（机械工程专业论文）我国超超临界火电机组研发关键问题的研究.pdf

哈尔滨丁稃大学硕士学位论文 摘要 中国是世界上最大的煤炭生产和消费国，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。我国现有火电机组装备总的装机容量还不能满 足国家经济发展的需求，发电煤耗高，能源利用率低，对环境造成的污染问 题严重。 超超临界发电技术( u s c t ) 是目前世界上高效利用能源的一项技术。在能 源利用效率以及c 0 2 、s 0 2 排放等方面明显优于亚临界和常规超临界参数机 组，在国际上已经进入了大规模商业化应用的阶段，而在我国还处于引进技 术、国内制造的层次，与我国发电业、发电装备制造业的发展现状、供需现 状、以及长远发展相比，存在着很大的反差和滞后。 本文在分析介绍了发达国家发展超超临界燃煤发电技术的发展过程、发 展趋势和最近的发展计划的基础上，分析了我国现有火电技术方面的现状， 包括发电设备制造行业的设计技术和制造能力，火电厂的建设和运行基础， 火电机组配套辅机的生产能力以及火电机组用材的国产化能力，认为我国已 经基本具备了发展超超临界燃煤发电技术的物质基础和技术条件。对于超超 临界发电装备技术，应该走自主研发、局部引进的发展之路。 论文提出了我国发展超超临界燃煤发电技术需要解决的关键技术问题， 包括超超临界参数锅炉、汽轮机、大功率发电机、超超临界参数火电厂的建 设和运行、燃煤烟气污染物排放控制等五个方面，为今后的工作明确了方向 和目标。 综合考虑到现有条件和技术水平，本文提出了具体的技术路线，以及推 进我国超超临界发电技术装备产业化的原则及政策建议。 关键词：超超临界；煤粉锅炉；节能；战略研究；装备制造 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t c h i n ai st h el a r g e s tc o a lc o n s u m p t i o n p r o d u c t i o nc o u n t r yi nt h ew o r l d t h e f a c tt h a tt h ec o a la c t sa st h ep r e d o m i n a n ts o u i c 甚o ft h ep o w e ri n d u s t r yw i l lr e m a i n i na q u i t el o n gp e r i o d w i t hh i g hp o w e r - g e n e r a t i o nc o a lc o n s u m p t i o n r a t ea n dl o w e n e r g y u s a g ee f f i c i e n c y , t h eg e n e r a lt e c h n i c a lc o n d i t i o n so fc h i n e s et h e r m a l p o w e r u n i t sa r en o ts a t i s f a c t o r ya n dt h ep o l l u t i o ng e n e r a t e df r o mc o a lc o m b u s t i o n i ss e r i o u s a tp r e s e n t t h eu | t r as u p e r e r i t i c a lc o a l - f i r e dp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y 6 j s c t ) ，a l le f f i c i e n te n e r g yu s a g et e c h n o l o g yi nt h ew o r l d ，i ss u p e r i o rt ot h e s u b e r i t i c a la n dc o n v e n t i o n a ls u p e r c r i t i c a lu n i t sr e g a r d i n go ft h ee n e r g yu s a g e e f f i c i e n c ya n dc 0 2 & s 0 2e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s c o m p a r e dw i t haw i d e l y c o m m e r c i a la p p l i c a t i o no ft h eu s c ti nt h ef o r e i g nc o u n t r i e s ，o u rc o u n t r yn o w s t i l lh a v et oi m p o r tt h et e c h n o l o g yf o rh o m em a n u f a c t u r e ，f a rb e h i n dt h e d e v e l o p m e n t so fo u rp o w e ri n d u s t r ya n dp o w e re q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n g b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep r o c e s s e s ，t r e n d sa n dl a t e s tp l a n so ft h ea d v a n c e d c o u n t r i e sd e v e l o p i n gt h eu s c t , t h ep r e s e n ts i t u a t i o ni sa n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h e d e s i g na n dp r o d u c t i o nc a p a b i l i t yo ft h ep o w e re q u i p m e n t sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , t h ef o u n d a t i o no ft h e r m a lp o w e rp l a n t sc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n , p r o d u c t i o n c a p a b i l i t yo fa u x i l i a r yd e v i c e sa n dl o c a l i z a t i o no fm a t e r i a l sa p p l i e dt ot h e r m a l p o w e ru n i t s i t i sc o n c l u d e dt h a tc h i n ah a sp o s s e s s e dt h ec o n d i t i o n sf o r d e v e l o p i n gt h eu s c t o nt h ew h o l e ，a n ds h o u l ds e l f - d e v e l o pa n dp a r t l yi n t r o d u c e t h et e c h n o l o g yo ft h eu s c t t h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rd e v e l o p i n gt h eu s c ti nc h i n aa r es u g g e s t e di nt h i s p a p e r , i n c l u d i n gu l t r as u p e r c r i t i c a lb o i l e r s ，t u r b i n e s ，l a r g ep o w e rg e n e r a t o r s ， t h e r m a lp o w e rp l a n t sc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o na n dc o n t r o lo ft h ep o l l u t i o n g e n e r a t e df r o mc o a lc o m b u s t i o n t h eg e n e r a ld i r e c t i o n a n dt h ea i m sf o rt h ef u t u r e w o r ka r ep r o v i d e d c o n s i d e r i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt e c h n i c a ll e v e l ，t h ep a p e rp r e s e n t st h e c o n c r e t et e c h n i c a lr o u t e ，t h ep r i n c i p a l sa n dp o l i c ys u g g e s t i o n sf o rt h eu s c t i n d u s t r i a l i z a t i o nj nc h i n a k e y w o r d s ： u l t r a s u p e r c r i t i c a l ；p u l v e r i z e d c o a l f i r e db o i l e r ；e n e r g y s a v i n g ；s t r a t e g yr e s e a r c h ；e q u i p m e n tm a n u f a c t u r e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 巧荡 日 期：0 7 9 - 3 月汐日 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 中国在实现现代化的进程中，面临人口、资源和环境的制约。能源作为 国民经济的基础，对社会、经济的发展，环境保护都至关重要，是我国可持 续发展战略中最重要的环节之一【“。 到2 0 0 2 年末，中国一次能源生产总量为1 3 9 ，0 0 0 万吨标准煤，其中原煤 占7 0 7 ，原油占1 7 2 ，天然气3 2 ，水电8 9 ，居世界第三位。能源消费总 量为1 4 8 ，0 0 0 万吨标准煤，其中煤炭6 6 1 ，石油2 3 4 ，天然气2 7 ，水电 7 8 。电力消费量为1 6 ，5 4 0 亿千瓦时，能源消费总量占世界第二。中国能源 生产和消费的总量虽高，但目前入均能源消耗量仅为美国的十分之一，日本 的五分之一，世界人均的二分之一【2 j 。 中国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一。煤烟型污染是影响 我国大气环境的首要因素，也是酸雨形成的主要原因。化石燃料开发与利用 产生的温室气体是造成了全球气候变化的主要原因之一，我国c 0 2 的排放量 仅次于美国居世界第二位【”。改善生态与环境是事关经济社会可持续发展和 人民生活质量提高的重大问题。开展区域大气环境污染的综合治理，开发温 室气体减排技术是我国创建环保型社会亟待解决的问题之一。 中国为实现在二十一世纪中叶达到中等发达国家的水平，必须在2 0 2 0 年 前g n p 年增长率保持5 5 ，2 0 2 0 - 2 0 5 0 年g n p 年均增长5 o 。预计人均能 源消费的年均增长率前2 0 年为4 0 ，后3 0 年为3 0 ；人均能源消费可从2 0 0 0 年的8 6 8 千克油当量人，增长到2 0 2 0 年的1 9 0 2 千克油当量从，和2 0 5 0 年的 4 6 1 6 千克油当量，人。 。 国家“十一五”规划重点领域、优先主题中都把能源列为首位，强调坚 持节能优先，降低能耗，走可持续发展的道路，因此，能源科学和技术重新 升温。为了提高一次能源利用效率，世界上许多国家积极开发效率更高、污 染物排放更少的洁净煤发电技术。这些技术主要有配有污染物排放控制技术 的超临界( s c ) 和超超临界( u s c ) 发电技术、常压循环流化床燃烧( c f b c ) 、 增压循环流化床联合循环( p f b c c c ) 以及整体煤气化联合循环( i g c c ) 等 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 l l ，为解决实际性的能源与环境问题开辟新的途径，为加速我国节能型社 会建设进程提供了技术保障。 因此，我国的能源发展只有依靠科技进步和创新，带动生产力质的飞跃， 既要从量上保证满足经济和生活的需要，又要从质上满足社会全面、协调、 可持续发展的宏观战略的要求。 当水蒸汽参数值大于临界状态点的参数值，则称其为超临界参数。发电 厂蒸汽动力装置中汽轮机比较典型的超临界参数为：2 4 1 m p a 5 3 8 c 5 6 6 c 1 6 t 。 1 9 7 9 年日本电源开发( j - p o w e r ) 提出超超临界蒸汽参数( u l t r as u p e r c r i t i c a l s t e a mc o n d i t i o n ) 的概念，简写为u s c ，也称为高效超临界或超级超i i 缶别7 】。 当水蒸汽参数值大于临界状态点的参数值，并进一步提高到一定数值时，则 进入了所谓的超超临界参数范围内。关于超超临界参数范围的概念，目前国 际上在发电行业领域尚无统一的标准和规定。日本将蒸汽压力大于2 4 2 m p a 、 或蒸汽温度达到5 9 3 。c ( 也有说超过5 6 6 ) 以上的工况定义为超超l 临界状态 1 8 】：丹麦认为蒸汽压力2 7 5 m p a 是超临界与超超l 临界的分界线嗍；s i e m e n s 的 观点是从使用材料的等级来区分超临界和超超幅界参数“”。在我国的电力百 科全书中写道：通常把蒸汽压力高于2 7 m p a 称为超超临界。 尽管目前关于超超临界参数的概念在世界上尚无统一标准，但多数国家、 多数大发电公司及多数著名动力设备制造企业对下列超超临界参数的概念比 较认同，即当某一机组的主蒸汽参数至少满足下列条件之一时，即认为该机 组属于超超临界机组： 1 主蒸汽压力大于等于2 7 m p a ； 2 主蒸汽压力大于等于2 4 m p a ，且蒸汽温度大于等于5 8 0 ( 主蒸汽温 度大于等于5 8 0 ，或和再热蒸汽温度大于等于5 8 0 c ) ； 超临乔和超超临界发电技术已经在许多国家有成功应用的业绩，取得了 显著的节能和减少污染排放的效果。 超超临界发电是有效利用能源的一项技术，其水蒸汽工质的压力、温度 均超过以往机组的参数，从而可以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 3 个百分点左右，而超超临界机组的效率可比超 临界机组提高2 4 个百分点左右。配有污染物排放控制技术的超超临界机组 在国际上已经是商业化的成熟的发电技术，在可用率、可靠性、运行灵活性 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 和机组寿命等方面和亚临界机组没有差别，而在能源利用效率以及c o ：、s 0 2 排放等方面明显优于亚临界机组和常规超临界机组“”。 我国在上世纪8 0 年代引进国外亚临界3 0 0 m w 、6 0 0 m w 机组的设计和制造 技术后，制造企业进行了相应的技术改造，设计、制造、运行能力有了很大 提高，目前已具备了再上一个技术台阶的条件。近十多年来，从国外引进了 大约1 1 2 0 0 m w 常规参数超临界机组，其中的1 0 5 0 0 m w 已经投入运行“”这些 机组的投运不仅在提高煤炭发电利用率和降低污染方面发挥了一定的作用， 而且为我国自主开发超临界机组积累了运行和检修方面的经验。剐刚完成试 运行的国外引进技术、国内制造的玉环电厂9 0 0 m w 超超临界机组和邹县电厂 1 0 0 0 m w 超超临界机组为我国自行研制、开发大型超超临界火力发电机组奠定 了基础。国家“十一五”8 6 3 计划中，由哈尔滨锅炉厂有限责任公司和大唐 国际发电公司牵头立项的1 0 0 0 m w 褐煤锅炉超超临界机组设计制造技术研究 已经开始了超超临界机组国有化设计制造的步伐。 1 2 我国火力发电现状分析 1 2 1 发电行业的现状综述 在“九五”期间，我国的电力工业取得了显著的成就，发电装机容量年 均增长8 ，发电装机容量达到3 1 9 亿千瓦，其中水电占2 4 9 9 6 ，火电占7 4 4 ， 发电量为1 3 6 8 5 亿千瓦时，使长期抑制国民经济发展的瓶颈问题得到缓解“”。 “十五”以来，电力工业继续保持快速发展势头，火电、水电和核电的装机 容量都有大幅度增长。根据国家统计局2 0 0 3 年“中国统计摘要”的统计数据， 2 0 0 2 年全国装机总容量达到3 5 6 5 7 万千瓦，全年发电量达到1 6 5 4 2 亿千瓦时， 其中火电占7 7 1 8 ，核电占1 2 2 ，水电占1 7 7 7 “”。在“十一五”期间， 全国用电需求量的年平均增长速度在6 以上，电力建设和电力生产形势依然 严峻，电力工业所面临的任务十分艰巨。 1 - 2 2 火电行业的现状分析 在火电技术方面，通过多年的技术创新和优化，我国发电设备制造行业 已经全面掌握了3 0 0 m w 、6 0 0 m w 亚临界机组的设计和制造技术，技术水平和制 造工艺已经接近或达到发达国家水平，火力发电机组开始从亚临界参数向参 数更高、容量更大的超临界机组过渡。 3 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 通过多年的努力，燃煤发电机组在污染物控制方面也有了长足的进步。 近年来，通过采用高效除尘装置，使常规火电机组的烟尘排放得到了有效的 控制，在发电装机容量逐年快速增长的同时，排放总量逐年下降。在燃煤s o 。 方面，我国采用引进技术和设备建立了一批烟气脱硫示范工程，并严格控制 燃煤含硫量，s 0 ：的排放总量已经得到了初步控制。对n o x 排放的控制，3 0 0 m w 及以上机组是在设计中应用低n o x 燃烧技术，同时采用该技术对现有1 0 0 3 0 0 m w 机组进行改造，取得了一定的效果“7 。”。 我国当前的能源结构以煤为主，而且这种局面在很长一段时间内不会改 变“”。提高燃煤机组的效率、降低污染物排放是燃煤发电技术的永恒主题， 更是当前火电机组升级换代的首要任务。按照我国电力发展规划，我国发电 装机容量到2 0 2 0 年将从目前的3 8 亿千瓦增加到9 亿千瓦以上啪1 ，因此迫切 需要在近3 5 年的对闻里应用新的燃煤发电设备来装备电力工业。新一代的 发电设备应该具有可靠、大型、高效、清洁、投资低等特点，能够代替现有 的3 0 0 m w 、6 0 0 姗亚临界机组，成为未来的主流机型。同时，要求国内设备制 造企业尽快具备设计生产能力，形成规模化生产和市场竞争能力。 但同时，火电行业也面临着诸多的问题和挑战。包括： 1 蒸汽参数等级比较低 我国火力发电机组目前的平均技术水平落后于发达国家。在2 亿多千瓦 的火电机组中，绝大多数是亚临界和超高压机组，超临界机组仅占到3 左右， 其中大部分是从俄罗斯进口的设备。 2 供电煤耗较高 我国2 0 0 0 年的平均供电煤耗为3 9 2 9 k w h ，比世界先进水平相差5 0 6 0 9 k w h ，相当于美国和英国7 0 年代的水平。近年来由于技术改进煤耗有所 下降，但是较先进国家水平仍然有很大差距。 3 调峰能力不足 由于我国火电机组的品种比较单一，尤其是燃煤的国产大机组都是按照 基本负荷设计的，因此机组的调峰性能较差，给电网的调峰造成很大的困难。 近年来我国用电结构发生变化，相当一部分电网调峰电源不足，系统调峰困 难。 4 洁净煤发电技术应用比例过低 4 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 大部分燃煤火电机组还远远不能达到日益严格的环保要求。目前我国 c f b c 技术的最大容量为1 3 5 唧，容量偏小，面临着大型化的问题。i g c c 和 p f b c - c c 等先进的联合循环发电技术处于研究和规划阶段，有诸多技术问题 有待解决。对于国外已经比较成熟的超临界和超超临界机组，目前还不具备 成套自行设计和制造的能力。 5 火电机组的环境现状不容乐观 燃煤发电是我国大气污染的主要因素之一，占全国8 7 的s 0 2 、7 1 的 c 0 2 、6 7 的n o x 和6 0 的粉尘都是由燃煤造成的。到2 0 0 3 年底，燃煤 电厂已投产脱硫装机容量约为8 0 0 0 m w ，投产以及在建的脱硫装机容量达到 2 0 0 0 0 m w 左右，但是仍然不能满足高速增长的燃煤机组装机容量的需要。 另外，有相当一部分火电机组所装设的除尘设备因运行问题，难以达到设计 效率而致粉尘排放超标。对于n o x 的排放主要是采用了低n o x 燃烧技术加 以控制，一般只能达到4 0 左右的脱硝效率，烟气脱硝装置的应用刚刚起步。 随着我国燃煤机组的大幅度增加，电力行业n o x 排放总量将成比例增长，有 资料表明，目前n o x 排放总量已经超过s 0 2 成为电力行业第一大酸性气体污 染物。 ， 1 3 我国洁净煤发电技术的现状分析 1 3 1 主要洁净煤发电技术的对比分析 目前国际上有代表性的洁净煤发电技术包括：配有污染物排放控制技术 的超超临界发电技术、循环流化床燃烧i c f b c ) 发电技术、增压流化床联合 循环发电技术( p f b c c c ) 、整体煤气化联合循环发电技术( i g c c ) 等。它 们在电力工业中占有的份额和地位，在很大程度上取决于机组效率、环保性 能、设备可靠性等。表i - 1 对几种洁净煤发电技术进行了技术经济比较- 3 0 l 。 从表1 1 中的比较可以看出： 1 效率 超超临界发电技术和i g c c 的效率相当，均超过4 3 ；i g c c 的效率高于 p f b c c c 。 2 容量 超超临界机组的单机容量可以达到1 0 0 0 m w 以上，与其它洁净煤发电技 5 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 术相比，更能满足电力工业对大容量机组的要求。 3 环保性能 燃煤发电技术中，i g c c 是在燃烧前完成净化，解决了s 如和n o x 等的排 放问题，目前来看具有最佳的环保性能；p f b c - c c 及c f b c 是在燃烧后及燃烧 中完成净化。超超临界发电技术则是通过达到更高的发电效率，采用高效的 烟气脱硫、低n o x 和除尘技术来降低污染物排放量，其环保性能可以达到优 于c f b c 和p f b c c c 的水平。 表1 1 几种洁净煤发电技术在现阶段的技术经济比较 洁净煤发效率容量环保性可靠技术成设备投 电技术 ( ) ( m w )能性熟程度 资电价 业绩 超翅 缶黔 污染剜自孜 4 3 - - 4 7 1 0 0 0优最高威熟 中等中等批量比 控皋啦术 循环黼基本初删 3 8 4 03 0 0较优 中等较侮躺 燃烧成熟量化 第僦 尚待大擞 流化肃l 拾 4 1 4 23 6 0 较优低次茼傲高 循环 成熟 a 整体| 擞 接近商 示河喻臣 4 3 4 5 3 0 0 最优低最高蹁少量触 联溯业化 运行 4 可靠性 i g c c 和p f b c - c c 由于系统复杂，可靠性最低，c f b c 居中，超超临界 机组的可靠性水平最高。 5 技术成熟度 c f b c 技术基本成熟。i g c c 和p f b c c c 的一些技术难点还有待解决， p f b c c c 目前还尚待成熟，i g c c 已经接近商业化水平。相比较而言， 超超l | 缶界发电技术具有很好的技术继承性，技术成熟。 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 6 设备投资电价 i g c c 和f f b c - - c c 的设备投资和电价都处于较高的水平。与其它洁净煤发 电技术相比，超超临界技术的设备投资和电价均处于中等水平。 7 业绩 c f b c 已初步可以批量化应用。p f b c - c c 的业绩极少。i g c c 尚处于示范阶 段，仅有少量机组商业运营。超超临界机组已经批量化、大规模的在电力工 业中应用。 由此可以看出，在上述洁净煤发电技术中，配有污染物排放控制技术的 超超临界机组在几种洁净煤发电技术中的发展历史最长、最具技术继承性、 技术成熟，是未来1 0 年到2 0 年内洁净煤发电技术的主流技术之一。 1 3 2 我国洁净煤发电技术的现状综述 我国在洁净煤发电技术领域起步较早，所从事的单项关键技术研究取得 了不少成果，但由于种种原因，在单元技术的系统集成和应用方面存在一些 问题，使工业性示范机组、以及产品的产业化和商业化应用难以实现，与世 界先进水平相比有较大差距。 目前我国还不具备自主设计和制造大型的洁净煤发电机组的能力，关键 设备和关键技术都需要引进。在建的3 个示范工程：四川白马电厂安姨的1 台3 0 0 娜等级c f b c 锅炉、大连台山电厂安装的2 套p 2 0 0 的p f b c - c c 机组和 烟台电厂安装的1 套3 0 0 4 0 0 m w 等级的i g c c 机组，都是世界上容量最大的 机组之一，但是技术上还存在许多不完善之处，可能会造成建设和试生产的 周期过长，影响投资效益。浙江玉环电厂和山东邹县电厂的国内首批百万 等级超超临界机组已经投入商业运行，阚山电厂2 x 6 0 0 m w 超超临界机组也在 建设之中。鼍。为了实现可持续发展战略，大力发展洁净煤发电技术是我国火 力发电行业的必由之路。 1 。循环流化床燃烧发电技术 我国自8 0 年代初，开始了循环流化床的研究工作，8 0 年代末我国开发 了多种小型循环流化床锅炉产品。9 0 年代，国内的大型锅炉制造企业开始了 循环流化床锅炉的大型化工作。各大锅炉厂通过与外商或国内研究单位的合 作，开发出了2 2 0 油、4 1 0 t h 循环流化床锅炉。目前，国家通过从国外采购 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 设备和技贸结合引进技术的方式，建设了四川白马电厂3 0 0 m w 循环流 化床示范电站，为我国发展大型循环流化床锅炉技术积累了宝贵的经验。 2 整体煤气化联合循环发电技术 i g c c 是目前世界上先进高效的燃煤发电方式之一，符合我国可持续发展 的战略。但是目前i g c c 发电成本较高，技术难点较多，国外也处在示范阶 段。我国i g c c 发电技术研发工作经历了约加年，在一些关键技术和设备方 面，例如煤气化炉、燃汽轮机等，与国外水平差距较大，利用i g c c 发电技 术的项目尚处于起步阶段j 。 3 增压流化床联合循环发电技术 我国自1 9 8 1 年开始研究p f b c - c c 发电技术，1 9 9 1 年开始在徐州贾汪电 厂建造1 5 m w 的工业试验电站，于2 0 0 1 年开展了试验研究工作。p f b c c c 发电技术在我国剐刚起步，有待进一步的研究工作。 4 超临界和超超临界发电技术 我国8 0 年代末开始从国外进口大容量超临界机组并先后顺利投运，9 0 年代中期国内企业开始引进超临界机组锅炉、汽轮机等设计制造技术，加快 了我国超临界发电技术发展的步伐。从a p i e v t 引进的2 x 9 0 0 m w 超临界 机组于2 0 0 3 年在上海外高桥电厂投入运行，这是我国迄今单机容量最大的燃 煤电站机组。 我国目前已经基本具备了6 0 0 m w 等级、蒸汽参数2 4 m p a 5 6 6 5 6 6 超 l f 缶界机组及1 0 0 0 m w 等级、蒸汽参数2 7 5 m p a 6 0 5 6 0 3 的超超临界机组 的自行制造能力。经过十几年的努力，发电设备制造业和火电行业积累了丰 富的超临界机组的设计制造和运行维护经验，相关的研究院所也对超临界机 组的关键技术进行了攻关，初步具备了超i 临界机组的研发能力 u l 。 鉴于我国电力市场的多样化需求，超超临界发电技术、i g c c 、c f b c 以 及p f b c c c 等洁净煤发电技术都会占有自己的一席之地。但是在未来2 0 3 d 年的时间内，火电技术的主流是最有条件在短时间内实现规模化生产、为 电力工业提供新一代装备的超超临界发电技术。 1 4 课题的主要研究内容 本论文的主要研究内容包括： 8 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 r i 1 1 1 国外超超临界发电技术的发展情况 分析了发达国家发展超超临分析界燃煤发电技术的发展过程、发展趋势 和最近的发展计划的基础。 2 我国发展超超临界燃煤发电技术的可行性 根据我国燃煤发电技术现有水平和研发箍力，结合火电行业、发电设备 制造业以及相关行业的现有基础，分析我国发展超超临界燃煤发电技术的可 行性。 3 我国发展超超临界燃煤发电技术的关键技术问题 根据现有技术水平确定了我国超超临界机组的主要技术参数和机组的结 构形式，提出目前发展超超临界燃煤发电技术需要研发的关键技术，包括： 超超临界锅炉、汽轮机以及与之相配套的大功率发电机、火电厂设计与运行 和燃煤污染物排放控制五个方葱。 4 我国发展超超临界燃煤发电的技术路线和发展战略 在分析了我国发展超超临界燃煤发电技术的可行性和关键技术的基础 上，提出总的发展战略，并规划具体的技术路线和推进产业化进程的政策建 议，为研究和应用超超临界燃煤发电技术，提供指导和参考。 9 哈尔滨丁程大学硕j ：学位论文 i l l 第2 章国外超超临界发电技术简介 超临界和超超临界火电技术经过几十年的发展，目前已经是世界上先进、 成熟和达到商业化规模应用的发电技术，在不少国家推广应用并取得了显著 的节能和降低污染的效果，到目前为止，在实际应用中机组的主蒸汽压力已 达到了3 1 m p a ，主蒸汽温度已达到了6 1 0 ，容量等级在3 0 0 1 3 0 0 m w 内 均有业绩f ”7 1 。配有污染物排放控制技术的大容量超临界和超超临界机组具 有显著的环保特性、良好的运行灵活性和负荷适应性，其效率和环保指标可 与1 6 c c 相媲美。实际的运行业绩表明，超超临界机组的运行可靠性指标已 经不低于亚临界机组。另外一个很重要的因素是，相对于其它洁净煤发电技 术( c f b c 、p f b c - c c 、1 ( 3 c c ) ，超超临界发电技术有良好的技术继承性。正 因为如此，超超临界发电技术越来越得到各国电力工业界的重视，发展的方 向是在保持其可用率、可靠性、运行灵活性和机组寿命等的同时，进一步提 高蒸汽参数，从而获得更高的效率和环保性能。 2 1 超超临界发电技术的发展历程 ， 机组蒸汽参数的提高和容量的增大，不仅与新材料的开发有关，而且与 设计技术和制造工艺的进步密不可分。世界上超临界和超超临界发电技术基 本上是同时开发的，其发展过程大致可以分成三个主要阶段： 第一个阶段大致从2 0 世纪5 0 年代到8 0 年代，主要以美国、德国、俄罗 斯和随后的日本等国为代表，他们发展该技术的起步参数就是超超临界参数。 美国p h i l o 电厂6 号机组于1 9 5 7 年投产，这是世界上第一台超超临界机组， 容量为1 2 5 m w ，蒸汽压力为3 1 m p a ，蒸汽温度为6 2 1 5 6 6 5 6 6 ，二次 中间再热。汽轮机由g e 公司生产，锅炉由b & w 公司制造。1 9 5 9 年，e d d y s t o n e 电厂撑l 机组投产，容量为3 2 5 m w ，蒸汽压力为3 4 3 m p a ，蒸汽温度为 6 4 9 c 5 6 5 5 6 5 ，二次中间再热机组，热耗率为8 6 3 0 k j k w h ，由原燃烧工 程公司( c e ) 和西屋公司( w e s t i n g h o t l s e ) 设计制造。但由于所采用的蒸汽 参数超越了当时材料技术的实际发展水平，导致了诸如机组运行可靠性较差 等问题的发生。在经历了初期过高的超超临界参数后，2 0 世纪6 0 年代后期 开始，超临界机组大规模发展时期所采用的参数均降低到常规超l 晦界参数。 1 0 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第二阶段从2 0 世纪踟年代至9 0 年代，由于材料技术的进步以及对电厂 水化学方面认识的深入，克服了早期超临界机组所遇到的问题。其间美国对 已投运的机组进行了优化及改造，大大提高了机组的经济性、可靠性和运行 灵活性，其可靠性和可用率指标已经达到甚至超过了相同容量的亚临界机组。 美国又将超临界技术转让给日本( g e 向东芝和日立，w e s t i n g h o u s e 向三菱转 让) 。这一时期，欧洲也在积极发展自己的技术，投运了一系列新的超临界和 超超临界参数机组，市场逐步转移到了欧洲及日本。 第三个阶段大致是从2 0 世纪9 0 年代开始的，这一时期国际上超超临界 机组迸入了快速发展的阶段，其背景原因是环保要求不断严格，同时新材料 的开发成功、机组结构设计的创新、工艺技术的进步和常规超临界技术的日 趋成熟，也为超超临界机组的规模化应用提供了必要条件。这个阶段的技术 特点主要以日本( 三菱、东芝、日立) 和欧洲( s i e m e n s 、a l s t o m ) 为代表： 即在保证机组高可靠性、商可用率的前提下采用更高的蒸汽温度和压力，主 要有以下两种不同的技术取向： 1 压力并不太高，多为2 5 m p a 左右，而蒸汽温度相对较高 主要以日本的技术发展为代表。这种方案可以降低造价、简化结构、增 加可靠性，主要是通过提高温度的手段来提高机组热效率。日本近期生产的 新机组，大多数机组的压力保持在2 5 m p a 左右，蒸汽温度均提高到了5 8 0 6 1 0 左右。 2 蒸汽压力和温度同时都取较高值( 2 8 3 0 m p a ，6 0 0 左右) 主要以欧洲的技术发展为代表。部分机组在采用高温的同时，压力也提 高到2 7 m p a 以上。压力的提高不仅关系到材料强度及结构设计，而且由于汽 轮机排汽湿度的原因，压力提高到某一等级后，必须采用更高的再热温度或 二次再热循环。近年来，除了丹麦两台二次再热机组外，提高压力的业绩主 要来源于1 9 9 8 年以后s i e m e n s 公司的产品。 无论哪种技术取向，决定机组容量的关键技术之一是低压缸的排汽能力， 它与进汽参数没有直接关系。为尽量减少汽缸数，大容量机组的发展更注重 大型低压缸的开发和应用。日本几家公司和s i e m e n s 、a l s t o m 等公司在大功 率机组中已经开始使用末级钛合金长叶片。 经过四十多年的不断完善和发展，超临界参数机组已进入了成熟和实用 1 1 哈尔滨工程大学硕七学位论文 阶段，具有更高参数的超超临界机组也已经成功地投入商业运行。目前发展 超超临界发电技术领先的国家主要是日本、德国和丹麦等，近期欧洲和日本 新投运的机组基本上都是超超临界机组。 2 2 超超临界发电技术在发达国家的发展概要 2 2 1 美国 美国是发展超临界发电技术最早的国家之一。美国早期的超临界机组发 展很快，当时多数超临界机组的容量为5 0 0 8 0 0 m w ，比同容量亚临界机组 早投运6 8 年。由于当时缺乏深入的分析研究和试验，采用了过高的蒸汽参 数，因而发生了诸如腐蚀、泄漏及高温高压部件损坏等较多的事故，不得不 降低参数运行。2 0 世纪6 0 年代核电站兴起后，要求火电机组即使是超临界 机组也要进行中间负荷和调峰运行，又进一步暴露了早期超临界机组存在的 词题。当时美国电力科学研究院( e p r i ) 及北美电力可靠性协会根据收集到 的资料曾作出亚临界机组的可用率比超临界机组高的结论，这一看法使用户 担心采用超临界机组在可靠性方面会面临较多的问题。在经过约1 0 年的订货 高潮后，到2 0 世纪7 0 年代中期跌入低谷。至2 0 世纪8 0 年代初美国的超临 界机组投运了约1 7 0 台，最小单机容量为1 2 5 m w ，最大单机容量达1 3 0 0 m w ( 1 9 7 2 年和1 9 7 3 年分别投运一台) 。 2 0 世纪8 0 年代前后，e p r i 针对当时燃料价格上涨、环保要求日益严格 的情况，结合早期超临界和超超临界机组设计和运行的经验及当时的技术水 平，按照超临界机组与亚临界机组同等的可靠性和运行特性的设计要求，对 机组蒸汽参数和容量等各方面进行了优化研究，得到的结论为：机组蒸汽参 数采用3 1 m p a ，5 6 6 5 9 3 ，二次中间再热，功率7 0 0 8 0 0 m w 为最佳方案， 但由于美国电力工业大力发展高效的燃气蒸汽联合循环电站而未能及时实 施。随着美国向日本的技术转让，促进了日本超临界发电技术的发展。从1 9 9 0 年前后开始，美国超临界机组的蒸汽参数又趋于提高。 2 2 2 日本 日本发展超临界技术采用引进、仿制、创新的技术路线p “1 i 。从引进机 组到自制机组只用了1 2 年时间，从亚临界到超临界，从3 0 0 m w 、6 0 0 m w 到1 0 0 0 m w ，每上一个台阶只用了3 4 年时间。 1 2 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 2 0 世纪6 0 年代日本制造业与欧美各公司进行技术合作，签定生产许可 证协议，同时各大电力公司相继引进大容量、高参数的机组作为先行机组， 并通过调查研究和可行性分析，确定超l 缶界机组作为火电发展方向。在引进 技术的同时注重开发研制，先仿制后国产化，为开发大型超超临界机组积累 了技术储备。1 9 6 7 年从美国引进第一台6 0 0 m w 超临界机组作为样机，投运 后在国内制造同型机组；后又从美国引进1 0 0 0 m w 超临界机组，也在国内制 造同型机组；随后从欧洲引进超临界滑压运行技术，使其超临界机组不仅具 有高效率，同时还具有与亚l | 缶界机组同样的安全可靠性与运行灵活性。至8 0 年代中期超临界机组容量占总装机容量5 0 左右，最大单机容量为1 0 5 0 m w 。 投运的机组参数一般为2 4 1 m p a 5 3 8 5 6 6 ，一次中间再热；少数机组采用 2 4 1 m p a 5 3 8 5 3 8 或2 4 1 m p a 5 3 8 5 5 2 5 6 6 ，二次中间再热。 随着材料工业的不断发展、机组设计和制造技术的日益完善，日本的超 临界机组取得了大量成功的经验和良好的运行业绩，使蒸汽参数得到进一步 提高。1 9 8 9 年日本川越电厂撑1 机组投运，参数为3 1 m p “5 6 6 5 6 6 5 6 6 ， 二次再热，机组容量为7 0 0 m w 。由于4 5 0 m w 以上的机组全部采用超临界参 数，超临界机组占总装机容量的绝大多数，使日本的供电煤耗居世界最低水 平，总体技术水平居世界领先。9 0 年代以后，相继投运了一批参数为 2 5 m p a 6 0 0 6 1 0 的超超临界机组，日本的超超临界发电技术正在向更高参 数发展。表2 - 1 是日本近期投运的超临界和超超临界机组，图2 - 1 是日本发 电机组蒸汽参数发展过程的示意图。 o m p 娟埘昭o p “o 删o 屯 y r 图2 1 日本发电机组蒸汽参数变化趋势及典型机组【3 9 1 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 表2 11 9 8 9 2 0 0 4 日本大功率超临界和超超临界机组的主要业绩 参数功率公司投运 周波转子电厂 纳佗m w( 汽帆锅炉)日期 3 蝼敬辎6 6 5 6 67 6 0单东缓j 啦驭 1 9 8 9 垮 3 1 , 5 6 6 5 俐5 6 6 7 0 06 0 苴 东蜮j i l 越忆1 9 9 0 ，6 烈“5 3 8 慢) 37 6 0 堕 三瓤碧南鹎1 9 昵，4 烈】能6 号9 36 5 0 盟 日立能1 也 1 9 9 4 ，1 2 孤】，5 6 6 学够5 0 0 6 0 堕 三势日立七尾太嗍1 9 鲐b 翻西爱鼢加0 05 0双东茏三菱原田】矾 1 9 9 7 7 2 4 西咖 1 0 0 06 0双= 荔璐 三隅射1 9 9 8 临 诅s | 镬q 姣q 1 0 d 05 0双 日立日立原自】也1 9 9 ，7 孔“5 6 6 璺b7 0 06 0 堕 日立皿缸七尾太函眩1 9 9 8 ，7 2 4 “5 9 马3如0 0 6 0双三势日立 松蒲忆1 9 9 9 厅 丝“5 6 6 鳗j 37 6 0 堕 东老目立四国电力2 。0 0 仃 2 5 衢0 。临1 01 q 5 06 0双东艺a 班田槲瓠 2 c 0 打 丝】学够5 9 9 7 0 0 6 0 j 邑 东茏三菱敦多睨2 0 0 叫1 0 2 5 5 ，6 1 0姗6 0双三势日立橘湾蛇2 0 0 班 2 5 5 0 0 ，6 1 06 0 05 0 篮福堋 玑珊12 0 0 西i 醢妊7 0 05 0 茁 日蜘占甜辫2 。0 拍 丛皑妇佑够1 0 0 06 0 盟 寿受砌碧南蚪2 0 0 l ，n 孤m 妇诌9 3 1 0 0 06 0 照 东猢碧酗 2 0 0 2 ，1 1 旎址醴坶9 37 0 06 0 盟 东惹互菱刳眈 加晒啊 强5 髑| 镬稻舳5 0双日囱日立 常陆日陋吼2 0 呲 2 a 5 | 枝q 耐的6 5 0 煎= 帮黠 眨墅粥2 c o 们 到b 5 9 例9 0 06 0双= 蒡磷 多荦醭并12 0 0 镐 强s | 强 s 1 0 d 0 6 0双三菱e 菱舞鹞￥1 2 0 1 0 8 1 4 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 2 2 3 俄罗斯( 包括前苏联) 七十多年来。俄罗斯( 前苏联) 在火力发电技术的研究开发上独立于其 它国家，走了一条自主研发的发展道路，其超临界机组的研制也主要立足于 国内，有其自己的特点。 前苏联在2 0 世纪4 0 年代末就建