超临界机组核心技术自主创新研究.ppt

企业介绍,超超临界核心技术自主创新研究,严宏强,2010.04,我国超临界技术发展的概况及存在的问题 超临界和超超临界机组参数系列标准的研究 发展超临界及超超临界火电机组最佳容量选择研究 超超临界机组用材料国产化研制与应用性能试验研究 超临界锅炉高温蒸汽腐蚀研究和氧化皮治理 超超临界机组技术发展趋势与竞争技术 超超临界机组技术自主创新平台的建设,2,一、我国超临界技术发展的概况及存在的问题,超超临界火电机组是世界上成熟先进的发电技术，主蒸汽/再热汽温度为600的超超临界机组供电效率可达4445，具有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。,3,一、我国超临界技术发展的概况及存在的问题,20002020年发电装机容量平衡表,一、我国超临界技术发展的概况及存在的问题,国内制造企业自主创新的技术瓶颈： 高温高强度材料国产化研制和应用性能研究工作薄弱 对超超临界机组的核心技术尚未开展相应的自主研究 大部分超高参数阀门等关键部件仍需要向国外采购 共性关键技术研究体系尚不完善 高温受热面蒸汽侧氧化及由此引起的锅炉爆管和汽轮机叶片固体颗粒侵蚀已经成为电厂最为担忧的安全隐患,5,二、超临界和超超临界机组参数系列标准的研究,超临界和超超临界机组参数系列标准的研究是上海发电设备成套设计研究院从2006年起承担的一项课题，主要任务是通过对超临界和超超临界机组的技术与经济的研究和分析，提出适合国情的超临界和超超临界机组参数系列的国家标准，以规范超临界和超超临界机组参数，实现标准化设计和制造。,6,二、超临界和超超临界机组参数系列标准的研究,课题建议将超超临界参数定义为： 在典型超临界参数基础上进一步提高蒸汽参数时所作的商业的或人为的区分，在超临界压力状态下，新蒸汽或再热蒸汽温度超过566即为超超临界参数。,7,蒸汽参数对超超临界机组经济性的影响：,对于一定容量的机组，当蒸汽初压不变提高蒸汽初温，循环效率将会提高。在一定范围内，新蒸汽温度或再热蒸汽温度每提高10，机组的热耗就可下降0.25-0.3。 蒸汽初温提高主要受材料的许用温度限制,温度,8,蒸汽参数对超超临界机组经济性的影响：,初温一定，仅提高初压，超过一定范围，机组的热效率提升可能不明显 初压提高时蒸汽比容减小，将使汽轮机超高压通流部分叶片高度减小, 使叶片级的二次流损失和轴封漏汽损失都增大。同时，低压缸的排汽湿度将随初压的提高而增加，加大湿气损失，使汽轮机的热效率下降，另外还将增加末级叶片水蚀程度,压力,9,蒸汽参数对超超临界机组经济性的影响：,采用二次再热循环能比一次再热更能提高机组的热力性能，但同时必须评估由于锅炉受热面、蒸汽管道的增加以及汽轮机的设备复杂性和材料价格而引起的电厂造价的增加。,再热,10,600mw超临界汽轮机额定参数：24.2mpa/566/566 1000mw超临界汽轮机额定参数： 24.2mpa/566/566 600mw超超临界汽轮机额定参数： 25mpa/600/600 26.25mpa/600/600 1000mw超超临界汽轮机额定参数：25mpa/600/600 26.25mpa/600/600,标准研究课题对超临界和超超临界机组参数系列提出如下建议:,11,三、超临界、超超临界火电机组最佳容量选择研究,截至2010年2月底，我国投运的超超临界机组达45台，其中1000mw机组22台，600mw级机组23台,投运的600mw级超临界机组已经超过100台。 我院和中国动力工程学会对我国发展超临界及超超临界火电机组最佳容量的选择这一课题进行了研究。,12,三、超临界、超超临界火电机组最佳容量选择研究,课题分析了国内外超临界及超超临界火电机组的发展现状，对不同容量的投入产出率进行了技术经济比较，还对超超临界火电机组经济运行负荷、机组容量选择对电网安全稳定性运行的影响以及不同容量机组的投资进行了分析和比较，得出主要的分析意见如下：,13,三、超临界、超超临界火电机组最佳容量选择研究,一般情况下应把容量选得大些 理由一：超高压部分蒸汽容积流量很小，如果机组容量选得不足够大，通流部分叶片高度过小，将引起气动损失增大，使提高参数带来的热经济性不明显； 理由二：单机容量增大，降低了按千瓦分摊的设备费用、土建费用以及其它辅助设施费用，能使电厂的比投资明显降低。但是单机容量的增加主要受到全转速末级叶片长度的限制，主要是材料强度的限制；,14,三、超临界、超超临界火电机组最佳容量选择研究,机组的容量选择还受到机组在电网中运行方式的制约 当1000mw超超临界机组运行负荷低至60%额定负荷时，机组热耗率将高于600mw超临界机组额定工况热耗率； 当1000mw超超临界机组运行负荷低至40%额定负荷时，机组热耗率将高于亚临界300mw、600mw机组额定工况热耗率。 为充分发挥超超临界机组高效率的优势，最好让其带基本负荷运行。,15,三、超临界、超超临界火电机组最佳容量选择研究,机组容量的选择还应考虑与电网稳定性的关系： 机组容量越大，跳闸时对电网频率稳定性的冲击越大；全厂出力越大，对接入地区电网送出能力的要求越高。 电网末端及电负荷送出受阻的地区，不宜采用大容量的超超临界机组。,16,四、超超临界机组用材料国产化研制与应用性能试验研究,材料是发展超超临界机组的基础和关键。 机组参数越高，对材料的要求也越高 目前机组参数的进一步提高，受到材料的制约 材料在使用温度下应具有足够的高温持久强度、耐蒸汽腐蚀和烟气腐蚀性能、良好的工艺性能。,17,四、超超临界机组用材料国产化研制与应用性能试验研究,我国相关企业进行了较大规模的技术改造，如电炉钢包精炼真空浇注等双真空冶炼设备、全球最大电渣重熔炉、150 mn和160mn自由锻造水压机、165mn自由锻造油压机、630吨米锻造操作机、35mn和60mn卧式挤压机、360mn垂直挤压机等关键装备相继建成； 我国已经拥有世界一流的材料制造装备。,18,四、超超临界机组用材料国产化研制与应用性能试验研究,一批超超临界机组用关键材料已研制成功： t91、t92、tp347hfg、super304h、hr3c小口径管、p91、p92大口径管、高温螺栓叶片材料、10cr钢转子和汽缸等 国内三大重机厂都已实现10cr钢转子和汽缸供货,19,四、超超临界机组用材料国产化研制与应用性能试验研究,基础研究薄弱 缺乏足够的高温长时性能试验数据 缺乏持续有效的科研计划,20,材料研究目前存在的主要问题有：,上海发电设备成套设计研究院长期开展电站材料研究工作,在国家“十五”重大技术装备研制项目“600mw超临界火电机组成套设备研制”中负责“超临界机组材料和铸锻件国产化”课题，研究内容包括超临界锅炉过热器、再热器用材料研究、超临界汽轮机铸锻件研究、超临界汽轮机高温部件材料研究等,着重研究超临界机组铸锻件和各种高温部件所用的9-12%cr钢和奥氏体钢的组织与性能变化规律，找到了国产t91钢管高温长时性能与国外存在较大差距的原因，提出了解决办法，同时试验得到各种材料的应用性能，特别是材料的高温长时性能，为设计和运行监督提供可靠依据。,21,上海发电设备成套设计研究院长期开展电站材料研究工作,2005年，作为牵头单位，联合上海重型机器厂有限公司、宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司、上海交通大学等七家单位，承担了上海市科委重大科技攻关项目 “电站装备用特种材料研究与开发” ,对超超临界机组用关键材料和大型铸锻件进行了为期三年的研制。,22,上海发电设备成套设计研究院长期开展电站材料研究工作,成功试制出 ： 1cr10mo1w1nivnbn高压试验转子（2009年已提供产品转子） zg12cr10w1mo1mnnivnbn 汽缸 锅炉用 1cr19ni11nb 奥氏体不锈钢管 汽轮发电机用 1cr18mn12ni2n 高强度穿心螺杆 汽轮机用 1cr10nimow2vnbn 叶片和螺栓 其中锅炉钢管、穿心螺杆、叶片和螺栓都实现了批量生产。,23,10%cr钢高压转子,24,10%cr钢中压缸体铸件,25,tp347h奥氏体不锈钢管,26,发电设备用叶片和螺栓钢,566等级的高温高压段叶片,566等级的高温高压段螺栓,穿心螺杆,1000mw级超超临界机组 规格：427066mm,28,上海发电设备成套设计研究院长期开展电站材料研究工作,2008年12月8日，由上海发电设备成套设计研究院牵头成立了“上海电站装备材料与大型铸锻件攻关联合体”。“联合体”受上海市科委领导，首批成员有宝山钢铁股份有限公司、上海重型机器厂有限公司、上海汽轮机厂、上海锅炉厂、上海交通大学、华东理工大学、上海大学、上海材料研究所、上海电气集团股份有限公司中央研究院。,29,上海发电设备成套设计研究院长期开展电站材料研究工作,30,上海发电设备成套设计研究院长期开展电站材料研究工作,“联合体”正在开展的工作： 开展super304h钢管和10cr钢转子的高温长时持久试验，为积累高温长时性能试验数据 对服役16年的300mw高中压转子和低压转子开展包括低周疲劳、蠕变疲劳交互作用和蠕变疲劳裂纹开裂与扩展试验在内的全面解剖试验研究，以了解和掌握转子在服役过程中的组织与性能变化情况,31,超超临界参数蒸汽腐蚀试验台,最高试验温度700 最高试验压力30mpa,32,上海发电设备成套设计研究院长期开展电站材料研究工作,利用超超临界参数蒸汽腐蚀试验台完成了锅炉s30432过热器用钢的研究项目，测定了不同状态下（固溶状态、表面喷丸状态、焊缝金属）的金属在高温高压（650，26 mpa）蒸汽中的腐蚀行为，还将研究不同材料，在不同温度和压力下的腐蚀行为，为锅炉设计、选材提供依据。,33,五、超临界锅炉高温蒸汽腐蚀研究和氧化皮治理,管内壁氧化皮主要存在以下危害： 使传热热阻增大，进一步提高管材壁温，壁温升高又会加速氧化皮的生成； 氧化膜的体积为损耗金属的两倍多，过厚的氧化膜将 减小管内直径，使蒸汽流动阻力增加，从而影响受热 面的热偏差分布； 管材长时间在较高的温度下运行，强度降低，如果管材设计余度较小，会引发超温爆管事故；,34,五、超临界锅炉高温蒸汽腐蚀研究和氧化皮治理,管内壁氧化皮剥落主要存在以下危害： 氧化皮剥落堵塞管圈，使得管内流量减少、壁温升高，引发锅炉爆管事故； 汽轮机叶片固体颗粒侵蚀 。,35,五、超临界锅炉高温蒸汽腐蚀研究和氧化皮治理,上海发电设备成套设计研究院主要从以下几方面对这一难题进行研究，以解决运行中的实际问题： 影响超临界锅炉高温受热面氧化皮生成速度和剥落的主要因素； 如何通过优化运行减缓氧化皮的生成； 如何通过优化运行控制氧化皮的集中剥落； 如何优化受热面结构及合理选材； 采取合理的监测手段减少爆管事故的发生。,36,五、超临界锅炉高温蒸汽腐蚀研究和氧化皮治理,我们认为：受现有材料性能限制，蒸汽氧化现象是客观存在，只能延缓而不可避免。 着眼点应放在如何减缓其生成速度、减少氧化皮脱落，以及氧化皮脱落后，如何防止固体颗粒滞留以减少对锅炉和汽轮机的伤害上。,37,五、超临界锅炉高温蒸汽腐蚀研究和氧化皮治理,综合解决方案 ： 1）有利于降低高温受热面吸热偏差的锅炉设计； 2）选用有利于氧化皮剥落后被蒸汽带走的炉型； 3）通过燃烧调整改善锅炉的热偏差； 4）选择高温受热面抗蒸汽侧腐蚀性能较好的材料； 5）利用壁温在线检测系统及时了解设备运行状况、变化趋势，通过统计数据指导检修工作。,38,五、超临界锅炉高温蒸汽腐蚀研究和氧化皮治理,我院自行研制的电站锅炉壁温监测系统具有以下功能： 在线显示高温受热面各壁温、汽温及屏间和同屏热偏差，运行人员可以直观的了解锅炉受热面情况； 在线监测危险管圈的壁温变化趋势，以便于运行人员发现异常及时采取措施； 可在线自动筛选最优热偏差运行工况，为运行提供参考； 提供高温受热面管材的运行统计记录（壁温分布、超温次数等），减少停炉检查的范围；,2019年7月15日,上海发电设备成套设计研究院锅炉研究所,40,2019年7月15日,上海发电设备成套设计研究院锅炉研究所,末级过热器45、49、53、57、61、65、69、73排#6管壁温,41,2019年7月15日,上海发电设备成套设计研究院锅炉研究所,在线热偏差自寻优软件筛选最优运行工况,42,五、超临界锅炉高温蒸汽腐蚀研究和氧化皮治理,对已服役锅炉,六、超超临界技术发展趋势与竞争技术,课题研究认为： 大规模采用超超临界机组有利于降低能耗和减少co2排放。 日本、美国及欧洲等工业发达国家制订了一系列的超超临界火电技术的中长期发展计划，积极开发34.3mpa/650以及40mpa/700新钢种系列，使超超临界机组朝着更高参数的技术方向发展。,44,六、超超临界技术发展趋势与竞争技术,课题研究认为： 到2020年，将面临世界上700参数超超临界机组商业投运的局面。不排除我国超超临界机组跳过650参数水平，直接向700参数水平跨越的可能。,45,六、超超临界技术发展趋势与竞争技术,煤电技术的另一个发展路线： 利用煤化工中已经成熟的煤气化技术，集成燃气轮机联合循环技术实现高效清洁发电，其代表技术为整体煤气化燃气 /蒸汽联合循环 igcc。,46,六、超超临界技术发展趋势与竞争技术,国外发表的资料表明： 配置co2捕获器，igcc电站厂用电会增加到电厂毛出力的25%，总的净效率相对减少了约19%。 co2捕获器对燃煤电厂的影响更大，设计效率为40%超临界煤粉锅炉电厂的净效率可能下降到27%。,47,电站建设成本比较,48,电站净效率比较,49,发电成本比较,50,国外预估煤基igcc应用场合的前提是： 煤价很便宜或是要求联产热、电、蒸汽等多种产品时，才能选用e型燃气轮机组成的igcc，因为其发电成本高于pc+fgd； 环保要求高、要求增容改造或联产多种产品的场合可选用f型燃气轮机组成的igcc，其发电成本已接近于pc+fgd； 由h型燃气轮机组成的igcc可以来单纯发电或联产多种产品，也可以增容改造现有电站，在烧煤时其发电成本要比pc+fgd者低5%7%，是pc+fgd电厂的主要竞争者。,六、超超临界技术发展趋势与竞争技术,51,2008年3月4日，上海市发展改革委转发国家发展改革委办公厅下达关于开展清洁高效煤电成套设备国家工程中心组建的通知（发改办高技2008250号文）,七、超超临界机组技术自主创新平台的建设,52,由上海发电设备成套设计研究院联合有关单位共同筹建清洁高效煤电成套设备国家工程研究中心。 该国家工程研究中心应围绕电力工业高效安全生产的需要，开展清洁高效煤电成套设备的关键共性技术开发、工程化和产业化。,53,七、超超临界机组技术自主创新平台的建设,54,进行超超临界火电机组、大型空冷机组和大型循环流化床锅炉等清洁高效煤电设备的自主设计、制造和系统集成 建立超超临界机组关键材料、超超临界和大型循环流化床锅炉、超超临界和大型空冷汽轮机的共性技术研究、验证设施,七、超超临界机组技术自主创新平台的建设,2019/7/15,55,加强国际合作与交流，培养高水平的清洁高效煤电成套设备技术与管理人才，为相关企业提供技术和服务。 缓解我国发电设备制造业关键技术和装备长期依赖进口的局面，加速推进行业技术进步。,七、超超临界机组技术自主创新平台的建设,2019/7/15,56,国家工程研究中心研发方向： 超超临界锅炉及减排技术研究 超超临界汽轮机及新技术研究 高温高