我国发展超超临界发电机组主要参数及容量的选择95页.docx
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我国发展超超临界发电机组主要参数及容量的选择95页
一般说来，“教师”概念之形成经历了十分漫长的历史。
杨士勋（唐初学者，四门博士）《春秋谷梁传疏》曰：
“师者教人以不及，故谓师为师资也”。
这儿的“师资”，其实就是先秦而后历代对教师的别称之一。
《韩非子》也有云：
“今有不才之子……师长教之弗为变”其“师长”当然也指教师。
这儿的“师资”和“师长”可称为“教师”概念的雏形，但仍说不上是名副其实的“教师”，因为“教师”必须要有明确的传授知识的对象和本身明确的职责。
“十五”国家重点科技攻关计划项目
单靠“死”记还不行,还得“活”用,姑且称之为“先死后活”吧。
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课题名称：
超超临界燃煤发电技术
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（2019AA526010）
子课题1：
超超临界发电机组技术选型研究
（2019AA526011）
编号：
密级：
我国发展超超临界发电机组主要参数及容量的选择
子课题1技术报告之附件六
国电热工研究院
2019年5月
课题名称：
超超临界燃煤发电技术
子课题名称：
超超临界发电机组技术选型研究
二级子课题名称：
超超临界发电机组技术选型研究
子课题编号：
2019AA526011
二级子课题承担单位：
国电热工研究院
工作起迄日期：
2019年09月～2019年08月
报告名称：
我国发展超超临界发电机组主要参数及容量的选择
负责人：
赵毅、朱宝田、苗迺金
主要工作人员：
赵毅、朱宝田、苗迺金、李续军、张心、梁昌乾、
张亚夫、雷兆团、刘树涛、安敏善、周荣灿、肖俊锋
报告编写人：
朱宝田、李续军、雷兆团、周荣灿、张亚夫
报告校阅人：
杨寿敏、张心、梁昌乾
审核：
许世森
批准：
赵毅
摘要
在综合比较新汽压力、新汽温度、热经济性、材料、技术风险、运行灵活性、投资、当前世界发展超超临界机组主流方向及创新性的基础上，推荐现阶段我国发展超超临界机组的技术参数为：
一次再热，蒸汽参数25MPa/600℃/600℃；同时，不排除（27～28）MPa/600℃/600℃蒸汽参数的可能，提高压力后，其热效率约提高0.3～0.45个百分点，其技术经济性根据实际工程而定。
在对机组背压调研分析的的基础上，推荐了机组的背压：
在华东、东北沿海地区采用开式循环的机组可选择背压为4.5kPa~4.9kPa的机组；而在华南及内地采用闭式循环的机组可选择背压为5.0kPa~5.6kPa的机组。
考虑主蒸汽参数、排汽压力、汽轮机发电机组的单双轴布置、发电机的超大型化、技术继承性、技术经济、电网、大件运输等因素，推荐了我国超超临界机组的容量为：
形成系列的1000MW等级超超临界机组及600MW等级超超临界机组。
600MW等级超超临界机组适用于我国广大内陆地区。
推荐示范工程的1000MW级超超临界机组采用单轴布置。
对常规背压（4.9KPa）条件，1000MW级汽轮机可采用43″（1092.2mm）~48″（1219.2mm）末级叶片四缸四排汽结构，其排汽损失在设计规范内；600MW级汽轮机采用～1000m末级叶片四缸四排汽结构是合适的。
推荐滑压或复合滑压运行方式。
锅炉整体布置型式需根据具体电厂、燃煤条件、投资费用、运行可靠性及经济性等方面，进行全面地技术经济比较选定。
锅炉布置型式与燃烧方式有一定关系，两者应合理搭配。
如下四种燃烧方式可与1000MW等级锅炉的布置型式相适应：
四角单切圆塔式布置；墙式对冲塔式布置；八角双切圆∏型布置；墙式旋流∏型布置。
应用技术成熟的螺旋管圈型式在我国发展超超临界机组的第一阶段是一种可优先考虑的方案。
低质量流速内螺纹垂直水冷壁型式具有正流量响应特性，有发展前途，但在超临界锅炉上尚无业绩，可待技术成熟后再应用。
关键词：
超超临界，机组，蒸汽参数，热经济性，锅炉，汽轮机，材料，运行，主要结构，技术经济
1前言
2国外超超临界机组概况和研发计划
2.1国外超超临界机组概况和发展历程
2.2国外超超临界机组研发计划
3超超临界机组主要蒸汽参数与机组热效率的关系
3.1初参数（主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热蒸汽温度）
3.2再热蒸汽压力及再热次数
3.3给水温度
3.4排汽压力
3.5锅炉蒸汽参数与汽轮机蒸汽参数的匹配关系
4超超临界机组容量和结构选择要注意的几个问题
4.1主蒸汽参数、排汽压力与机组容量
4.2我国锅炉大容量化进程中需注意的问题
4.2.1锅炉整体布置型式
4.2.2锅炉燃烧方式及对煤种的适应性影响
4.2.3炉膛水冷壁型式
4.3汽轮机发电机组单双轴布置的选择
4.4汽轮机高温部件的冷却问题
4.5电网与机组容量
4.6大件运输与机组容量
5超超临界发电设备用钢与蒸汽参数选择
5.1国外超超临界机组的选材实例及分析
5.1.1锅炉部件材料的选择
5.1.2汽机部件材料的选择
5.2锅炉管道的选材与壁厚计算
5.2.1主蒸汽管管道壁厚
5.2.2过热器管壁厚及传热效率
5.3我国超超临界机组参数及材料选择
5.3.1压力与材料选择
5.3.2温度与材料选择
6超超临界机组的变负荷运行特性
6.1超超临界机组运行的一些特殊问题
6.2旁路系统设置
6.3锅炉启动系统
6.4高蒸汽参数对锅炉变负荷运行特性的影响
6.5高蒸汽参数对汽轮机变负荷运行特性的影响
6.6对超超临界机组的经济运行负荷的建议
7超超临界机组主要参数及容量选择的技术经济比较
8对我国发展超超临界机组主要参数及容量选择的建议
8.1主要参数及容量选择的讨论
8.1主要参数及容量选择的建议
8.2要进一步研究的问题
参考文献
附录A
我国发展超超临界发电机组主要参数及容量的选择
1前言
我国电力工业以煤为主的格局在今后相当长的时期内不会改变，电力工业的可持续发展提出了加快电力结构调整的紧迫问题。
提高火电厂能源利用效率的几种技术，如整体煤气化联合循环（1GCC）、增压流化床联合循环（PFBC）及超超临界（USC）发电技术，从技术难度和现实的可行性看，超超临界发电技术最容易实现。
从蒸汽动力装置的发展的过程来看，进步一直是沿着提高蒸汽参数和大容量化的方向前进的。
提高蒸汽参数与发展大容量机组相结合是提高常规火电厂效率及降低单位容量造价最有效的途径。
超超临界火力发电是有效利用能源的一项新技术，其工质的压力、温度均超过以往任何参数的机组，从而可大幅度提高机组热效率。
超临界机组的效率可比亚临界机组提高2个百分点左右，而超超临界机组的效率可比超临界机组再提高2—3个百分点左右。
配以烟气脱硫系统的超超临界机组在国际上已经是商业化的成熟的发电技术。
其可用率、可靠性、运行灵活性和机组寿命等方面和亚临界机组没有差别。
而在能源利用效率及CO2、SO2排放等方面明显优于亚临界机组和超临界机组。
我国已引进了一批超临界机组，在90年代陆续投运。
根据国家计委的安排，沁北电厂2×600MW项目为发展我国的超临界机组的技术引进及国产化依托工程已开始实施。
目前我国尚无超超临界火力发电机组。
研发和应用该技术较好的国家主要有美国、日本、德国、丹麦、俄罗斯等。
在此背景下，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、环保的超超临界火力发电机组是迫切的和必要的。
超超临界机组在电力工业中占有的份额和地位，在很大程度上取决于其热力性能、环保性能、可靠性、运行性能及单位造价，这是超超临界机组在我国商业化的关键因素。
超超临界机组主要参数及容量的选择在我国超超临界机组的发展中是关键的第一步。
超超临界机组主要参数及容量选择论证的范围：
主要参数：
压力（MPa）：
24—25，27—28，30—31
温度（主蒸汽温度/再热蒸汽温度，℃）：
580/580，600/600
容量（MW）：
600—700，900—1000
超超临界机组主要参数及容量选择的论证应考虑的因素：
●先进性和创新性
机组的参数和经济性指标具有先进性——与超临界机组（24.2MPa/566℃／566℃）相比，经济性指标应有较大的提高；参数和经济性指标要跟上国外超超临界机组的发展水平和发展趋势；不仅额定负荷时的经济性好，在变负荷时也有良好的经济性。
机组主要参数及容量的选择要体现我国超超临界机组的集成创新。
●安全可靠性
机组的安全可靠性和可用率达到亚临界机组及超临界机组的水平；关键零部件的疲劳损耗较小；满足机组维修间隔长、维修方便的要求。
●运行灵活性
机组的运特性能满足快速启停和调峰运行的要求，达到亚临界机组及超临界机组的水平。
●选材
超超临界机组所采用的材料为国际上可采购到的成熟材料。
●技术经济性
技术经济合理。
●技术风险
技术继承承性较好，技术风险适当。
●借鉴国外成熟经验
借鉴国外发展超超临界机组的成熟经验。
2国外超超临界机组概况和研发计划
2.1国外超超临界机组概况和发展历程
2.1.1俄罗斯（前苏联）
俄罗斯（前苏联）超临界机组的研制主要立足于国内。
前苏联在40时年代末先建立小容量超临界压力试验台，取得一定的生产经验后便开始生产300MW机组。
到目前为止，基本上形成300MW、500MW、800MW、1200MW四个容量等级。
第一台超临界300MW、500MW、800MW机组分别于1963、1968、1968年投入运行。
1981年第一台1200MW超临界单轴机组投入运行，至今只生产了一台。
前苏联300MW及以上容量机组全部采用超临界参数。
至1988年已有近200台超临界机组投入运行，全国35%电力由超临界机组供给。
限于燃料成本与奥氏体钢价格之间的关系，其蒸汽参数大多为常规超临界参数，选用24.12MPa/545℃/545℃。
据介绍，目前俄罗斯的列宁格勒金属工厂和莫斯科动力学院又设计了新一代的高参数超临界机组，蒸汽参数为（30～32）MPa/580～600/580～600℃，给水温度300℃，当凝汽器压力为（3.4～3.6）kPa时，预计电站的效率为44%～46%。
2.1.2美国
美国是世界上发展超超临界压力火电机组最早的国家之一。
美国于1957年在俄亥俄州费洛（Philo）电厂投产了世界上第一台试验性的高参数超临界压力机组。
容量为125MW，蒸汽参数为31MPa、蒸汽温度为621/566/566℃，二次中间再热。
由B&W公司制造。
1959年，艾迪斯顿电厂又投运了一台325MW，34.4MPa，蒸汽温度为650/566/566℃,二次中间再热机组,热耗为8630kJ／kWh,该机组同时打破了当时发电机组的最高的出力、最高压力、最高温度和最高效率4项纪录。
该机组后来将参数降为34.4MPa/610/560/560℃运行。
至今还在运行。
美国是世界上发展超临界压力火电机组最早的国家。
美国超临界压力机组在数量上居世界第二位；并拥有9台世界上最大的超临界压力机组，单机容量为1300MW。
美国目前正在研究温度和压力更高的机组，美国正在进行研究760℃新一代的用于超超临界参数机组的锅炉材料计划。
2.1.3日本
日本从六十年代中期开始发展超临界压力机组，其虽然起步较晚，但发展快、收效大。
日本发展超临界机组主要采取引进、仿制、创新的技术路线。
第一台超临界机组，机组容量为660MW，参数为24.12MPa/538℃/566℃，于1967年在姊崎电厂投运。
二年后，仿制的同型机组就投入运行；而1971年投运的600MW超临界机组则有效地利用了日本自己的技术。
日本在通过吸收美国技术，成功发展超临界技术的基础上，结合美国的研究结果和经验教训，进一步开发超超临界机组。
1989年日本投运了世界上第一台采用超超临界参数的川越电厂1号机组，该机组由中部电力公司设计制造的700MW机组，主蒸汽压力为31.6MPa,主蒸汽温度和再热蒸汽温度为566/566/566℃，机组热效率为41.9％。
日本下一步的开发目标是将蒸汽初压提高到34.5MPa，初温提高到625℃～640℃。
2.1.4德国
德国也是发展超临界技术最早的国家之一。
1956年参数为29.3MPa/600℃（无再热）的117MW超临界机组投运。
德国近年来很重视发展超临界机组，目前最具有代表性的超临界机组是1992年投运的斯道丁格电站5号机组，该机组容量为535MW，参数为26.2MPa/545/562℃，机组净效率可达43%。
SIEMENS公司在2019～2019年期间将制造八套功率在750MW～MW1000MW、蒸汽参数为25MPa／580℃／600℃的蒸汽轮机。
德国西门子公司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27.5MPa/589/600℃，机组净效率在45%以上。
2.1.5丹麦
FLSmiljφ公司研究开发的前2台超超临界机组，容量为400MW，过热蒸汽出口压力为29MPa，二次中间再热、过热蒸汽和再热汽温为582/580/580℃，机组效率为47%，机组净效率达45%（采用海水冷却，汽轮机的背压为26kPa）；然后开发了参数为30.5MPa/582/600℃、容量为400MW的超超临界机组，该机组采用一次中间再热，机组设计效率为49%。
2.1.6小结
目前世界上部分超超临界机组见表2-1。
在此应特别指出：
电厂效率除与蒸汽参数有关外，同煤种和电厂位置（冷却水温度等）等也有关。
燃用褐煤机组的锅炉效率比燃用烟煤机组要低一些。
前面也已提到凝汽器冷却温度的变化对净效率也有较大影响。
因此在讲到超超临界机组的净效率时应分析具体设计条件。
分析表2-1，可以得到非常有益的结论：
●早期（50年代末）以美国为代表，更注重提高初压（30MPa或以上）,并采用两次再热。
使结构与系统趋于复杂，运行控制难度趋于提高，机组可用率下降。
因此，美国早期只生产了三台超超临界机组之后便停止生产。
到80年代，又退回到超临界参数。
●中期（80年代末）日本由川越电厂31MPa/654℃/566℃/566℃超超临界为代表，走的是一条从引进到自主开发，有步骤有计划的发展之路。
●近期（90年代始），日本由川越电厂31MPa/654℃/566℃/56℃6超超临界参数，调整为压力（24—25）MPa，温度由566℃/593℃稳步上升为600℃/600℃的发展方向，取得了显著的成功。
●德国等欧洲国家（丹麦除外）超超临界机组的为压力在（25—28）MPa范围，温度也上升为580℃/600℃及600℃/600℃。
●丹麦的超超临界机组追求技术上可能达到的最高效率而不计成本，压力接近30MPa，温度为580℃/600℃或580℃/580℃/580℃，倾向于采用二次再热。
●采用二次再热的超超临界机组，除了早期美国的三台机组外，只有日本川越两台（1989年）和丹麦的机组。
采用两次再热可使机组的热效率提高1％～2%，但也造成了调温方式、受热面布置等的复杂性，成本明显提高。
因此，除早期投运的少数超超临界机组机组外，无论是日本还是欧洲都趋向于采用一次再热。
●90年代中期以来，世界上已建和在建的超超临界机组的参数和容量的发展有两个特点：
一是欧洲的国家在建设大容量火力发电机组时以追求机组的高效率为主要目标，在提高蒸汽温度的同时，蒸汽压力也随之提高，但机组的容量保持在1000MW以下，其主蒸汽压力为（25.0~28.0）MPa，主蒸汽温度为580℃居多，再热蒸汽温度为（580~600）℃，大多采用一次再热。
日本的超超临界机组在大幅度提高机组容量的时候，主要是提高机组的蒸汽温度，而蒸汽压力基本保持在25MPa。
●锅炉布置型式按各公司传统，有Π型布置及半塔型布置。
日本超超临界锅炉全部采用П型布置，德国、丹麦全部采用塔式布置，这主要是各自的传统技术所决定的。
●燃烧方式按各公司传统，有切圆燃烧和对冲燃烧。
日本IHI、日立公司制造的超超临界П型炉均采用了前后墙对冲燃烧方式，三菱重工的锅炉燃烧方式全为八角双切园燃烧方式，两种燃烧方式都是为了减少炉膛出口烟温偏差。
欧洲的超超临界塔式炉不存在烟温偏差问题，燃烧方式既有四角切园燃烧，又有对冲燃烧，还有个别的八角双切园燃烧和八角单切园燃烧。
●水冷壁型式早期为垂直管屏，90年代后，除日本三菱公司采用内螺纹垂直管外，其余全部采用螺旋管圈。
●已投运的1000MW级超超临界机组以双轴机组居多。
表2-1国外主要超超临界机组统计表
序号
国家
电厂
制造商
机/炉
容量
MW
汽机参数
设计效率%
汽轮机型式
末级叶片长度
inch/mm
锅炉布置型式
燃烧方式
水冷壁
型式
投运
年份
压力/温度
MPa/℃/℃
背压
kPa
1
美国
PHILO6
GE/B&W
125
单轴
Π型
对冲燃烧
垂直管屏
1957
2
美国
EDDYSTONE1
WH/CE
325
34.4/649/566/566
3.447
双轴
/1118
Π型
四角切圆燃烧
垂直管屏
1958
3
美国
EDDYSTONE2
WH/CE
325
34.4/649/566/566
3.447
双轴
/1118
Π型
四角切圆燃烧
垂直管屏
1960
4
丹麦
STUTSTRUP
375
25/540/540
421）
1985
5
日本
川越1
东芝/三菱
700
31/566/566/566
5.07
41.92）
单轴、四缸四排汽
33.5/851
Π型
八角双切圆燃烧
垂直管屏
1989
6
日本
川越2
东芝/三菱
700
31/566/566/566
5.07
41.92）
单轴、四缸四排汽
33.5/851
Π型
八角双切圆燃烧
垂直管屏
1990
7
日本
敦贺1
/三菱
500
Π型
八角双切圆燃烧
垂直管屏
1991
8
德国
Franken
600
9
丹麦
FYNSVAERKET
420
25/540/540
42.11）
1991
10
丹麦
ESBJERG3
415
25/560/560
45.8
1992
11
丹麦
Vestkrafi
/Sulzer
350
1992
12
德国
Staudinger5
500
1992
13
日本
碧南3
三菱
700
24.1/538/593
47.8
1993
14
日本
能代2
东芝/IHI
600
24.1/566/593
单轴、四缸四排汽
42/1067
Π型
对冲燃烧
螺旋管圈
1994
15
德国
SchkopanA/B
/Steinmuller
450
半塔型
对冲燃烧
螺旋管圈
1995
16
德国
留别克
400
27.5/580/560
45.5
1995
序号
国家
电厂
制造商
机/炉
容量
MW
汽机参数
设计效率%
汽轮机型式
末级叶片长度
inch/mm
锅炉布置型式
燃烧方式
水冷壁
型式
投运
年份
17
日本
七尾大田1
500
24.1/566/593
47.9
单轴、四缸四排汽
1995
18
德国
Altback
/Steinmuller
半塔型
对冲燃烧
螺旋管圈
1995
19
日本
苍北1
/IHI
700
Π型
对冲燃烧
螺旋管圈
1995
20
德国
HESSLER
700
27/580/600
2019
21
丹麦
Skerbaeksvaerket
/FLSmiljφBWE
412
半塔型
四角切圆燃烧
螺旋管圈
2019
22
日本
原町1
东芝/三菱
1000
24.5/566/593
双轴、四缸四排汽
41/1041
Π型
八角双切圆燃烧
垂直管屏
2019
23
日本
松浦2
三菱/日立BHK
1000
24.1/593/593
49.2
双轴、四缸四排汽
Π型
对冲燃烧
螺旋管圈
2019
24
德国
Schw.pumpe（A,B）
800
八角单切圆燃烧
螺旋管圈
2019
25
日本
三隅1
三菱/三菱
1000
24.5/600/600
3.74
49.3
双轴、四缸四排汽
46/1168
Π型
八角双切圆燃烧
垂直管屏
2019
26
丹麦
NORDJYLLAND3
/FLSmiljφBWE
410
29/582/580/580
45.71）
半塔型
四角切圆燃烧
螺旋管圈
2019
27
日本
原町2
日立/日立BHK
1000
24.5/600/600
2.9
44.761）
双轴、四缸四排汽
41/1041
Π型
对冲燃烧
螺旋管圈
2019
28
日本
七尾大田2
东芝/IHI
700
24.1/593/593
单轴、三缸四排汽
Π型
对冲燃烧
螺旋管圈
2019
29
德国
BoxbergⅠV1
/Steinmuller
900
半塔型
对冲燃烧
螺旋管圈
2019
30
德国
BoxbergⅠV2
/Steinmuller
900
半塔型
对冲燃烧
螺旋管圈
2019
31
德国
LippendorfBI.1
/德国Babcock
920
半塔型
对冲燃烧
螺旋管圈
2019
32
德国
LippendorfBI.2
/德国Babcock
920
半塔型
对冲燃烧
螺旋管圈
2000
3
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