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1、国外超超临界火电机组技术特点的分析肖俊峰 朱宝田(西安热工研究院有限公司 陕西省 西安市 710032)摘 要：在分析国外超超临界火电机组的技术发展历程、现状及发展趋势的基础上，从机组容量、参数、材料、本体结构、运行业绩、技术沿革等方面对代表国外主要技术流派的超超临界火电机组的技术特点进行了研究、分析和对比，对我国发展超超临界火电技术具有参考意义。关键词：超超临界；火电机组；汽轮机； 锅炉；技术1 前言我国自上世纪80年代以来已有发展大功率亚临界火电技术的经验和引进超临界机组的实践，先后引进16台大容量超临界机组，共计有9000MW，并陆续投运。经过多年的运行实践，国内已经掌握了超临界火电机组
2、的运行及检修技术。在超临界机组设计制造方面，在原国家计委及经贸委启动“九五”重大装备国产化项目“600MW超临界火电机组研制”后，开始了在技术引进基础上的超临界机组国产化研制工作， 2004年10月和12月，国产化首批超临界机组华能沁北电厂1、2号机组分别投入运行。我国超超临界燃煤火力发电机组的研制工作也已经开始,国家计委在2002 年国家“863”项目中将超超临界燃煤火电机组立为专项，针对华能玉环电厂1000MW超超临界火电机组依托工程,开展技术选型研究和关键技术研究,已完成了主设备招标工作并已开工建设。我国在超临界和超超临界机组的设计和制造方面，尚在起步阶段起步，国外在发展超临界和超超临界
3、发电技术方面已经走过了近半个世纪的历程，积累了很多成功和失败的经验。学习并借鉴国外超临界及超超临界技术的发展经验，对于发展我国的超临界及超超临界发电技术无疑具有重要的参考意义。2 国外超超临界火电机组的技术发展在火力发电机组的发展过程中，超临界机组和超超临界机组是同时开发和交叉发展的。经过近半个世纪的研究、发展和完善，超临界和超超临界机组已经进入了成熟和商业化运行的阶段。目前发展超超临界技术领先的国家主要是日本、德国、丹麦等，世界范围内属于超超临界参数的机组大约有60余台，超超临界机组的最高热效率已达到47%。 分析发达国家超临界和超超临界发电技术的发展历程、现状及趋势1，大致可得到如下结论：
4、l 上世纪50年代末以美国为代表，注重提高初压（30MPa或以上）并采用两次再热，使结构与系统趋于复杂，运行控制难度趋于提高，机组可用率下降。因此，美国到上世纪80年代，参数又降低到超临界水平。上世纪80年代末，日本以（川越电厂）31 MPa /654/566/566超超临界为代表，由引进到自主开发，有步骤有计划的发展超超临界。上世纪90年代始，日本由31 MPa /654/566/566的超超临界参数，调整为压力24MPa25MPa，温度由566/593向600/600稳步发展，取得了显著的成功。德国等欧洲国家（丹麦除外）超超临界机组的为压力在25MPa28MPa范围，温度也上升为580/6
5、00及600/600。l 采用二次再热的超超临界机组，除了早期美国的三台机组外，只有日本川越两台（1989年）和丹麦的机组。采用两次再热可使机组的热效率提高12，但也造成了调温方式、受热面布置等的复杂性，成本明显提高。因此，除早期投运的少数超超临界机组机组外，无论是日本还是欧洲都趋向于采用一次再热。l 锅炉布置型式按各公司传统，有型布置及半塔型布置。日本超超临界锅炉全部采用型布置，德国、丹麦全部采用塔式布置，这主要是各自的传统技术所决定的。l 燃烧方式按各公司传统，有切圆燃烧和对冲燃烧。日本IHI、日立公司制造的超超临界型炉均采用了前后墙对冲燃烧方式，三菱重工的锅炉燃烧方式全为八角双切园燃烧方
6、式，两种燃烧方式都是为了减少炉膛出口烟温偏差。欧洲的超超临界塔式炉不存在烟温偏差问题，燃烧方式既有四角切园燃烧，又有对冲燃烧，还有个别的八角双切园燃烧和八角单切园燃烧。l 水冷壁型式早期为垂直管屏，90年代后，除日本三菱公司采用内螺纹垂直管外，其余全部采用螺旋管圈。l 已投运的1000MW级超超临界机组以双轴机组居多，但目前国外大容量等级的超超临界机组的开发及百万千瓦等级机组倾向于采用单轴方案。为减少排汽缸数，大容量机组的发展更注重大型低压缸的开发和应用， 3000r/min大功率机组中已普遍采用高度为1000mm1200mm（排汽面积在9m211m2左右）的长叶片。l 在超临界和超超临界机组
7、材料方面，从上世纪80年代开始，美国、日本及欧洲都分别开展了各自的材料研发计划，针对不同级别参数的机组如（580、600、620等）开发了新的耐热材料，并进行了大量的实验室和实机验证，目前，新高温铁素体-马氏体9%-12%Cr材料已可用于压力为31MPa、温度为610/625的参数等级。国外超超临界机组发展的近期目标为1000MW级机组，参数为31MPa,600/600/600,并正在向更高的水平发展。一些国家和制造厂商已经公布了发展下一代高效超临界机组的计划，蒸汽初温将提高到700，再热汽温达720，相应的压力将从目前的30MPa左右提高到35 MPa -40MPa,机组的供电效率可达到50
8、%-55%。3 国外主要技术流派的超超临界火电机组的技术特点国外主要的动力制造厂商经过多次的并购和整合，在超超临界火电机组设计制造方面，主要以欧洲（Siemens、Alstom）、日本（东芝、三菱、日立）为代表，形成了不同的技术流派。3.1 发达国家超临界汽轮机技术特点3.1.1 Siemens公司Siemens公司共生产超临界机组45台（包括700MW容量以下的机组）。在超临界汽轮机方面，西门子1951年就生产了625C的超超临界汽轮机，至今进汽温度600C的机组已有14台在运行。近十年，西门子更在单轴大功率机型大开发中取得成功的业绩。表1为Siemens公司超临界及超超临界汽轮机的发展业绩
9、2。表1 Siemens公司超临界及超超临界汽轮机的发展业绩（1990年后）电厂所在国容量（MW）投运年份压力（MPa）温度STEAG KW HERNE 4德国500198925530/530FYNSVAERKET BOLCK 7丹麦410199124538/538KW SCHWARZE PUMPE 1德国813199725.2542/562KW SCHWARZE PUMPE 2德国813199725.2542/562ALTBACH HKW 2德国395199726.3542/565BOXBERG BLOCK Q德国915199925.8541/578AVEDOERE,2德国375199930
10、580/600NIEDERAUSSEM德国1025200226.5576/600BEXBACH,II德国750200225575/595外高桥 1中国980200325538/566外高桥 2中国980200425538/566 注：表中功率为最大出力。自1997年起，Siemens KWU在50HZ、单轴、900MW功率等级领域领先一步取得了独特的业绩；近十年由日本和欧洲制造的共计8台50HZ、单轴、900MW功率等级的机组业绩中，Siemens占据了其中的6台（另为ALSTOM的两台930MW、26MPa/550C /580C机组）；其中最大的1025MW、单轴、参数26.5MPa/576
11、C/599C的超超临界汽轮机（锅炉参数为27.49MPa/580C/600C） 已于2002年8月正式投运。目前Siemens公司的汽轮机产品系列中的HMN系列可适应200MW1200MW、50Hz/60HZ的超临界机组，蒸汽参数可达30MPa/600/620。Siemens公司超临界大功率汽轮机的主要特点是高压缸采用单流程、小直径筒式结构、中压缸进口为双层结构并作涡旋式冷却、轴承箱与汽缸分离并刚性落地。机组采用滑压运行，调峰性能好。 各转子采用整锻转子，转子之间由整体刚性联轴器连接。西门子的膨胀系统设计具有独特的技术风格和独特的结构设计。西门子各轴承座直接支撑在基础上，其特点为：机组的绝对死
12、点及相对死点均在高中压之间的推力轴承处； 中压汽缸与低压内缸以及低压内缸之间有推拉装置，减小低压段动静相对间隙。汽缸与轴承座之间有耐磨、滑动性能良好的金属介质。机组通流部分设计采用全三维技术，除低压末三级外，其余所有的高中低压叶片级全部采用弯扭耦合叶片，级反动度控制在30%40%的水平。目前Siemens公司50Hz机组中有运行业绩的末级叶片为1146mm，是世界上已运行的最长、排汽面积最大的叶片，并正在开发排汽面积为16m2的1420mm钛合金叶片。Siemens公司参与欧洲联合开发的600 的材料已应用于单轴1000MW机组上。Siemens公司超临界汽轮机高压缸常采用的材料列于表2。表2
13、 Siemens公司超临界汽轮机高压缸常采用的材料主蒸汽温度540540566600主蒸汽压力MPa170250250300设计方案采用静叶环结构内缸转子1CrMoV1CrMoV or 10%Cr10%Cr静叶环/内缸1CrMoV9-10%Cr进汽缸1CrMoV9-10%Cr9-10%Cr排汽缸1CrMoV3.1.2 Alstom 公司2ALSTOM（原ABB+原ALSTOM）公司是国际上发电设备制造行业中业绩突出的著名公司之一，在超超临界发电技术上具有自己的特点。ALSTOM由原ABB、原ALSTOM公司合并而成，已生产投运的超临界机组有40余台，功率600MW以上容量的超临界机组有15台，
14、其中：1300MW（24.2MPa538538、3600/3600 r/min）双轴8台1300MW（25.4MPa538538、3000/1500 r/min）双轴1台930MW（26.0MPa550580、3000 r/min）单轴2台680MW（25.0MPa535563、3000 r/min）单轴1台640MW（24.2MPa538538、3600 r/min）单轴1台627MW（24.2MPa538566、3000 r/min）单轴2台Alstom公司提出目前超临界及超超临界蒸汽参数的范围为：超临界机组：24.0MPa，540/565；超超临界机组：30.0MPa，600/620。目
15、前正在设计1100MW四缸四排汽超超临界汽轮机，汽轮机参数为27MPa，600/605，背压4.8kPa，功率1100MW。原ABB公司采用独特的传统工艺-焊接转子，锻件小、锻造质量高，有利于快速启动；采用套环紧固件无中分面法兰的高压内缸，使内、外缸紧凑小巧，降低热应力、避免高温螺栓装拆带来的不便，内缸和转子采用高铬材料。ABB公司另一个独特的传统工艺-两个转子间共用一个轴承支承，四缸机组只有5个轴承，显著缩短机组长度。Alstom的汽轮机采用模块化、系列化设计，有利于满足用户要求；高、中、低压进汽采用涡壳结构，减少进汽损失,通流部分可优化设计以达到高效率；低压转子为由多个锻件按照埋弧焊工艺焊接在一起的装配式设计，代表了阿尔斯通动力系统的成熟技术。Alstom 已经开发了50Hz、49英寸钛合金末级叶片，叶根为4叉枞树型，叶片采用整体围带和凸台拉筋连接成为全周结构，叶片环形面积为13.2m2，并将
