基本都提高到了 580600 ，并且都有相应的电厂成功地投 入了商业运行。值得注

6、意的是国外超超临界发电机组许多建在海边，利用低温 海水冷却，使机组循环效率进一步提高。1.2 发展计划发展计划欧盟为了发展超超临界发电技术先后制定了若干研究计划，正在执行的 Thermie 计划（先进的 700 燃煤电厂） （19982014） ，计划建设参数为37.5MPa/700 /720 /720 的超超临界机组的超超临界机组，主要目标是： 使电厂的净效率由 47%提高到 55%（对于低的海水冷却水温度）或 52%左右（对于内陆地区 和冷却塔） ；降低燃煤电站的造价。日本进行了目标分别为 31.4MPa/593 /593 /593 、31MPa/630 /630 和 34.3MPa/64

7、9 /593 /593 的超超临的超超临界机组界机组研发计划。力争将发电机组设计效率提高到 45%以上。美国也正在组织 和支持一项发展更高参数超超临界发电机组的研究项目“760 ”计划，目 标是研制适合蒸汽参数为 38.5MPa/760 的新合金材料的新合金材料，将超超临界机组的主 蒸汽温度提高到 760 的水平，从而大大提高超超临界机组的效率。俄罗斯也 设计了新一代的超超临界机组，蒸汽参数为 3032MPa/580600/580600 ，预计电站的效率可达 44%46%。可见上述各国都将高参数超超临界发电 机组作为今后的发展方向。2 国内超临界机组的发展状况国内超临界机组的发展状况目前我国的

8、发电机组已进入大容量、高参数的发展阶段，近 10 多年来已从 国外引进了 7800MW 常规超临界机组（不包括后石电厂已投运 4600 MW） ， 分别是华能石洞口二厂 2600MW，华能南京电厂 2300MW，华能营口电厂2300MW，华能伊敏电厂 2500MW，盘山电厂 2500MW，绥中电厂2800MW，外高桥电厂 2900MW，这些机组具有较高的技术性能，在提高发电煤炭利用率和降低污染方面发挥了一定的作用，也为我国超临界机组的运 行积累了经验。目前，中国华能集团公司正在沁北电厂建设 2600MW 超临界 机组（预计 2004 年投运） ，为我国自行研制、开发大型超超临界发电机组奠定 了

9、基础。2002 年国家科技部把年国家科技部把“超超临界燃煤发电技术超超临界燃煤发电技术”研究课题列入研究课题列入 863 计计 划，并由国内近划，并由国内近 20 个科研机构、大学、电力设计单位参与课题的各项研究任务。个科研机构、大学、电力设计单位参与课题的各项研究任务。 国家计委也批准了华能玉环电厂建设两台百万千瓦级超超临界发电机组，2003年 3 月已动工兴建。超临界和超超临界机组将成为我国“十五”后的主要发展 机型。3 发展超超临界发电机组的若干技术问题发展超超临界发电机组的若干技术问题3.1 材料问题材料问题发展超超临界机组在设计和制造中有许多关键技术问题有待解决，其中开 发热强度高、

10、抗高温烟气氧化腐蚀和高温汽水介质腐蚀、可焊性和工艺性良好、 价格低廉的材料是最关键的问题。火电机组用钢主要有两大类：奥氏体钢和铁素体钢奥氏体钢和铁素体钢（包括珠光体、贝氏体 和马氏体及其两相钢） 。奥氏体钢比铁素体钢具有高的热强性，但膨胀系数大，奥氏体钢比铁素体钢具有高的热强性，但膨胀系数大， 导热性能差，抗应力腐蚀能力低，工艺性差，热疲劳和低周疲劳（特别是厚壁导热性能差，抗应力腐蚀能力低，工艺性差，热疲劳和低周疲劳（特别是厚壁 件）也不及铁素体钢，且成本高得多。件）也不及铁素体钢，且成本高得多。目前，超临界和超超临界机组根据采用的蒸汽温度的不同，主要采用了以 下三类合金钢： （1） 低铬耐热

11、钢。包括 1.25Cr-0.5%Mo(SA213 T11)、2.25Cr- 1Mo(SA213 T22/P22)、1Cr-Mo-V(12Cr1MoV)以及 912Cr 系的 Cr-Mo 与 Cr-Mo-V 钢等，其允许主汽温为 538566。（2） 改良型 912铁素体马氏体钢。包括 9Cr- 1Mo（SA335，T91/P91） 、NF616、HCM12A、TB9、TB12 等，一般用于 566593的蒸汽温度范围。其允许主汽温为 610，30MPa 再热汽温 625； 使用壁温：锅炉 625650，汽机 600620。（3） 新型奥氏体耐热钢。包括：18Cr-8Ni 系，如 SA213 T

12、P304H、TP347H、TP347HFG、Super 304H、Tempaloy A-1 等；20-25Cr 系， 如 HR3C、NF709、Tempaloy A-3 等。这些材料的使用壁温达 650750，可 用于汽温高达 600的过热器与再热器管束，具有足够的蠕变断裂强度和很好 的抗高温腐蚀性能。正是由于上述低铬耐热钢和改良型 912Cr 铁素体型钢的研制及使用 成功，促进和保证了超超临界机组的发展，并降低了超超临界机组的造价，在 经济上具备竞争力。目前，这些新型钢已在欧洲和日本的电厂推广应用，主蒸 汽温度最高达 610。国外的成功运行经验为我国设计制造超超临界发电机组打下良好基础，但

13、材料的若干技术问题还须进一步研究：在所选蒸汽参数下，锅炉、汽轮机各部 件所选用材料、壁厚、用材量、造价分析，运行性能及技术经济分析；还应验 证新材料的持久强度、蠕变强度、断裂韧性、低周疲劳特性、设计应用安全系新材料的持久强度、蠕变强度、断裂韧性、低周疲劳特性、设计应用安全系 数，热应力寿命损耗特性、工艺性等数，热应力寿命损耗特性、工艺性等。3.2 蒸汽参数蒸汽参数机组的蒸汽参数是决定机组热效率，提高热经济性的重要因素。提高蒸汽 参数（蒸汽的初始压力和温度） 、采用再热系统、增加再热次数，都是提高机组 效率的有效方法。根据工程热力学原理，工质参数提高必然使得机组的热效率提高，这主要 是改善热力循

14、环系统所致。从研究成果可知，主蒸汽温度每提高 10 ，热效率值可提高约 0.28%；再热蒸汽温度每提高 10 ，热效率可提高约 0.18%。对于 一次中间再热的超临界参数以上的发电机组，工质压力每提高 1MPa，热效率 大约可提高 0.2%。因此，在同比条件下（均为一次再热） ，主蒸汽压力从 25MPa 升至 31MPa，机组热效率相对只提高约 1%，只有单纯将温度从 566 /566 提高至600 /600 时热效率提高的一半。部分专家的分析意见认为，我国目前超超临界机组的主汽压力应取在世界先进水平 2831MPa 的下限，这主要是考虑到 提高设备的可靠性。根据早期超超临界机组的运行情况看，

15、机组事故的产生多根据早期超超临界机组的运行情况看，机组事故的产生多 是由于高压段参数所引起。是由于高压段参数所引起。另一个考虑就是降低设备的造价。主汽参数的选择 对造价影响非常大，特别是在锅炉受热面和汽轮机高压缸。但对于主汽压力 25MPa 的情况来说，采用 25MPa/600 /600 与相同容量常规超临界24.2MPa/566 /566 机组相比，除部分材料及图纸需要更改外，大部分图纸可以通用，技术继承性较好。从近年来国际上超超临界发电机组参数发展看，主流是走大幅度提高蒸汽从近年来国际上超超临界发电机组参数发展看，主流是走大幅度提高蒸汽 温度（取值相对较高温度（取值相对较高 600 左右）

16、左右） 、小幅度提高蒸汽压力（取值多为、小幅度提高蒸汽压力（取值多为 25MPa 左左 右）的技术发展之路。右）的技术发展之路。此技术路线问题单一，技术继承性好，在材料成熟前提 下可靠性较高、投资增加少、热效率增加明显，即综合优点突出，此技术路线 以日本为代表。另一种技术发展是蒸汽压力和温度都取值较高 （2830MPa，600 左右） 、从而获得更高的效率，主要以丹麦的技术发展为 代表。近年德国也将蒸 汽压力从 28MPa 降至 25MPa 左右。综合上述，我国发展超超临界起步参数选 为 25MPa/600 /600 是较为合理的。超超临界今后发展重点仍偏重在材料研发与温度提高上。将目前已经达到 的 600610 平台，依次跃升到 650660 、700710 及 750760 三