超超临界汽轮机技术发展42091022 赵树男1.超超临界汽轮机的参数特征超临界汽轮机(supercritical steam turbine)有明确的物理意义。
由工程热力学中水蒸汽性质图表知道: 水的临界点参数为: 临界压力p c=22.129MPa, 临界温度t c =374.15℃ , 临界焓h c=2095.2kJ/ kg, 临界熵s c=4.4237kJ/(kg·K),临界比容v c= 0.003147m3/kg。
工程上, 把主蒸汽压力p0<p c 的汽轮机称为亚临界汽轮机, 把p0>p c的汽轮机称为超临界汽轮机。
在国际上, 超超临界汽轮机(Ultra Supercritical Steam Turbine)与超临界汽轮机的蒸汽参数划分尚未有统一看法。
有些学者把蒸汽参数为超临界压力与蒸汽温度大于或等于593℃称为超超临界汽轮机, 蒸汽温度593℃可以是主蒸汽温度,也可以是再热蒸汽温度; 有些学者把主蒸汽压力大于27. 5MPa 且蒸汽温度大于580℃称为超超临界汽轮机。
1979 年日本电源开发公司(EPDC) 提出超超临界蒸汽参数( Ultra Supercritical Steam Condition)的概念, 简写为USC, 也称为高效超临界或超级超临界。
目前, 超超临界汽轮机的提法已被工程界广泛接受和认可, 在传统的超临界蒸汽参数24. 2MPa/ 538℃/ 538℃的基础上,通过提高主蒸汽温度、再热蒸汽温度或主蒸汽压力改善热效率。
国外提高超临界机组的蒸汽参数有两种途径: 一种途径是日本企业的做法, 通过把主蒸汽和再热蒸汽的温度提高到593℃或600℃, 实现了供电热效率的提高, 生产出超超临界汽轮机; 另一种途径是欧洲一些企业的做法, 把蒸汽参数提高到28MPa 和580℃, 也实现了供电热效率的提高, 生产出超超临界汽轮机。
国外投运大功率超超临界汽轮机比较多的国家有日本和丹麦, 生产大功率超超临界汽轮机台数比较多的企业有东芝、三菱、日立、阿尔斯通(德国MAN)和西门子。
我国研制超超临界汽轮机, 建议主蒸汽压力取为25MPa ～ 28MPa, 主蒸汽温度为580℃～600℃, 再热蒸汽温度为600℃, 机组功率为700MW～1000MW。
2.超超临界技术的发展2. 1 日本超超临界技术开发日本超超临界技术开发分为2 个阶段实施完成。
第一阶段超超临界技术开发从1981 年开始, 1994 年结束。
第一阶段的技术研究工作分为2步同时进行: 第一步的蒸汽温度为593℃/ 593℃,第二步的蒸汽温度为649℃/ 593℃。
第一阶段技术开发的目标是在传统超临界蒸汽参数( 24.2MPa/ 538℃/ 538℃) 的基础上, 热效率再提高2. 2% 。
主要技术研究工作有5项:○1初步试验( 1981年)；○2锅炉元件试验(1982～1989年)；○3汽轮机转动试验( 1983～1989年)；○4超高温汽轮机示范电厂试验(1983～1993年)；○5总体评价与分析( 1994年)。
1994年完成了第一阶段技术开发的总体评价与分析工作。
第二阶段超超临界技术开发从1995年开始,2001年结束。
第二阶段蒸汽温度为630℃/ 630℃, 第二阶段技术开发工作的重点是对9%Cr ～12%Cr 新型铁素体钢进行开发和验证。
第二阶段技术开发的目标是在常规超临界蒸汽参数(24. 2MPa/ 538℃/ 538℃)的基础上, 热效率再提高4.8 个百分点。
第二阶段技术研究工作有4 项:○1初步试验( 1995 年)；○2锅炉元件630℃试验(1996～2001年)；○3汽轮机转动630℃试验(1996～2000年)；○4总体评价和分析(2001 年)。
2001 年完成第二阶段技术开发的总体评价与分析工作。
日本超超临界技术开发的阶段研究工作的完成,为日本发电设备制造企业研制和生产超超临界火电机组提供了科学的依据。
2. 2 欧盟超超临界技术开发欧洲国家从20世纪90年代开始实施COST501计划, 继续开发9%Cr～12%Cr铁素体钢, 实现蒸汽温度为580℃/ 600℃。
欧洲13个国家有关的发电设备企业参与了COST501计划的研发。
研究成果已在丹麦投运的SVS3、NVV3和AVV2等超超临界机组上应用。
欧洲国家从1998年开始实施COST522计划, 开发和验证新型铁素体钢和奥氏体钢。
11%Cr钢的Co的含量增加到3% , B 的含量增加到0. 01% , 以提高材料的蠕变强度和抗高温氧化性能。
实现蒸汽温度为600℃/ 620℃, 目标是开发与燃气轮机联合循环相比更有竞争力的超超临界火电机组。
按照现有的技术水平, 可以实现的主蒸汽和再热蒸汽的温度分别为600℃/ 620℃。
欧盟从1998年1月1日启动了开发时间长达17年的超超临界技术研发项目“Themie 700”,也称“AD-700℃计划”。
欧盟“AD-700℃计划”的目的是开发具体先进蒸汽参数的超超临界火电机组。
具体目标有两点: 一是供电热效率(发电净效率)由目前的47%提高到55%(深海海水冷却)或52%(内陆厂)；二是厂房结构更加紧凑, 以降低燃煤电厂的投资。
欧盟“AD-700℃计划”的核心技术是新材料的开发和应用。
通过使用镍基超级合金, 使汽轮机的蒸汽温度由目前的600℃/ 620℃提高到700℃/ 720℃。
为了在700℃/ 720℃超超临界火电机组中减少使用价格昂贵的镍基超级合金, “AD-700℃计划”还确立了奥氏体钢和铁素体钢的发展计划。
欧盟“AD-700℃计划”分8个子阶段进行。
第一子阶段为初可研阶段(1998～2000年)；第二子阶段为材料性能示范试验阶段(1999～2003年)；第三子阶段是关键元件的详细设计阶段(2001～2003年)；第四子阶段是关键元件的示范试验和全尺寸实体试验阶段(2002～2006 年)。
在丹麦现有超超临界机组SVS3号运行的电厂内,加装加热锅炉和蒸汽温度为700℃/ 720℃汽轮机, 进行全尺寸实体试验。
从SVS3号超超临界机组上引出一部分30MPa/ 582℃蒸汽，在加热锅炉的过热器中升温到700℃,进入压汽轮机做功后再回到加热锅炉的再热器,升温到720℃。
720℃的蒸汽在中压汽轮机做功后返回SV S3号的中压汽轮机。
第五子阶段为示范电厂施工准备阶段( 2006年)；第六子阶段是示范电厂的设计和施工阶段(2007～2011年)。
计划在波罗的海沿岸国家建造一个示范电厂,单机功率为400MW 或1000MW, 蒸汽参数为37.5MPa/ 700℃/ 720℃/720℃, 一次再热压力为12MPa, 二次再热压力为3MPa, 深海海水冷却, 冷却水温度为5℃～ 10℃, 电站名称暂定为EMAX。
第七子阶段是示范电厂的运行和试验阶段(2012～2014年)。
第八子阶段是示范电厂的结果反馈到合作者阶段(2013～2014年)。
欧盟“AD-700℃计划”的战略意义是使欧盟成员国的燃煤火电机组的技术水平始终处于世界的领先水平, 显著提高欧盟成员国燃煤火电机组的竞争能力。
欧盟“AD-700℃计划”成功后, 不仅可以显著提高燃煤火电机组的热效率、显著降低煤的消耗量, 而且可以显著降低CO2 的排放量。
2. 3 美国超超临界技术开发1999年美国能源部(DOE) 提出了火电新技术发展的Vision 21计划, 对15～20年后工程中采用的先进发电技术提出研发实施计划。
在Vision 21计划中, 有一个项目为超超临界锅炉材料的研发计划(DOE/OCDO) , 起止日期为2001年10月至2006年9月。
该项目CDOE/OCDO的核心技术包括: 选定在指定热效率和运行温的发电厂中使用的材料；确定蒸汽温度为760℃的锅炉管材(镍基超级合金)的制造工艺和喷涂工艺；确定蒸汽温度为760℃的超超临界火电机组的设计和运行难点；促进新型管材技术的商业化开发和应用；通过ASME规范的认证。
该项目(DOE/OCDO)有9项研究工作:○1概念设计；○2机械性能；○3汽侧氧化；○4烟侧腐蚀；○5焊接技术开发；○6制造工艺；○7喷涂工艺；○8设计数据规范；○9项目管理。
该项目(DOE/OCDO)完成后, 美国可以制造蒸汽温度达到760℃的锅炉管材和各种部件。
如果工程需要, 也应该能够制造蒸汽温度为871℃的镍基超级合金的部件。
美国能源部(DOE)有关超超临界汽轮机技术的研究项目2002年处于立项阶段。
同蒸汽参数为16. 7MPa/ 538℃/ 538℃亚临界火电机组的热效率35%～38%相比, 美国能源部(DOE)计划开发的35MPa/ 760℃/ 760℃/ 760℃超超临界火电机组的热效率将高于55% , CO2和其他污染物的排放约减少30%。
美国能源部(DOE)开发超超临界技术的目标有两点: 一是选择先进的材料使得超超临界火电机组的成本具有竞争性、环保可接受并能够燃用高硫煤；二是提高美国发电设备制造商生产的高效燃煤火电机组( 超超临界机组) 在全世界范围内的竞争能力。
3.超超临界汽轮机关键技术的探讨到2002年底, 国内汽轮机制造企业已有亚临界汽轮机的生产经验和投运业绩。
同亚临界汽轮机的蒸汽参数16. 7MPa/ 538℃/ 538℃相比, 超超临界汽轮机的主蒸汽压力大幅度升高、主蒸汽温度明显升高, 并且再热蒸汽的压力和温度均有明显升高。
超超临界汽轮机在可靠性等方面面临的主要技术问题如图1 所示。
图1 超超临界汽轮机的主要技术问题(1) 随着蒸汽温度的升高, 超超临界汽轮机可靠性面临的主要技术问题是:○1材料力学性能和许用应力下降, 超超临界汽轮机承压部件和转动部件的强度降低,需要开发和采用新材料, 采用蒸汽冷却技术。
○2超超临界机组选用直流锅炉, 直流锅炉没有汽包, 不能进行排污, 给水中盐与锅炉过热器、再热器管子内表面剥离的氧化垢微型固体粒子进入汽轮机, 对汽轮机高压部分造成固体颗粒侵蚀,对汽轮机低压部分易造成应力腐蚀和腐蚀疲劳。
需要对调节级和再热第1级叶片开展固体颗粒侵蚀机理研究, 采取防固体颗粒侵蚀措施；末三级叶片需要采用耐腐蚀疲劳材料, 低压转子需要采用防应力腐蚀结构。
○3超超临界汽轮机与高温有关的严重问题是工作应力下产生蠕变变形以及启停与负荷快速变化过程中过大的热应力产生热疲劳(低周疲劳)。
超超临界汽轮机的绝大部分高温部件工作温度是不均匀的和变化的, 厚截面部件如转子、汽缸、喷嘴室、阀壳等在启停过程与负荷快速变化过程中都承受很大的温度梯度, 由此而产生的热应力接近或超过材料的屈服极限, 严重影响这些部件的使用寿命。
超超临界汽轮机参与调峰运行, 寿命问题更为突出。