【正文】 年代初期開始，由于材料技術的進步和發(fā)展，以及對電廠水化學方面認識的深入，克服了早期超臨界機組所遇到的問題。同時 ， 美國又將超臨界技術轉讓給日本（ GE 向東芝 和 日立 ， 西屋向三菱）和歐洲，聯(lián)合進行了一系列新 的 超臨界 參數 電廠的開發(fā)設計。 第三個階段大致是從 20 世紀 90 年代開始的，這時候國際上超超臨界機組進入了快速發(fā)展的階段，其背景原因在于環(huán)保要求日益嚴格，同時新材料的開發(fā)成功 、結構設計的創(chuàng)新、工藝技術的進步和 常規(guī)超臨界技術的成熟也為 超 超臨界機組的發(fā)展提供了必要條件。這個階段超超臨界機組的發(fā)展有以下 兩種不同的 技術取向： ? 蒸汽壓力并不太高，多為 25MPa 左右，而蒸汽溫度相對較高，主要以日本的技術發(fā)展為代表。 日本 近期 生產的新機組，大多數機組的壓力保持在 25MPa 左右， 蒸汽 溫度均提高到了 580?C ~ 610?C 左右。部分機組在采用高溫的同時，壓力也提高到 27MPa 以上，壓力的提高不僅關系到材料強度及結構設計，而且由于汽輪機排汽濕度的原因，壓力提高到 某一等級后 ， 必須采用更高的再熱溫度或二次再熱循環(huán)。 無論哪種技術取向， 決定機組容量的關鍵之一是低壓缸的排汽能力，與進汽參數無直接關系。目前 3000r/min 大功率機組中已普遍采用高度為 1000mm～ 1200mm、 排汽面積在 9m2～ 11m2左右的長葉片。 經過四十多年的不斷完善和發(fā)展 ，目前超 臨界和超超 臨界機組的發(fā)展已進入了成熟和實用階段，具有更高參數的 超超 臨界機組也已經成功地投入商業(yè)運行。其中在美國有 170 多臺，日本和歐洲各約 60 臺，俄羅斯及原東歐國家 280 余臺。 4 3. 主要發(fā)達國家 超臨界和 超超臨界發(fā)電技術發(fā)展及現狀 1) 美國 美國是發(fā)展超臨界 發(fā)電技術 最早的國家。上世紀 60 年代核電站興起后，要求火電機組即使是超臨界機組也要進行中間負荷及兩班制調峰運行，又進一步暴露了美國早期超臨界機組存在的問題 。在經過約 10 年的訂貨高潮后，到 20 世紀 70 年代中期跌入低谷。 20 世紀 80 年代前后， 美國電力科學研究院 針對當時燃料價格上漲 、 環(huán)保要求日益嚴格的情況，結合早期超 臨界和超超 臨界機組設計和運行的經驗及當時的技術水平，按照超臨界機組與亞臨界機組同等的可靠性和運行特性的設計要求，對機組蒸汽參數和容量 等各方面進行了優(yōu)化研究，得到的結論為：機組蒸汽參數采用 31MPa， 566℃ ~593℃ ，二次中間再熱，功率 700MW～ 800MW 為最佳方案 ， 但由于美國電力工業(yè)大力發(fā)展高效的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站而未 能 及時實施 。從 1990 年前后開始，美國超臨界機組的溫度和 壓力又趨 于提高。 2) 日本 20 世紀 60 年代日本制造業(yè)與歐美各公司進行技術合作并簽定生產許可證協(xié)議 ，同時各大電力公司相繼引進大容量、高參數、高效率的機組作為先行機組，并通過調查研究和可行性分析確定超臨 5 界機組為火電發(fā)展方向。 1967 年從美國引進第一臺超臨界 600MW 機組作為樣機，投運后即在國內制造同型機組；后 又從美國 引進 1000MW 超臨界機組 也在國內 制造同型機組；隨后從歐洲引進超臨界滑壓運行技術使其超臨界機組不僅具有高效率，同時還具有與亞臨界機組同樣的安全可靠性與運行靈活性 。容量為 450MW 以上的機組均采用超臨界參數，參數一般為 ℃ /566℃ ， 一次再熱；少數機組采用℃ /538℃ 或 ℃ /552℃ /566℃ ，二次再熱。 1989 年日本川越電廠 700MW 超臨界（ 1號機組）投運，參數為 31MPa/566℃ /566℃ /566℃ 。 90 年代以后，日本投運了一批參數為 25 MPa/600℃ /610℃ 的超超臨界機組。 3) 俄羅斯（包括前蘇聯(lián)） 七十多年以來，俄羅斯 (前蘇聯(lián) )在 火 力發(fā)電技術的研究開發(fā)上獨立于其它國家，走了一條自 主研發(fā) 的發(fā)展道路，其超臨界機組的研制也主要立足于國內 ， 有其自己的特點。第一 臺 300MW 超臨界機組于 1963 年投入運行，參數為 ℃ /565℃ ，由于技術水平原因，投運初期出現相當多的問題和故障，機組可用率和機組效率低于原設計水平，后 將 蒸汽參數 降低 至 ℃ /540℃并對汽輪機零部件等進行改進，使機組的可靠性與經濟性基本達到設計要求，逐步形成了 300MW、 500MW、 800MW、 1200MW 四個容量等級。第一臺超臨界 500MW、 800MW 機組于 1968 年投入運行。前蘇聯(lián)本國內 300MW 及以上容量機組全部采用超臨界參數，至今已有 232 臺超臨界機組投入運行，是超臨界機組數目最多的國家，全國大約40%的電力由超臨界機組提供。俄羅斯還生產了近20 臺 300MW、 500MW 和 800MW 的 50 周波機組供應給中國和古巴。這些特點包括： 1200MW汽輪機低壓末級采用鈦 合金 葉片；直接接觸式給水加熱器，降低熱耗； Baumann 式的低壓通流部分設計，降低末 級 葉片的高度；帶加熱裝置的高 、 中壓缸法蘭，縮短啟動時間；兩側布置的凝汽器，降低蒸汽流速，改善真空；超臨界機組熱電聯(lián)產，提高能源利用率。 4) 歐洲 德國也是發(fā)展超臨界 發(fā)電 技術 最早 的國家 之一。 1956年參數為 、 600℃ （無再熱）的 117MW 超 超 臨界機組投運。德國近年來很重視發(fā)展超臨界機組，已投運和在建的超臨界機組近 20 臺，其中具有代表性的超臨界機組是： 1992 年 8月在 Staudinger 電 廠 投 運 的 500MW ，蒸汽 參 數 為25MPa/540℃ /560℃ 的超臨界機組 ； 1999 年在 Lippendorf 電廠投運的 933MW，蒸汽參數為 MPa /554℃ /593℃ 的超超臨界機組；2020 年在 Niederaubem 電 廠 投 運 的 965MW ， 蒸 汽 參 數 為℃ /600℃ 的超超臨界機組；在 Hessler 電廠投運的700MW，蒸汽參數為 30MPa/580℃ /600℃ 的超超臨界機組。 西門子 公司在 1997～ 2020 年期間制造了八套功率在 750MW～1000MW、蒸汽參數為 25MPa／ 580℃ ／ 600℃ 的蒸汽輪機。 德國近期新建機組全 部 為 800MW 及以上等級的超超臨界機組，現有的 300MW 包括部分 600MW 亞臨界機組將在未來十年內全部拆除。 Ordjyllandsvarket 電站 1998 年投運 1臺容量為 400MW， 蒸汽參數為 29MPa/580℃ /580℃ /580℃ ，兩級再熱的超 超 臨界機組 ， 在凝汽器壓力為 時，機組效率高達 47%。 5) 應用業(yè)績 日本及歐洲超臨界及超超臨界機組近年來的應用業(yè)績 如附 表 1及 附 表 2 所示。如日本橘灣（ Tachibanawan）電站分別于 2020 年和 2020 年相繼投運了二臺1050MW 單軸超超臨界機組，其蒸汽參數為 25MPa/600℃ /610℃ ，凈效率分別為 %和 %。如丹麥在八十年代投產了帶二次中間再熱的 29MPa/580℃ /580℃ /580℃ 的 400MW 超超臨界機組，凈效 8 率達 %； 九十年代又投產的相同容量的超超臨界機組的參數為30MPa/580℃ /600℃ ，凈效率達 49%。據國外研究報告估計，僅由于提高蒸汽參數而提高的效率最多為 凈 效率總提高量的一半左右。 2) 材料的 選擇和使用 超超臨界機組的選材要保證所有部件在機組的最高蒸汽參數和最大壓力下能安全、可靠、穩(wěn)定、有效地工作。近年來國外大量超 超 臨界機組成功的材料應用經驗證明，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℃ 參數等級 的機組 。 附 表 4 為日本三菱高溫材料的應用統(tǒng)計表。 歐洲的超超臨界機組容量則更多的為 700MW 以上，所以 700MW 和 1000MW 等級將成為超超臨界機組容量選擇的主要趨勢。因此，近 10 多年來，世界上只有丹麥二臺熱電聯(lián)供 415MW 的 超 超 臨 界 二 次 再 熱 機 組（ 29MPa/582℃ /580℃ /580℃ ， ℃ /580℃ /580℃ ）和日本川 越 電 站 二 臺 700MW 超 超 臨 界 二 次 再 熱 機 組(31MPa/566℃ /566℃ /566℃ )投運的報道。 從超超臨界 發(fā)電技術 發(fā)展趨勢來看， 30MPa 參數以下機組 將更多采用一次再熱，以降低 系統(tǒng) 復雜程度，提高可靠性 。 5) 汽輪機軸系布置形式 在發(fā)展超超臨界發(fā)電技術的進程中，單軸串聯(lián)布置與雙軸并列布置是與機組容量大型化發(fā)展密切相關的一個問題。 雙軸布置中有兩種型式 ， 一種是兩根軸的轉速相同 ， 還有一種是高 、 中壓部分采用通常的轉速 ， 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，進一步提高熱經濟性 。若兩根軸轉速相同，則需配備兩臺發(fā)電機，機組總的機械損失增大，對投資及總的熱經濟性不利。同時在末級長葉片高度相同的情況下，單軸 機組 的效率高，但單軸方案存在電機大型化及隨之帶來的運輸問題。 日本東芝公司分別在 2020 和 2020 年投運兩臺 1000MW 單軸機組，德國西門子公司自 90 年代后期在發(fā)電機單軸功率方面已有多臺 900MW～1025MW 機組投運，標志著大功率 1000MW 級汽輪 機正由雙軸 結構 向單軸 結構發(fā)展 。對發(fā)達國家在發(fā)展超超臨界發(fā)電技術中對機組參數、材料的應用與選擇 、 機組的容量選擇等方面的調查分析，可以得到以下幾點結論： ? 材料的選擇 與 應用 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℃ 的參數等級。 ? 參數 選擇 主蒸汽溫度：普遍達到 600℃ 。 主蒸汽壓力：目前投運的大 容量 （ 700MW）機組的 汽輪機進汽壓力均不大于 。 ? 再熱形式 30MPa 參數以下機組 將更多采用一次再熱，以降低 系統(tǒng) 復雜程度，提高可靠性 。 ? 軸系布置型式 隨著近年來參數的不斷提高、更長 的 末 級 葉片的開發(fā)、葉片和轉子材料的改進，單軸形式成為新的發(fā)展趨勢 。 11 5. 主要 發(fā)達國家發(fā)展超超臨界發(fā)電技術的計劃 根據目前發(fā)展動向，今后超超臨界發(fā)電技術發(fā)展重點仍在材料研發(fā)與 蒸汽 溫度提高上 ，同時注重結構設計、制造技術和與之對應的系統(tǒng)優(yōu)化技術的改進和提高 。目前高參數的超超臨界機組最大容量已達1300MW，最高效率達 49%，充分顯示了超超臨界發(fā)電技術的成熟性和推廣前景。一些國家和制造廠商已經公布了發(fā)展下一代超 超 臨界機組的計劃， 主 蒸汽初溫將提高到 700℃ ～ 760℃ ，再熱汽溫達 720℃ ，相應的壓力將從目前的 30MPa 左右提高到 35～ 40MPa， 機組的 凈 效率可達到 50～ 55%。主要研究用于燃煤電廠超超臨界機組的高溫高強度合金材料 、鍋爐設計與制造技 術、汽輪機設計與制造技術、發(fā)電廠設計技術和相應的配套技術等 ，以增強美國 發(fā)電裝備 制造業(yè)在國際市場中的競爭力。 在這個項目中，美國電力研究科學研究院 為技術牽頭單位 ，負責項目管理，并深入探索新電廠設計和材料有關的問題。預計，采用新材料和改進設計的超超臨界示范電廠將在2020 年建成，到 2017 年這些材料和設計技術將能得到廣泛應用。第一階段目標是：第一步用鐵素體鋼 使主蒸汽溫度 達到 593℃ ，第二 12 步用奧氏體鋼達到 649℃ 。附 表 5 列出了該計劃的具體內容。 與此同時，日本金屬所（ NRIM）從 1997 年起開始實施一項面向 650℃級別機組所需的鐵素體耐熱鋼的研發(fā)計劃。 歐洲目前的 “Thermie 700”計劃中正在支持一項 旨在 推動歐洲發(fā)展超 超 臨界 發(fā)電 技術的項目 ，其目的是論證和準備發(fā)展具有先進蒸汽參數的未來的燃煤電廠型式，其中關鍵部件 將采用鎳基高溫合金。 Thermie 700 計劃的核心是發(fā)展新材料、鍋爐和汽輪機及熱力系統(tǒng)的優(yōu)化設計。如果該技術能夠在火電廠應用，且目前所有歐洲的運行電廠均采用該技術的話， 將使現有火電機組有害氣體（包括 CO2）的排放減少 40％。 歐洲各國約有 40 個單位參加了這個項目的工作，其中有 26 家是設備制造商（包括汽輪機、鍋爐、主要輔機和材料等制造商）；其它則分別是有關的研究機構、大學、電力公司等部門。 第一階段的費用由歐盟及瑞士政府提供，其余部分由 40 家參與項目的公司投資。 綜上，所有主要發(fā)達國家的超超臨界發(fā)電技術發(fā)展計劃中，都涉及到了高溫高強度材料、鍋爐設計與制造技術、汽輪機設計與制造技術、輔機技術和熱力系統(tǒng)優(yōu)化技術等相關內容，同時這些計劃均得到了政府部門的經費支持，并將研究、開發(fā)及示范作為執(zhí)行計劃的主線。 超超臨界發(fā)電技術的研發(fā)內容涉及了高溫高強度材料、鍋爐設計與制造技術、汽輪機設計與制造技術、輔機技術和熱力系統(tǒng)優(yōu)化技術等方面。