大型超超临界机组的自主化开发

1大型超超临界机组的自主化开发沈邱农’，杨连海’(1．上海发电设备成套设计研究所，上海200240；2．中国机械设备进出口总公司，北京100044)摘要：论述我国大型超超临界机组自主化开发的必要性，通过分析国外超超临界技术的发展，论证我国自主化开发超超临界机组的技术路线和基础条件。关键词：超超临界；自主化；关键技术；条件中图分类号：TK26l文献标识码：A文章编号：1672—5549(2005)03—0133—05Self-Develpment0fLargeUltra·SUpercrnriticalSteamTUrbineSHENQiu-nong，YANGLian-hai(1．ShanghaiPowerGenerationPackagedEquipmentReasearchInstitute，Shanghai200240，China；2．ChinaMachineryImport&ExportCorporation，Beijing100044，China)Abstract：ThispaperdescribesthenecessityOfself-developmentOflargeultra-supercriticalsteamturbine，anddemonstratestechnicalschemesandbasictechnologyOfself-developingultra-supercriticalsteamturbineafteranalysisOfultra-supercriticaltechnologydevelopmentabroad．Keywords：ultra-supercritical；localization；keytechnology；condition0引言发展大型超超临界火电机组，是降低我国火电机组平均发电煤耗、改善环保状况、实现可持续发展战略的有效途径，具有显著的社会经济效益。我国电力工业总体水平与国外先进水平相比有较大差距，能耗高和环境污染严重是目前我国电力生产中存在的两大突出问题。随着我国能源结构的改变，煤电装机容量的比重将逐年下降，但是在电力工业中将仍占主导地位。我国环境保护形势十分严峻，大量煤炭燃烧产生的二氧化碳、二氧化硫和烟尘排放加重大气环境污染，造成一系列生态环境保护问题。因此，发展清洁高效的先进发电技术是火电结构优化和技术升级的重要命题。超超临界火电机组经过几十年的发展，已经是成熟的先进发电技术，在经济发达国家中广泛应用并得到了显著的节能和减少污染的效果，并且正进一步向更高参数方向发展。目前国外已经运行的超超临界一次再热机组热效率一般可达43％以上，二次再热机组的热效率达到45％以上。为迅速扭转我国火电机组煤耗长期居高不下的局面，优化火电结构，缩小火电技术与国外先进水平的差距，发展国产大型超超临界火电机组十分必要。大型超超临界火电机组的自主化研制，能够促进电力装备制造业产业结构调整，提高2行业技术水平。我国电力装备制造业经历了半个多世纪的发展，现已形成以哈尔滨、东方、上海三大发电设备制造集团等大型骨干企业，构成具有相当规模、水平和实力的技术开发与制造基地，具备较强的自主设计和制造大型电力装备的能力，已使我国成为世界上为数不多的电力装备制造大国之一。虽然我国生产的300MW、600MW亚临界参数火电机组的参·数与性能已达到国际先进水平，但是，同国外拥有技术先进的大型跨国公司相比，我国制造企业在新技术的研究开发能力、设计、制造水平上差距较大，高效的超临界和超超临界发电机组的自主化开发还处于起步阶段，不能完全满足未来电力工业发展的需要。电力装备制造是国家经济持续发展和国家安全的重要保障，是国民经济发展的支柱产业。电力装备制造业所提供装备的产品质量、水平、性能的高低，对降低工业综合能耗，提高整个国民经济效益，实现增长方式的转变等都有巨大影响。本文论述了超超临界技术的发展历史，简述了目前我国超超临界机组自主开发的现状，认为开展大型超超临界火电机组的研制，并最终实现设计制造自主化、批量化，对促进我国发电设备制造业技术进步具有重要意义。1超超临界技术的发展超超临界技术的发展至今已有40多年历史，其发展过程经历了50年代超超临界参数发展起始阶段、80年代超临界机组优化及新技术发展阶段和90年代超超临界技术成熟的发展阶段。在超超临界技术的发展初期，由于蒸汽参数取得比较高，超过了当时的材料技术发展水平，致使超超临界机组的可用率和可靠性都较低，热力参数一度被降低到超临界水平。90年代以来，由于环保及节约能源的需要，超超临界机组又进入了新一轮的发展时期。美国是发展超超临界技术最早的国家，第一台超超临界机组1957年投运，容量为125MW，参数为31MPa、621℃／566℃／538℃。由于超超临界机组发展初期技术不成熟，蒸汽参数选择过高，超越了当时的金属材料技术水平，运行中出现了很多问题，以至于降低参数运行。为了提高机组可用率，美国以后建设的机组多采用超临界参数，并保持了20余年。上世纪80年代以后，针对燃料价格上涨·，环境保护要求日益严格的现状，美国电力研究所(EPR工)总结了前期超临界机组运行经验和教训，对超临界机组蒸汽参数和容量等进行了各方面可行性优化研究，认为在技术方面不需要作突破的条件下，超超临界机组可采用31MPa、566℃～593℃的蒸汽参数，提出重新开发蒸汽参数为31MPa／593℃／593℃／593℃的二次再热超超临界机组。但是，由于美国电力工业偏重于发展高效的燃气一蒸汽联合循环，超超临界技术的发展计划没有得到实施。不过，上述研究成果在亚洲和欧洲的一些国家得到了进一步开发、推广。近年来，美国GE公司为日本设计制造了蒸汽参数分别为26.6MPa／577℃／600℃和25MPa／600℃／610℃的超超临界机组。3日本由于动力燃料几乎完全依靠进口，因此发展高效率、低煤耗的超临界机组是日本的国策。20世纪70年代起日本开始大力发展大容量超临界机组，450MW以上容量的机组一律采用超临界参数。80年代又着手研制超超临界机组，至2002年已有19台1000MW机组投入运行，成为日本电网中的主力机组之一。在发展大型超临界机组过程中，日本吸取了美国马鞍形发展的教训，参数由低向高稳步发展，不仅使机组的经济性逐步提高，而且机组可用率达到95％以上。20世纪90年代日本引进和应用美国的耐热新钢种T9l和P91，使蒸汽温度提高到600℃左右。1990～2003年间，日本投运了一批容量为600MW～1050MW、蒸汽参数为24MPa~25MPa、600℃／610℃的超超临界机组。日本发展超超临界机组虽然起步较晚，但发展速度很快、收效显著。日本发展超超临界技术是采用引进一仿制一创新的技术路线，先从国外引进成熟机组和制造技术，然后，建立本国的试验研究体系，组织力量进行技术消化和仿制，引进设备投运后即作为考核机组，通过试验掌握其运行性能，再结合日本本国的技术特点进行设计、施工和批量生产，很快由仿制过渡到拥有自主知识产权。目前，日本以机组可靠性高、经济性好、技术发展快而跃居为发展超超临界技术的先进国家。德国是研究制造超临界机组较早的国家之一，目前德国已投运和在建的超超临界机组近20台，有代表性的是2000年在Niederaussem电厂投运的965MW超超临界机组，其蒸汽参数为26.9MPa／580／600‘C。1998年和2001年丹麦分别投运了两台参数为29MPa／582℃／580℃／580℃的400MW超超临界机组，在海水冷却的情况下，其热效率达到～47％，从而成为迄今为止世界上报导的热·效率最高的火电机组。欧洲超超临界技术的发展与日本类似，除丹麦两台超超临界机组采用二次再热外，欧洲其他超超临界机组也都改为采用一次再热。与日本不同的是主蒸汽压力和温度同时提高(30．5MPa／580’C／600‘C)，其热效率与29MPa、580‘C二次再热机组基本相同。世界上超超临界机组技术发展趋势表明，开发更高压力及温度参数的机组，以进——步提高经济性，降低价格，获得良好的价格性能比是超超临界机组的发展方向，日本、美国及欧洲都在进行相应的研发工作。发展超超临界技术首先是重点解决高温高强度材料的开发，日本、美国及欧洲正在开发34.3MPa／650℃以及40MPa／700℃新钢种系列，目的是使将来的燃煤火电机组热效率能够达到55％。欧盟从1998年1月1日启动了开发时间长达17年，目标为700℃级超超临界先进蒸汽参数的开发项目“AD70计划”(THERMIEPROGRAM)，具体目标一是使供电热效率由目前的47％提高到55％(深海水冷却)或52％(内陆电厂)；二是厂房结构更加紧凑，以降低燃煤电厂的投资。欧盟“AD700计划”的核心技术是新材料的开发和应用，通过使用镍基超级合金，使汽轮机的蒸汽温度由目前的600‘C／620℃提高到4700℃／720℃。欧盟加快“AD700计划”研发的原因有两点：一是欧盟各成员国拥有的大量’亚临界机组到2010年运行寿命接近40年，采用700℃／720℃超超临界机组更换老机组，可明显提高热效率；二是欧盟各成员国已批准了《联合国气候变化框架公约》京都议定书，大量采用700℃／720℃超超临界机组替代老机组可以使C02的减排约30％，满足“京都议定书”的要求。其战略意义是使欧盟成员国的燃煤火电机组的技术水平始终处于世界的领先水平，显著提高欧盟成员国燃煤火电机组的竞争能力。2我国超超临界机组的自主开发为了论证我国自主开发大型超超临界机组的技术方案，国内有关研究机构开展了超超临界火电机组技术开发预可行性研究工作。研究人员收集了国外大量超超临界火电机组技术研究的近期；资料，综合分析国外各大公司在发展超超临界技术过程中解决的设计研究技术关键，研究超超临界火电机组当前技术水平和发展趋势，对超超临界火电机组研制的关键技术和我国发展超超临界技术的基础和条件进行了分析，提出关于我国发展超超临界火电机组技术研究报告。研究报告认为：①、世界上600℃蒸汽温度等级的超超临界技术已经成熟，具有良好的节能和环保效果，可靠性已达到亚临界机组水平，已成为经济发达国家火力发电的主要机型。②、采用一次再热的机组蒸汽压力一般为25MPa～28MPa，供电热效率达到43％左右，由于设备造价增加幅度较少，相对经济性较好，近期日本和欧洲新建的超超临界机组多采用这类机型；采用二次再热的机组蒸汽压力提高到3lMPa左右，供电热效率达到45％左右，但系统复杂，工程造价增加幅度较大，近期这类超超临界机组建设较少。③、单轴机组容量一般为600MW～700MW和900MW～1000MW，容量超过1200MW一般采用双轴布置，但工程造价较高，新建机组很少。④、世界发达国家目前正在研制开发更高参数的超超临界机组，技术关键是开发650℃和700℃等级的高温高强材料。⑤、我国目前研制开发的超超临界机组选用25MPa～28MPa、600℃、一次再热，容量为600MW和1000MW比较适宜，其理由是技术继承性强，前期研究基础好，制造厂技术储备充分，设计技术和制造装备缺口不大。与亚临界参数的火电机组相比，大型超超临界火电机组自主化开发的技术难点和关键技术集中在高温材料和铸锻件的技术、参数提高后主机设备部件强度研究、机组大型化后结构设计以及辅机设备技术配套等方面。(1)高温材料和铸锻件。根据超临界和超超临界火电机组的不同蒸汽温度，采用的合金钢有低铬耐热钢、9％～12％Cr钢、改良型9％～12％Cr铁素体-马氏体钢、新型奥氏体耐热钢。超超临界机组材料的开发应着重研究高温部件所用的9％～12％Cr钢组织成分和性能5变化规律，使材料的各种应用性能均达到国际标准的要求。实现汽轮机转子锻件和汽缸铸件、汽轮机高温叶片、螺栓，锅炉过热器、再热器用的各类9％～12％Cr钢国产化，批量化，并且价格合理。同时开展650℃～700℃等级的超超临界机组材料的前期研究，在掌握材料成分和性能的基础上，开展试验性研制，为更高参数的超超临界机组技术开发奠定基础。(2)超超临界锅炉。锅炉