超超临界机组参数选择和结构选型

2007-11-161超超临界机组主要参数选择与技术选型朱宝田首席研究员西安热工研究院超临界、超超临界燃煤发电技术高级研修班国家人事部、中国电力企业联合会2007年11月TPRI2007-11-1621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4机组容量5机组主要结构型式6技术经济分析7结论TPRI2007-11-1631前言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TPRI2007-11-164超临界点：22.115MPa，374.15℃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TPRI2007-11-1652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TPRI2007-11-166影响技术选型因素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，等TPRI2007-11-1673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TPRI2007-11-168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——16.8MPa超临界——22.1MPa以上超超临界——27MPa或580℃以上TPRI2007-11-169TPRI2007-11-1610TPRI2007-11-1611TPRI2007-11-1612TPRI2007-11-1613TPRI2007-11-1614电厂机号电力公司容量MW蒸汽参数MPa/℃/℃/℃投运日期制造厂（炉/机）转速r/min末级叶片吋/mm原汀#1Haramachi日本Tohoku100025/566/5931997-07三菱/东芝3000/1500CC4F41/1041松浦#2Matsuura日本EPDC100024.6/593/5931997-07BHK/三菱3600/1800CC4F46/1168三隅#1Misumi日本Chugoku100025/600/6001998-06三菱/三菱3600/1800CC4F46/1168原汀#2Haramachi日本Tohoku100025/600/6001998-07BHK/日立3000/1500CC4F41/1041碧南＃4Hekinann日本Chubu100024.6/566/5932001-11IHI/东芝3600TC4F40/1016碧南＃5Hekinann日本Chubu100024.6/566/5932002-11IHI/东芝3600TC4F40/1016橘湾#1Tachibana-wan日本EPDC105025/600/6102000-07IHI/东芝3600/1800CC4F48/1219橘湾#2Tachibana-wan日本EPDC105025/600/6102001-07BHK/三菱3600/1800CC4F46/1168常陆那珂#1Hitachinaka日本Tokyo100024.5/600/6002003-01BHK/日立3000/1500CC4F41/1041NiederausemK德国RWE102526.5/580/6002002ALSTOM/西门子30006F45.3/11502007-11-1615在超超临界机组参数范围的条件下主蒸汽压力提高1MPa——热耗率下降0.13%～0.15%主蒸汽温度每提高10℃——热耗率下降0.25%～0.30%再热蒸汽温度每提高10℃——热耗率下降0.15%～0.20%——提高蒸汽温度对提高热效率更有益二次再热——热耗率较一次再热下降1.4%～1.6%TPRI2007-11-16161520253035主蒸汽压力MPa效率提高百分比%01234567566/566538/566593/593538/538566/593600/610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%TPRI2007-11-16170.001.002.003.004.005.006.007.008.009.0010.0018202224262830323436主蒸汽压力(MPa)热效率提高(%)540/540540/540/540565/565/565600/600/600二次再热机组热效率相对提高值TPRI2007-11-16183.2再热次数二次再热将进一步提高机组的热效率（约1.4%～1.60%）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近八年来新投运的超超临界机组没有采用二次再热TPRI2007-11-1619二次再热机组统计序号国家电厂制造商机/炉容量MW汽机参数设计效率%投运年份压力/温度MPa/℃/℃背压kPa1美国EDDYSTONE1WH/CE32534.4/649/566/5663.44719582美国EDDYSTONE2WH/CE32534.4/649/566/5663.44719603日本川越KAWAGOE1东芝/三菱70031/566/566/5665.0741.9219894日本川越KAWAGOE2东芝/三菱70031/566/566/5665.0741.9219905丹麦SKERBAEKSVAERKET3FLSMILJφBWE41228.4/580/580/58019976丹麦NORDJYLLAND3FLSMILJφBWE41029/582/580/580471998TPRI2007-11-1620技术经济性机组造价高10%—15%电站投资增加4%—6.8%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我国在发展超超临界机组的阶段采用一次再热是适宜的TPRI2007-11-16213.3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600℃/600℃方案比580℃/580℃方案的热效率约相对提高0.92%比580℃/600℃方案的热效率约相对提高0.56%TPRI2007-11-1622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温度的选择取决于材料机组参数不能领先于材料的发展TPRI2007-11-1623超超临界对材料性能的要求满足部件工作温度的需要具有高的持久强度、蠕变强度或抗松弛性能，金相组织稳定，无常温脆性和长期时效脆性抗蒸汽氧化、烟气腐蚀及应力腐蚀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TPRI2007-11-1624主汽温度538℃566℃580℃600℃经济性相对提高基准0.75%1.1%1.6%冷态启动至满负荷时间增加(相对同样的寿命损耗)基准15分钟20分钟30分钟冷态启动至满负荷寿命损耗增加(相对同样的速率)基准0.0025%0.0034%0.0050%主汽温度和汽轮机运行性能主汽温度升高对汽轮机运行性能的影响很小，机组总的寿命余量很大，不影响机组变负荷运行性能TPRI2007-11-1625技术问题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国外相当数量超超临界机组的温度参数达到和超过600℃/600℃，已有多年的运行业绩，其可靠性与亚临界及超临界机组处于同一水平600℃方案与580℃方案的技术问题只有微小的差别，不是左右温度方案选择的决定性因素充分考虑材料的烟气侧腐蚀性能，汽水侧氧化性能，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TPRI2007-11-16263.4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28MPa方案比25MPa方案的热效率相对提高约0.45%31MPa方案比28MPa方案的热效率相对提高约0.4%目前采用31MPa主蒸汽压力是不适宜的压力提高使汽轮机末级湿度增大低压缸的排汽湿度不应超过12%在30MPa/600℃/600℃条件下，汽轮机末级的湿度已超出设计规范TPRI2007-11-1627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TPRI2007-11-1628近十多年投运的超超临界机组中，主蒸汽压力（30—31）MPa的机组台数仅三台,其中两台是二次再热机组鉴于技术难度、风险、技术瓶颈（汽轮机末级的湿度）及国外业绩和经验的考虑，我国在开始发展超超临界机组的阶段，主蒸汽压力采用（30—31）MPa不适宜的TPRI2007-11-1629序号国家电厂容量MW汽机参数设计效率%投运年份压力/温度MPa/℃/℃背压kPa1美国PHILO612531/610/565/53819572美国EDDYSTONE132534.4/649/566/5663.44719583美国EDDYSTONE232534.4/649/566/5663.44719604日本川越KAWAGOE170031/566/566/5665.0741.9219895日本川越KAWAGOE270031/566/566/5665.0741.9219906丹麦AVEDOERE241630/580/600492002主蒸汽压力30MPa以上机组TPRI2007-11-1630技术问题压力提高（主蒸汽压力30MPa)蒸汽汽流对转子的激振增加固体颗粒的冲蚀趋于严重末级湿度增大，湿汽损失加大，末级动叶片的水蚀趋于严重关键零部件的疲劳损耗趋于严重这些问题都是能够解决的——主蒸汽压力25MPa与28MPa两方案均不存在无法解决的技术瓶颈TPRI2007-11-1631效率增量梯度最大的方向压力、温度与等热耗线TPRI2007-11-1632压力、温度与等强度线图示出了主蒸汽联箱(内外径比为1.8)材料随新汽压力、新汽温度的等强度曲线。可知，若选P91材料，沿着等强度曲线，选择不同的压力/温度组合，如240bar/585℃或300bar/568℃有着同样的应力TPRI2007-11-16334、几个主要问题的分析论证压力——温度——效率——材料效率增量梯度最大的方向等热耗线、等强度线与优化的蒸汽参数TPRI2007-11-1634不同材料的优化蒸汽参数TPRI2007-11-1635单纯提高压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