001 超临界超超临界发电技术的发展和.ppt

2020 3 15 1 超超临界燃煤发电技术的发展和现状朱宝田西安热工研究院超超临界发电技术研修班2010年4月 TPRI 2020 3 15 2 1背景1 1我国能源资源的特点我国煤炭资源丰富 资源储量为10210亿吨 经济可采储量为1892亿吨2009年我国一次能源生产26 0亿吨标煤原煤29 6亿吨原油1 89亿吨天然气760 8亿m3 2008 占能源总生产量的比例分别为77 12 3 TPRI 2020 3 15 3 TPRI 2020 3 15 4 世界一次能源消费 石油和天然气占63 我国一次能源消费 石油和天然气占22 我国是最大的煤炭生产国和消费国 一次能源消费以煤炭为主 约占75 煤电占总发电量的80 以上在今后相当长的时间内 在我国能源结构中煤炭仍将占据十分重要的位置 TPRI 2020 3 15 5 1 2我国电力技术现状2009年 发电装机容量8 74亿kW火电6 52亿kW 占74 60 水电1 97亿kW 占22 52 核电908万kW 占1 04 风电1623万kW 占1 86 6000kW以上机组 发电35965亿kWh火电29867亿kWh 占83 05 水电5127亿kWh 占17 177 核电700亿kWh 占2 34 风电269亿kWh 占0 90 供电煤耗率342g kWh 国际先进水平320g kWh TPRI 2020 3 15 6 发电用原煤14亿吨 占煤炭消费的56 到2020年装机容量将达到13 4亿kW 火电9 1亿kW 仍将占总装机容量的68 今后10年我国将新增火电机组2 6亿千瓦同时逐步淘汰国内2 32亿千瓦的250MW以下小机组超超临界机组将有约5亿千瓦的国内市场需求我国电力工业的发展有相当大的潜力和市场 TPRI 2020 3 15 7 至2009年底 在建和投运的1000MW超超临界机100余台 21台投运在建和投运的600MW级超临界 超超临界机组200余台 其中空冷机组约60台1000MW超超临界机组的供电煤耗293克 千瓦时 TPRI 2020 3 15 8 火电机组平均供电煤耗 g kWh 2008年我国火电装机容量构成 亿千瓦 2020 3 15 10 火电机组装机容量构成 至2009年6月30日 TPRI 2020 3 15 11 1 3我国电力工业面临的挑战大机组比重仍偏小 300MW以下燃煤机组占火电机组容量33 91 火电机组参数偏低 技术水平不够先进 高压 超高压 亚临界参数机组占70 以上供电煤耗率高 2009年为342g kWh 比世界先进水平高20g kWh TPRI 我国二氧化碳年排放总量快速上升目前已超过美国成为世界第一位2020年我国单位国内生产总值CO2排放要比2005年下降40 45 实现上述行动目标需要付出艰苦卓绝的努力 2020 3 15 13 超超临界发电技术的发展历程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600 以上 TPRI 2020 3 15 14 不同容量等级火电机组效率与煤耗的关系 单位 g kWh 1012 5 20303560100万千瓦机组 机组热效率 1KWh 3600kJ 标煤发热量 7x4 1868kJ g x标准煤耗 g 123 标准煤耗 g TPRI 2020 3 15 15 超超临界发电技术的发展历程超临界参数 22 115MPa 374 15 该点附近 水的液态和汽态密度趋于相同 蒸发热量也趋近于零 TPRI 2020 3 15 16 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 超超临界发电技术的发展历程超超临界参数 TPRI 2020 3 15 17 TPRI 2020 3 15 18 超超临界发电技术的发展历程第一阶段 从上个世纪五十年代开始美国Philo125MW机组31MPa 621 566 566 1957 Eddystone325MW机组34 3MPa 649 565 565 1959 俄罗斯Kashira超超临界机组30 6MPa 650 565 1966 TPRI 2020 3 15 19 超超临界发电技术的发展历程Eddystone电厂1 超超临界锅炉 发生奥氏体钢过热器管高温腐蚀 裂纹和焊接不良损坏及爆管 过热器出口集箱 主蒸汽管调节阀和截止阀出现疲劳裂纹1956年德国投运的超超临界机组 也出现奥氏体钢制部件损伤事故起步参数就是超超临界参数 由于电厂可靠性的问题 经历了初期超超临界参数后 60年代后期美国降低到超临界参数使蒸汽参数在24MPa 538 566 停留了20多年至80年代 参数基本稳定在超临界参数 TPRI 2020 3 15 20 超超临界发电技术的发展历程第二阶段 从八十年代初期开始由于材料技术的发展 及对电厂水化学方面认识的深入 解决了早期所遇到的可靠性问题形成了新的结构和新的设计方法 大大提高了机组的经济性 可靠性 运行灵活性已投运的机组的可靠性和可用率指标已经达到亚临界机组的水平日本引进了美国超临界技术 进行了一系列新的开发设计超临界机组的市场转移到了欧洲及日本 TPRI 2020 3 15 21 超超临界发电技术的发展历程第三阶段 九十年代进入新一轮的发展阶段国际上环保要求日益严格超超临界机组快速发展 在保证机组可靠性 可用率的前提下采用更高的蒸汽温度和压力新材料的开发成功和常规超临界技术的成熟为超超临界机组的发展提供了条件以日本 三菱 东芝 日立 欧洲 西门子 阿尔斯通 的技术为主2003年始 中国引进技术 制造 建设超超临界机组 TPRI 2020 3 15 22 2超超临界发电技术的发展历程已投入运行的超临界及以上参数的机组有600多台美国有170多台日本和欧洲各约60台俄罗斯及原东欧国家280余台超超临界参数的机组约有90台超超临界火力发电 有效利用能源的一项技术 其压力 温度均超过以往任何参数的机组 TPRI 2020 3 15 23 2超超临界发电技术的发展历程丹麦 追求高效率 压力比较高 30MPa 温度580 容量较小德国 主蒸汽压力 25 0 28 0 MPa 温度580 居多 再热温度 580 600 采用一次再热日本 提高温度 多为600 600 压力保持在25MPa TPRI 2020 3 15 24 TPRI 2020 3 15 25 TPRI 2020 3 15 26 TPRI 2020 3 15 27 2超超临界发电技术的发展历程温度 610 材料已基本成熟压力 已投运的大容量 700MW 机组的进汽压力不大于27 5MPa容量 400MW 1000MW的范围内均有业绩效率已达到47 可靠性与亚临界机组没有差别 TPRI 2020 3 15 28 发展初期走过弯路在研发耐高温新材料的支持下逐步提高蒸汽参数 压力 温度 尝试了二次再热机组向大容量发展结合热力气动技术和可靠性技术的发展效率逐步提高可靠性与亚临界机组相 TPRI 2020 3 15 29 3超超临界发电技术的现状欧洲 TPRI 2020 3 15 30 TPRI 2020 3 15 31 TPRI 2020 3 15 32 日本 TPRI 2020 3 15 33 日本 TPRI 2020 3 15 34 TokyoElectricPowerCo Hitachinaka Features 2 Importedvarietycoalcombustion Australia Indonesia SouthAfrica etc 61kindsofCoalGCV ADkJ kg 25 330 31 120InherentMoist 1 5 12 0Ash 2 0 16 5VolatileMatter 24 1 42 1FixedCarbon 43 0 59 9FuelRatio 1 0 2 4Sulphur 0 2 0 8Nitrogen 0 7 1 9HGI 40 78AshSofteningTemp C 1 200 1 600AshFusionTemp C 1 250 1 600 1 Advancedsteamcondition25 4MPa 604 C 602 C TPRI 2020 3 15 35 TOKYOELECTRICPWERCO HITACHINAKAPOWERSTATIONUNITNo 1 Gross1 000MW BoilerEfficiency HHV MinimumStableLoad LoadChangeRate 50 100 ECR Startuptime Hotstartafter8hr NOxemission BoilerOutlet 6 O2 UnburnedCarboninAsh Planned 89 66 300MW 30 ECR 3 min 180min 175ppm Lessthan5 2 870t h25 4MPa g 604 C602 CPulverizedCoalDecember2003 UnderCommissionTest Item SteamConditionMaximumSteamFlow MainSteamPressure MainSteamTemperature ReheatSteamTemperature Fuel CommercialOperation TPRI 2020 3 15 36 ELECTRICPOWERDEVELOPCO TACHIBANAWANPOWERSTATIONUNITNo 2 Gross1 050MW 3 000t h25 9MPa g 605 C613 CPulverizedCoalDecember2000 BoilerEfficiency HHV MinimumStableLoad LoadChangeRate 50 100 ECR Startuptime Hotstartafter8hr NOxemission BoilerOutlet 6 O2 UnburnedCarboninAsh Planned Actual 89 63 315MW 30 ECR 4 min 135min 150ppm 4 91 16 305MW 29 ECR 4 min 122min 136 152ppm 3 1 BlairAthol Australia BlairAthol Australia Item SteamConditionMaximumSteamFlow MainSteamPressure MainSteamTemperature ReheatSteamTemperature Fuel CommercialOperation TPRI 2020 3 15 37 用户 电源开发开始运行 2000年6月机组 双轴四排汽再热机组CC4F 48 出力 1050MW主蒸汽 25 1MPa600 再热蒸汽 610 转速 3600rpm 1800rpm 橘湾 1电站 1000MW超超临界机组 TPRI 2020 3 15 38 用户 日本东北电力公司开始运行 1997年7月汽轮机 双轴四排汽再热机组CC4F 41 出力 1000MW主蒸汽 24 6MPa566 再热蒸汽 593 转速 3000rpm 1500rpm 1000MW超临界机组 原町 1电站 TPRI 2020 3 15 39 用户 日本中部电力公司开始运行 2001年11月 4 2002年11月 5 机组 单轴四排汽再热机组TC4F 40 出力 1000MW主蒸汽 24 2MPa566 再热蒸汽 593 转速 3600rpm 碧南 4 5电站 1000MW超临界机组 TPRI 2020 3 15 40 TPRI 2020 3 15 41 美国单机容量1300MW超临界机组 TPRI 2020 3 15 42 国外制造厂欧洲ALSTOM西门子日本三菱重工日立东芝美国俄罗斯 TPRI 2020 3 15 43 ALSTOM TPRI 2020 3 15 44 图3 2高压缸 阀门的布置 图3 3高压缸纵剖面图 典型 图3 5中压缸的剖面图 TPRI 2020 3 15 45 西门子 TPRI 2020 3 15 46 三菱重工 TPRI 2020 3 15 47 三隅电厂1000MW锅炉 TPRI 2020 3 15 48 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 欧洲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 主蒸汽压力为 25 28 MPa 主蒸汽温度为580 居多 再热蒸汽温度为 580 600 日本主要是提高机组的蒸汽温度 而蒸汽压力基本保持在25MPa TPRI 2020 3 15 49 主要结构特点 锅炉布置型式按各公司传统 有 型布置及半塔型布置燃烧方式按各公司传统 有切圆燃烧和对冲燃烧日本IHI 日立公司超超临界 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为单炉膛或双炉膛燃烧方式欧洲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 还有双切园燃烧和八角单切园燃烧 TPRI 2020 3 15 50 水冷壁型式为垂直管屏和螺旋管圈二种型式美国早期为垂直管屏欧洲为螺管圈日本除三菱公司开发了内螺纹垂直管屏外 其余采用螺旋管圈国外已投运的1000MW级超超临界机组以双轴机组居多 但随着汽轮机末级长叶片的开发应用 大容量单轴机组已成为发展的趋势 TPRI 2020 3 15 51 国际上高参数超超临界机组 1 2020 3 15 52 国际上高参数超超临界机组 2 2020 3 15 53 4超超临界发电技术的发展计划日本日本电力在通商产业省支持下 得到50 的补助金 组织超超临界技术的开发第一阶段目标 第一步 用铁素体钢达到593 第二步 用奥氏体钢达到649 第二阶段目标 用新型铁素体钢达到630 TPRI 2020 3 15 54 4超超临界发电技术的发展计划欧洲COST501计划 开发9 12 Cr钢材系列用于28 5MPa 580 580 580 试制30MPa 580 600 机组的材料欧洲COST522计划 开发铁素体钢用于30MPa 620 650 机组的材料 TPRI 2020 3 15 55 4超超临界发电技术的发展计划COST501 COST5229 12 Cr钢将用于制造参数为610 30MPa的设备 其温度参数有望提高到630 今后将把COST522的铁素体 马氏体钢种用于650 火力发电设备 TPRI 2020 3 15 56 欧共体 Thermie700计划 参数 37 5MPa 700 700 效率 52 55 海水冷却55 内陆地区和冷却塔52 排放 CO2排放降低15 投资 降低预期在2014年完成 4超超临界发电技术的发展计划 TPRI 2020 3 15 57 TPRI 2020 3 15 58 TPRI 2020 3 15 59 TPRI 2020 3 15 60 700 760 机组材料的发展 TPRI 2020 3 15 61 700 机组要重点解决的材料问题 镍基合金在新的服役条件下的性能的研究和验证镍基合金可加工性能需要重新评估和改善最大限度地减少镍基合金的使用 TPRI 2020 3 15 62 TPRI 2020 3 15 63 高温合金的使用范围 末级过热器和再热器 SANICRO25 740末级联箱 蒸汽管道 C263 617汽轮机阀门 汽缸进汽部分以及转子 617和625叶片和紧固件材料 Waspalloy TPRI 2020 3 15 64 欧洲AD700计划中的材料供应商 汽轮机阀和缸体 Goodwinsteelcastings 英国 VoestAlpine 奥地利 转子 Saarschmiede Boehler 叶片和紧固件 Aubert高温管道Alloys263 SpecialMetals 美国 Alloy617 V M Saarschmiede或Foroni锅炉管Sanicro250 SandvikHR3C Super304H HR6W 住友金属 310N DMVAlloy617 DVMAlloy740 SpecialMetals TPRI 2020 3 15 65 TPRI 2020 3 15 66 2006年10月 德国E ON公司宣布将建造蒸汽温度为700 的示范电厂机组容量500MW左右厂址Wilhelmshaven电厂设计将于2008年底结束 最早于2010年开始建设 2014年投入运行E ON为此投资10亿欧元 TPRI 2020 3 15 67 4超超临界发电技术的发展计划美国能源部超超临界高温高强度合金材料研究项目实现运行于760 的合金材料的生产 加工和涂层工艺等发展目标 参数40MPa 760 760 电厂净效率52 55 LHV TPRI 2020 3 15 68 5我国超超临界电厂1992年 中国首台600MW超临界机组 参数24 2MPa 538 566 在华能石洞口二厂投入商业运行2004年 中国首台国产化600MW超临界机组 参数24 2MPa 566 566 在华能沁北电厂投入商业运行 TPRI 2020 3 15 69 2007年8月 中国首台600MW超超临界机组 参数25 0MPa 600 600 保证热耗率7424kJ kWh 在华能营口电厂投入商业运行 TPRI 2020 3 15 70 2006年11月 中国首台1000MW超超临界机组 参数26 25MPa 600 600 华能玉环电厂投入商业运行2006年12月 华电邹县电厂1000MW超超临界机组 参数25 0MPa 600 600 投入商业运行2008年 月 国电泰州电厂1000MW超超临界机组 参数25 0MPa 600 600 投入商业运行至2009年12月 共21台1000MW超超临界机组投入商业运行 TPRI 2020 3 15 71 华能玉环1000MW超超临界机组2003年11月签订主设备订货合同2004年6月开工建设2006年11月28日投运汽轮机 引进西门子技术 上汽成套供货锅炉 引进三菱技术 哈锅成套供货 TPRI 2020 3 15 72 YuhuanPowerPlant1000MWUSCUnit TPRI 2020 3 15 73 YuhuanPowerPlant1000MWUSCUnit TPRI 2020 3 15 74 玉环1000MWUSCunit西安热工研究院对机组性能测试结果 锅炉效率93 88 汽轮机热耗率7295 8kJ kWh额定负荷发电煤耗270 6g kWh 供电煤耗283 2g kWh机组热效率45 4 NOX排放270mg Nm3SO2排放17 6mg Nm3 各项技术性能指标均达到设计值 TPRI 2020 3 15 75 邹县Zouxian1000MWUSCunit保证热耗率7354kJ kWhGuaranteedheatrate7354kJ kWh TPRI 2020 3 15 76 邹县1000MW超超临界机组山东电研院对机组性能测试结果 汽轮机铭牌出力 TRL 1006 8MW汽轮机最大连续出力 TMCR 1057 1MW汽轮机热耗率7330 94kJ kWh锅炉效率94 43 额定负荷发电煤耗270 09g kWh 供电煤耗 不含脱硫 282 28g kWh机组热效率45 54 NOX排放299mg Nm3 SO2排放47mg Nm3 烟尘排放浓度31 7mg Nm3 各项技术性能指标均达到设计值 TPRI 外高桥三期7号1000MW超超临界机组西安热工研究院对机组性能测试结果 汽轮机热耗率7298kJ kWh2008年运行供电煤耗287 44g kWh 2020 3 15 78 TPRI 2020 3 15 79 TPRI 2020 3 15 80 目前国外共有10台1000MW超超临界机组运行 日本9台 德国1台 我国1000MW超超临界是单轴机组 压力比日本高 温度比德国高 是当今国际上容量最大 参数最高 同比效率最高的超超临界机组 其总体技术水平居国际前列 TPRI 2020 3 15 81 6我国超超临界发电技术的研发国家发改委 九五 600MW超临界火电机组研制 大型超临界汽轮机研制大型超临界锅炉研制辅机设备研制超临界机组系统优化及提高运行性能的研究超临界机组材料和铸锻件国产化超临界火电机组自控系统和关键仪表研制超超临界机组预可行性研究 TPRI 2020 3 15 82 国家863计划 超超临界燃煤发电技术 国家电力公司和华能集团牵头 三大动力集团 西安热工院 华东电力设计院等共同完成研发工作依托工程 华能玉环1000MW超超临界工程子课题1超超临界发电机组技术选型研究子课题2超超临界锅炉关键技术研究子课题3超超临界汽轮机关键技术研究子课题4烟气净化技术研究子课题5超超临界机组电站设计与运行技术研究 TPRI 2020 3 15 83 TPRI 2020 3 15 84 1 超超临界发电机组技术选型研究再热次数 一次再热参数 25MPa 28MPa 600 600 超超临界对材料的要求容量 600MW 1000MW锅炉主要结构形式汽轮机主要结构形式 TPRI 2020 3 15 85 2 超超临界锅炉关键技术传热与水动力特性研究1000MW超超临界锅炉总体设计集成技术1000MW超超临界锅炉设计 型螺旋管圈锅炉 型垂直管圈锅炉 塔式螺旋管圈锅炉耐热新钢种材料性能和应用研究耐热钢管的加工 焊接及热处理工艺 TPRI 2020 3 15 86 布置垂直管圈锅炉 typeverticaltubecircleboiler TPRI 2020 3 15 87 布置螺旋管圈锅炉 typespiraltubecircleboiler TPRI 2020 3 15 88 塔式布置螺旋管圈锅炉Tower typespiraltubecircleboiler TPRI 2020 3 15 89 3 超超临界汽轮机关键技术1000MW超超临界汽轮机设计集成技术1000MW超超临界汽轮机可靠性研究1200mm末级叶片研发耐热钢的加工及热处理工艺 TPRI 2020 3 15 90 TPRI 2020 3 15 91 4 超超临界机组电站设计技术研究1000MW超超临界机组电站设计规范主蒸汽管道 再热热段 冷段管道 给水管道材质的选择与设计电站主要工艺系统电站辅机选型配置 TPRI 2020 3 15 92 5 超超临界机组运行技术研究变负荷运行和优化运行技术调峰运行方式水汽化学运行与控制方式 6 烟气净化技术研究大型燃煤电站烟气脱硝技术 SCR 的研发超超临界燃煤发电烟气脱硝系统设计 TPRI 2020 3 15 93 7我国超超临界发电设备制造业2003年 中国引进国际上已有的先进和成熟的超超临界技术 消化吸收再创新 达到国产化的目标东方锅炉厂 日立技术 哈尔滨锅炉厂 三井巴布可科技术 三菱技术 上海锅炉厂 CE技术 阿尔斯通技术 东方汽轮机厂 日立技术 哈尔滨汽轮机厂 三菱技术 东芝技术 上海汽轮机厂 西门子技术 TPRI 2020 3 15 94 东锅1000MW超超临界锅炉 型炉前后墙对冲燃烧方式内螺纹管螺旋管圈水冷壁 TPRI 2020 3 15 95 哈锅1000MW超超临界锅炉 型布置单炉膛反向双切园燃烧方式低NOx分级送风燃烧系统内螺纹管垂直上升膜式水冷壁 入口装设节流孔圈 TPRI 2020 3 15 96 上锅1000MW超超临界锅炉 型 塔式单炉膛双切圆 单切圆燃烧方式平衡通风固态排渣螺旋管水冷壁 垂直管水冷壁 TPRI 2020 3 15 97 东汽1000MW超超临界汽轮机单轴四缸四排汽43英寸 1092mm 末级叶片 TPRI 2020 3 15 98 哈汽1000MW超超临界汽轮机单轴四缸四排汽48英寸 1219mm 末级叶片 TPRI 2020 3 15 99 上汽1000MW超超临界汽轮机单轴四缸四排汽圆筒型高压缸 补汽调节阀1146mm末级叶片 TPRI 2020 3 15 100 运行经济性超超临界1000MW机组按H项目投标数据 背压5 7kPa 超超临界660MW机组 600MW机组按F项目投标数据 背压5 6kPa TPRI 2020 3 15 101 图4 4A B C厂超超临界1000MW机组热耗率随负荷的变化 TPRI 2020 3 15 102 图4 5A B C厂超超临界660MW机组热耗率随负荷的变化 TPRI 2020 3 15 103 图4 6A B C厂超超临界600MW机组热耗率随负荷的变化 TPRI 2020 3 15 104 加权热耗率为比较机组在实际运行条件下的热耗率 按加权热耗率来