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1、2019/7/7,1,超超临界机组 主要参数选择与技术选型 朱宝田 西安热工研究院 超超临界发电技术研修班 2010年4月,TPRI,2019/7/7,2,1 前言 2 蒸汽参数与结构选型研究的条件和范围 3 超超临界机组再热次数及主要蒸汽参数 机组容量 机组主要结构型式 技术经济分析 结论,TPRI,2019/7/7,3,根据我国的能源资源状况和电力技术发展的水平，积极发展作为洁净煤发电技术之一的高效、节能、环保的超超临界火电机组是迫切的和必要的 超超临界机组主要蒸汽参数与技术选型的研究是我国超超临界机组的发展中是关键的第一步,TPRI,2019/7/7,4,超临界点：22.115MPa，3
2、74.15 超超临界：商业性称谓，不具备明确的物理定义，仅表示技术参数或技术发展的一个阶段，表示更高的压力和温度，起始点定义不同 日本：大于24.2MPa，或达到593 丹麦： 大于27.5MPa 西门子： 从材料的等级来区分 我国电力百科全书：高于27MPa 建议起始点为 27MPa或580,超超临界参数,TPRI,2019/7/7,5,超临界参数（22.115MPa，374.15） 该点附近，水的液态和汽态密度趋于相同，蒸发热量也趋近于零,TPRI,2019/7/7,6,火电机组参数发展历程 低压 3.92MPa/450 高压 9.9MPa/540 超高压 13.7MPa/540 亚临界
3、16.8MPa 超临界 22.1MPa以上 超超临界 27MPa或580以上,TPRI,2019/7/7,7,TPRI,2019/7/7,8,2 蒸汽参数与结构选型研究的条件和范围 基于国际上可采购到的成熟高温材料 超超临界机组主要技术问题分析论证 再热次数 主要蒸汽参数主蒸汽压力、温度、再热蒸汽温度 机组容量600MW或1000MW等级 锅炉主要结构型式炉型、燃烧方式、水冷壁型式 汽轮机主要结构型式汽缸数、排汽口数、末级叶片、单轴或双轴布置等,TPRI,2019/7/7,9,影响因素 效率 材料（高温强度性能、烟气侧的腐蚀性能、汽水侧的氧化性能、制造加工、热处理、异种材料焊接等工艺性能） 锅
4、炉 (炉型、燃烧方式、水冷壁型式)、汽轮机(汽缸数、汽轮机排汽口数、末级叶片长度、汽轮机布置型式（单轴或双轴）) 安全可靠性（材料、蒸汽激振、固体颗粒冲蚀、疲劳寿命、末级湿度等） 运输条件 设计、制造问题、国外业绩、与国外合作问题 技术经济问题,TPRI,2019/7/7,10,TPRI,2019/7/7,11,TPRI,2019/7/7,12,TPRI,2019/7/7,13,主蒸汽压力 每提高1MPa，机组的热耗率可下降0.13%0.15% 主蒸汽温度 每提高10，机组的热耗率可下降0.25%0.30% 再热汽温度 每提高10，机组的热耗率可下降0.15%0.20%,TPRI,2019/7
5、/7,14,机组参数变化与机组效率关系,TPRI,2019/7/7,15,3 超超临界机组再热次数及主要蒸汽参数 3.1 再热次数、主要蒸汽参数与热效率 提高蒸汽参数（蒸汽的初始压力和温度） 增加再热次数 都是提高机组效率的有效方法,TPRI,2019/7/7,16,3.2 再热次数 二次再热 热耗率较一次再热下降1.4%1.6% 满足机组低压缸最终排汽湿度的要求 机组更加复杂 两个再热器 增加一个超高压缸，机组长度增加 近十年来新投运的超超临界机组没有采用二次再热,TPRI,2019/7/7,17,二次再热机组统计,TPRI,2019/7/7,18,技术经济性 机组造价高10%15% 电站投
6、资增加4%6.8% 现阶段我国采用一次再热是适宜的 采用二次再热存在大量需要解决的技术问题 国外制造运行业绩少 技术经济性较差,TPRI,2019/7/7,19,3.3 主蒸汽温度和再热蒸汽温度 提高温度对提高机组热效率的效果显著 温度提高 影响范围 过热器、再热器的末级及其出口联箱；主汽、再热汽管道；汽轮机高、中压缸、转子、叶片等 强度 增加壁厚或更换新材料 烟气腐蚀 与煤质有关，可通过增加壁厚适当补偿 蒸汽侧氧化无法通过增加壁厚解决,TPRI,2019/7/7,20,超超临界发电对材料的要求： 温度的选择取决于材料蒸汽参数不能领先于材料的发展 满足部件工作温度的需要 具有高的持久强度、蠕变
7、强度或抗松弛性能 金相组织稳定，无常温脆性和长期时效脆性 抗烟气腐蚀性能 抗蒸汽氧化性能 易于冷、热加工 异钟钢焊接工艺能保证其应有的性能 相对低的材料价格,2019/7/7,21,TPRI,2019/7/7,22,SC,USC,TPRI,2019/7/7,23,每吨管子的成本,2019/7/7,24,不同钢种最小壁厚的比较,593.3 C,320 bar,X20,12CrMoVNb,t = 75mm,P22,2Cr1Mo,t = 123mm,t = 21.5mm,NF12,P91,9Cr1MoNbV,200mm Dia.,t = 45mm,P92,(NF616),t = 34mm,t = 3
8、6mm,P122,HCM12A,2019/7/7,25,TPRI,2019/7/7,26,TPRI,2019/7/7,27,TPRI,2019/7/7,28,运行中组织的变化 通过热处理获得材料良好的力学性能 这样的材料组织是非平衡组织，始终存在向平衡组织转变的趋势 一旦驱动力足够大，这种转变就会进行 温度越高，驱动力越大，组织转变越容易 组织的变化必然导致材料性能的变化在高温长期服役过程中材料性能恶化 研究各种强化机制 增加材料在使用过程中向平衡组织转变的阻力 延长向平衡组织转变的过程 保证在设计寿命内材料具有足够的性能,TPRI,2019/7/7,29,P92设计许用应力的变迁 从1999
9、年开始，欧洲对ASME中P92的许用应力提出质疑，通过大量长期的试验先后两次对P92、E911的许用应力进行了下调 日本2004年出现超超临界机组P122、P91管道事故后对其许用应力进行了调整 欧洲P91许用应力比日本、美国低10%，目前正在进行重新评估,TPRI,2019/7/7,30,ASME标准中的持久强度对比,TPRI,2019/7/7,31,许用应力新数据对比,TPRI,2019/7/7,32,许用应力的对比,TPRI,2019/7/7,33,P92设计许用应力的变迁,2019/7/7,34,P92设计许用应力的变迁,TPRI,2019/7/7,35,高温过热器、再热器材料的性能要
10、求,高温强度 烟气侧的腐蚀性能 蒸汽侧的氧化性能,TPRI,2019/7/7,36,TPRI,2019/7/7,37,一些耐热合金的烟气腐蚀性能,2019/7/7,38,2019/7/7,39,不同Cr含量的耐热钢在50MPa的许用温度,2019/7/7,40,TPRI,不锈钢在蒸汽中的氧化,2019/7/7,41,蒸汽侧氧化可能造成的问题,承载壁厚减小 氧化层的绝热作用 氧化层的剥落导致弯头堵塞爆管 氧化层的剥落导致汽轮机通流部分的冲蚀,TPRI,2019/7/7,42,TPRI,2019/7/7,43,TPRI,2019/7/7,44,TPRI,2019/7/7,45,高温过热器、再热器材
11、料 TP347HFGTP347H晶粒细化到ASTM 8级以上的细晶钢，提高了抗蒸汽氧化能力及蠕变强度，在欧洲得到了大量应用 Super 304600 -650的许用应力比TP347H高30% HR3C 25Cr20NiNbN（TP310NbN）抗烟气腐蚀和蒸汽氧化性能好,2019/7/7,46,国外超超临界机组的温度参数达到和超过600/600，已有多年运行业绩 国际上成熟材料可满足610蒸汽参数的要求，不存在无法解决的技术瓶颈 充分考虑材料的高温强度，烟气腐蚀性能，汽水氧化性能，制造、加工、热处理、异种材料焊接等工艺性能，既考虑先进性，又考虑成熟性，取在600左右为宜,TPRI,2019/7
12、/7,47,3.4 主蒸汽压力 提高压力对提高热效率的效果没有提高温度的效果显著 压力提高使汽轮机末级湿度增大低压末级湿度不应超过12% 在30MPa/600/600条件下，汽轮机末级的湿度已超出设计规范,TPRI,2019/7/7,48,压力提高 所有承压部件受力增加 压力对材料选择的影响较小，对材料消耗量的影响较大 近十多年投运的超超临界机组中，主蒸汽压力（3031）MPa的机组台数仅三台,其中两台是二次再热机组,TPRI,2019/7/7,49,主蒸汽压力30MPa以上机组,TPRI,2019/7/7,50,鉴于技术难度、技术瓶颈及国外业绩和经验 我国在开始发展超超临界机组的阶段，主蒸汽
13、压力采用25MPa28MPa是适宜的,TPRI,2019/7/7,51,机组主蒸汽压力和温度与热耗率的关系曲线,效率增量梯度最大的方向,TPRI,2019/7/7,52,联箱材料100000h高温强度与温度的关系,TPRI,2019/7/7,53,主蒸汽联箱材料随主蒸汽压力、温度变化曲线,TPRI,* 主蒸汽联箱内外径比D0/Di=1.8，孔桥减弱系数fv=0.8,2019/7/7,54,材料强度与主蒸汽压力、温度、热耗率的关系曲线,沁北电厂,邹县电厂,玉环电厂,沁北电厂,邹县电厂,玉环电厂,TPRI,2019/7/7,55,不同材料的优化蒸汽参数,TPRI,2019/7/7,56,单纯提高压
14、力或单纯提高温度都是不可取的，应当沿着热耗率（效率）差值梯度最大的方向同时提高压力和温度 热耗率（效率）差值梯度最大的方向偏于温度，提高温度的效果比提高压力要明显 选定材料后，按等热耗线和等强度线的关系可以找到最低热耗率的点，将这些最低热耗率的点连接起来成为一条直线区，这条直线区对应着这族材料优化的蒸汽参数 技术经济分析所确定的蒸汽压力位于图中优化蒸汽参数直线区中的右下方附近,TPRI,2019/7/7,57,各材料对应的优化蒸汽参数带的斜率有所差别 在600温度条件下，铁素体材料对应的最佳压力为28MPa，奥氏体材料对应的最佳压力为25MPa 采用600/600蒸汽温度时，25MPa蒸汽压力
15、和28MPa蒸汽压力均落在优化蒸汽参数带附近，即选择25MPa/600/600方案或28MPa/600/600方案都是合理的，但它们在技术经济方面稍有差别,TPRI,2019/7/7,58,TPRI,2019/7/7,59,国外发展超超临界机组的业绩和经验 日本超超临界机组采用25MPa左右的主蒸汽压力基本不变的技术路线 徳国目前投运的700MW的超超临界机组也未采用27.5MPa以上的主蒸汽压力 25MPa压力方案和28MPa压力方案属于同一层次 25MPa压力方案在技术可行性、设计制造模式、国外业绩及与国外合作、技术经济方面稍好 而28MPa压力方案的热效率稍高，其技术经济性需要根据实际工
16、程而定,TPRI,2019/7/7,60,4 机组容量 大容量机组 效率高 单位千瓦投资省 同容量电厂（如2900MW与3600MW）建筑占地少 同容量电厂（如2900MW与3600MW）建设周期短 电厂人员少 维护费用低,TPRI,2019/7/7,61,机组单机容量的上限： 材料强度 汽轮机末级排汽面积（叶片高度） 汽轮发电机组（单轴）转子长度(汽缸数) 加工制造设备及能力 运输 电网等,TPRI,2019/7/7,62,4.1 锅炉容量 螺旋管圈单炉膛布置型式的最大单机容量为1050MW，可滑压运行的垂直管屏布置型式的最大单机容量为1000MW 我国现有设计制造基础及技术，1000MW及
17、以下容量的超超临界锅炉在技术都是可行的,TPRI,2019/7/7,63,4.2 汽轮机容量 汽轮机大容量化需要很大的排汽面积 增大末级叶片长度排汽口面积增加末级叶片长度受限于合金钢或钛合金的强度极限 增加低压缸的数量单轴汽轮机有业绩的汽缸总数最多五个，低压缸排汽口不超过六个受限于轴系稳定性,TPRI,2019/7/7,64,我国现有设计制造基础及技术，单轴1000MW超超临界汽轮机是可行的,TPRI,2019/7/7,65,4.3 发电机容量 国外具有运行业绩的最大容量发电机：西门子1100MW，三菱900MW，阿尔斯通930MW，东芝1000MW 发电机大型化需考虑运输问题整体式运输、分体
18、式运输 我国大容量发电机的发展，选择1000MW级容量是可行的,TPRI,2019/7/7,66,4.4 容量的综合比较 我国现有设计制造基础及技术，1000MW和600MW级超超临界机机组是可行的 1000MW超超临界机组方案具有效率高、单位千瓦投资省、人员少、维护费用低及同容量电厂建设周期短、用地少等综合优点 600MW等级超超临界机组，可与1000MW容量机组形成系列,TPRI,2019/7/7,67,5 机组主要结构型式 5.1 锅炉结构型式 (1)炉型与燃烧方式 型布置/塔式布置/T型布置 布置方式取决于锅炉厂家的传统技术 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
19、 切园燃烧方式锅炉，从减小炉膛出口烟温偏差角度考虑，选用塔式布置型式较为合适 锅炉整体布置型式的选择需要根据电厂燃煤条件、投资费用、运行可靠性及经济性等，进行全面地技术经济比较选定,TPRI,2019/7/7,68,布置垂直管圈锅炉 -type vertical tube circle boiler,TPRI,2019/7/7,69,锅炉整体布置及工质流程,布置螺旋管圈锅炉 -type spiral tube circle boiler,2019/7/7,70,塔式布置螺旋管圈锅炉 Tower-type spiral tube circle boiler,TPRI,2019/7/7,71,TP
20、RI,2019/7/7,72,锅炉布置型式与燃烧方式应合理搭配 1000MW级超超临界锅炉 四角单切圆塔式布置 墙式对冲塔式布置 单炉膛双切圆型布置 墙式对冲型布置 600MW级超超临界锅炉 还可采用四角单切圆型布置,TPRI,2019/7/7,73,垂直管圈水冷壁与螺旋管圈水冷壁,TPRI,2019/7/7,74,TPRI,2019/7/7,75,（2）水冷壁型式 螺旋管圈水冷壁应用最广泛我国锅炉厂已掌握了制造工艺，技术成熟，是一种优选的方案 三菱重工内螺纹垂直管屏水冷壁已有运行业绩，在支吊、安装及运行等方面有较大的优越性，也是发展的方向，可以应用 英巴低质量流速垂直内螺纹管水冷壁低质量流速
21、、正流量响应特性，即流量随热负荷自动增加的特性，有发展前途，在超临界锅炉上尚无业绩，可待技术成熟后再应用,TPRI,2019/7/7,76,5.2 汽轮机结构型式 汽轮机大容量化需要很大的排汽面积 增大末级叶片长度受限于合金钢或钛合金的强度极限 增加低压缸的数量单轴汽轮机有业绩的汽缸总数最多五个，低压缸排汽口不超过六个受限于轴系稳定性,TPRI,2019/7/7,77,2019/7/7,78,(1)末级长叶片与排汽口数 1000MW汽轮机推荐采用43（1092.2mm）48（1219.2mm）末级叶片四排汽结构，其排汽损失在25kJ/kg42kJ/kg的设计规范内 600MW级汽轮机可采用10
22、00mm末级叶片四排汽结构或48（1219.2mm）末级叶片两排汽结构,TPRI,图2-4 低压缸实体图,2019/7/7,79,用户: 电源开发 开始运行: 2000年6月 机组: 双轴四排汽再热机组 CC4F-48” 出力: 1050MW 主蒸汽: 25.1MPa 600 再热蒸汽: 610 转速: 3600rpm/1800rpm,解决汽轮机大容量化的矛盾还可采用双轴方案 橘湾#1电站1000MW超超临界机组,TPRI,2019/7/7,80,(2) 单轴与双轴布置,TPRI,2019/7/7,81,近年来更长末级叶片的开发，单轴布置越来越成为新的发展趋势 国外多家制造厂已经有1000MW
23、级单轴布置机组投入运行 在起步发展1000MW级大容量火力发电机组时，单轴布置是首先推荐的方案,TPRI,2019/7/7,82,7 技术经济分析 7.1 机组造价分析 压力对材料选择的影响较小，而对材料消耗量的影响较大压力提高后，所有承压部件的壁厚都要增加，投资随压力的增加而线性增加 温度影响材料的选择温度提高后，高温部件要使用价格较贵的材料，材料等级提高后承压部件的壁厚有可能减薄，引起的投资增加要具体分析 600/600方案与580/600方案相比：锅炉投资増加1%2%，汽轮机投资不变，电厂造价增加0.2%0.4% 28MPa方案与25MPa方案相比：锅炉投资増加5%6%，汽轮机投资增加2
24、%3%，电厂造价增加3%3.5%,TPRI,2019/7/7,83,电厂单位千瓦投资,TPRI,2019/7/7,84,某超超临界电厂静态总投资和单位静态投资,TPRI,2019/7/7,85,不同类型机组的上网电价,TPRI,2019/7/7,86,经济性比较,TPRI,2019/7/7,87,注: 年运行5500小时；厂用电率5%,TPRI,2019/7/7,88,7.2 技术经济对比 机组主要指标,TPRI,2019/7/7,89,新建机组主要性能设计值,TPRI,2019/7/7,90,技术经济问题具有动态性 会随着时间及对环境保护方面压力的增加而变化 必须进行全面地分析,TPRI,2
25、019/7/7,91,8 结论 (1) 我国发展超超临界机组的技术参数 一次再热 蒸汽参数 25MPa28MPa/600/600 发电效率 44.63%45.0% 发电煤耗率 275g/kWh273g/kWh 25MPa压力方案或28MPa压力方案属于同一层次 25MPa压力方案在技术可行性、设计制造模式、国外业绩及与国外合作、技术经济方面稍好 28MPa压力方案的热效率稍高，其技术经济性需要根据实际工程而定,TPRI,2019/7/7,92,(2) 机组的容量 1000MW及以下容量等级的超超临界机组方案在我国现有条件下是可行的 蒸汽参数25MPa/600/600的1000MW超超临界机组发
26、电效率44.63 %，发电煤耗率275g/kWh 蒸汽参数为28MPa/600/600的1000MW超超临界机组发电效率45.0%，发电煤耗率273g/kWh 1000MW等级超超临界机组将成为反映我国电力工业技术水平的代表性机组,TPRI,2019/7/7,93,蒸汽参数25MPa/600/600的600MW超超临界机组发电效率44.40%，发电煤耗率276.4g/kWh 蒸汽参数28MPa/600/600的600MW超超临界机组发电效率44.76%，发电煤耗率274.4g/kWh 600MW等级超超临界机组将成为我国电力工业的主力机组,TPRI,2019/7/7,94,(3) 机组主要结构
27、型式 锅炉型式 1000MW级超超临界机组锅炉可采用 四角单切圆塔式布置 墙式对冲塔式布置 单炉膛双切圆型布置墙式对冲型布置 600MW级超超临界机组锅炉还可采用 四角单切圆型布置 水冷壁 技术成熟的螺旋管圈水冷壁是优先考虑的方案 内螺纹垂直水冷壁也是可供选择的方案 低质量流速内螺纹垂直水冷壁，技术成熟后应用,TPRI,2019/7/7,95,（B）汽轮机型式 推荐1000MW超超临界机组采用单轴布置 1000MW级汽轮机推荐采用43（1092.2mm）48（1219.2mm）末级叶片四排汽结构 600MW级汽轮机可采用1000mm末级叶片四排汽结构或48（1219.2mm）末级叶片两排汽结构
28、,TPRI,2019/7/7,96,Yuhuan Power Plant 1000MW USC Unit,TPRI,以上方案已在华能玉环1000MW超超临界机组实施应用,2019/7/7,97,TPRI,2019/7/7,98,2019/7/7,99,欧美、日本和中国火力发电技术的发展,2019/7/7,100,我国火力发电已进入“超超临界”时代 在超超临界发电技术领域仍然有许多技术问题需要我们去研究解决,TPRI,2019/7/7,101,西安热工研究院承担和完成了超临界、超超临界燃煤发电技术领域国家重大项目,积累了丰富的工程实践经验 参数选择 锅炉、汽轮机结构特点及设计、改进 材料应用 安
29、装、调试 运行优化和控制 水汽化学处理 振动及故障诊断 厂级信息系统 排放控制 性能考核,2019/7/7,102,西安热工研究院是电力行业一流的科研单位 数十年来，承担国家和部委重大课题320余项；获国家级奖80余项，省部级奖240余项 从1995年至2007年，获得国家科学技术进步奖11项、中国电力科学技术奖88项 电力体制改革后，热工院改组为由华能集团控股、大唐、华电、国电、中电投参股的有限公司，成为各股东单位的科技研发中心、技术服务中心、技术监督中心、成果转化中心、科技人才培训中心 热工院的目标是，建设成为国内一流、国际知名的发电技术研究机构,2019/7/7,103,2019/7/7,103, 029-82102520 西安热工研究院 TPRI,TPRI,谢 谢! Thanks,