－超超临界机组参数与容量的选择－

1、.超超临界机组参数与容量的选择李殿成，叶东平（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江省哈尔滨150046）摘 要: 结合国外超超临界机组发展情况，通过对不同压力温度的方案计算和材料比较，建议目前我国超超临界机组宜采用25MPa，主蒸汽温度600，一次中间再热温度600参数。百万等级机组可以采用单轴，四缸四排汽1000MW。600700MW机组应该成为我国超超临界的主力机组。关键词：超超临界；汽轮机；蒸汽参数；容量 0 前言随着国民经济的持续增长，电力的需求也在不断增加。我国以煤电为主，采用超临界和超超临界参数机组，提高燃煤机组的效率，实现节能降耗、减少CO2和NOx排放，是我国今后的发展方向。研制

2、超超临界机组的科研课题已经列入了国家863计划。作者参加了课题的研究和几台高效超临界机组的投标工作。本文根据课题报告，对超超临界机组的参数和容量选择做一阐述。1 国外超临界和超超临界技术的发展现状和发展趋势世界上最早的大型超超临界机组是美国1958年12月投运的Eddystone电厂的#1机组，功率为325MW，参数为34MPa/649/566/566，汽轮机由西屋公司制造，双轴、双排汽。由于在发展初期选用了过高的蒸汽参数，超越了当时材料应用技术的发展水平，导致了机组可靠性差、事故频繁、成熟期过长。经过了反复后，参数降低到24.1MPa，538/566水平。这个参数一直到80年代。从70年代起

3、，美国将超临界技术分别转让给日本和欧洲，同时，美国也在不断改进和完善超临界技术，使超临界机组可靠性问题得到解决。90年代以来，由于环保和节能的需要，超超临界参数机组又进入了一个新的发展时期。采用更高温度和压力是目前超超临界机组发展的主要特点。从投运的超超临界机组来看，压力在24.125MPa居多，提高温度一般按27.78（50）一档增加，相当于538（1000），566（1050），593（1100）。按593材料的高温性能，也出现了600/610参数的机组。还有部分机组采用了27.6MPa（4000Psi），31MPa（4500Psi）和34.5MPa（5000Psi）的压力。提高压力不仅增

4、加汽轮机进汽部分的重量，减少启动的灵活性，还使排汽湿度增加。因此，提高压力还必须相应提高温度或采用二次再热。采用二次再热，在同等参数下热效率可以提高约1.3个百分点。但由于多一套再热系统，增加了锅炉和汽轮机的难度，电厂管道也变得复杂，投资将增加10%15%，运行也变得较为复杂，因此，除了1989年和1990年在日本川越电厂投运的两台700MW机组以及丹麦1998年投运的两台415MW机组采用二次中间再热外，近十余年来投运的大多数都是一次再热机组。据不完全统计，在近十年来投运的机组中，主蒸汽压力、温度和再热蒸汽温度中任何一个参数超过25MPa，566/566的机组共有31台（东芝12台，三菱7台

5、，日立6台，阿尔斯通原ABB 2台，西门子4台）。发展超超临界火电机组技术一直是国内技术界所关心的热点。我国现在开始发展国产超临界机组，已经晚于发达国家3040年，国外目前超超临界机组也已投入商业运行。我国有条件在较高的基础上,把近期目标定在当前国际水平上。在开发和研制超临界机组，特别是结合沁北首台超临界600MW机组的基础上，尽快跨入发展超超临界机组的阶段，充分利用当今国际最新的科技成果，借鉴国外的先进经验，缩短我国从超临界参数到超超临界参数的过渡，实现技术上的跨越。2 高效超临界机组参数选择纵观国外超临界发展的历史，既有成功的经验，也有失败的教训。经过长期实践掌握了一套比较完整的技术，在材

6、料技术、可靠性等方面有了深入的研究。通过研究国外超临界机组的发展过程，不难得出以下一些特点：1) 蒸汽参数在提高的过程中，总是首先提高再热温度，再考虑提高主蒸汽温度和压力；2) 对于超超临界机组，在参数和循环形式上，大多数厂家最初都采用了较高的主汽压力并采用两次中间再热。随着材料技术的不断完善，后出现的机组纷纷提高温度、降低主汽压力并采用一次再热循环，这一特点在日本尤其突出。3) 对于1000MW等级的超临界和超超临界汽轮机，绝大多数都采用双轴布置，但随着近年来参数的不断提高、更长叶片的开发、叶片和转子材料的改进，单轴形式越来越成为新的发展趋势，日本东芝公司分别在2001和2002年投运两台1

7、000MW单轴机组，标志着大功率1000MW汽轮机正式由双轴向单轴的跨越。在发电循环中，常规亚临界循环的典型参数16.7MPa/538/538。超临界循环典型参数为24.2MPa/538/566和24.2/566/566。超超临界参数实际上是超临界参数向更高压力和更高温度提高的过程。通常认为超超临界参数是指压力达到24.235.1MPa,温度达到570649 或者更高。日本的观点认为，机组任何温度超过566 或者压力超过24.2MPa均被认为是超超临界参数。2.1进汽参数对经济性的影响表1和表2列出了主蒸汽压力与汽轮机热耗和循环热效率计算相对差值。从表1中可以看出，对于同一种主蒸汽温度（580

8、）和再热温度（600），压力由25MPa升高到28MPa，汽轮机循环效率相对提高0.56个百分点。主蒸汽压力再增加3MPa，效率继续增加0.49个百分点，增幅有减小的趋势。从表2中可以看出，在主蒸汽温度600下，主蒸汽压力升高影响效率值与主蒸汽温度580时基本相同。表3是对应三组压力情况下的不同主蒸汽温度的比较。可以看出，主蒸汽温度从580提高到600，热耗约降低40kJ/kWh，汽轮机效率提高0.540.58个百分点。从压力比较和温度比较来看，主蒸汽温度提高20，与主蒸汽压力提高3MPa对汽轮机热耗降低或循环热效率的影响是相同的。表1 主蒸汽压力比较（580/600）压力温度再热温度汽轮机热

9、耗差汽轮机热耗降低相对值汽轮机循环热效率相对提高值kJ/kWh%2558060000028580600-41.2-0.560.5631580600-77.7-1.051.05表2 主蒸汽压力比较（600/600）压力温度再热温度汽轮机热耗差汽轮机热耗降低相对值汽轮机循环热效率相对提高值kJ/kWh%2560060000028600600-42-0.5710.5731600600-80-1.081.10表3 主蒸汽温度比较压力温度再热温度汽轮机热耗差汽轮机热耗降低相对值汽轮机循环热效率相对提高值MPakJ/kWh%255806000025600600-40.2-40.20.54285806000

10、0028600600-41-410.563158060000031600600-42.5-42.50.58值得指出的是，上述计算结果是基于对汽轮机通流效率的估算而计算的，不考虑汽轮机具体结构影响。事实上，参数提高必然引起结构上的变化，对经济性产生影响。如压力升高，高压缸叶片需要缩短，围带漏汽所占比例增加，叶片的二次流损失也同时增加等。在某600MW超超临界机组投标过程中，汽轮机进汽参数由25MPa变为28MPa时，热耗改善仅有0.38% 。无论是提高主蒸汽温度还是提高主蒸汽压力，都可以提高汽轮机循环热效率。提高蒸汽参数主要受材料的影响。事实上，参数每提高一步，都与材料技术进步息息相关。选择蒸汽

11、参数，不仅要看机组的经济性，更要比较设备的价格和整个电站的可靠性。2.2 不同参数对汽轮机成本价格的影响超超临界汽轮机选材主要取决于温度，国外特别是日本在材料研究方面有很大投入，发展很快。适用于600主蒸汽温度的材料已经相当成熟。正在研制650 的奥氏体和630 的铁素体材料。主蒸汽温度580 和600 ，汽轮机使用的材料基本相同，所以，价格基本相同。主蒸汽压力25MPa、28MPa和31MPa，对主汽调节阀门、高压缸进汽部分金属重量有一定影响。为保证汽缸、阀门应力水平不变，需要增加阀壳、进汽管和喷嘴室等部件的壁厚。增加量可以简单地认为与部件承受的压差成正比。但这部分重量在整个汽轮机中所占比例

12、较小，因此材料的增加对总价影响较小。主蒸汽压力增加3MPa，需要对高压缸进行调整。汽轮机部分成本增加约为2%。加上锅炉、高压给水加热器、给水管道和高压旁路系统增加的投资，主蒸汽参数为28MPa时，设备（锅炉和汽轮机）总投资约增加3.54% 。2.3 对参数的推荐意见如前所述，主蒸汽温度600 的百万等级汽轮机有多台投入商业运行，技术已经成熟。为保证机组的可靠性，我国前几台超超临界机组都采用了国外技术支持、国外设计或中外联合设计和分包生产形式，部分关键部件还进口。因此，从目前国外成熟的600 进汽温度退回到580 已经没有必要。高温关键部件采用进口，可以基本保证可靠性指标与国外相同。经过几年运行

13、，我们能够逐渐掌握超超临界设计制造技术，开发高温材料，实现超超临界机组国产化。蒸汽压力提高，可以提高机组经济性。从25MPa到28MPa,汽轮机总价约增加2%。国外有运行业绩的25MPa机组较多。如果选用28MPa参数，由于进汽部分壁厚增加，机组启动时间会延长。另外，锅炉成本会增加较大。对于600MW的等级机组或双流高压缸设计形式的1000MW的等级机组，如果提高主蒸汽压力，蒸汽比容减小，高压缸叶片高度降低，增加了二次流损失，降低了高压缸效率，会抵消一部分压力升高带来的效益。结合西方发达国家目前的发展状况及发展趋势，综合考虑他们在设计方法、运行经验、材料技术等方面取得的成果以及能够被我们所掌握

14、和应用的程度，充分考虑我国超超临界起步机组的先进性和经济性，并结合我国的实际情况，选择超超临界机组的蒸汽参数为25.0MPa/600/600是合适的。3 机组容量大功率超超临界汽轮机的的容量主要受排汽面积的制约。增加低压排汽总面积方面，首先是增加低压缸个数，但低压缸个数不是可任意增加的。一般来说，汽轮机单侧连续排列的排汽口个数不超过6个为佳（3个双流低压缸）。因为多于6个排汽口后，要解决汽轮机转子与静子间的互相热膨胀将会有很大困难。如功率更大的机组需采用6个以上低压排汽口时可考虑低压排汽口对称布置在高、中压缸两侧的方案。利用典型的通用排汽口，用改变排汽口数量的方法即可搭配成功率不同的汽轮机机组

15、，原苏联超临界压力的300、500、800MW汽轮机就是分别采用了3个、4个和6个排汽口。增大排汽总面积的另外出路就是增高叶片长度及其根径。从汽轮机的发展来看，长叶片的开发研制与冶金工业的水平、气动力学、强度振动理论发展的水平密切相关。结合哈汽公司现有亚临界600MW机组低压缸积木块、1000mm末级叶片和三缸四排汽超临界600MW机组的设计经验，考虑国外现有的末级长叶片，我们比较了几个方案。不同背压下的末级叶片长度与功率的关系见表4。如果利用现有的1000mm叶片低压模块，采用四缸四排汽结构，在正常背压下功率可达750MW左右。如果功率达到百万等级，需要增加汽轮机低压缸数。机组设计成五缸六排

16、汽的形式，在常规背压4.9kPa时，出力将在1100MW左右。如果采用国外公司48吋（1220mm）末级长叶片、用两个双排的低压缸，机组设计成四缸四排汽的形式，根据计算，在常规背压时，出力将在1000MW左右（见表5）。表4 1000mm末级叶片适用不同背压的功率比较四排汽六排汽背压kPa5.24.94.12.54.94.12.5比容m3/kg24.7525.6630.1747.6125.6630.1747.611000mm叶片排汽面积m28.488.488.488.488.488.488.48限定末级余速损失kJ/kg29.329.329.329.329.329.329.3排汽速度m/s24

17、2242242242242242242排汽口数量44446661米叶片适合功率MW7667386283981108942597表5 1220mm末级叶片适用不同背压的功率比较四排汽六排汽背压kPa5.24.94.12.54.94.12.5比容m3/kg24.7525.6630.1747.6125.6630.1747.611220mm排汽面积m211.2911.2911.2911.2911.2911.2911.29限定末级余速损失kJ/kg29.329.329.329.329.329.329.3排汽速度m/s242242242242242242242排汽口数量44446661.22米叶片适合功率

18、MW102098383653014751254795通过表4和表5计算可以看出，在常规背压时，五缸六排汽1000mm末叶方案与四缸四排汽1220mm末叶的方案在容量上都可以达到1000MW。但前者轴系长，为保证运行时轴系的稳定性，对制造安装要求较高。而后者需要开发1200mm等级的长叶片，并要作一系列的气动和振动强度试验，需要有一个过程，满足不了前几台机组的需要。我国目前在建的超超临界机组采用的都是国外公司生产的末级叶片。对于常规背压的百万等级超超临界机组，我们采用四缸四排汽1.2m末级叶片方案是可行的。对于600MW等级的机组，质量流量是亚临界的90%，从现有的1000mm低压模块来看，用四

19、缸四排汽，铭牌功率可以增加到700MW。铭牌功率为600MW，也可以采用900mm末级叶片。通过对低背压（2.5kPa）单轴设计方案的计算可以看出，背压过低时，排汽比容过大，限制了机组容量，在采用四缸六排汽1000mm末叶时出力只有597MW，只有在四缸六排汽1220mm末叶时才能达到795MW，如果将运行背压提高到4.10kPa，四缸四排汽1220mm末叶方案就能达到836MW。可见背压对机组容量的影响很大，对可以取用深海水的电厂，机组容量应适当小一些，以充分提高循环效率。4 结论根据前面的比较分析，结合材料开发状况，我国超超临界机组宜选择下列参数：主蒸汽压力：25MPa主蒸汽温度：600再

20、热温度： 600对适合采用大功率机组的地区，可以采用1000MW容量的机组。考虑到我国电网和厂址情况，应选择600MW 700MW作为超超临界机组的主力机型。另外，对南方或二次循环水温较高的地区，如果背压在5.5kPa到6kPa，两缸两排汽，末级排汽面积11m2左右，参数为25MPa，600/600超超临界600MW汽轮机也是一种比较合适的机型。参考文献1 国家电力公司，中国华能集团公司.我国发展超超临界发电机组的技术选型研究.2003.82 沈丘农，程均培.我国超临界汽轮机研制的展望.上海汽轮机，2001，（1）：10-163 白旭，丁秀强.超临界机组技术发展与国产化分析.热力透平，2003，（1）：52-57 作者简介：李殿成（1963-）男，工学硕士，研究员级高级工程师，从事汽轮机设计工作。The Choice of Steam Conditions and Output For Th