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超超临界机组参数和热力系统的优化分析
超超临界机组参数和热力系统的优化分析
沈邱农 程钧培
(上海发电设备成套设计研究所)
摘 要: 本文概要叙述了国外超超临界技术的现状和发展趋势,研究各种因素对超超临界机组参数和热力系
统选择的影响,对我国发展超超临界技术的可选方案和经济性作出了初步分析。
关键词: 超超临界 参数 热力系统 经济性
1 超超临界技术的发展
二十世纪五十年代超超临界技术开发初期,由于蒸汽参数选取过高,超越了当时的材料
技术水平,很大程度上影响了超超临界机组的可靠性。其后的 20 余年,蒸汽参数被降至
24.1MPa、538/566℃的超临界水平。但是,由于全球性的节约能源和环境保护的原因,在此
期间超超临界技术发展的研究一直在进行,首先重点解决的是高温高强度材料开发。八十年
代欧洲以英国为中心进行了 COST501 项目,研制 600℃级的珠光体钢。1998 年开始,欧洲 16
个国家参加了 COST522 项目,启动了 650℃级超超临界机组珠光体材料的开发,计划到 2003
年结束。日本从 1981-2000 年在通产省的支持下实施了珠光体钢和奥氏体钢材料研究计划,
第一阶段将汽轮机的进汽参数提高到 31.1MPa、593℃/593℃/593℃和 34.3MPa、649℃/593℃
/593℃,发电端效率为 44.2%—44.9%。第二阶段将汽轮机进汽参数提高到 30MPa、630℃/630
℃,发电机端效率达到 44.16%。
欧盟从1998年还启动了计划长达17年的700℃级超超临界参数的开发项目“AD700计划”
(THERMIE PROGRKAM)。目标是开发先进蒸汽参数的超超临界火电机组,将供电效率提高到 55
%(深海水冷却)或 52%(内陆电厂),并且使厂房结构更加紧凑,降低燃煤电厂的投资。“AD700
计划”的核心技术是通过镍基超级合金材料的开发和应用,使汽轮机的主蒸汽温度由目前的
600℃提高到 700℃。为了在将来的超超临界机组中减少使用价格昂贵的镍基超级合金,同时
还确立相同温度等级奥氏体钢和铁素体钢的发展计划。“AD700 计划”的战略意义是使欧盟成
员国燃煤火电机组的技术水平始终处于世界领先水平,因为欧盟各成员国拥有大量亚临界机
组到 2010 年运行寿命接近 40 年,采用 700℃等级的超超临界机组替换老机组,可明显提高热
效率。另外欧盟各成员国已批准了《联合国气候变化框架公约》京都议定书,大规模采用高
效率的超超临界机组可以使 CO2 的减排满足“京都议定书”的要求。上述研究计划虽然还没
有如期实现,但正在向目标前进,在超超临界机组参数选择、机组设计制造以及运行方面已
经取得了阶段成果。
新材料的开发始终是超超临界技术发展的关键。国外超超临界技术的发展轨迹十分清楚,
上世纪 50 年代已具有生产蒸汽参数达 600℃~650℃机组的材料,但材料技术不成熟,且价格
昂贵,影响了超超临界机组的可靠性,因而不得不降低温度参数。直到 80 年代研究出适用于
600~650℃蒸汽参数的 9% -12% Cr 钢,成本远低于最初用的奥氏体钢和高温合金,且其物理
性能与工艺性能都比奥氏体钢优越,给再度生产蒸汽参数为 600~650℃的机组创造了条件,
90 年代起又开始制造超超临界参数机组。目前国外已形成 600°C 等级的 9% -12% Cr 钢的材料
标准系列,新型高温铁素体-马氏体 9%-12%Cr 材料已用于 31MPa、600°C /610°C 参数的超超临
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界机组,经过汽轮机各高温高压部件近十多年的应用,这种材料技术已经相当成熟。600°C 温
度等级的超超临界机组也已经大批量生产和投运,价格越来越具有竞争力。
由于世界发达国家用电量已趋于饱和,在新建机组中采用这种高效机组所占比例相当高。
对世界近十年来大容量超超临界机组投运或订购情况的分析表明,由于 9~12%Cr 钢研制成
功,各大发电设备制造商正在迅速发展温度参数为 600℃的机组。从总体情况分析,目前新建
超超临界火电机组主要集中在日本和欧洲市场,汽轮机主蒸汽温度和再热蒸汽温度已普遍达
到 600°C。根据对日本新建电厂的统计,1998 年以来所有新建超超临界机组均已采用 600°C 等
级的温度参数,现役机组实际年均运行小时达到 8300 小时左右,整体技术已相当成熟。对于
主蒸汽压力,日本 1990 年以来投运机组进汽压力均为 25 MPa 左右。西门子 1998 年后相继有
25.8MPa~30MPa 的机组投运,但目前功率大于 700MW 的机组的进汽压力均不大于 26.5MPa,
且均为一次再热。九十年代以来,国外尚没有超过 27 MPa 压力百万千瓦级汽轮发电机组设计
和投运的报道。在机组容量方面
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