660mw超超临界循环流化床

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18-国外超超临界火电机组技术特点的分析-48
篇一:660mw超超临界循环流化床

国外超超临界火电机组技术特点的分析

肖俊峰 朱宝田

(西安热工研究院有限公司 陕西省 西安市 710032)

摘 要：在分析国外超超临界火电机组的技术发展历程、现状及发展趋势的基础上，从机组容量、参数、材料、本体结构、运行业绩、技术沿革等方面对代表国外主要技术流派的超超临界火电机组的技术特点进行了研究、分析和对比，对我国发展超超临界火电技术具有参考意义。 关键词：超超临界；火电机组；汽轮机； 锅炉；技术

1 前言

我国自上世纪80年代以来已有发展大功率亚临界火电技术的经验和引进超临界机组的实践，先后引进16台大容量超临界机组，共计有9000MW，并陆续投运。经过多年的运行实践，国内已经掌握了超临界火电机组的运行及检修技术。在超临界机组设计制造方面，在原国家计委及经贸委启动“九五”重大装备国产化项目“600MW超临界火电机组研制”后，开始了在技术引进基础上的超临界机组国产化研制工作， 2004年10月和12月，国产化首批超临界机组—华能沁北电厂1、2号机组分别投入运行。我国超超临界燃煤火力发电机组的研制工作也已经开始,国家计委在2002 年国家“863”项目中将超超临界燃煤火电机组立为专项，针对华能玉环电厂1000MW超超临界火电机组依托工程,开展技术选型研究和关键技术研究,已完成了主设备招标工作并已开工建设。

我国在超临界和超超临界机组的设计和制造方面，尚在起步阶段起步，国外在发展超临界和超超临界发电技术方面已经走过了近半个世纪的历程，积累了很多成功和失败的经验。学习并借鉴国外超临界及超超临界技术的发展经验，对于发展我国的超临界及超超临界发电 技术无疑具有重要的参考意义。

2 国外超超临界火电机组的技术发展

在火力发电机组的发展过程中，超临界机组和超超临界机组是同时开发和交叉发展的。经过近半个世纪的研究、发展和完善，超临界和超超临界机组已经进入了成熟和商业化运行的阶段。目前发展超超临界技术领先的国家主要是日本、德国、丹麦等，世界范围内属于超超临界参数的机组大约有60余台，超超临界机组的最高热效率已达到47%。

分析发达国家超临界和超超临界发电技术的发展历程、现状及趋势，大致可得到如下结论：

 上世纪50年代末以美国为代表，注重提高初压（30MPa或以上）并采用两次再热，使结构与系统趋于复杂，运行控制难度趋于提高，机组可用率下降。因此，美国到上世纪80年代，参数又降低到超临界水平。上世纪80年代末，日本以（川越电厂）31 MPa /654℃/566℃/566℃超超临界为代表，由引进到自主开发，有步骤有计划的发展超超临界。上世纪90年代始，日本由31 MPa /654℃/566℃/566℃的超超临界参数，调整为压力24MPa～25MPa，温度由566℃/593℃向600℃/600℃稳步发展，取得了显著的成功。德国等欧洲国家（丹麦除外）超超临界机组的为压力在25MPa～28MPa范围，温度也上升为580℃/600℃及600℃/600℃。

 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1％～2％，但也造成了调温

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方式、受热面布置等的复杂性，成本明显提高。因此，除早期投运的少数超超临界机组机组外，无论是日本还是欧洲都趋向于采用一次再热。

 锅炉布置型式按各公司传统，有Π型布置及半塔型布置。日本超超临界锅炉全部采用П型布置，德国、丹麦全部采用塔式布置，这主要是各自的传统技术所决定的。

 燃烧方式按各公司传统，有切圆燃烧和对冲燃烧。日本IHI、日立公司制造的超超临界П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全为八角双切园燃烧方式，两种燃烧方式都是为了减少炉膛出口烟温偏差。欧洲的超超临界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，还有个别的八角双切园燃烧和八角单切园燃烧。

 水冷壁型式早期为垂直管屏，90年代后，除日本三菱公司采用内螺纹垂直管外，其余全部采用螺旋管圈。

 已投运的1000MW级超超临界机组以双轴机组居多，但目前国外大容量等级的超超临界机组的开发及百万千瓦等级机组倾向于采用单轴方案。为减少排汽缸数，大容量机组的发展更注重大型低压缸的开发和应用， 3000r/min大功率机组中已普遍采用高度为1000mm～1200mm（排汽面积在9m～11m左右）的长叶片。

 在超临界和超超临界机组材料方面，从上世纪80年代开始，美国、日本及欧洲都分别开展了各自的材料研发计划，针对不同级别参数的机组如（580℃、600℃、620℃等）开发了新的耐热材料，并进行了大量的实验室和实机验证，目前，新高温铁素体-马氏体9%-12%Cr材料已可用于压力为31MPa、温度为610℃/625℃的参数等级。

国外超超临界机组发展的近期目标为1000MW级机组，参数为31MPa,600℃/600℃/600℃,并正在向更高的水平发展。一些国家和制造厂商已经公布了发展下一代高效超临界机组的计划，蒸汽初温将提高到700℃，再热汽温达720℃，相应的压力将从目前的30MPa左右提高到35 MPa -40MPa,机组的供电效率可达到50%-55%。

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3 国外主要技术流派的超超临界火电机组的技术特点

国外主要的动力制造厂商经过多次的并购和整合，在超超临界火电机组设计制造方面，主要以欧洲（Siemens、Alstom）、日本（东芝、三菱、日立）为代表，形成了不同的技术流派。 3.1 发达国家超临界汽轮机技术特点 3.1.1 Siemens公司

Siemens公司共生产超临界机组45台（包括700MW容量以下的机组）。在超临界汽轮机方面，西门子1951年就生产了625C的超超临界汽轮机，至今进汽温度600C的机组已有14台在运行。近十年，西门子更在单轴大功率机型大开发中取得成功的业绩。表1为Siemens公司超临界及超超临界汽轮机的发展业绩。

表1 Siemens公司超临界及超超临界汽轮机的发展业绩（1990年后）

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自1997年起，Siemens KWU在50HZ、单轴、900MW功率等级领域领先一步取得了独特的业绩；近十年由日本和欧洲制造的共计8台50HZ、单轴、900MW功率等级的机组业绩中，Siemens占据了其中的6台（另为ALSTOM的两台930MW、26MPa/550C /580C机组）；其中最大的1025MW、单轴、参数26.5MPa/576C/599C的超超临界汽轮机（锅炉参数为27.49MPa/580C/600C） 已于2002年8月正式投运。

目前Siemens公司的汽轮机产品系列中的HMN系列可适应200MW－1200MW、50Hz/60HZ的超临界机组，蒸汽参数可达30MPa/600℃/620℃。

Siemens

公司超临界大功率汽轮机的主要特点是高压缸采用单流程、小直径筒式结构、中压缸进口为双层结构并作涡旋式冷却、轴承箱与汽缸分离并刚性落地。机组采用滑压运行，调峰性能好。 各转子采用整锻转子，转子之间由整体刚性联轴器连接。

西门子的膨胀系统设计具有独特的技术风格和独特的结构设计。西门子各轴承座直接支撑在基础上，其特点为：机组的绝对死点及相对死点均在高中压之间的推力轴承处； 中压汽缸与低压内缸以及低压内缸之间有推拉装置，减小低压段动静相对间隙。汽缸与轴承座之间有耐磨、滑动性能良好的金属介质。

机组通流部分设计采用全三维技术，除低压末三级外，其余所有的高中低压叶片级全部采用弯扭耦合叶片，级反动度控制在30%40%的水平。目前Siemens公司50Hz机组中有运行业绩的末级叶片为1146mm，是世界上已运行的最长、排汽面积最大的叶片，并正在开发排汽面积为16m2的1420mm钛合金叶片。

Siemens公司参与欧洲联合开发的600℃ 的材料已应用于单轴1000MW机组上。

Siemens公司超临界汽轮机高压缸常采用的材料列于表2。

表2 Siemens公司超临界汽轮机高压缸常采用的材料

3.1.2 Alstom 公司

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ALSTOM（原ABB+原ALSTOM）公司是国际上发电设备制造行业中业绩突出的著名公司之一，

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在超超临界发电技术上具有自己的特点。

ALSTOM由原ABB、原ALSTOM公司合并而成，已生产投运的超临界机组有40余台，功

率600MW以上容量的超临界机组有15台，其中：

1300MW（24.2MPa／538／538℃、3600/3600 r/min）双轴8台 1300MW（25.4MPa／538／538℃、3000/1500 r/min）双轴1台 930MW（26.0MPa／550／580℃、3000 r/min）单轴2台 680MW（25.0MPa／535／563℃、3000 r/min）单轴1台 640MW（24.2MPa／538／538℃、3600 r/min）单轴1台 627MW（24.2MPa／538／566℃、3000 r/min）单轴2台

Alstom公司提出目前超临界及超超临界蒸汽参数的范围为：超临界机组：24.0MPa，540℃/565℃；超超临界机组：30.0MPa，600℃/620℃。目前正在设计1100MW四缸四排汽超超临界汽轮机，汽轮机参数为27MPa，600/605℃，背压4.8kPa，功率1100MW。

原ABB公司采用独特的传统工艺---焊接转子，锻件小、锻造质量高，有利于快速启动；采用套环紧固件无中分面法兰的高压内缸，使内、外缸紧凑小巧，降低热应力、避免高温螺栓装拆带来的不便，内缸和转子采用高铬材料。ABB公司另一个独特的传统工艺---两个转子间共用一个轴承支承，四缸机组只有5个轴承，显著缩短机组长度。

Alstom的汽轮机采用模块化、系列化设计，有利于满足用户要求；高、中、低压进汽采用涡壳结构，减少进汽损失,通流部分可优化设计以达到高效率；低压转子为由多个锻件按照埋弧焊工艺焊接在一起的装配式设计，代表了阿尔斯通动力系统的成熟技术。

Alstom 已经开发了50Hz、49英寸钛合金末级叶片，叶根为4叉枞树型，叶片采用整体围带和凸台拉筋连接成为全周结构，叶片环形面积为13.2m，并将应用于新设计的1100MW四缸四排汽超超临界汽轮机。

为减少围带汽封的漏汽损失，Alstom 研制开发了刷子汽封。围带汽封第一列采用刷子汽封，其它汽封仍采用传统汽封，即使刷子汽封损坏，传统汽封仍起作用。刷子汽封材料由Ni基材料组成，能耐700℃高温，运行时与围带间隙接近于0，有效地减少了汽封漏汽。

Alstom公司的材料开发大致可以分成三个阶段：90年代前主要采用X20（11％－12％Cr），适应温度565℃。从90年代开始，在9％Cr钢中添加W，得到更高的蠕变断裂强度，在管子材料上采用P91、E911和P92。叶片采用奥氏体钢StT17/13W；第二阶段参加开发11％Cr钢，添加Co、B，得到更好的蠕变断裂强度和抗氧化性能。预计使用温度可以达到625℃；第三阶段是参加开发适应于700、725℃的材料。Alstom还参与了美国DOE的Vision21中的超超临界材料项目。HCM12和镍基合金Alloy617即将进行试验。 3.1.3 东芝公司660mw超超临界循环流化床。

东芝公司的超临界机组是在引进美国GE公司技术基础上发展的。东芝公司的超超临界机组是指蒸汽参数超过24.1MPa/566℃/566℃的机组，东芝公司生产的USC汽轮机容量在1000MW的机组有8台，其中：

1000MW（24.1MPa/538/566℃、CC4F-41、3000/1500 r/min） 4台； 1000MW（24.5MPa/566/593℃、CC4F-41、3000/1500 r/min） 1台； 1000MW（24.1MPa/566/593℃、CC4F-40、3600 r/min） 2台； 1050MW（25.0MPa/600/610℃、CC4F-48、3600/1800 r/min） 1台；660mw超超临界循环流化床。

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东芝公司在已成熟应用24.2Mpa/538℃/566℃参数的基础上，正在发展31MPa/593/610℃的技术，并应用在大功率机组上。东芝可以生产1000MW等级单轴汽轮机，有适用于蒸汽温度超过600℃/610℃的材料，蒸汽参数可达31.6MPa，600℃/610℃。

东芝公司通过采用了通流部分的三维设计、新的叶片型线、复合倾斜喷嘴、倾斜动叶，叶整体叶顶汽封和改进排汽涡壳型线等使汽轮机内效率得到改善。东芝公司的42英寸和48英寸末级叶片采用了全三维设计和跨音速叶型。

东芝公司典型的汽轮机用材见表3。660mw超超临界循环流化床。

表3 东芝公司超超临界汽轮机典型用材

3.1.4 三菱公司

三菱公司的超临界汽轮机是在引进美国Westinghouse公司技术基础上发展的，三菱公司自1967年第1台超临界汽轮机投运以来，至今已有28

台，其中23台已投入运行。统计至2002年已投运的容量700MW以上的超临界机组有10台。到目前为止三菱公司已经生产了1000MW等级汽轮机6台，如表4所示。

表4 三菱公司1000MW等级汽轮机的业绩

1000MW等级、50Hz超超临界参数机组的业绩，但50Hz和60Hz机组的差别并不大；可以通过

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