超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)發(fā)展.docx

超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)發(fā)展42091022 趙樹(shù)男1.超超臨界汽輪機(jī)的參數(shù)特征超臨界汽輪機(jī)(supercritical steam turbine)有明確的物理意義。由工程熱力學(xué)中水蒸汽性質(zhì)圖表知道: 水的臨界點(diǎn)參數(shù)為: 臨界壓力pc=22.129MPa, 臨界溫度tc =374.15 , 臨界焓hc=2095.2kJ/ kg, 臨界熵sc=4.4237kJ/(kgK),臨界比容vc= 0.003147m3/kg。工程上, 把主蒸汽壓力p0pc 的汽輪機(jī)稱為超臨界汽輪機(jī)。在國(guó)際上, 超超臨界汽輪機(jī)(Ultra Supercritical Steam Turbine)與超臨界汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)劃分尚未有統(tǒng)一看法。有些學(xué)者把蒸汽參數(shù)為超臨界壓力與蒸汽溫度大于或等于593稱為超超臨界汽輪機(jī), 蒸汽溫度593可以是主蒸汽溫度,也可以是再熱蒸汽溫度; 有些學(xué)者把主蒸汽壓力大于27. 5MPa 且蒸汽溫度大于580稱為超超臨界汽輪機(jī)。1979 年日本電源開(kāi)發(fā)公司(EPDC) 提出超超臨界蒸汽參數(shù)( Ultra Supercritical Steam Condition)的概念, 簡(jiǎn)寫為USC, 也稱為高效超臨界或超級(jí)超臨界。目前, 超超臨界汽輪機(jī)的提法已被工程界廣泛接受和認(rèn)可, 在傳統(tǒng)的超臨界蒸汽參數(shù)24. 2MPa/ 538/ 538的基礎(chǔ)上,通過(guò)提高主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度或主蒸汽壓力改善熱效率。國(guó)外提高超臨界機(jī)組的蒸汽參數(shù)有兩種途徑: 一種途徑是日本企業(yè)的做法, 通過(guò)把主蒸汽和再熱蒸汽的溫度提高到593或600, 實(shí)現(xiàn)了供電熱效率的提高, 生產(chǎn)出超超臨界汽輪機(jī); 另一種途徑是歐洲一些企業(yè)的做法, 把蒸汽參數(shù)提高到28MPa 和580, 也實(shí)現(xiàn)了供電熱效率的提高, 生產(chǎn)出超超臨界汽輪機(jī)。國(guó)外投運(yùn)大功率超超臨界汽輪機(jī)比較多的國(guó)家有日本和丹麥, 生產(chǎn)大功率超超臨界汽輪機(jī)臺(tái)數(shù)比較多的企業(yè)有東芝、三菱、日立、阿爾斯通(德國(guó)MAN)和西門子。我國(guó)研制超超臨界汽輪機(jī), 建議主蒸汽壓力取為25MPa 28MPa, 主蒸汽溫度為580600, 再熱蒸汽溫度為600, 機(jī)組功率為700MW1000MW。2.超超臨界技術(shù)的發(fā)展2. 1日本超超臨界技術(shù)開(kāi)發(fā)日本超超臨界技術(shù)開(kāi)發(fā)分為2 個(gè)階段實(shí)施完成。第一階段超超臨界技術(shù)開(kāi)發(fā)從1981 年開(kāi)始, 1994 年結(jié)束。第一階段的技術(shù)研究工作分為2步同時(shí)進(jìn)行: 第一步的蒸汽溫度為593/ 593,第二步的蒸汽溫度為649/ 593。第一階段技術(shù)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)是在傳統(tǒng)超臨界蒸汽參數(shù)( 24.2MPa/ 538/ 538) 的基礎(chǔ)上, 熱效率再提高2. 2% 。主要技術(shù)研究工作有5項(xiàng): 初步試驗(yàn)( 1981年)； 鍋爐元件試驗(yàn)(19821989年)；汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)( 19831989年)；超高溫汽輪機(jī)示范電廠試驗(yàn)(19831993年)；總體評(píng)價(jià)與分析( 1994年)。1994年完成了第一階段技術(shù)開(kāi)發(fā)的總體評(píng)價(jià)與分析工作。第二階段超超臨界技術(shù)開(kāi)發(fā)從1995年開(kāi)始,2001年結(jié)束。第二階段蒸汽溫度為630/ 630, 第二階段技術(shù)開(kāi)發(fā)工作的重點(diǎn)是對(duì)9%Cr 12%Cr 新型鐵素體鋼進(jìn)行開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。第二階段技術(shù)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)是在常規(guī)超臨界蒸汽參數(shù)(24. 2MPa/ 538/ 538)的基礎(chǔ)上, 熱效率再提高4.8 個(gè)百分點(diǎn)。第二階段技術(shù)研究工作有4 項(xiàng): 初步試驗(yàn)( 1995 年)；鍋爐元件630試驗(yàn)(19962001年)；汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)630試驗(yàn)(19962000年)；總體評(píng)價(jià)和分析(2001 年)。2001 年完成第二階段技術(shù)開(kāi)發(fā)的總體評(píng)價(jià)與分析工作。日本超超臨界技術(shù)開(kāi)發(fā)的階段研究工作的完成,為日本發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)研制和生產(chǎn)超超臨界火電機(jī)組提供了科學(xué)的依據(jù)。2. 2歐盟超超臨界技術(shù)開(kāi)發(fā)歐洲國(guó)家從20世紀(jì)90年代開(kāi)始實(shí)施COST501計(jì)劃, 繼續(xù)開(kāi)發(fā)9%Cr12%Cr鐵素體鋼, 實(shí)現(xiàn)蒸汽溫度為580/ 600。歐洲13個(gè)國(guó)家有關(guān)的發(fā)電設(shè)備企業(yè)參與了COST501計(jì)劃的研發(fā)。研究成果已在丹麥投運(yùn)的SVS3、NVV3和AVV2等超超臨界機(jī)組上應(yīng)用。歐洲國(guó)家從1998年開(kāi)始實(shí)施COST522計(jì)劃, 開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證新型鐵素體鋼和奧氏體鋼。11%Cr鋼的Co的含量增加到3% , B的含量增加到0. 01% , 以提高材料的蠕變強(qiáng)度和抗高溫氧化性能。實(shí)現(xiàn)蒸汽溫度為600/ 620, 目標(biāo)是開(kāi)發(fā)與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)相比更有競(jìng)爭(zhēng)力的超超臨界火電機(jī)組。按照現(xiàn)有的技術(shù)水平, 可以實(shí)現(xiàn)的主蒸汽和再熱蒸汽的溫度分別為600/ 620。歐盟從1998年1月1日啟動(dòng)了開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)17年的超超臨界技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目“Themie 700”,也稱“AD-700計(jì)劃”。歐盟“AD-700計(jì)劃”的目的是開(kāi)發(fā)具體先進(jìn)蒸汽參數(shù)的超超臨界火電機(jī)組。具體目標(biāo)有兩點(diǎn): 一是供電熱效率(發(fā)電凈效率)由目前的47%提高到55%(深海海水冷卻)或52%(內(nèi)陸廠)； 二是廠房結(jié)構(gòu)更加緊湊, 以降低燃煤電廠的投資。歐盟“AD-700計(jì)劃”的核心技術(shù)是新材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。通過(guò)使用鎳基超級(jí)合金, 使汽輪機(jī)的蒸汽溫度由目前的600/ 620提高到700/ 720。為了在700/ 720超超臨界火電機(jī)組中減少使用價(jià)格昂貴的鎳基超級(jí)合金, “AD-700計(jì)劃”還確立了奧氏體鋼和鐵素體鋼的發(fā)展計(jì)劃。歐盟“AD-700計(jì)劃”分8個(gè)子階段進(jìn)行。第一子階段為初可研階段(19982000年)；第二子階段為材料性能示范試驗(yàn)階段(19992003年)；第三子階段是關(guān)鍵元件的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段(20012003年)；第四子階段是關(guān)鍵元件的示范試驗(yàn)和全尺寸實(shí)體試驗(yàn)階段(20022006 年)。在丹麥現(xiàn)有超超臨界機(jī)組SVS3號(hào)運(yùn)行的電廠內(nèi),加裝加熱鍋爐和蒸汽溫度為700/ 720汽輪機(jī), 進(jìn)行全尺寸實(shí)體試驗(yàn)。從SVS3號(hào)超超臨界機(jī)組上引出一部分30MPa/ 582蒸汽，在加熱鍋爐的過(guò)熱器中升溫到700,進(jìn)入壓汽輪機(jī)做功后再回到加熱鍋爐的再熱器,升溫到720。720的蒸汽在中壓汽輪機(jī)做功后返回SV S3號(hào)的中壓汽輪機(jī)。第五子階段為示范電廠施工準(zhǔn)備階段( 2006年)；第六子階段是示范電廠的設(shè)計(jì)和施工階段(20072011年)。計(jì)劃在波羅的海沿岸國(guó)家建造一個(gè)示范電廠,單機(jī)功率為400MW 或1000MW, 蒸汽參數(shù)為37. 5MPa/ 700/ 720/720, 一次再熱壓力為12MPa, 二次再熱壓力為3MPa, 深海海水冷卻, 冷卻水溫度為5 10, 電站名稱暫定為EMAX。第七子階段是示范電廠的運(yùn)行和試驗(yàn)階段(20122014年)。第八子階段是示范電廠的結(jié)果反饋到合作者階段(20132014年)。歐盟“AD-700計(jì)劃”的戰(zhàn)略意義是使歐盟成員國(guó)的燃煤火電機(jī)組的技術(shù)水平始終處于世界的領(lǐng)先水平, 顯著提高歐盟成員國(guó)燃煤火電機(jī)組的競(jìng)爭(zhēng)能力。歐盟“AD-700計(jì)劃”成功后, 不僅可以顯著提高燃煤火電機(jī)組的熱效率、顯著降低煤的消耗量, 而且可以顯著降低CO2 的排放量。2. 3美國(guó)超超臨界技術(shù)開(kāi)發(fā)1999年美國(guó)能源部(DOE) 提出了火電新技術(shù)發(fā)展的Vision 21計(jì)劃, 對(duì)1520年后工程中采用的先進(jìn)發(fā)電技術(shù)提出研發(fā)實(shí)施計(jì)劃。在Vision 21計(jì)劃中, 有一個(gè)項(xiàng)目為超超臨界鍋爐材料的研發(fā)計(jì)劃(DOE/OCDO) , 起止日期為2001年10月至2006年9月。該項(xiàng)目CDOE/OCDO的核心技術(shù)包括: 選定在指定熱效率和運(yùn)行溫的發(fā)電廠中使用的材料；確定蒸汽溫度為760的鍋爐管材(鎳基超級(jí)合金)的制造工藝和噴涂工藝；確定蒸汽溫度為760的超超臨界火電機(jī)組的設(shè)計(jì)和運(yùn)行難點(diǎn)；促進(jìn)新型管材技術(shù)的商業(yè)化開(kāi)發(fā)和應(yīng)用；通過(guò)ASME規(guī)范的認(rèn)證。該項(xiàng)目(DOE/OCDO)有9項(xiàng)研究工作: 概念設(shè)計(jì)；機(jī)械性能；汽側(cè)氧化；煙側(cè)腐蝕；焊接技術(shù)開(kāi)發(fā)；制造工藝；噴涂工藝；設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)規(guī)范；項(xiàng)目管理。該項(xiàng)目(DOE/OCDO)完成后, 美國(guó)可以制造蒸汽溫度達(dá)到760的鍋爐管材和各種部件。如果工程需要, 也應(yīng)該能夠制造蒸汽溫度為871的鎳基超級(jí)合金的部件。美國(guó)能源部(DOE)有關(guān)超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)的研究項(xiàng)目2002年處于立項(xiàng)階段。同蒸汽參數(shù)為16. 7MPa/ 538/ 538亞臨界火電機(jī)組的熱效率35%38%相比, 美國(guó)能源部(DOE)計(jì)劃開(kāi)發(fā)的35MPa/ 760/ 760/ 760超超臨界火電機(jī)組的熱效率將高于55% , CO2和其他污染物的排放約減少30%。美國(guó)能源部(DOE)開(kāi)發(fā)超超臨界技術(shù)的目標(biāo)有兩點(diǎn): 一是選擇先進(jìn)的材料使得超超臨界火電機(jī)組的成本具有競(jìng)爭(zhēng)性、環(huán)?？山邮懿⒛軌蛉加酶吡蛎?；二是提高美國(guó)發(fā)電設(shè)備制造商生產(chǎn)的高效燃煤火電機(jī)組( 超超臨界機(jī)組) 在全世界范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)能力。3.超超臨界汽輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的探討到2002年底, 國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)制造企業(yè)已有亞臨界汽輪機(jī)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和投運(yùn)業(yè)績(jī)。同亞臨界汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)16. 7MPa/ 538/ 538相比, 超超臨界汽輪機(jī)的主蒸汽壓力大幅度升高、主蒸汽溫度明顯升高, 并且再熱蒸汽的壓力和溫度均有明顯升高。超超臨界汽輪機(jī)在可靠性等方面面臨的主要技術(shù)問(wèn)題如圖1 所示。圖1 超超臨界汽輪機(jī)的主要技術(shù)問(wèn)題(1) 隨著蒸汽溫度的升高, 超超臨界汽輪機(jī)可靠性面臨的主要技術(shù)問(wèn)題是:材料力學(xué)性能和許用應(yīng)力下降, 超超臨界汽輪機(jī)承壓部件和轉(zhuǎn)動(dòng)部件的強(qiáng)度降低, 需要開(kāi)發(fā)和采用新材料, 采用蒸汽冷卻技術(shù)。超超臨界機(jī)組選用直流鍋爐, 直流鍋爐沒(méi)有汽包, 不能進(jìn)行排污, 給水中鹽與鍋爐過(guò)熱器、再熱器管子內(nèi)表面剝離的氧化垢微型固體粒子進(jìn)入汽輪機(jī), 對(duì)汽輪機(jī)高壓部分造成固體顆粒侵蝕,對(duì)汽輪機(jī)低壓部分易造成應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞。需要對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)和再熱第1級(jí)葉片開(kāi)展固體顆粒侵蝕機(jī)理研究, 采取防固體顆粒侵蝕措施；末三級(jí)葉片需要采用耐腐蝕疲勞材料, 低壓轉(zhuǎn)子需要采用防應(yīng)力腐蝕結(jié)構(gòu)。超超臨界汽輪機(jī)與高溫有關(guān)的嚴(yán)重問(wèn)題是工作應(yīng)力下產(chǎn)生蠕變變形以及啟停與負(fù)荷快速變化過(guò)程中過(guò)大的熱應(yīng)力產(chǎn)生熱疲勞(低周疲勞)。超超臨界汽輪機(jī)的絕大部分高溫部件工作溫度是不均勻的和變化的, 厚截面部件如轉(zhuǎn)子、汽缸、噴嘴室、閥殼等在啟停過(guò)程與負(fù)荷快速變化過(guò)程中都承受很大的溫度梯度, 由此而產(chǎn)生的熱應(yīng)力接近或超過(guò)材料的屈服極限, 嚴(yán)重影響這些部件的使用壽命。超超臨界汽輪機(jī)參與調(diào)峰運(yùn)行, 壽命問(wèn)題更為突出。需要采用新材料和新結(jié)構(gòu), 開(kāi)展壽命設(shè)計(jì)。(2) 隨著蒸汽壓力的升高, 超超臨界汽輪機(jī)可靠性面臨的主要技術(shù)問(wèn)題是:汽缸、噴嘴室、閥殼、導(dǎo)汽管等承壓部件應(yīng)力增大, 面臨嚴(yán)峻的強(qiáng)度和壽命問(wèn)題, 需要采用新材料和新結(jié)構(gòu), 開(kāi)展強(qiáng)度和壽命設(shè)計(jì)。主蒸汽的密度高、比容小, 高壓轉(zhuǎn)子的偏心、間隙不對(duì)稱等產(chǎn)生蒸汽力, 汽流激振容易引起軸系失穩(wěn), 需要開(kāi)展汽流激振機(jī)理研究, 開(kāi)發(fā)汽流激振設(shè)計(jì)分析軟件。汽輪機(jī)各級(jí)間壓差和軸封的壓差也有增大, 隔板汽封、葉頂汽封、軸封等部件蒸汽泄漏量增大, 需要采用汽封新結(jié)構(gòu)。綜上所述, 隨著蒸汽參數(shù)的提高, 材料開(kāi)發(fā)與工藝、固體顆粒侵蝕、強(qiáng)度問(wèn)題、壽命問(wèn)題、汽流激振、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)、蒸汽冷卻技術(shù)、通流部分優(yōu)化等技術(shù)已經(jīng)成為研制超超臨界汽輪機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所、制造企業(yè)和國(guó)內(nèi)有關(guān)單位通過(guò)近幾年的科研工作和技術(shù)積累,對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)有一定的研究, 特別是對(duì)強(qiáng)度、壽命、汽流激振、材料開(kāi)發(fā)、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)和通流部分優(yōu)化等技術(shù)有深入研究, 為研制和生產(chǎn)超超臨界汽輪機(jī)奠定了良好的基礎(chǔ)。4.結(jié)語(yǔ)超超臨界火電技術(shù)屬于高新技術(shù), 超超臨界火電機(jī)組的研制和生產(chǎn), 反映和代表一個(gè)國(guó)家工業(yè)化的水平。隨著蒸汽參數(shù)的不斷提高, 超超臨界火電機(jī)組的熱效率不斷提高, 電廠污染物的排放進(jìn)一步減少。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和材料技術(shù)的發(fā)展, 超超臨界汽輪機(jī)的主蒸汽溫度達(dá)到700即將成為現(xiàn)實(shí)，研發(fā)高效率、高可靠性超超臨界火電機(jī)組現(xiàn)已成為國(guó)際上先進(jìn)火電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。參考文獻(xiàn)：1 水利電力部科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所. 國(guó)外超臨界壓力機(jī)組文集C.1986.2 上海汽輪機(jī)有限公司. 國(guó)外超臨界汽輪機(jī)譯文集C.2000.3 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所. 1000MW火電機(jī)組文集C.1996.4 Hiroyuki Abe. 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