【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的高 、 中壓缸法蘭，縮短啟動(dòng)時(shí)間；兩側(cè)布置的凝汽器，降低蒸汽流速，改善真空；超臨界機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)，提高能源利用率。 目前俄 羅斯的列寧格勒金屬工廠和莫斯科動(dòng)力學(xué)院設(shè)計(jì)了新一代的高參數(shù) 超超 臨界機(jī)組， 主 蒸汽 壓力為 30～ 32Mpa，主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度為 580～ 600℃ ，給水溫度 300℃ ，當(dāng)凝汽器壓力為 ～ 時(shí)，預(yù)計(jì) 機(jī)組凈 效率可以達(dá)到 44～ 46%。 4) 歐洲 德國(guó)也是發(fā)展超臨界 發(fā)電 技術(shù) 最早 的國(guó)家 之一。 20 世紀(jì) 60 年代德國(guó)發(fā)展過(guò)小功率超臨界機(jī)組， 后來(lái)一段時(shí)期 未有進(jìn)展 。 1956年參數(shù)為 、 600℃ （無(wú)再熱）的 117MW 超 超 臨界機(jī)組投運(yùn)。1972 年投運(yùn)了首臺(tái) 430MW，蒸汽參數(shù)為 、 535℃ /535℃ 的超臨界機(jī)組。德國(guó)近年來(lái)很重視發(fā)展超臨界機(jī)組，已投運(yùn)和在建的超臨界機(jī)組近 20 臺(tái)，其中具有代表性的超臨界機(jī)組是： 1992 年 8月在 Staudinger 電 廠 投 運(yùn) 的 500MW ，蒸汽 參 數(shù) 為25MPa/540℃ /560℃ 的超臨界機(jī)組 ； 1999 年在 Lippendorf 電廠投運(yùn)的 933MW，蒸汽參數(shù)為 MPa /554℃ /593℃ 的超超臨界機(jī)組；2020 年在 Niederaubem 電 廠 投 運(yùn) 的 965MW ， 蒸 汽 參 數(shù) 為℃ /600℃ 的超超臨界機(jī)組；在 Hessler 電廠投運(yùn)的700MW，蒸汽參數(shù)為 30MPa/580℃ /600℃ 的超超臨界機(jī)組。同時(shí)德 7 國(guó)開發(fā)了螺圈管 圈 水冷壁的鍋爐 技術(shù) ，實(shí)現(xiàn)了鍋爐的滑壓運(yùn)行，這類 技術(shù) 目前在日本和歐洲的全滑壓運(yùn)行超臨界 和超超臨界 機(jī)組中被 廣泛采用。 西門子 公司在 1997～ 2020 年期間制造了八套功率在 750MW～1000MW、蒸汽參數(shù)為 25MPa／ 580℃ ／ 600℃ 的蒸汽輪機(jī)。在 20世紀(jì)末設(shè)計(jì)的超超臨界機(jī)組，容量在 400MW～ 1000MW 范圍內(nèi)，蒸汽參數(shù)為 ℃ ，機(jī)組凈效率在 45%以上。 德國(guó)近期新建機(jī)組全 部 為 800MW 及以上等級(jí)的超超臨界機(jī)組，現(xiàn)有的 300MW 包括部分 600MW 亞臨界機(jī)組將在未來(lái)十年內(nèi)全部拆除。 丹麥 是歐洲最早應(yīng)用超臨界發(fā)電技術(shù)的國(guó)家，為超臨界機(jī)組在歐洲的發(fā)展起到了示范作用。 Ordjyllandsvarket 電站 1998 年投運(yùn) 1臺(tái)容量為 400MW， 蒸汽參數(shù)為 29MPa/580℃ /580℃ /580℃ ，兩級(jí)再熱的超 超 臨界機(jī)組 ， 在凝汽器壓力為 時(shí)，機(jī)組效率高達(dá) 47%。其它如芬蘭、挪威等國(guó)也相繼投運(yùn)了一批容量為 380MW～ 930MW、參數(shù)為 26MPa～ ， 554℃ ～ 593℃ 的高參數(shù)超臨界 及超超臨界 機(jī)組 ，進(jìn)一步推動(dòng)了超臨界及超超臨界 發(fā)電技術(shù)在歐洲的發(fā)展。 5) 應(yīng)用業(yè)績(jī) 日本及歐洲超臨界及超超臨界機(jī)組近年來(lái)的應(yīng)用業(yè)績(jī) 如附 表 1及 附 表 2 所示。 4. 主要發(fā)達(dá)國(guó)家超超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 1) 參數(shù)選擇 目前，國(guó)外超超臨界機(jī)組在參數(shù)選擇上表現(xiàn)出二種趨勢(shì)：一種是蒸汽壓力并不太高，多為 25MPa 左右，而蒸汽溫度相對(duì)較高（ 600℃ 左右）的方案，主要以日本的技術(shù)發(fā)展為代表。如日本橘灣（ Tachibanawan）電站分別于 2020 年和 2020 年相繼投運(yùn)了二臺(tái)1050MW 單軸超超臨界機(jī)組，其蒸汽參數(shù)為 25MPa/600℃ /610℃ ，凈效率分別為 %和 %。另 一種是蒸汽壓力和溫度同時(shí)都取較高值（ 28～ 30MPa， 600℃ 左右）的方案 ， 從而獲得更高的效率，主要以歐洲的技術(shù)發(fā)展為代表。如丹麥在八十年代投產(chǎn)了帶二次中間再熱的 29MPa/580℃ /580℃ /580℃ 的 400MW 超超臨界機(jī)組，凈效 8 率達(dá) %； 九十年代又投產(chǎn)的相同容量的超超臨界機(jī)組的參數(shù)為30MPa/580℃ /600℃ ，凈效率達(dá) 49%。 另外，世界上先進(jìn)的超超臨界機(jī)組的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，機(jī)組效率的提高除了由于參數(shù)提高的 原因 外，還可能來(lái)源于 其它 許多方面的因素，如：鍋爐較低的排煙溫度 和較高的燃燒效率 ；高效率的主 、輔機(jī)設(shè)備；較低的凝汽器壓力；較低的系統(tǒng) 壓力損失 ；蒸汽再熱級(jí)數(shù)的選擇等等。據(jù)國(guó)外研究報(bào)告估計(jì)，僅由于提高蒸汽參數(shù)而提高的效率最多為 凈 效率總提高量的一半左右。因此，發(fā)展超超臨界機(jī)組的工作不僅僅是簡(jiǎn)單地提高蒸汽參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn) 的 ，還必須同時(shí)注重 其它 相關(guān)技術(shù)的 研究和開發(fā) 工作。 2) 材料的 選擇和使用 超超臨界機(jī)組的選材要保證所有部件在機(jī)組的最高蒸汽參數(shù)和最大壓力下能安全、可靠、穩(wěn)定、有效地工作。對(duì)于超超臨界機(jī)組而言， 蒸汽 參數(shù)的提高，將涉及鍋爐和汽輪機(jī)高 、 中壓部分有關(guān)部件 ， 如高壓蒸汽管道和聯(lián)箱、高溫過(guò)熱器 /再熱器管和水冷壁 管 、汽缸、主調(diào) 節(jié) 門閥殼、再熱主調(diào) 節(jié) 門閥殼、噴嘴、轉(zhuǎn)子及調(diào)節(jié)級(jí)葉片等 部件的材料 ，必須按溫度壓力選擇相應(yīng)的材料 ， 進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。近年來(lái)國(guó)外大量超 超 臨界機(jī)組成功的材料應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)證明，低鉻耐熱鋼和新高溫鐵素體 馬氏體 9%～ 12%Cr材料已可用于壓力為 31MPa、溫度為 610℃ /625℃ 參數(shù)等級(jí) 的機(jī)組 。經(jīng)過(guò)鍋爐和汽輪機(jī)各高溫高壓部件多年的應(yīng)用，該材料系列已相當(dāng)成熟，并已列入標(biāo)準(zhǔn)， 附 表 3 為與部分歐美國(guó)家使用材料牌號(hào)相對(duì)照的 美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ ASTM） 牌號(hào)。 附 表 4 為日本三菱高溫材料的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)表。 3) 機(jī)組容量的 選擇 分析 表 1 12 中發(fā)達(dá)國(guó)家超臨界及超 超 臨界機(jī)組的應(yīng)用業(yè)績(jī)可見，日本 90 年代以后投產(chǎn)的超臨界和超超臨界機(jī)組多在 600MW以上， 1000MW 等級(jí)的機(jī)組 居多。 歐洲的超超臨界機(jī)組容量則更多的為 700MW 以上，所以 700MW 和 1000MW 等級(jí)將成為超超臨界機(jī)組容量選擇的主要趨勢(shì)。 9 4) 再熱形式的選擇 在目前參數(shù)下，二次再熱將使電站投資增加 10～ 15%，而經(jīng)濟(jì)性得益僅 為 ～ %左右。因此，近 10 多年來(lái)，世界上只有丹麥二臺(tái)熱電聯(lián)供 415MW 的 超 超 臨 界 二 次 再 熱 機(jī) 組（ 29MPa/582℃ /580℃ /580℃ ， ℃ /580℃ /580℃ ）和日本川 越 電 站 二 臺(tái) 700MW 超 超 臨 界 二 次 再 熱 機(jī) 組(31MPa/566℃ /566℃ /566℃ )投運(yùn)的報(bào)道。隨著材料技術(shù)的不斷完善，后來(lái)出現(xiàn)的機(jī)組多為提高 蒸汽參數(shù)， 采用一次再熱循環(huán) 。 從超超臨界 發(fā)電技術(shù) 發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看， 30MPa 參數(shù)以下機(jī)組 將更多采用一次再熱，以降低 系統(tǒng) 復(fù)雜程度，提高可靠性 。隨著參數(shù)的進(jìn)一步提高，二次再熱將成為再熱系統(tǒng)型式選擇方案之一。 5) 汽輪機(jī)軸系布置形式 在發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)的進(jìn)程中，單軸串聯(lián)布置與雙軸并列布置是與機(jī)組容量大型化發(fā)展密切相關(guān)的一個(gè)問題。由于單機(jī)功 率的增長(zhǎng)發(fā)展很快 ， 并受當(dāng)時(shí)末級(jí)葉片長(zhǎng)度 和材料、 機(jī)組軸系不宜 過(guò)長(zhǎng)和 汽缸數(shù) 不宜 過(guò)多 的限制， 在 1000MW 等級(jí)大功率機(jī)組上有采用雙軸布置的應(yīng)用實(shí)踐 。 雙軸布置中有兩種型式 ， 一種是兩根軸的轉(zhuǎn)速相同 ， 還有一種是高 、 中壓部分采用通常的轉(zhuǎn)速 ， 低壓部分采用半速 (即 50Hz 為 1500r/min， 60Hz 為 1800r/min)， 以增大低壓排汽面積，降低排氣余速損失，進(jìn)一步提高熱經(jīng)濟(jì)性 。 但低壓部分體積大，重量重，造價(jià) 增加 。若兩根軸轉(zhuǎn)速相同，則需配備兩臺(tái)發(fā)電機(jī)，機(jī)組總的機(jī)械損失增大，對(duì)投資及總的熱經(jīng)濟(jì)性不利。單軸汽輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊 ，設(shè)備總重輕，價(jià)格低，廠房投資小，設(shè)備零部件少，可靠性好。同時(shí)在末級(jí)長(zhǎng)葉片高度相同的情況下，單軸 機(jī)組 的效率高，但單軸方案存在電機(jī)大型化及隨之帶來(lái)的運(yùn)輸問題。 以往 1000MW 等級(jí)的超臨界和超超臨界汽輪機(jī)，絕大多數(shù)都采用雙軸布置，但隨著近年來(lái)參數(shù)的不斷提高、更長(zhǎng)末 級(jí) 葉片的開發(fā)、葉片和轉(zhuǎn)子材料的改進(jìn)，單軸形式成為新的發(fā)展趨勢(shì) 。 日本東芝公司分別在 2020 和 2020 年投運(yùn)兩臺(tái) 1000MW 單軸機(jī)組，德國(guó)西門子公司自 90 年代后期在發(fā)電機(jī)單軸功率方面已有多臺(tái) 900MW～1025MW 機(jī)組投運(yùn)，標(biāo)志著大功率 1000MW 級(jí)汽輪 機(jī)正由雙軸 結(jié)構(gòu) 向單軸 結(jié)構(gòu)發(fā)展 。 10 6) 總結(jié) 新近投運(yùn)的超超臨界機(jī)組主要集中在日本和歐洲，并且主要以日本的三菱、東芝、日立和德國(guó)的西門子公司為代表。對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家在發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)中對(duì)機(jī)組參數(shù)、材料的應(yīng)用與選擇 、 機(jī)組的容量選擇等方面的調(diào)查分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論： ? 材料的選擇 與 應(yīng)用 新高溫鐵素體 馬氏體 9%～ 12%Cr 材料已可用于壓力為31MPa、溫度為 610℃ /625℃ 的參數(shù)等級(jí)。經(jīng)過(guò)鍋爐和汽輪機(jī)各高溫高壓部件近 10 多年的應(yīng)用，該材料系列已相當(dāng)成熟，并已形成標(biāo)準(zhǔn)。 ? 參數(shù) 選擇 主蒸汽溫度：普遍達(dá)到 600℃ 。 機(jī)組的 可靠性好，整體技術(shù)已相當(dāng)成熟。 主蒸汽壓力：目前投運(yùn)的大 容量 （ 700MW）機(jī)組的 汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力均不大于 。 ? 機(jī)組容量 700MW 和 1000MW 等級(jí)將成為超超臨界機(jī)組容量的主要選擇 ， 1000MW 等級(jí)在經(jīng)濟(jì)性上更具有優(yōu)勢(shì)。 ? 再熱形式 30MPa 參數(shù)以下機(jī)組 將更多采用一次再熱，以降低 系統(tǒng) 復(fù)雜程度，提高可靠性 。隨著參數(shù)的進(jìn)一步提高，二次再熱將成為再熱系統(tǒng)型式選擇方案之一。 ? 軸系布置型式 隨著近年來(lái)參數(shù)的不斷提高、更長(zhǎng) 的 末 級(jí) 葉片的開發(fā)、葉片和轉(zhuǎn)子材料的改進(jìn)，單軸形式成為新的發(fā)展趨勢(shì) 。 ? 相關(guān)技術(shù) 發(fā)展超超 臨界 發(fā)電技術(shù) 不僅是提高蒸汽參數(shù) 和新材料的研發(fā) ，還必須同時(shí)注重 其它 相關(guān)技術(shù)的研究 和 開發(fā)工作。 11 5. 主要 發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)的計(jì)劃 根據(jù)目前發(fā)展動(dòng)向，今后超超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)仍在材料研發(fā)與 蒸汽 溫度提高上 ，同時(shí)注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)和與之對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)的改進(jìn)和提高 。為進(jìn)一步降低能耗和減少 CO2 排放，改善環(huán)境，在材料工業(yè)發(fā)展的支持下，超超臨界機(jī)組正朝著更高參數(shù)的技術(shù)方向發(fā)展。目前高參數(shù)的超超臨界機(jī)組最大容量已達(dá)1300MW，最高效率達(dá) 49%，充分顯示了超超臨界發(fā)電技術(shù)的成熟性和推廣前景。 國(guó)外超超臨界機(jī)組 發(fā)展的近期目標(biāo)為 1000MW 等 級(jí)機(jī)組，參數(shù)為 31MPa， 600℃ /600℃ /600℃ ， 并正在向更高的水平發(fā)展。一些國(guó)家和制造廠商已經(jīng)公布了發(fā)展下一代超 超 臨界機(jī)組的計(jì)劃， 主 蒸汽初溫將提高到 700℃ ～ 760℃ ，再熱汽溫達(dá) 720℃ ，相應(yīng)的壓力將從目前的 30MPa 左右提高到 35～ 40MPa， 機(jī)組的 凈 效率可達(dá)到 50～ 55%。 1) 美國(guó) 美國(guó)能源部 于 2020年啟動(dòng) 了一個(gè)開發(fā)主蒸汽溫度為 760℃ 的燃煤電廠超 超 臨界機(jī)組的研究項(xiàng)目 ，政府資助的資金 比例 為 30%。主要研究用于燃煤電廠超超臨界機(jī)組的高溫高強(qiáng)度合金材料 、鍋爐設(shè)計(jì)與制造技 術(shù)、汽輪機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)和相應(yīng)的配套技術(shù)等 ，以增強(qiáng)美國(guó) 發(fā)電裝備 制造業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。并通過(guò) 關(guān)鍵 技術(shù) 的 改進(jìn)工作，將超超臨界機(jī)組的主蒸汽溫度提高到760℃ 的水平，從而 將大幅度 提高機(jī)組效率。 在這個(gè)項(xiàng)目中，美國(guó)電力研究科學(xué)研究院 為技術(shù)牽頭單位 ，負(fù)責(zé)項(xiàng)目管理，并深入探索新電廠設(shè)計(jì)和材料有關(guān)的問題。作為新材料研究開發(fā)工作的一部分，將對(duì)新型鍋爐和汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)及其對(duì)電廠性能和造價(jià)的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，目前已經(jīng)在超超臨界汽輪機(jī)和輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)改進(jìn)方面進(jìn)行了研究。預(yù)計(jì)，采用新材料和改進(jìn)設(shè)計(jì)的超超臨界示范電廠將在2020 年建成，到 2017 年這些材料和設(shè)計(jì)技術(shù)將能得到廣泛應(yīng)用。 2) 日本 日本電力（ JPower）在日本通商產(chǎn)業(yè)省支持下，從政府得到50％的補(bǔ)助金，與其它單位共同組織超超臨界 發(fā)電 技術(shù)的開發(fā)。第一階段目標(biāo)是：第一步用鐵素體鋼 使主蒸汽溫度 達(dá)到 593℃ ，第二 12 步用奧氏體鋼達(dá)到 649℃ 。第二階段目標(biāo)是用新型鐵素體鋼達(dá)到630℃ ，相應(yīng)的蒸汽壓力達(dá)到 31MPa～ 35MPa。附 表 5 列出了該計(jì)劃的具體內(nèi)容。日本三大設(shè)備制造公司對(duì)轉(zhuǎn)子、汽缸、法蘭、螺栓等主要部件進(jìn)行了相應(yīng)參數(shù)下的實(shí)物中間試驗(yàn)。 與此同時(shí)，日本金屬所（ NRIM）從 1997 年起開始實(shí)施一項(xiàng)面向 650℃級(jí)別機(jī)組所需的鐵素體耐熱鋼的研發(fā)計(jì)劃。 3) 歐洲 歐洲于 80 年代開始實(shí)施 “ COST 研究計(jì)劃 501” ，由電站設(shè)備和鋼鐵制造商合作分工開發(fā) 采用 奧氏體鋼 的 超 超 臨界機(jī)組，其目標(biāo)是研制可與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)相競(jìng)爭(zhēng)的新一代化石燃料電站新材料和超 超 臨界機(jī)組，其研究成果已應(yīng)用于高參數(shù)化石燃料電站，應(yīng)用溫度高達(dá) 610℃ ～ 625℃ 。 歐洲目前的 “Thermie 700”計(jì)劃中正在支持一項(xiàng) 旨在 推動(dòng)歐洲發(fā)展超 超 臨界 發(fā)電 技術(shù)的項(xiàng)目 ，其目的是論證和準(zhǔn)備發(fā)展具有先進(jìn)蒸汽參數(shù)的未來(lái)的燃煤電廠型式，其中關(guān)鍵部件 將采用鎳基高溫合金。 Thermie 700 計(jì)劃的目標(biāo)是使下一代超超臨界機(jī)組的蒸汽參數(shù)達(dá)到 ℃ /700℃，從而效率可達(dá) 52％ ～ 55%，（海水冷卻55％，對(duì)內(nèi)陸地區(qū)和冷卻塔 52％），使 CO2的排放降低 15%，并降低燃煤電廠投資 。 Thermie 700 計(jì)劃的核心是發(fā)展新材料、鍋爐和汽輪機(jī)及熱力系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 Thermie 700 計(jì)劃的戰(zhàn)略意義是使歐洲火電廠的技術(shù)水平始終處于世界領(lǐng)先，所以又被歐洲稱為先進(jìn)的超超臨界發(fā)電項(xiàng)目。如果該技術(shù)能夠在火電廠應(yīng)用，且目前所有歐洲的運(yùn)行電廠均采用該技術(shù)的話， 將使現(xiàn)有火電機(jī)組有害氣體（包括 CO2）的排放減少 40％。該計(jì)劃的成功將顯著增加歐洲電力設(shè)備供貨商的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。 歐洲各國(guó)約有 40 個(gè)單位參加了這個(gè)項(xiàng)目的工作，其中有 26 家是設(shè)備制造商（包括汽輪機(jī)、鍋爐、主要輔機(jī)和材料等制造商）；其它則分別是有關(guān)的研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)、電力公司等部門。該項(xiàng)目從1998 年開始，分為 8 個(gè)階段，預(yù)期在 2020