发展超超临界洁净燃煤发电技术的

发展超超临界洁净燃煤发电技术的内容摘要：

的高 、 中压缸法兰，缩短启动时间；两侧布置的凝汽器，降低蒸汽流速，改善真空；超临界机组热电联产，提高能源利用率。 目前俄 罗斯的列宁格勒金属工厂和莫斯科动力学院设计了新一代的高参数 超超 临界机组， 主 蒸汽 压力为 30～ 32Mpa，主蒸汽温度和再热蒸汽温度为 580～ 600℃ ，给水温度 300℃ ，当凝汽器压力为 ～ 时，预计 机组净 效率可以达到 44～ 46%。 4) 欧洲 德国也是发展超临界 发电 技术 最早 的国家 之一。 20 世纪 60 年代德国发展过小功率超临界机组， 后来一段时期 未有进展。 1956年参数为 、 600℃ （无再热）的 117MW 超 超 临界机组投运。 1972 年投运了首台 430MW，蒸汽参数为 、 535℃ /535℃ 的超临界机组。 德国近年来很重视发展超临界机组，已投运和在建的超临界机组近 20 台，其中具有代表性的超临界机组是： 1992 年 8月在 Staudinger 电 厂 投 运 的 500MW ，蒸汽 参 数 为25MPa/540℃ /560℃ 的超临界机组 ； 1999 年在 Lippendorf 电厂投运的 933MW，蒸汽参数为 MPa /554℃ /593℃ 的超超临界机组；2020 年在 Niederaubem 电 厂 投 运 的 965MW ， 蒸 汽 参 数 为℃ /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。 同时德 7 国开发了螺圈管 圈 水冷壁的锅炉 技术 ，实现了锅炉的滑压运行，这类 技术 目前在日本和欧洲的全滑压运行超临界 和超超临界 机组中被 广泛采用。 西门子 公司在 1997～ 2020 年期间制造了八套功率在 750MW～1000MW、蒸汽参数为 25MPa／ 580℃ ／ 600℃ 的蒸汽轮机。 在 20世纪末设计的超超临界机组，容量在 400MW～ 1000MW 范围内，蒸汽参数为 ℃ ，机组净效率在 45%以上。 德国近期新建机组全 部 为 800MW 及以上等级的超超临界机组，现有的 300MW 包括部分 600MW 亚临界机组将在未来十年内全部拆除。 丹麦 是欧洲最早应用超临界发电技术的国家，为超临界机组在欧洲的发展起到了示范作用。 Ordjyllandsvarket 电站 1998 年投运 1台容量为 400MW， 蒸汽参数为 29MPa/580℃ /580℃ /580℃ ，两级再热的超 超 临界机组 ， 在凝汽器压力为 时，机组效率高达 47%。 其它如芬兰、挪威等国也相继投运了一批容量为 380MW～ 930MW、参数为 26MPa～ ， 554℃ ～ 593℃ 的高参数超临界 及超超临界 机组 ，进一步推动了超临界及超超临界 发电技术在欧洲的发展。 5) 应用业绩 日本及欧洲超临界及超超临界机组近年来的应用业绩 如附 表 1及 附 表 2 所示。 4. 主要发达国家超超临界发电技术发展趋势 1) 参数选择 目前，国外超超临界机组在参数选择上表现出二种趋势：一种是蒸汽压力并不太高，多为 25MPa 左右，而蒸汽温度相对较高（ 600℃ 左右）的方案，主要以日本的技术发展为代表。 如日本橘湾（ Tachibanawan）电站分别于 2020 年和 2020 年相继投运了二台1050MW 单轴超超临界机组，其蒸汽参数为 25MPa/600℃ /610℃ ，净效率分别为 %和 %。 另 一种是蒸汽压力和温度同时都取较高值（ 28～ 30MPa， 600℃ 左右）的方案 ， 从而获得更高的效率，主要以欧洲的技术发展为代表。 如丹麦在八十年代投产了带二次中间再热的 29MPa/580℃ /580℃ /580℃ 的 400MW 超超临界机组，净效 8 率达 %； 九十年代又投产的相同容量的超超临界机组的参数为30MPa/580℃ /600℃ ，净效率达 49%。 另外，世界上先进的超超临界机组的发展经验表明，机组效率的提高除了由于参数提高的 原因 外，还可能来源于 其它 许多方面的因素，如：锅炉较低的排烟温度 和较高的燃烧效率 ；高效率的主 、辅机设备；较低的凝汽器压力；较低的系统 压力损失 ；蒸汽再热级数的选择等等。 据国外研究报告估计，仅由于提高蒸汽参数而提高的效率最多为 净 效率总提高量的一半左右。 因此，发展超超临界机组的工作不仅仅是简单地提高蒸汽参数就可以实现 的 ，还必须同时注重 其它 相关技术的 研究和开发 工作。 2) 材料的 选择和使用 超超临界机组的选材要保证所有部件在机组的最高蒸汽参数和最大压力下能安全、可靠、稳定、有效地工作。 对于超超临界机组而言， 蒸汽 参数的提高，将涉及锅炉和汽轮机高 、 中压部分有关部件 ， 如高压蒸汽管道和联箱、高温过热器 /再热器管和水冷壁 管 、汽缸、主调 节 门阀壳、再热主调 节 门阀壳、喷嘴、转子及调节级叶片等 部件的材料 ，必须按温度压力选择相应的材料 ， 进行相应的强度设计。 近年来国外大量超 超 临界机组成功的材料应用经验证明，低铬耐热钢和新高温铁素体 马氏体 9%～ 12%Cr材料已可用于压力为 31MPa、温度为 610℃ /625℃ 参数等级 的机组。 经过锅炉和汽轮机各高温高压部件多年的应用，该材料系列已相当成熟，并已列入标准， 附 表 3 为与部分欧美国家使用材料牌号相对照的 美国材料与试验协会（ ASTM） 牌号。 附 表 4 为日本三菱高温材料的应用统计表。 3) 机组容量的 选择 分析 表 1 12 中发达国家超临界及超 超 临界机组的应用业绩可见，日本 90 年代以后投产的超临界和超超临界机组多在 600MW以上， 1000MW 等级的机组 居多。 欧洲的超超临界机组容量则更多的为 700MW 以上，所以 700MW 和 1000MW 等级将成为超超临界机组容量选择的主要趋势。 9 4) 再热形式的选择 在目前参数下，二次再热将使电站投资增加 10～ 15%，而经济性得益仅 为 ～ %左右。 因此，近 10 多年来，世界上只有丹麦二台热电联供 415MW 的 超 超 临 界 二 次 再 热 机 组（ 29MPa/582℃ /580℃ /580℃ ， ℃ /580℃ /580℃ ）和日本川 越 电 站 二 台 700MW 超 超 临 界 二 次 再 热 机 组(31MPa/566℃ /566℃ /566℃ )投运的报道。 随着材料技术的不断完善，后来出现的机组多为提高 蒸汽参数， 采用一次再热循环。 从超超临界 发电技术 发展趋势来看， 30MPa 参数以下机组 将更多采用一次再热，以降低 系统 复杂程度，提高可靠性。 随着参数的进一步提高，二次再热将成为再热系统型式选择方案之一。 5) 汽轮机轴系布置形式 在发展超超临界发电技术的进程中，单轴串联布置与双轴并列布置是与机组容量大型化发展密切相关的一个问题。 由于单机功 率的增长发展很快 ， 并受当时末级叶片长度 和材料、 机组轴系不宜 过长和 汽缸数 不宜 过多 的限制， 在 1000MW 等级大功率机组上有采用双轴布置的应用实践。 双轴布置中有两种型式 ， 一种是两根轴的转速相同 ， 还有一种是高 、 中压部分采用通常的转速 ， 低压部分采用半速 (即 50Hz 为 1500r/min， 60Hz 为 1800r/min)， 以增大低压排汽面积，降低排气余速损失，进一步提高热经济性。 但低压部分体积大，重量重，造价 增加。 若两根轴转速相同，则需配备两台发电机，机组总的机械损失增大，对投资及总的热经济性不利。 单轴汽轮发电机的结构紧凑 ，设备总重轻，价格低，厂房投资小，设备零部件少，可靠性好。 同时在末级长叶片高度相同的情况下，单轴 机组 的效率高，但单轴方案存在电机大型化及随之带来的运输问题。 以往 1000MW 等级的超临界和超超临界汽轮机，绝大多数都采用双轴布置，但随着近年来参数的不断提高、更长末 级 叶片的开发、叶片和转子材料的改进，单轴形式成为新的发展趋势。 日本东芝公司分别在 2020 和 2020 年投运两台 1000MW 单轴机组，德国西门子公司自 90 年代后期在发电机单轴功率方面已有多台 900MW～1025MW 机组投运，标志着大功率 1000MW 级汽轮 机正由双轴 结构 向单轴 结构发展。 10 6) 总结 新近投运的超超临界机组主要集中在日本和欧洲，并且主要以日本的三菱、东芝、日立和德国的西门子公司为代表。 对发达国家在发展超超临界发电技术中对机组参数、材料的应用与选择 、 机组的容量选择等方面的调查分析，可以得到以下几点结论：  材料的选择 与 应用 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。 经过锅炉和汽轮机各高温高压部件近 10 多年的应用，该材料系列已相当成熟，并已形成标准。  参数 选择 主蒸汽温度：普遍达到 600℃。 机组的 可靠性好，整体技术已相当成熟。 主蒸汽压力：目前投运的大 容量 （ 700MW）机组的 汽轮机进汽压力均不大于。  机组容量 700MW 和 1000MW 等级将成为超超临界机组容量的主要选择 ， 1000MW 等级在经济性上更具有优势。  再热形式 30MPa 参数以下机组 将更多采用一次再热，以降低 系统 复杂程度，提高可靠性。 随着参数的进一步提高，二次再热将成为再热系统型式选择方案之一。  轴系布置型式 随着近年来参数的不断提高、更长 的 末 级 叶片的开发、叶片和转子材料的改进，单轴形式成为新的发展趋势。  相关技术 发展超超 临界 发电技术 不仅是提高蒸汽参数 和新材料的研发 ，还必须同时注重 其它 相关技术的研究 和 开发工作。 11 5. 主要 发达国家发展超超临界发电技术的计划 根据目前发展动向，今后超超临界发电技术发展重点仍在材料研发与 蒸汽 温度提高上 ，同时注重结构设计、制造技术和与之对应的系统优化技术的改进和提高。 为进一步降低能耗和减少 CO2 排放，改善环境，在材料工业发展的支持下，超超临界机组正朝着更高参数的技术方向发展。 目前高参数的超超临界机组最大容量已达1300MW，最高效率达 49%，充分显示了超超临界发电技术的成熟性和推广前景。 国外超超临界机组 发展的近期目标为 1000MW 等 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超 超 临界机组的计划， 主 蒸汽初温将提高到 700℃ ～ 760℃ ，再热汽温达 720℃ ，相应的压力将从目前的 30MPa 左右提高到 35～ 40MPa， 机组的 净 效率可达到 50～ 55%。 1) 美国 美国能源部 于 2020年启动 了一个开发主蒸汽温度为 760℃ 的燃煤电厂超 超 临界机组的研究项目 ，政府资助的资金 比例 为 30%。 主要研究用于燃煤电厂超超临界机组的高温高强度合金材料 、锅炉设计与制造技 术、汽轮机设计与制造技术、发电厂设计技术和相应的配套技术等 ，以增强美国 发电装备 制造业在国际市场中的竞争力。 并通过 关键 技术 的 改进工作，将超超临界机组的主蒸汽温度提高到760℃ 的水平，从而 将大幅度 提高机组效率。 在这个项目中，美国电力研究科学研究院 为技术牵头单位 ，负责项目管理，并深入探索新电厂设计和材料有关的问题。 作为新材料研究开发工作的一部分，将对新型锅炉和汽轮机的设计及其对电厂性能和造价的影响进行评价，目前已经在超超临界汽轮机和辅助设备的设计改进方面进行了研究。 预计，采用新材料和改进设计的超超临界示范电厂将在2020 年建成，到 2017 年这些材料和设计技术将能得到广泛应用。 2) 日本 日本电力（ JPower）在日本通商产业省支持下，从政府得到50％的补助金，与其它单位共同组织超超临界 发电 技术的开发。 第一阶段目标是：第一步用铁素体钢 使主蒸汽温度 达到 593℃ ，第二 12 步用奥氏体钢达到 649℃。 第二阶段目标是用新型铁素体钢达到630℃ ，相应的蒸汽压力达到 31MPa～ 35MPa。 附 表 5 列出了该计划的具体内容。 日本三大设备制造公司对转子、汽缸、法兰、螺栓等主要部件进行了相应参数下的实物中间试验。 与此同时，日本金属所（ NRIM）从 1997 年起开始实施一项面向 650℃级别机组所需的铁素体耐热钢的研发计划。 3) 欧洲 欧洲于 80 年代开始实施 “ COST 研究计划 501” ，由电站设备和钢铁制造商合作分工开发 采用 奥氏体钢 的 超 超 临界机组，其目标是研制可与燃气蒸汽联合循环相竞争的新一代化石燃料电站新材料和超 超 临界机组，其研究成果已应用于高参数化石燃料电站，应用温度高达 610℃ ～ 625℃。 欧洲目前的 “Thermie 700”计划中正在支持一项 旨在 推动欧洲发展超 超 临界 发电 技术的项目 ，其目的是论证和准备发展具有先进蒸汽参数的未来的燃煤电厂型式，其中关键部件 将采用镍基高温合金。 Thermie 700 计划的目标是使下一代超超临界机组的蒸汽参数达到 ℃ /700℃，从而效率可达 52％ ～ 55%，（海水冷却55％，对内陆地区和冷却塔 52％），使 CO2的排放降低 15%，并降低燃煤电厂投资。 Thermie 700 计划的核心是发展新材料、锅炉和汽轮机及热力系统的优化设计。 Thermie 700 计划的战略意义是使欧洲火电厂的技术水平始终处于世界领先，所以又被欧洲称为先进的超超临界发电项目。 如果该技术能够在火电厂应用，且目前所有欧洲的运行电厂均采用该技术的话， 将使现有火电机组有害气体（包括 CO2）的排放减少 40％。 该计划的成功将显著增加欧洲电力设备供货商的市场竞争能力。 欧洲各国约有 40 个单位参加了这个项目的工作，其中有 26 家是设备制造商（包括汽轮机、锅炉、主要辅机和材料等制造商）；其它则分别是有关的研究机构、大学、电力公司等部门。 该项目从1998 年开始，分为 8 个阶段，预期在 2020。