国内外超超临界汽轮机发展

国内外超超临界汽轮机的发展

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

在发电循环中 , 蒸汽参数是决定机组的热经济性的重要参数。同时 , 提高汽轮机的 效率对提高机组热经济性起决定性的作用 , 约占其中 85%-90% 的份额。燃煤火电机组的热力系统是按朗肯循环进行的 , 提高蒸汽的初参数 ( 蒸汽压力和温度 ), 采用再热系 统和增加再热次数都能提高循环的热效率。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 0.25-0.3% 。如果增加再热次数 , 例如采用二次再热 , 在同样蒸汽参数下热耗可较采用一次再热下降。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 Ultra supercritical(USC)

1.2 超临界机组的发展历史

超超临界技术的发展至今已有 40 多年的历史 , 其间超超临界机组热力参数经历了 高一低一高的演变过程。在超超临界技术的发展初期 , 蒸汽参数取得比较高 , 超过了当时的材料技术发展水平 , 致使超超临界机组的可用率和可靠性都较低 , 热力参数一度被 降低到超临界水平。九十年代以来 , 由于环保及节约能源的需要 , 超超临界机组又进入 了新一轮的发展时期。世界上超超临界火电技术几十年的发展过程可划分为三个阶段 :

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 345MPa, 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 24.1MPa, 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。该阶段仍以美国 GE 、 西屋公司为中心。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 , 超临界机组的市场从 80 年代起转移到了欧洲及 日本。经过不断完善 ,

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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。随着常规超临界技术的成熟 , 在环保及提高经济性目标的驱动下 , 从 90 年代开始 , 以日本 ( 三菱、东芝、日立〉、 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。温度按 50F 一档划分 , 相当于 538 ℃

(1000F) ,566 ℃ (1050F),593 ℃ (1100F), 按材料的高温性能 , 产品实际应用的温度又有 600 ℃ /610 ℃ ( 其材料与 593 ℃相同 ) 一档。高温参数影响材料选用和锅炉过 热器、再热器以及汽轮机进汽段部件如阀门、进汽管、蒸汽室、叶片和转子的设计。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 (375MW~1050MW), 进汽温度均提高到 580 ℃ ~600 ℃。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 5OOPSI(3.445MPa) 为一档 , 超超临界压力有 27.6MPa(40OOPSOJmoa(45OOPSI),345MPa(50OOPSI) 。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 1.3~15% 左右 , 而投资将增加 10~15% 。因此 , 近十多年来 , 世界上超超临界压力 二次再热机组只有丹麦二台热电联供 415MW 机组的和一台西门子公司机组投运的报道。据有关统计资料 , 日本 1990 -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,31 MPa -566 ℃ /566 ℃ /566 ℃外 , 其它超超临界 机组的蒸汽压力参数均维持在 24.1MPa~25MPa 。 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,3O MPa /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 1000mm~120Omm 的长叶0000

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片 , 排汽面 积在 9m~11m左右。最长的有三菱公司用于 50Hz 机组的 1218mm 叶片 ( 排汽面积 11.3 m , 该叶片已用于两缸两排汽 600MW 机组。此外 , 西门子公司用于我国外高桥 四缸四排汽超临界 900MW 机组的 1143mm 长叶片 , 其排汽面积达到 12.5 m 。西门子用 于 6OHz 机组的铁合金 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 , 将推动今后特大型钦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铁合金末级长叶片。

1.3 世界各国超超临界技术发展现状

1.3.1 美国

美国是发展超临界发电技术最早的国家。早在 20 世纪 50 年初就开始超超临界发电 技术的探索性研究。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&W 和 GE 公司设计制造 , 主要参数为 125MW 、 31MPa 、 621 ℃ /566 ℃ /538 ℃。 1958 年 , 第二台超超临界机组在 Eddystone 艾迪斯顿电厂 (1#) 投运 , 该机组由 CE 和 WH 公司设计制造 , 是世界上参数最高的机组 , 主要参数为 325MW 、 34.4MPa 、 649 ℃ /566 ℃ /566 ℃。该机组在按设计参数运行 8 年后 , 因材料问题 ( 锅炉过热器高温腐蚀和汽轮机高压缸蠕 变变形等 ), 自 1968 年起参数降至 31MPa,610 ℃ /557 ℃ /557 ℃ , 直至目前仍在运行。 上述机组为超临界和超超临界机组商业性运行取得了大量宝贵经验。

鉴于超临界机组热效率比亚临界机组有明显提高 , 在 20 世纪 60 年代中期起 , 美国 新建机组容量中有一半以上是超临界机组。 1967 年到 1976 年十年期间 , 共投运 118 台 超临界机组 , 其中最大单机容量为 130OMW 。 70 年代开始 , 超临界机组订货减少 ,1978 年以后订货更

少 ,1980~1989 年期间仅有 7 台超临界机组投运。出现此现象的主要原因 在于单机容量增大过快 , 早期的超临界机组的锅炉事故偏多 ( 蒸汽参数偏高 , 并采用热负荷偏高的大型正压锅炉 ), 可用率低及维修费用高。美国煤价较低 , 热效率提高对机 组运行经济性改善效果不显著。加之适宜带基本负荷的大量核电机组的迅速投产 , 及当时超临界机组调峰能力较差 , 故当时的超临界机组不能适应市场需要。

由于超超临界机组发展初期技术不成熟 , 蒸汽参数选择过高 , 超越了当时的金属材 料技术水平 , 运行中出现了很多问题。为了提高机组可用率 , 美国以后发展的超临界机 组多采用 24.1MPa, 主蒸汽温度 538 ℃ , 一次再热汽温多为 538 ℃ , 二次再热时用 552 ℃ /566 ℃ , 并不断完善化。这种蒸汽参数保持了 20 余年。

上世纪 80 年代 , 针对燃料价格上涨 , 环境保护要求日益严格的现状 , 美国电力研 究所 ( EPRI ) 在总结了前期超临界机组运行经验和教训后 , 认为超超临界技术发展过程 中所发生的问题 , 主要不是采用超超临界参数所引起的。经过不断改进和完善 , 美国当 时超临界机组的可用率己与亚临界机组相当。此外 , 根据当时的技术水平 ,EPRI 对超 临界机组蒸汽参数和容量等进行了各方面可行性优化研究 , 认为在技术方面不需要作突破的条件下 , 超超临界机组采用蒸汽压力 2222

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31MPa, 温度 566~593 ℃ , 二次中间再热 ,容量 700~800MW 为最佳 , 重新开发了蒸汽参数为 31MPa/593 ℃ /593 ℃ /593 ℃的二次再 热超超临界机组。但是 , 由于美国电力工业大力发展高效的燃气一蒸汽联合循环 , 超超临界技术发展计划没有得到实施。不过 , 上述研究成果在亚洲和欧洲的一些国家得到了 进一步开发、推广。

据统计 , 到 1986 年为止美国己投运超临界机组 166 台 , 平均每台机组容量为 680MW: 而到 1992 年为止 , 美国在役的 107 台 80OMW 及以上火电机组均为超临界机 组 , 最大单机容量为 130OMW 。

近年来 , 美国 GE 公司还为日本设计制造了蒸汽参数分别为 26.6MPa/577 ℃ /600 ℃和 25MPa/600 ℃ /610 ℃的超超临界机组。

1.3.2 俄罗斯

前苏联是发展超临界机组最坚决的的国家 , 也是当时拥有超临界机组最多的国家。 1949 年 , 前苏联投运了第一台超超临界试验机组 , 其锅炉容量 12t/h , 蒸汽参数为 29.4MPa、 600 ℃ , 经节流至 12MPa 后进入汽轮机。以后又投运了 29.4MPa 、 650 ℃的 100MW 超超临界机组 , 作为改造中压锅炉的前置级。 1963 年 , 前苏联第一台 30OMW超临界机组投入运行 , 机组参数为

235MPa/580 ℃ /565 ℃。投运初期 , 由于蒸汽参数偏高 , 材料出现高温腐蚀 , 以及设计、制造质量等各种技术原因 , 在运行中发生较多问题 , 技术经济指标与原设计要求相差较大。后经改进和长期不断完善 , 并将蒸汽温度降为 540 ℃ /540 ℃ , 才使机组的可靠性与超高压参数机组相当。但是 , 超临界蒸汽参数下 ,300MW 机组容量偏小 , 汽轮机通流部分气动损失大 , 效率低 , 没有达到设计要求 , 其总体经济水平偏低。其后投运的 500MW 、 80OMW 和 1200MW 机组基本上也采用了上 述超临界参数 (30OMW 与 50OMW 机组蒸汽温度也有采用 565 ℃ /570 ℃的 )。

列宁格勒金属工厂 (LMZ) 于 1978 年生产的一台 K-1200-23.5-2 型超临界汽轮 机发电机组 , 其参数为 23.5MPa/540/540 ℃ , 尽管已经投运二十多年 , 但仍是当前世界 上火电厂最大的单轴汽轮发电机组。该厂从 1982 年起生产新型的 K-800-23.5-5 型 汽轮机 , 其出力现己提高到 870MW 。在此基础上 ,LMZ 设计了 K-900-24.2 型汽轮 机 , 容量为 900-100OMW, 参数为 24.2MPa/538 ℃ /566 ℃ , 汽轮机由 5 个缸组成 , 一个高压缸 , 一个双流中压缸和三个双流低压缸。

前苏联所有 300MW 及以上容量机组全部采用超临界参数 , 因此 , 其超临界机组达 200 余台 , 占总装机容量的 50% 以上 , 且大多数为 300MW 机组。由于大量采用超临界 机组 , 前苏联火电机组的平均供电煤耗位居世界水平的前列 , 达到 326g/KWh 。

前苏联发展超临界技术主要依靠本国力量 , 以自我开发为主 , 初期也走过不少弯路 , 出现过各种各样的问题 , 但经过长期试验研究己具有一套比较完整的超临界技术和产品 系列 , 超临界机组成为国内火力发电厂的主力机组。但是 , 由于 30OMW 机组容量偏小 , 不适合电网发展 ,50OMW 燃煤机组由于可用率低及热耗高而没有大量采用 ,800MW 和 1200MW 机组只用于燃油与燃气 , 且1200MW 机组的可用率也较低。由于不能吸收别国先进技术 , 前苏联超临界技术发展不快 ,总体技术水平不高。

目前 , 俄罗斯研制的新一代大型超超临界机组采用参数为 28~3OMPa/580~600 ℃。

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1.3.3 日本

日本发展超超临界机组起步较晚 , 但发展速度很快、收效显著。自日立公司向美国 B&W 公司引进第一台超临界机组 (660MW 、 24.12MPa 、 538 ℃ /566 ℃ ) 于 1967 年在沛 崎电厂投运后 , 日本其他公司也分别引进了美国和德国的超超临界技术 , 同时建立了自 己的试验台。很快由仿制过渡到应用自己的科研成果。

20 世纪 70 年代以来 , 由于电网负荷峰谷差增大 , 加之适合带基本负荷的核电站的 兴起 , 要求火电机组承担中间负荷 , 能适应频繁快速起停的要求。但由美国引进的超临 界技术不能适应在广泛范围内变负荷以及快速经济起停 , 日本各公司从欧洲引进超临界变压运行技术 ( 螺旋管圈锅炉 ), 在政府支持下进行先仿制后本地化 , 并与国外公司合作 , 经过大量的试验及不断提高技术水平 , 为开发大型超超临界机组创造了条件 , 使超 超临界机组不仅高效 , 而且具有亚临界机组同样的可靠性与运行灵活性 , 能自如地适应变压运行带周期性调峰负荷的要求。后来 , 日本新建的火电站几乎都是变压运行机组 , 并以 500~1000MW 燃煤变压运行超超临界机组为主体。目前 , 日本以超超临界机组可 靠性高、经济性好、技术发展快而跃居为发展超超临界机组的先进国家。

日本发展超超临界技术采用的是引进、仿制、创新的技术路线。先从国外引进成熟 机组和制造技术 , 设备引进后立即组织力量进行技术消化和仿制 , 引进设备投运后即作 为考核机组 , 通过试验掌握其运行性能。然后 , 结合日本本国的技术特点进行精心设计、 施工和批量生产。从引进机组到自制机组只需 1~2 年时间 , 从亚临界到超超临界 , 从 300MW、 60OMW 到 1000MW, 每上一个等级只需 3~4 年时间。

由于提高蒸汽参数可以进一步提高机组的热效率 , 日本在 24.1MPa/538 ℃ /566 ℃超 临界机组成熟的基础上 , 又制订了超超临界研究计划 , 第一步将蒸汽参数提高到31MPa/566 ℃ /566 ℃ /566 ℃ , 第二步再提高到 34MPa/595 ℃ /595 ℃ /595 ℃。结合美国 EPRI的研究成果 , 成功开发了超超临界机组。日本最初投运的两套超超临界机组 , 只是提高 主蒸汽压力而未提高其温度 , 由于主蒸汽压力和温度不匹配 , 故采用两次再热以防汽轮 机末级蒸汽湿度过高。这两台机组由三菱公司设计 , 容量为 700MW 、蒸汽参数为 31.6MPa/566 ℃ /566 ℃ /566 ℃ , 己分别于 1989 年和 1991 年在川越电厂投入运行 , 运行情 况良好 , 可用率也达到了很高的水平。

两次再热虽是成熟的技术 , 但系统复杂。 31MPa 、 566 ℃两次再热与传统的 24.1MPa 、 566 ℃一次再热相比 , 其热效率提高约 ~5% 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 , 缺乏市场竞争力。所以 , 上世纪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。

1990~2003 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。 1993 年 4 月 , 日本首次由 IHI 在中部电力 公司碧南 3# 机组 (24.1MPa/538 ℃ /593 ℃ ) 上成功地运用了 593 ℃的再热蒸汽温度。 1994 年 12 月 , 东北电力公司能代 2# 机组投入运行 , 参数为 24.lMPa/566 ℃ /593 ℃。 1997 年和 1998 年 , 由三菱公司设计 , 参数为 24.1MPa/593 ℃ /593 ℃和 24.5MPa/600 ℃ /600 ℃的 两台 100OMW 超超临界机组分别在松蒲 (2 的和三隅。的等电厂投入运行。 1998 年 7 月 ,由 B&W 和日立公司设计的容量为 100OMW, 参数为 24.5MPa/600 ℃ /600 ℃的超超临界 机组在原町电厂 (2 的