发展超超临界发电机组若干技术问题探讨

0　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（22.12MPa）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24MPa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25～35MPa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25 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965MW26MPa/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700MW31MPa/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。丹麦亦十分重视高参数超临界机组的发展，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400MW28.5MPa/580 ℃/580 ℃/580 ℃，机组效率高达47%。2001年投运的AVV2电厂一台超超临界机组，其机组效率高达49%，这是目前世界上超超临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580～600 ℃，并且都有相应的电厂成功地投入了商业运行。值得注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
　　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）（1998～2014），计划建设参数为37.5MPa/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31.4MPa/593 ℃/593 ℃/593 ℃、31MPa/630 ℃/630 ℃和34.3MPa/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38.5MPa/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30～32MPa/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7800MW常规超临界机组（不包括后石电厂已投运4×600 MW），分别是华能石洞口二厂2×600MW，华能南京电厂2×300MW，华能营口电厂2×300MW，华能伊敏电厂2×500MW，盘山电厂2×500MW，绥中电厂2×800MW，外高桥电厂2×900MW，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2×600MW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问题

3.1　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、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（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，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。
　　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-0.5%Mo(SA213 T11)、2.25Cr-1Mo(SA213 T22/P22)、1Cr-Mo-V(12Cr1MoV)以及 9％～12％Cr系的Cr-Mo与Cr-Mo-V钢等，其允许主汽温为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。其允许主汽温为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SA213 TP304H、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、设计应用安全系数，热应力寿命损耗特性、工艺性等。
3.2　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1MPa，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25MPa升至31MPa，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28～31MPa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25MPa的情况来说，采用25MPa/600 ℃/600 ℃与相同容量常规超临界24.2MPa/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温度（取值相对较高600 ℃左右）、小幅度提高蒸汽压力（取值多为25MPa左右）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（28～30MPa，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28MPa降至25MPa左右。综合上述，我国发展超超临界起步参数选为25MPa/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600～610 ℃平台，依次跃升到650～660 ℃、700～710 ℃及750～760 ℃三个台阶。与此同时，在技术已经成熟及不断降低制造成本、提高自动化水平前提下，也会继续尝试升压之路，把初压最终提高到35Mpa以上并采用两次再热，使汽轮机效率达到最高境界。
　　应该看到，世界上先进的超临界和超超临界电站的发展经验表明，机组效率的提高来源于许多方面的因素，如：较低的锅炉排烟温度，高效率的主、辅机设备，煤的良好燃烧，较高的给水温度，较低的凝汽器压力，较低的系统压损，蒸汽再热级数，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，还必须同时注重其他相关技术的开发和研究工作。
3.3　机组容量
　　影响发电机组容量选择的因素有：① 电网（单机容量<电网容量的10%）；② 汽轮机背压；③ 汽轮机末级排汽面积（叶片高度）；④ 汽轮发电机组（单轴）转子长度；⑤ 发电机的大容量化，即单轴串联布置或双轴并列布置。
　　一般而言单机容量增大，单位容量的造价降低，也可提高效率，但根据国外多年分析研究得出，提高单机容量固然可以提高效率，但当容量增加到一定的限度（1000MW）后，再增加单机容量对提高热效率不明显。国外已投运的超超临界机组单机容量大部分在700MW～1 000MW之间。就锅炉而言，单机容量继续增大，受热面的布置更为复杂，后部烟道必须是双通道，还必须增加主蒸汽管壁厚或增加主蒸汽管道的数目。
　　单机容量的进一步增大还将受到汽轮机的限制。近30年来，汽轮机单机容量增长缓慢，世界上现役的单轴汽轮机大部分为900MW以下，最大功率单轴汽轮机仍然是前苏联制造的1 200MW汽轮机，双轴最大功率汽轮机是美国西屋公司制造的（60Hz）1 390MW。目前世界上900MW以上的机组，无论50Hz还是60Hz，都是以双轴布置占多数。但是随着近年来参数的不断提高，更长末叶片的开发以及叶片和转子材料的改进，单轴布置越来越成为新的发展趋势。
　　由于超超临界机组与超临界机组在设计和制造方面实际上没有原则性的界限，温度600 ℃以下的这两种机组所用的材料种类有许多是相同的，因此，从现有国内制造业基础及技术可行性考虑，建议我国起步阶段开发的超超临界机组的容量应在700～1000MW之间。而从效率、单位千瓦投资、占地、建设周期、我国经济和电力工业发展的需要考虑，选择1000 MW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500MW和绥中电厂800MW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，特别是煤的灰分。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300MW、600MW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温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NO_x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800MW，而八角双切圆燃烧方式自500MW起可一直适用到1 000MW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△H_i；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；同时提高材料的疲劳强度，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5500 h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.转贴于 中国论文下载中心 http://www.studa.net

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