臨界發(fā)電機組問題分析論文

1、臨界發(fā)電機組問題分析論文摘要：總結(jié)國外超臨界和超超臨界機組的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，探討超超臨界機組技術(shù)選型的若干問題，提出了我國發(fā)展超超臨界機組的發(fā)展思路。 關(guān)鍵詞：超超臨界發(fā)電機組技術(shù)選型 0前言 我國在未來相當(dāng)長的時期內(nèi)電力生產(chǎn)仍是以煤為主的格局。為保證電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，加快電力結(jié)構(gòu)調(diào)整的步伐，最現(xiàn)實、最可行的途徑就是加快建設(shè)超臨界機組，配備以常規(guī)的煙氣脫硫系統(tǒng)。目前，CFB，PFBC，IGCC等技術(shù)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(fā)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

2、（22.12MPa）的機組。習(xí)慣上又將超臨界機組分為2個層次：常規(guī)超臨界參數(shù)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540560；高效超臨界機組，通常也稱為超超臨界機組或高參數(shù)超臨界機組，其主蒸汽壓力為2535MPa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(guī)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(guī)超臨界機組再提高4%左右。 1國外超臨界機組的發(fā)展?fàn)顩r與計劃 1.1發(fā)展現(xiàn)狀 大型超臨界機組自20世紀(jì)50年代在美國和德國開始投入商業(yè)運行以來，隨著冶金工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，提供了發(fā)電設(shè)備用的碳素體鋼、奧氏體鋼及超合金鋼。到今天

3、超臨界機組已大量投運，并取得了良好的運行業(yè)績。近十幾年來，發(fā)達國家積極開發(fā)應(yīng)用高效超臨界參數(shù)發(fā)電機組。美國（169臺）和前蘇聯(lián)（200多臺）是超臨界機組最多的國家，而發(fā)展超超臨界技術(shù)領(lǐng)先的國家主要是日本、德國和丹麥。 德國是發(fā)展超超臨界技術(shù)最早的國家之一，在早期追求高參數(shù)，但后來蒸汽參數(shù)降低并長期穩(wěn)定在25MPa/545/545的水平上，其后蒸汽參數(shù)逐步提高。2003年投產(chǎn)的Niederaussen電廠參數(shù)為965MW26MPa/580/600，設(shè)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(fā)電機組（占總裝機容量的60%以上）。1989年和1990年，日本的川越（Ka

4、wagoe）電廠先后投運兩臺參數(shù)為700MW31MPa/566/566/566。這是日本發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)的標(biāo)志性機組。近年來一批百萬千瓦級超超臨界發(fā)電機組相繼投入運行，除達到很高可靠性外，其循環(huán)效率可達到45%左右。丹麥亦十分重視高參數(shù)超臨界機組的發(fā)展，在提高機組蒸汽參數(shù)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(shù)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(fā)展來看，自20世紀(jì)90年代初開始發(fā)

5、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580600，并且都有相應(yīng)的電廠成功地投入了商業(yè)運行。值得注意的是國外超超臨界發(fā)電機組許多建在海邊，利用低溫海水冷卻，使機組循環(huán)效率進一步提高。 1.2發(fā)展計劃 歐盟為了發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)先后制定了若干研究計劃，正在執(zhí)行的Thermie計劃（先進的700燃煤電廠）（19982014），計劃建設(shè)參數(shù)為37.5MPa/700/720/720的超超臨界機組，主要目標(biāo)是：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(nèi)陸地區(qū)和冷卻塔）；降低燃煤電站的造價。日本進行了目標(biāo)分別為31.4MPa/593/593/593、

6、31MPa/630/630和34.3MPa/649/593/593的超超臨界機組研發(fā)計劃。力爭將發(fā)電機組設(shè)計效率提高到45%以上。美國也正在組織和支持一項發(fā)展更高參數(shù)超超臨界發(fā)電機組的研究項目“760”計劃，目標(biāo)是研制適合蒸汽參數(shù)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(shè)計了新一代的超超臨界機組，蒸汽參數(shù)為3032MPa/580600/580600，預(yù)計電站的效率可達44%46%?？梢娚鲜龈鲊紝⒏邊?shù)超超臨界發(fā)電機組作為今后的發(fā)展方向。 2國內(nèi)超臨界機組的發(fā)展?fàn)顩r 目前我國的發(fā)電機組已進入大容量、高參數(shù)的發(fā)展

7、階段，近10多年來已從國外引進了7800MW常規(guī)超臨界機組（不包括后石電廠已投運4600MW），分別是華能石洞口二廠2600MW，華能南京電廠2300MW，華能營口電廠2300MW，華能伊敏電廠2500MW，盤山電廠2500MW，綏中電廠2800MW，外高橋電廠2900MW，這些機組具有較高的技術(shù)性能，在提高發(fā)電煤炭利用率和降低污染方面發(fā)揮了一定的作用，也為我國超臨界機組的運行積累了經(jīng)驗。目前，中國華能集團公司正在沁北電廠建設(shè)2600MW超臨界機組（預(yù)計2004年投運），為我國自行研制、開發(fā)大型超超臨界發(fā)電機組奠定了基礎(chǔ)。2002年國家科技部把“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)”研究課題列入863計劃，并

8、由國內(nèi)近20個科研機構(gòu)、大學(xué)、電力設(shè)計單位參與課題的各項研究任務(wù)。國家計委也批準(zhǔn)了華能玉環(huán)電廠建設(shè)兩臺百萬千瓦級超超臨界發(fā)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(fā)展機型。 3發(fā)展超超臨界發(fā)電機組的若干技術(shù)問題 3.1材料問題 發(fā)展超超臨界機組在設(shè)計和制造中有許多關(guān)鍵技術(shù)問題有待解決，其中開發(fā)熱強度高、抗高溫?zé)煔庋趸g和高溫汽水介質(zhì)腐蝕、可焊性和工藝性良好、價格低廉的材料是最關(guān)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(shù)大，導(dǎo)熱性能差，抗應(yīng)力腐蝕能力低，工

9、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(jù)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1.25Cr-0.5%Mo(SA213T11)、2.25Cr-1Mo(SA213T22/P22)、1Cr-Mo-V(12Cr1MoV)以及912Cr系的Cr-Mo與Cr-Mo-V鋼等，其允許主汽溫為538566。 （2）改良型912鐵素體馬氏體鋼。包括9Cr-1Mo（SA335，T91/P91）、NF616、HCM12A、TB9、TB12等，一般用于566593的蒸汽溫度范圍。其允許主汽溫為610，30MPa再熱汽溫625

10、；使用壁溫：鍋爐625650，汽機600620。 （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650750，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912Cr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(fā)展，并降低了超超臨界機組的造價，在經(jīng)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(yīng)用，主蒸汽溫度

11、最高達610。 國外的成功運行經(jīng)驗為我國設(shè)計制造超超臨界發(fā)電機組打下良好基礎(chǔ)，但材料的若干技術(shù)問題還須進一步研究：在所選蒸汽參數(shù)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(shù)經(jīng)濟分析；還應(yīng)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(shè)計應(yīng)用安全系數(shù)，熱應(yīng)力壽命損耗特性、工藝性等。 3.2蒸汽參數(shù) 機組的蒸汽參數(shù)是決定機組熱效率，提高熱經(jīng)濟性的重要因素。提高蒸汽參數(shù)（蒸汽的初始壓力和溫度）、采用再熱系統(tǒng)、增加再熱次數(shù)，都是提高機組效率的有效方法。 根據(jù)工程熱力學(xué)原理，工質(zhì)參數(shù)提高必然使得機組的熱效率提高，這主要是改善熱力循環(huán)系統(tǒng)所致。從研究成果可知，主蒸汽溫

12、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(shù)以上的發(fā)電機組，工質(zhì)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(yīng)取在世界先進水平2831MPa的下限，這主要是考慮到提高設(shè)備的可靠性。根據(jù)早期超超臨界機組的運行情況看，機組事故的產(chǎn)生多是由于高壓段參數(shù)所引起。另一個考慮就是降低設(shè)備的造價。主汽參數(shù)的

13、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(guī)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(shù)繼承性較好。 從近年來國際上超超臨界發(fā)電機組參數(shù)發(fā)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(shù)發(fā)展之路。此技術(shù)路線問題單一，技術(shù)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(yōu)點突出，此技術(shù)路線以日本為代表。另一種技術(shù)發(fā)展是蒸汽壓力和溫度都取值較高（2830MPa，600左

14、右）、從而獲得更高的效率，主要以丹麥的技術(shù)發(fā)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(fā)展超超臨界起步參數(shù)選為25MPa/600/600是較為合理的。 超超臨界今后發(fā)展重點仍偏重在材料研發(fā)與溫度提高上。將目前已經(jīng)達到的600610平臺，依次躍升到650660、700710及750760三個臺階。與此同時，在技術(shù)已經(jīng)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(xù)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(yīng)該看到，世界上先進的超臨界和超超臨界電站的發(fā)展經(jīng)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

15、排煙溫度，高效率的主、輔機設(shè)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(tǒng)壓損，蒸汽再熱級數(shù)，等等。據(jù)國外研究報告估計，僅由于提高蒸汽參數(shù)而提高的效率最多為效率總提高量的一半左右。因此，發(fā)展超超臨界機組的工作不僅僅是簡單地提高蒸汽參數(shù)就可以實現(xiàn)，還必須同時注重其他相關(guān)技術(shù)的開發(fā)和研究工作。 3.3機組容量 影響發(fā)電機組容量選擇的因素有：電網(wǎng)（單機容量 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(jù)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(dāng)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

16、在700MW1000MW之間。就鍋爐而言，單機容量繼續(xù)增大，受熱面的布置更為復(fù)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(shù)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(xiàn)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(lián)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(shù)。但是隨著近年來參數(shù)的不斷提高，更長末葉片的開發(fā)以及葉片和轉(zhuǎn)子材料的改進，單軸布置越來越成為新的發(fā)展趨勢。 由于超超臨界機組與

17、超臨界機組在設(shè)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(xiàn)有國內(nèi)制造業(yè)基礎(chǔ)及技術(shù)可行性考慮，建議我國起步階段開發(fā)的超超臨界機組的容量應(yīng)在7001000MW之間。而從效率、單位千瓦投資、占地、建設(shè)周期、我國經(jīng)濟和電力工業(yè)發(fā)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(lián)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(shè)計通常采用型爐和塔式爐，其中型爐在市場中

18、占多數(shù)。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型爐。 我國發(fā)展超臨界機組，選擇鍋爐的整體布置形式，必須根據(jù)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(shù)經(jīng)濟分析比較，選定鍋爐型或塔式的布置型式。選用時應(yīng)重視煤質(zhì)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(nèi)外應(yīng)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(fēng)的混合便于控制等特點，其煤種適應(yīng)性更強，目前我國設(shè)計制造的300MW、600MW

19、機組鍋爐大多數(shù)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(tǒng)技術(shù)，例如：美國CE公司以及同屬一個技術(shù)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(dǎo)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(wěn)定性、燃燒經(jīng)濟性、對爐膛水冷壁結(jié)渣的影響等方面，旋流燃燒器前后墻對沖燃燒方式與

20、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(lián)系。不過，當(dāng)采用型布置切圓燃燒時，一般認為，四角切圓燃燒鍋爐由于爐膛出口的殘余旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的煙氣側(cè)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(yīng)有所限制，鍋爐容量進一步增大，應(yīng)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(yīng)合理搭配，根據(jù)國內(nèi)外鍋爐制造廠的設(shè)計方案，如下四種燃燒方式與鍋爐布置型式相適應(yīng)：四角單切圓塔式布

21、置;墻式對沖塔式布置;八角雙切圓行筒賈;墻式旋流行筒賈。 3.5汽機系統(tǒng) 提高汽輪機出力的途徑主要有以下幾點：提高新蒸汽參數(shù)，增大汽輪機總體理想焓降Hi；采用給水回?zé)嵯到y(tǒng)，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；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(nèi)外大容量汽輪機的一個主要發(fā)展方向，另一種辦法采用低轉(zhuǎn)速（如半轉(zhuǎn)速）；采用多排汽口，低壓缸采用分流技術(shù)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(shù)量已達6個以上(采用3個及以上雙流低壓缸)；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(shè)計必需同時考慮燃燒和汽水循環(huán)，而汽機的設(shè)計和運行只需考慮蒸汽一種。汽輪機設(shè)計過去注重提高出力和可靠性，現(xiàn)在還應(yīng)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