臨界發電機組問題分析論文
時間：2022-06-22 03:30:00
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摘要：總結國外超臨界和超超臨界機組的發展現狀及趨勢，探討超超臨界機組技術選型的若干問題，提出了我國發展超超臨界機組的發展思路。
關鍵詞：超超臨界發電機組技術選型
0前言
我國在未來相當長的時期內電力生產仍是以煤為主的格局。為保證電力工業可持續發展，加快電力結構調整的步伐，最現實、最可行的途徑就是加快建設超臨界機組，配備以常規的煙氣脫硫系統。目前，CFB，PFBC，IGCC等技術仍處于試驗或示范階段，在大型化方面還有很長的路要走，而超臨界和超超臨界機組的發展已日趨成熟，其可用率、可靠性、運行靈活性和機組壽命等方面已接近亞臨界機組。
超臨界機組是指主蒸汽壓力大于水的臨界壓力（22.12MPa）的機組。習慣上又將超臨界機組分為2個層次：①常規超臨界參數機組，其主蒸汽壓力一般為24MPa左右,主蒸汽和再熱蒸汽溫度為540～560℃；②高效超臨界機組，通常也稱為超超臨界機組或高參數超臨界機組，其主蒸汽壓力為25～35MPa及以上，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為580℃及以上。理論和實踐證明常規超臨界機組的效率可比亞臨界機組高2%左右，而對于高效超臨界機組，其效率可比常規超臨界機組再提高4%左右。
1國外超臨界機組的發展狀況與計劃
1.1發展現狀
大型超臨界機組自20世紀50年代在美國和德國開始投入商業運行以來，隨著冶金工業技術的發展，提供了發電設備用的碳素體鋼、奧氏體鋼及超合金鋼。到今天超臨界機組已大量投運，并取得了良好的運行業績。近十幾年來，發達國家積極開發應用高效超臨界參數發電機組。美國（169臺）和前蘇聯（200多臺）是超臨界機組最多的國家，而發展超超臨界技術領先的國家主要是日本、德國和丹麥。
德國是發展超超臨界技術最早的國家之一，在早期追求高參數，但后來蒸汽參數降低并長期穩定在25MPa/545℃/545℃的水平上，其后蒸汽參數逐步提高。2003年投產的Niederaussen電廠參數為965MW26MPa/580℃/600℃，設計熱效率為44.5%。日本因能源短缺，燃料主要依賴進口，因此采用超臨界發電機組（占總裝機容量的60%以上）。1989年和1990年，日本的川越（Kawagoe）電廠先后投運兩臺參數為700MW31MPa/566℃/566℃/566℃。這是日本發展超超臨界發電技術的標志性機組。近年來一批百萬千瓦級超超臨界發電機組相繼投入運行，除達到很高可靠性外，其循環效率可達到45%左右。丹麥亦十分重視高參數超臨界機組的發展，在提高機組蒸汽參數的同時利用低溫海水冷卻大幅提高機組效率。1998年投運的ordjylland電廠其機組參數為400MW28.5MPa/580℃/580℃/580℃，機組效率高達47%。2001年投運的AVV2電廠一臺超超臨界機組，其機組效率高達49%，這是目前世界上超超臨界機組中運行效率最高的機組。
從各國的發展來看，自20世紀90年代初開始發展超超臨界機組，到90年代末期其蒸汽溫度基本都提高到了580～600℃，并且都有相應的電廠成功地投入了商業運行。值得注意的是國外超超臨界發電機組許多建在海邊，利用低溫海水冷卻，使機組循環效率進一步提高。
1.2發展計劃
歐盟為了發展超超臨界發電技術先后制定了若干研究計劃，正在執行的Thermie計劃（先進的700℃燃煤電廠）（1998～2014），計劃建設參數為37.5MPa/700℃/720℃/720℃的超超臨界機組，主要目標是：①使電廠的凈效率由47%提高到55%（對于低的海水冷卻水溫度）或52%左右（對于內陸地區和冷卻塔）；②降低燃煤電站的造價。日本進行了目標分別為31.4MPa/593℃/593℃/593℃、31MPa/630℃/630℃和34.3MPa/649℃/593℃/593℃的超超臨界機組研發計劃。力爭將發電機組設計效率提高到45%以上。美國也正在組織和支持一項發展更高參數超超臨界發電機組的研究項目—“760℃”計劃，目標是研制適合蒸汽參數為38.5MPa/760℃的新合金材料，將超超臨界機組的主蒸汽溫度提高到760℃的水平，從而大大提高超超臨界機組的效率。俄羅斯也設計了新一代的超超臨界機組，蒸汽參數為30～32MPa/580～600℃/580～600℃，預計電站的效率可達44%～46%。可見上述各國都將高參數超超臨界發電機組作為今后的發展方向。
2國內超臨界機組的發展狀況
目前我國的發電機組已進入大容量、高參數的發展階段，近10多年來已從國外引進了7800MW常規超臨界機組（不包括后石電廠已投運4×600MW），分別是華能石洞口二廠2×600MW，華能南京電廠2×300MW，華能營口電廠2×300MW，華能伊敏電廠2×500MW，盤山電廠2×500MW，綏中電廠2×800MW，外高橋電廠2×900MW，這些機組具有較高的技術性能，在提高發電煤炭利用率和降低污染方面發揮了一定的作用，也為我國超臨界機組的運行積累了經驗。目前，中國華能集團公司正在沁北電廠建設2×600MW超臨界機組（預計2004年投運），為我國自行研制、開發大型超超臨界發電機組奠定了基礎。2002年國家科技部把“超超臨界燃煤發電技術”研究課題列入863計劃，并由國內近20個科研機構、大學、電力設計單位參與課題的各項研究任務。國家計委也批準了華能玉環電廠建設兩臺百萬千瓦級超超臨界發電機組，2003年3月已動工興建。超臨界和超超臨界機組將成為我國“十•五”后的主要發展機型。
3發展超超臨界發電機組的若干技術問題
3.1材料問題
發展超超臨界機組在設計和制造中有許多關鍵技術問題有待解決，其中開發熱強度高、抗高溫煙氣氧化腐蝕和高溫汽水介質腐蝕、可焊性和工藝性良好、價格低廉的材料是最關鍵的問題。
火電機組用鋼主要有兩大類：奧氏體鋼和鐵素體鋼（包括珠光體、貝氏體和馬氏體及其兩相鋼）。奧氏體鋼比鐵素體鋼具有高的熱強性，但膨脹系數大，導熱性能差，抗應力腐蝕能力低，工藝性差，熱疲勞和低周疲勞（特別是厚壁件）也不及鐵素體鋼，且成本高得多。
目前，超臨界和超超臨界機組根據采用的蒸汽溫度的不同，主要采用了以下三類合金鋼：
（1）低鉻耐熱鋼。包括1.25％Cr-0.5%Mo(SA213T11)、2.25Cr-1Mo(SA213T22/P22)、1Cr-Mo-V(12Cr1MoV)以及9％～12％Cr系的Cr-Mo與Cr-Mo-V鋼等，其允許主汽溫為538～566℃。
（2）改良型9％～12％鐵素體－馬氏體鋼。包括9Cr-1Mo（SA335，T91/P91）、NF616、HCM12A、TB9、TB12等，一般用于566～593℃的蒸汽溫度范圍。其允許主汽溫為610℃，30MPa再熱汽溫625℃；使用壁溫：鍋爐625～650℃，汽機600～620℃。
（3）新型奧氏體耐熱鋼。包括：18Cr-8Ni系，如SA213TP304H、TP347H、TP347HFG、Super304H、TempaloyA-1等；20-25Cr系，如HR3C、NF709、TempaloyA-3等。這些材料的使用壁溫達650～750℃，可用于汽溫高達600℃的過熱器與再熱器管束，具有足夠的蠕變斷裂強度和很好的抗高溫腐蝕性能。
正是由于上述低鉻耐熱鋼和改良型9％～12％Cr鐵素體型鋼的研制及使用成功，促進和保證了超超臨界機組的發展，并降低了超超臨界機組的造價，在經濟上具備競爭力。目前，這些新型鋼已在歐洲和日本的電廠推廣應用，主蒸汽溫度最高達610℃。
國外的成功運行經驗為我國設計制造超超臨界發電機組打下良好基礎，但材料的若干技術問題還須進一步研究：在所選蒸汽參數下，鍋爐、汽輪機各部件所選用材料、壁厚、用材量、造價分析，運行性能及技術經濟分析；還應驗證新材料的持久強度、蠕變強度、斷裂韌性、低周疲勞特性、設計應用安全系數，熱應力壽命損耗特性、工藝性等。
3.2蒸汽參數
機組的蒸汽參數是決定機組熱效率，提高熱經濟性的重要因素。提高蒸汽參數（蒸汽的初始壓力和溫度）、采用再熱系統、增加再熱次數，都是提高機組效率的有效方法。
根據工程熱力學原理，工質參數提高必然使得機組的熱效率提高，這主要是改善熱力循環系統所致。從研究成果可知，主蒸汽溫度每提高10℃，熱效率值可提高約0.28%；再熱蒸汽溫度每提高10℃，熱效率可提高約0.18%。對于一次中間再熱的超臨界參數以上的發電機組，工質壓力每提高1MPa，熱效率大約可提高0.2%。
因此，在同比條件下（均為一次再熱），主蒸汽壓力從25MPa升至31MPa，機組熱效率相對只提高約1%，只有單純將溫度從566℃/566℃提高至600℃/600℃時熱效率提高的一半。部分專家的分析意見認為，我國目前超超臨界機組的主汽壓力應取在世界先進水平28～31MPa的下限，這主要是考慮到提高設備的可靠性。根據早期超超臨界機組的運行情況看，機組事故的產生多是由于高壓段參數所引起。另一個考慮就是降低設備的造價。主汽參數的選擇對造價影響非常大，特別是在鍋爐受熱面和汽輪機高壓缸。但對于主汽壓力25MPa的情況來說，采用25MPa/600℃/600℃與相同容量常規超臨界24.2MPa/566℃/566℃機組相比，除部分材料及圖紙需要更改外，大部分圖紙可以通用，技術繼承性較好。
從近年來國際上超超臨界發電機組參數發展看，主流是走大幅度提高蒸汽溫度（取值相對較高600℃左右）、小幅度提高蒸汽壓力（取值多為25MPa左右）的技術發展之路。此技術路線問題單一，技術繼承性好，在材料成熟前提下可靠性較高、投資增加少、熱效率增加明顯，即綜合優點突出，此技術路線以日本為代表。另一種技術發展是蒸汽壓力和溫度都取值較高（28～30MPa，600℃左右）、從而獲得更高的效率，主要以丹麥的技術發展為代表。近年德國也將蒸汽壓力從28MPa降至25MPa左右。綜合上述，我國發展超超臨界起步參數選為25MPa/600℃/600℃是較為合理的。
超超臨界今后發展重點仍偏重在材料研發與溫度提高上。將目前已經達到的600～610℃平臺，依次躍升到650～660℃、700～710℃及750～760℃三個臺階。與此同時，在技術已經成熟及不斷降低制造成本、提高自動化水平前提下，也會繼續嘗試升壓之路，把初壓最終提高到35Mpa以上并采用兩次再熱，使汽輪機效率達到最高境界。
應該看到，世界上先進的超臨界和超超臨界電站的發展經驗表明，機組效率的提高來源于許多方面的因素，如：較低的鍋爐排煙溫度，高效率的主、輔機設備，煤的良好燃燒，較高的給水溫度，較低的凝汽器壓力，較低的系統壓損，蒸汽再熱級數，等等。據國外研究報告估計，僅由于提高蒸汽參數而提高的效率最多為效率總提高量的一半左右。因此，發展超超臨界機組的工作不僅僅是簡單地提高蒸汽參數就可以實現，還必須同時注重其他相關技術的開發和研究工作。
3.3機組容量
影響發電機組容量選擇的因素有：①電網（單機容量<電網容量的10%）；②汽輪機背壓；③汽輪機末級排汽面積（葉片高度）；④汽輪發電機組（單軸）轉子長度；⑤發電機的大容量化，即單軸串聯布置或雙軸并列布置。
一般而言單機容量增大，單位容量的造價降低，也可提高效率，但根據國外多年分析研究得出，提高單機容量固然可以提高效率，但當容量增加到一定的限度（1000MW）后，再增加單機容量對提高熱效率不明顯。國外已投運的超超臨界機組單機容量大部分在700MW～1000MW之間。就鍋爐而言，單機容量繼續增大，受熱面的布置更為復雜，后部煙道必須是雙通道，還必須增加主蒸汽管壁厚或增加主蒸汽管道的數目。
單機容量的進一步增大還將受到汽輪機的限制。近30年來，汽輪機單機容量增長緩慢，世界上現役的單軸汽輪機大部分為900MW以下，最大功率單軸汽輪機仍然是前蘇聯制造的1200MW汽輪機，雙軸最大功率汽輪機是美國西屋公司制造的（60Hz）1390MW。目前世界上900MW以上的機組，無論50Hz還是60Hz，都是以雙軸布置占多數。但是隨著近年來參數的不斷提高，更長末葉片的開發以及葉片和轉子材料的改進，單軸布置越來越成為新的發展趨勢。
由于超超臨界機組與超臨界機組在設計和制造方面實際上沒有原則性的界限，溫度600℃以下的這兩種機組所用的材料種類有許多是相同的，因此，從現有國內制造業基礎及技術可行性考慮，建議我國起步階段開發的超超臨界機組的容量應在700～1000MW之間。而從效率、單位千瓦投資、占地、建設周期、我國經濟和電力工業發展的需要考慮，選擇1000MW大型化超超臨界機組方案是合理的。
3.4鍋爐爐型
3.4.1鍋爐布置型式
超臨界鍋爐的整體布置主要采用П型布置和塔式布置，也可T型布置；采用T型布置的主要是前蘇聯的超臨界機組。如我國引進的伊敏、盤山電廠500MW和綏中電廠800MW鍋爐。
超超臨界鍋爐設計通常采用П型爐和塔式爐，其中П型爐在市場中占多數。所有的褐煤爐都采用塔式爐，如德國和丹麥的燃煤電廠。歐洲的煙煤爐兩種型式都有，而日本和美國通常采用П型爐。
我國發展超臨界機組，選擇鍋爐的整體布置形式，必須根據具體電廠、燃煤條件、投資費用、運行可靠性等方面，進行全面技術經濟分析比較，選定鍋爐П型或塔式的布置型式。選用時應重視煤質特性，特別是煤的灰分。燃用高灰分煤，從減輕受熱面磨損方面考慮，采用塔式布置較為合適。
3.4.2燃燒方式
直流燃燒器四角切圓燃燒和旋流燃燒器前后墻對沖燃燒是目前國內外應用最為廣泛的煤粉燃燒方式。由于切圓燃燒中四角火焰的相互支持，一、二次風的混合便于控制等特點，其煤種適應性更強，目前我國設計制造的300MW、600MW機組鍋爐大多數采用這種燃燒方式。對沖燃燒方式則具有鍋爐沿爐膛寬度的煙溫及速度分布較均勻，過熱器與再熱器的煙溫和汽溫偏差相對較小的特點。
國外各主要鍋爐制造商在其燃燒器的型式方面都有各自的傳統技術，例如：美國CE公司以及同屬一個技術流派的日本三菱重工是采用直流燃燒器切圓燃燒方式，而美國B&W公司、俄羅斯等則采用旋流燃燒器前后墻對沖燃燒方式。在我國雖然直流燃燒器切圓燃燒方式占主導地位，但實際運行情況表明，除一般認為直流燃燒器切圓燃燒方式NOx的生成量比旋流燃燒器前后墻對沖燃燒方式稍低外，在大容量煤粉爐的著火及低負荷燃燒穩定性、燃燒經濟性、對爐膛水冷壁結渣的影響等方面，旋流燃燒器前后墻對沖燃燒方式與直流燃燒器四角切圓燃燒方式并沒有顯著差異。
鍋爐布置方式與其采用的燃燒方式之間并無必然的聯系。不過，當采用П型布置切圓燃燒時，一般認為，四角切圓燃燒鍋爐由于爐膛出口的殘余旋轉導致的煙氣側熱力偏差會隨著鍋爐容量的增大而加劇，因此部分鍋爐制造商提出四角切圓燃燒適用的鍋爐容量上限應有所限制，鍋爐容量進一步增大，應采用八角雙切圓燃燒方式。日本三菱重工提出，四角切圓燃燒方式適用的鍋爐容量上限大約為800MW，而八角雙切圓燃燒方式自500MW起可一直適用到1000MW以上。
超超臨界的鍋爐布置型式和燃燒方式兩者應合理搭配，根據國內外鍋爐制造廠的設計方案，如下四種燃燒方式與鍋爐布置型式相適應：①四角單切圓塔式布置;②墻式對沖塔式布置;③八角雙切圓行筒賈;④墻式旋流行筒賈。
3.5汽機系統
提高汽輪機出力的途徑主要有以下幾點：①提高新蒸汽參數，增大汽輪機總體理想焓降△Hi；②采用給水回熱系統，減小汽輪機低壓缸排汽流量，增加進汽量，從而達到增加出力的目的；③增加汽輪機低壓缸末級通流面積，一種辦法就是增加末級葉片高度，這是國內外大容量汽輪機的一個主要發展方向，另一種辦法采用低轉速（如半轉速）；④采用多排汽口，低壓缸采用分流技術是增大單軸汽輪機很有效的措施，國外百萬千瓦級超超臨界單軸機組的低壓缸排汽口數量已達6個以上(采用3個及以上雙流低壓缸)；⑤提高汽輪機排汽背壓，使汽輪機末級葉片出口蒸汽的密度增大，從而增加汽輪機出力。
鍋爐的設計必需同時考慮燃燒和汽水循環，而汽機的設計和運行只需考慮蒸汽一種。汽輪機設計過去注重提高出力和可靠性，現在還應注重材料的合理選用以降低投資和提高效率。因此超超臨界汽輪機的設計應重點考慮：
（1）材料選擇和消耗。蒸汽溫度影響材料的選擇，蒸汽壓力主要影響材料的消耗，因此綜合工程設計及材料制造費用，汽機價格將隨壓力的增加而略有增加。材料的選擇還應有利于降低葉片損失。
（2）在價格不變的情況下應提高材料的蠕變強度，使其運行在更高的溫度下；同時提高材料的疲勞強度，保證汽機和電廠的熱靈活性，易于運行和較少的維護檢修。
（3）低壓缸采用更長的末級葉片，增加排汽面積。
目前國內超臨界或亞臨界機組大多負荷率偏低，在低負荷運行工況下難以達到汽輪機的設計效率，同樣要發揮超超臨界機組的高效率，就必須在較高負荷工況下運行。
4結語
發展超超臨界發電機組應進行技術和經濟的綜合分析，針對具體的超超臨界電廠，參數的選擇還要根據廠址所在電網的容量、負荷增長速度、燃料價格和機組的年利用小時以及影響經濟性的幾個重要因數（如鋼煤比價等）作具體的技術經濟分析。
通過對亞臨界、超臨界和超超臨界工程的投資估算和分析論證，在年利用小時達到5500h時，超超臨界的電價與亞臨界電價達到相同[2]。年利用小時的敏感性分析說明，超超臨界電廠建設在缺電的地區較為合適。另有部分專家認為：以電廠運行25年計，標準煤價超過250元/t，采用超臨界機組及超超臨界機組比亞臨界機組有更好的效益；標準煤價超過210元/t，采用超超臨界機組比超臨界機組有更好的效益。
超超臨界機組在國際上已經是較為成熟的技術，因此，在總結我國已引進的超臨界機組制造技術和運行經驗的基礎上，發展我國的超超臨界發電機組，技術上是切實可行的。要采用引進技術和消化吸收、相結合的發展之路，充分利用我國現有的設備制造、電站設計和運行能力，加快超超臨界機組的發展進程。
5參考文獻
[1]苗迺金、危師讓.超臨界火電技術及其發展.熱力發電,2002(5).
[2]中國電力工程顧問有限公司.火電結構優化和技術升級研究.2002.3.
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