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北极星电力网技术频道 作者:3 2007/12/24 10:54:25
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目前，CFB，PFBC，IGCC等技术仍处于试验或示范阶段，在大型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：①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540～560℃；②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25～35MPa及以上，主蒸汽和再热蒸汽温度为580℃及以上。理论和实践证实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4左右。1 国外超临界机组的发展状况与计划1.1 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，发达国家积极开发研究计划，正在执行的Thermie计划（先进的700℃燃煤电厂）（1998～2014），计划建设参数为37.5MPa/700℃/720℃/720℃的超超临界机组，主要目标是：①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）；②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/649℃/593℃/593℃的超超临界机组研发计划。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，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30～32MPa/580～600℃/580～600℃，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 目前我国的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4×600MW），分别是华能石洞口二厂2×600MW，华能南京电厂2×300MW，华能营口电厂2×300MW，华能伊敏电厂2×500MW，盘山电厂2×500MW，绥中电厂2×800MW，外高桥电厂2×900MW，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2×600MW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基础。2002年国家科技部把“超超临界燃煤发电技术”研究课题列入863计划，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。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）低铬耐热钢。包括1.25％Cr-0.5Mo(SA213T11)、2.25Cr-1Mo(SA213T22/P22)、1Cr-Mo-V(12Cr1MoV)以及9％～12％Cr系的Cr-Mo与Cr-Mo-V钢等，其答应主汽温为538～566℃。 （2）改良型9％～12％铁素体－马氏体钢。包括9Cr-1Mo（SA335，T91/P91）、NF616、HCM12A、TB9、TB12等，一般用于566～593℃的蒸汽温度范围。其答应主汽温为610℃，30MPa再热汽温625℃；使用壁温：锅炉625～650℃，汽机600～620℃。 （3）新型奥氏体耐热钢。包括：18Cr-8Ni系，如SA213TP304H、TP347H、TP347HFG、Super304H、TempaloyA-1等；20-25Cr系，如HR3C、NF709、TempaloyA-3等。这些材料的使用壁温达650～750℃，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9％～12％Cr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28～31MPa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，机组事故的产生多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工业发展的需要考虑，选择1000MW大型化超超临界机组方案是合理的。3.4 锅炉炉型3.4.1 锅炉布置型式 超临界锅炉的整体布置主要采用П型布置和塔式布置，也可T型布置；采用T型布置的主要是前苏联的超临界机组。如我国引进的伊敏、盘山电厂500MW和绥中电厂800MW锅炉。 超超临界锅炉设计通常采用П型炉和塔式炉，其中П型炉在市场中占多数。所有的褐煤炉都采用塔式炉，如德国和丹麦的燃煤电厂。欧洲的烟煤炉两种型式都有，而日本和美国通常采用П型炉。 我国发展超临界机组，选择锅炉的整体布置形式，必须根据具体电厂、燃煤条件、投资费用、运行可靠性等方面，进行全面技术经济分析比较，选定锅炉П型或塔式的布置型式。选用时应重视煤质特性，非凡是煤的灰分。燃用高灰分煤，从减轻受热面磨损方面考虑，采用塔式布置较为合适。3.4.2 燃烧方式 直流燃烧器四角切圆燃烧和旋流燃烧器前后墙对冲燃烧是目前国内外应用最为广泛的煤粉燃烧方式。由于切圆燃烧中四角火焰的相互支持，一、二次风的混合便于控制等特点，其煤种适应性更强，目前我国设计制造的300MW、600MW机组锅炉大多数采用这种燃烧方式。对冲燃烧方式则具有锅炉沿炉膛宽度的烟温及速度分布较均匀，过热器与再热器的烟暖和汽温偏差相对较小的特点。 国外各主要锅炉制造商在其燃烧器的型式方面都有各自的传统技术，例如：美国CE公司以及同属一个技术流派的日本三菱重工是采用直流燃烧器切圆燃烧方式，而美国B&W公司、俄罗斯等则采用旋流燃烧器前后墙对冲燃烧方式。在我国虽然直流燃烧器切圆燃烧方式占主导地位，但实际运行情况表明，除一般认为直流燃烧器切圆燃烧方式NOx的生成量比旋流燃烧器前后墙对冲燃烧方式稍低外，在大容量煤粉炉的着火及低负荷燃烧稳定性、燃烧经济性、对炉膛水冷壁结渣的影响等方面，旋流燃烧器前后墙对冲燃烧方式与直流燃烧器四角切圆燃烧方式并没有显著差异。 锅炉布置方式与其采用的燃烧方式之间并无必然的联系。不过，当采用П型布置切圆燃烧时，一般认为，四角切圆燃烧锅炉由于炉膛出口的残余旋转导致的烟气侧热力偏差会随着锅炉容量的增大而加剧，因此部分锅炉制造商提出四角切圆燃烧适用的锅炉容量上限应有所限制，锅炉容量进一步增大，应采用八角双切圆燃烧方式。日本三菱重工提出，四角切圆燃烧方式适用的锅炉容量上限大约为800MW，而八角双切圆燃烧方式自500MW起可一直适用到1000MW以上。 超超临界的锅炉布置型式和燃烧方式两者应合理搭配，根据国内外锅炉制造厂的设计方案，如下四种燃烧方式与锅炉布置型式相适应：①四角单切圆塔式布置;②墙式对冲塔式布置;③八角双切圆行筒贾;④墙式旋流行筒贾。3.5 汽机系统 提高汽轮机出力的途径主要有以下几点：①提高新蒸汽参数，增大汽轮机总体理想焓降△Hi；②采用给水回热系统，减小汽轮机低压缸排汽流量，增加进汽量，从而达到增加出力的目的；③增加汽轮机低压缸末级通流面积，一种办法就是增加末级叶片高度，这是国内外大容量汽轮机的一个主要发展方向，另一种办法采用低转速（如半转速）；④采用多排汽口，低压缸采用分流技术是增大单轴汽轮机很有效的措施，国外百万千瓦级超超临界单轴机组的低压缸排汽口数量已达6个以上(采用3个及以上双流低压缸)；⑤提高汽轮机排汽背压，使汽轮机末级叶片出口蒸汽的密度增大，从而增加汽轮机出力。 锅炉的设计必需同时考虑燃烧和汽水循环，而汽机的设计和运行只需考虑蒸汽一种。汽轮机设计过去注重提高出力和可靠性，现在还应注重材料的合理选用以降低投资和提高效率。因此超超临界汽轮机的设计应重点考虑： （1）材料选择和消耗。蒸汽温度影响材料的选择，蒸汽压力主要影响材料的消耗，因此综合工程设计及材料制造费用，汽机价格将随压力的增加而略有增加。材料的选择还应有利于降低叶片损失。 （2）在价格不变的情况下应提高材料的蠕变强度，使其运行在更高的温度下；同时提高材料的疲惫强度，保证汽机和电厂的热灵活性，易于运行和较少的维护检修。 （3）低压缸采用更长的末级叶片，增加排汽面积。 目前国内超临界或亚临界机组大多负荷率偏低，在低负荷运行工况下难以达到汽轮机的设计效率，同样要发挥超超临界机组的高效率，就必须在较高负荷工况下运行。4 结语 发展超超临界发电机组应进行技术和经济的综合分析，针对具体的超超临界电厂，参数的选择还要根据厂址所在电网的容量、负荷增长速度、燃料价格和机组的年利用小时以及影响经济性的几个重要因数（如钢煤比价等）作具体的技术经济分析。 通过对亚临界、超临界和超超临界工程的投资估算和分析论证，在年利用小时达到5500h时，超超临界的电价与亚临界电价达到相同[2]。年利用小时的敏感性分析说明，超超临界电厂建设在缺电的地区较为合适。另有部分专家认为：以电厂运行25年计，标准煤价超过250元/t，采用超临界机组及超超临界机组比亚临界机组有更好的效益；标准煤价超过210元/t，采用超超临界机组比超临界机组有更好的效益。 超超临界机组在国际上已经是较为成熟的技术，因此，在总结我国已引进的超临界机组制造技术和运行经验的基础上，发展我国的超超临界发电机组，技术上是切实可行的。要采用引进技术和消化吸收、相结合的发展之路，充分利用我国现有的设备制造、电站设计和运行能力，加快超超临界机组的发展进程。5 参考文献 [1] 苗迺金、危师让.超临界火电技术及其发展.热力发电,2002(5). [2] 中国电力工程顾问有限公司.火电结构优化和技术升级研究.2002.3.
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