超临界机组发展和现状

超临界燃煤发电机组,华北电力大学动力系李钧2011.8,参考文献,超超临界及亚临界参数锅炉，樊泉桂著，中国电力出版社，2007年。超超临界机组锅炉设备及系统，朱全利编，化学工业出版社，2008年。国产600MW超临界火力发电机组技术丛书-锅炉设备及系统，朱全利主编，中国电力出版社，2008年。600MW超临界火力发电机组技术问答丛书-锅炉运行技术问答，张磊，廉根宽编，化学工业出版社，2009年。超超临界火电机组丛书-锅炉设备与运行，张磊，李广华主编，中国电力出版社，2007年。超临界、超超临界燃煤发电技术，西安热工研究院编著，中国电力出版社，2008年。超超临界火电机组技术问答丛书-锅炉运行技术问答，张磊主编，中国电力出版社，2008年。,内容提要,超临界机组的发展和现状超临界机组参数确定及选型超临界机组水动力与传热特性超临界机组受热面布置超临界机组的金属材料超临界机组热力系统超临界锅炉启动和运行,一、超临界机组的发展和现状,1超临界机组概念2超临界机组特点3超临界机组发展现状4超临界机组发展前景,1超临界机组概念,1）热力发电厂,锅炉,汽轮发电机组,2）锅炉汽水和烟风流程,朗肯循环的TS图,绝热压缩过程：作为工质的凝结水用凝结水泵和给水泵将其从凝汽器打入锅炉省煤器内；定压吸热过程：水在省煤器内预热，然后进入炉膛水冷壁内，被加热汽化成饱和蒸汽，再进入过热器内过热变成过热蒸汽；绝热膨胀过程：从锅炉出来的过热蒸汽导入汽轮机中，在其中膨胀做功（汽轮机带动发电机转动发出电能）；定压放热过程：在汽轮机内作完功的乏汽，排入凝汽器内，在循环水的冷却下放出它的汽化潜热，定压凝结成饱和水；凝汽器内的凝结水重又通过凝结水泵和给水泵送入锅炉加热蒸发从而完成了循环。,3）超临界概念,水在省煤器内预热，然后进入炉膛水冷壁内，被加热汽化成饱和蒸汽，再进入过热器内过热变成过热蒸汽；,水在加热过程中存在一个状态点临界点低于临界点压力，从低温下的水加热到过热蒸汽的过程中要经过汽化过程，即经过水和水蒸汽共存的状态；而如果压力在临界压力或临界压力以上时，水在加热的过程中就没有汽水共存状态而直接从水转变为蒸汽。,超临界是一个热力学概念。对于水和水蒸气而言，压力超过临界压力22.129MPa的状态，即为超临界状态。水和水蒸气在临界压力22.129MPa对应的饱和温度为374.15。超临界机组即指蒸汽压力达到超临界状态的发电机组。即在临界压力以下，水可以由液态经过加热蒸发和过热过程，变为温度高于对应压力下的沸点温度，从而能满足汽轮机要求并推动汽轮机作功的过热蒸汽。而在临界压力以上，由水变为水蒸汽就没有沸腾过程了。虽然在不同压力和温度下水和水蒸汽的密度还在变化，但是在相同压力和温度下水和水蒸汽的密度相同。即水可以直接转变为水蒸汽，中间不需要经过饱和沸腾过程。,常规亚临界机组典型参数16.7MPa/538/538,发电效率38-39。常规超临界机组（conventionalsupercritical）主蒸汽压力为24MPa左右，主蒸汽和再热蒸汽温度为540-560；超临界机组典型参数24.1MPa/538/566,发电效率41-42。效率比亚临界机组高2。高效超临界（highefficiencysupercritical）或超超临界（ultra-supercritical）机组,主蒸汽压力为25-35MPa左右，主蒸汽和再热蒸汽温度为580以上；超超临界机组（玉环）26.25MPa/600/600,发电效率44.86。效率比亚临界机组高6左右。（超超临界是我国的一种划分，也称为优化的或高效的超临界参数，一般认为蒸汽压力大于25MPa，蒸汽温度高于580为超超临界状态。世界上尚未有统一的规范。在中国电力行业，蒸汽参数达到27MPa580600以上的高效超临界机组，属于超超临界机组。）,2超临界机组特点,1）最大优势：能够大幅度提高循环热效率，降低发电煤耗。亚临界机组（1617Mpa、538/538），净效率约为3738%，煤耗330350g；超临界机组（2428Mpa、538/538），净效率约为4041%，煤耗310320g；超超临界机组（30MPa以上566/566），净效率约为4446%，煤耗280300g。例如：中国亚临界机组的循环热效率为37，发电煤耗约为330-340g/(KWh)，丹麦的一台411MW纯凝汽式机组蒸汽参数为285bar/580/580/580，循环热效率达到47。发电煤耗约为255g/kw.h。石洞口、绥中、盘山等电厂的10台超临界机组发电煤耗约为320g/kw.h。一台1000MW级的超临界机组，一年就可以节约煤炭约70万t。,2）环保优势中国亚临界机组的循环热效率为37，与世界目前及未来先进水平的超临界机组发电技术相比，热效率相差10-18，多消耗燃料量25-30以上。即便采用最新的燃烧技术，污染物的总排放量也相应增加25-30以上，同时多消耗水资源6-10以上。,3）其它优势效率高，单机容量大，可靠性好，可调性好（无汽包）环保指标先进，造价低（锅炉高5，总投资高2-3%,但是供电效率高2%,四年就可抵消）。,4）需要提高金属材料的档次和金属部件的焊接工艺水平。超临界锅炉价格比亚临界高5左右，但是供电效率高，所以在东南部采用超临界比较有利。但是超临界机组高压蒸汽管、联箱、过热器管和水冷壁管都要符合蠕变强度的要求,我国主要依赖进口。日本从超临界到超超临界材料准备上进行了12年，从566到600又用了7年的时间，从材料到温度用了将近20年的时间。5）控制系统复杂无汽包、锅炉动态特性受扰动影响比汽包式锅炉大；有时会在亚临界压力范围内运行，由于亚-超临界区工质特性的巨大差异，使超临界机组呈现很强的非线性特性和变参数特性，远比常规的亚临界机组难于控制超临界机组蓄热量和蓄质量相对亚临界小，负荷调节的灵敏性好，可实现快速启停和调节负荷，但是对扰动响应快，反而更容易出现较大的热偏差。,6）整个系统设计经验、辅机配件、控制系统、制造、安装到工地焊接都没有经验。一面是高效应、一面是技术漏洞。超超临界技术对于制造厂没有问题，对发电厂来说，如机组启停、运行过程中的监控等都缺乏经验。我国没有核心技术。以哈尔滨锅炉厂为例。其亚临界项目和阿尔斯通合作，超临界项目和英巴合作，超超临界是和三菱合作。没有一个清晰的技术路线。,3超临界机组发展现状,目前全世界有大约600台超临界机组在运行。主要的工业国家十分注重发展超临界和超超临界机组。前苏联境内超临界机组数量及总容量居世界首位。在美国、德国、日本等国家也具有相当数量的超临界机组。,第一阶段（上世纪50-70年代）,以美国为核心，追求高压/双再的超超临界参数。1959年Eddystone电厂1#机组，容量为325MW，蒸汽压力为34.5MPa，蒸汽温度为649/566/566C（二次再热），热耗为8630kJ/kWh，汽轮机制造商美国WH公司，锅炉制造商美国CE公司。其打破了最大出力、最高压力、最高温度和最高效率的4项记录。1968年降参数（32.2MPa/610/560/560C）运行直至今，但至今仍是世界上蒸汽压力和温度较高的机组。早期的超超临界机组，更注重提高初压（30MPa或以上）,迫使采用二次再热。使结构与系统趋于复杂，运行控制难度更难，并忽视了当时技术水平和材料水平，使机组可用率不高。,第二阶段（上世纪80年代）,以材料技术发展为中心，超超临界机组处于调整期。锅炉和汽轮机材料性能大幅度提高，电厂水化学方面的认识更趋深入，美国对已投运的超临界机组进行大规模的优化和改造，形成了新的结构和新的设计方法，使可靠性和可用率指标达到甚至超过了相应的亚临界机组。其后，美国将超临界技术转让给日本，GE公司转让给东芝和日立公司，西屋公司转让给三菱公司。,第三阶段（上世纪90年代开始）,迎来了超超临界机组新一轮的发展阶段。主要原因是国际上环保要求日趋严格，新材料的开发成功，常规超临界技术的成熟。大规模发展超超临界机组的国家以日本、欧洲（德国、丹麦）为主要代表。日本以川越电厂31MPa/654/566/566超超临界为代表，开拓了一条从引进到自主开发，有步骤有计划的发展之路，成为当今超超临界技术领先国家。其值得我们认真学习。,前苏联,全世界近50的超临界机组在苏联，232台，提供约40的电力。机组容量300，500，800，1200MW。1963年投运第一台300MW超临界机组，现300MW以上机组全部采用超临界参数。特有技术包括超临界热电联产、燃用劣质高灰份煤技术。汽轮机末级叶片设计、直接接触式给水加热器、给水加氧处理等。但是效率低，控制系统比较落后，水处理技术不行。常规超临界参数压力为24.1MPa,温度为545/545基本形成四个容量等级，300MW（首台投运时间1963年），500MW（首台投运时间1968年），800MW（首台投运时间1968年），1200MW（首台投运时间1981年）。已有近200台（1200MW仅一台）超临界机组运行，占全国35%电力。,美国,是世界上发展超临界技术最早的国家之一。单机双轴最大容量为1300MW（9台），其中单机容量大于500MW的占70%上，其中800MW以上的机组107台，总量为170多台超临界机组。50年代开发第一代燃煤超临界机组，60年代第二代，70年代到高峰，80年代开始大幅度减少。起步早、发展快、装机容量大。但是早期发展出现大幅度变化。美国早期只生产了三台超超临界机组之后便停止生产。到80年代，又退回到超临界参数，大力发展常规超临界机组。目前，美国超临界机组在数量上居世界第二位，并拥有9台世界上最大的超临界机组，单机容量为1300MW.,日本,是世界上超临界机组技术最先进的国家，技术先进的主要体现是发电煤耗最低，可实现变压运行。日本目前正在研究发展超超临界机组技术的高强度耐热金属材料，井实现了采用垂直管屏内螺纹管水冷壁变压运行的新技术。日本1967年从美国引进第一台超临界600MW机组。将450MW以上机组全部采用超临界参数，占总装机容量的61。,其它国家,韩国采用标准化设计，90年代安装16台“标准的”500MW机组。欧洲大约有60台超临界机组运行，德国丹麦和英国。德国1956年29.3MPa/600117MW超临界机组投产，其参数已经是超超临界。80年代有16台。其的特点是超超临界机组的压力在（2528）MPa范围，温度有上升为580/600及600/600的趋势，但总的来说温度水平低于日本。,丹麦“多燃料概念”包括煤、天然气和生物质。蒸汽燃气联合循环系统。丹麦的超超临界机组追求技术上可能达到的最高效率而不太考虑成本。压力接近30MPa，温度为580/600或580/580/580，倾向于采用二次再热。机组多数为400MW供热机组，由于采用低温海水冷却循环（背压26kPa)等，其循环效率可达47%。开发了530MW,30.5MPa/582/600一次再热机组循环效率可达49%，成为迄今为止世界上热效率最高的火电机组。,在400MW1000MW的容量范围内均有成功业绩。已投运的大容量（700MW）机组的进汽压力均不大于27.5MPa，已应用的超超临界温度的先进水平是580610范围内，国外在这一温度下的材料技术已经基本成熟。采用二次再热的超超临界机组，除了早期美国的三台机组外，只有日本川越两台（1989年）和丹麦的机组。采用两次再热可使机组的热效率提高12%，但也造成了调温方式、受热面布置等的复杂性，成本明显提高。因此近五年来新投运机组基本上没有采用二次再热。目前世界上先进的超超临界机组效率已达到47%49%，背压的降低对机组效率的影响是不可忽视的，配置脱硫、脱硝的超临界燃煤机组是国际上目前应用最广泛的高效、减排CO2和低污染的发电技术。,中国,从20世纪80年代开始引进美国和俄罗斯的超临界机组，第一座超临界机组电厂是上海石洞口第二电厂引进的600MW超临界机组，1992年建成，南京热电厂、天津盘山电厂、内蒙古伊敏电厂、辽宁绥中电厂引进的300、500、800MW超临界机组已经投入运行。2004年第一个国产超临界河南沁北电厂2600MW，上海外高桥电厂2900MW、福建后石电厂2600MW、江苏常熟电厂2600MW、河南三门峡电厂2600MW等超临界机组相继建成并投入运行。浙江玉环电厂1000MW。电厂规划为4台，一期两台，2004年开工，2007和2008年投产。为国内效率最高、单机容量最大、最洁净的火电厂。蒸汽压力26.25MPa，蒸汽温度600，发电效率44.86。汽轮机引进德国西门子技术，超超临界、一次再热、变压、八级回热抽汽、单缸四排汽（1146mm末级叶片）、双背压、凝汽式；锅炉为日本三菱技术：超超临界、一次再热、变压、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢结构、全悬吊结构、垂直管圈型直流锅炉。,中国新一代超临界机组技术的主要特征,蒸汽压力为25-28MPa，蒸汽温度为540-604，机组发电功率为600MW、900MW、1000MW级，机组热效率为40-44，发电煤耗为300-275g(kWh)，单位时间的水资源节约6-10，污染物的排放量大幅度降低。,2005年完成国家“十五”863计划“超超临界燃煤发电技术”,该863课题主要成果有超超临界技术选型从技术可行性，设计制造模式，与国外合作，经济性分析提出选型结论。烟气净化选型建议高温部件冷加工工艺等。,4超临界机组发展前景,日本：不取太高的压力，而取相对较高的蒸汽温度。铁素体钢达到593，应用9-12Cr发展31.4MPa/593/593/593，发电效率达44.2%；欧洲：取较高的蒸汽压力和蒸汽温度，获得更高效率。其它：更大容量等级的超超临界机组开发，减少汽缸数，注重大型低压缸的开发，使用末级钛合金长叶片。,欧洲的“THERMIE”(兆)计划,“ADVANCED（“700”）PCPOWERPLANT”主要二个目标：使燃烧粉煤（PF）电厂的净效率由47%提高到55%（对于低的海水冷却水温度）或52%左右（对于内陆地区和冷却塔）；降低燃煤电站的造价。该项目从1998年开始，分为八个阶段，预期在2014年完成目标，届时示范电站建成运行，前后共计将历时17年的时间。重点内容：Ni基合金材料的研究，700时蠕变强度大于100MPa;700-750的条件下进行新材料试验，包括强度、蠕变特性