超超临界机组核心技术自主创新问题的研究

超超临界机组核心技术自主创新问题的研究一、引言超超临界火电机组是世界上成熟先进的发电技术，目前主蒸汽/再热汽温度为600℃的超超临界机组供电效率可达44～45％，在经济发达国家中广泛应用并得到了显著的节能和减少污染的效果，并且正进一步向更高参数方向发展。我国虽然是拥有多种资源的国家，但以煤为一次能源的火力发电仍是电力生产的主要方式。要实现节能降耗，减轻环境污染，势必大规模采用高效、清洁的大型超超临界机组，提高能源利用率，减轻环保压力。从2003年起，我国发电设备制造企业与国外制造商合作，引进大容量超超临界火电机组技术。哈尔滨、上海和东方三大动力集团分别从三菱、西门子以及日立公司等引进了超超临界技术。2006年，采用引进技术生产的1000MW超超临界火电机组分别在玉环电厂、邹县电厂成功投运，标志着我国电力设备的制造水平跨上了一个新的高度。据统计，截至2007年底，发电设备制造企业承接和投标的600MW等级超超临界机组达到76台，1000MW超超临界机组达到94台。预计在国家节能降耗减排政策的导向下，今后我国电源建设将逐步过渡到以清洁高效的大型超超临界燃煤发电机组为主。根据电力工业中长期发展新的预测，到2020年，我国装机总容量将达到13.4亿千瓦，其中煤电装机总容量为9.1亿千瓦。以2005年3.8亿千瓦煤电装机量为基准，到2020年煤电装机新增容量为5.3亿千瓦。如果按保守的估计，新增煤电装机容量的60%采用超超临界机组，未来十几年我国超超临界机组的市场需求量将不少于3.2亿千瓦。虽然我国超超临界机组取得了举世瞩目的发展，但国内制造企业自主创新的技术瓶颈仍然明显，主要表现技术对外依存度高，超超临界机组设计制造的核心技术尚未掌握，关键零部件和原材料主要依靠进口，目前超超临界机组的国产化率大致为60%。1）超超临界机组用高温高强度材料国产化研制和应用性能研究工作薄弱。600℃等级新型耐热钢尚未实现国产化，超超临界机组的大型铸锻件和关键原材料的目前还依赖进口，对新型耐高温材料的加工工艺性能和应用性能还不完全掌握。价格居高不下和货源紧缺制约超超临界机组发展。2）目前超超临界机组仍须由国外厂商进行性能设计，国内制造企业按图生产。尚未掌握超超临界锅炉水冷壁的传热和水动力特性、过热器和再热器热偏差特性、超厚壁大口径受压元件及刚性梁结构设计关键核心技术。超超临界汽轮机的气动设计、冷却技术、强度与振动研究、末级长叶片设计和热力系统优化等设计核心技术未开展相应的自主研究。3）超超临界机组的辅机及配套阀门的国产化方面还有较大缺口，高参数阀门目前大部分需要向国外采购，给水泵及其驱动汽轮机、给水加热器和大型凝汽器等关键辅机还没有完全形成自主设计能力。4）关键共性技术研究体系尚不完善，各发电设备制造企业引进的超超临界技术来源不同，形成了不同的技术流派。对关系到行业技术发展的共性技术尚未有效地组织起开发体系，核心技术自主创新能力不足，缺乏共性技术研究平台，在超超临界机组的高温高强度材料研发、超超临界锅炉和汽轮机关键共性技术未能组织起有效的试验研究。根据我国的现实情况，实现超超临界机组设备设计制造的自主化，要在消化吸收引进技术的同时，加强国内自主创新的力度，重点解决高端材料、关键部件和设计技术等核心技术问题，逐步形成我国自己特色的、具有自主知识产权的超超临界成套设备设计制造技术，具备产品自主优化和自主升级能力，积极应对未来发电设备市场激烈的国际竞争。上海发电设备成套设计研究院和中国动力工程学会近年来对超超临界机组自主创新问题开展了相关的研究，本文主要介绍这些研究工作的开展情况。二、超临界和超超临界机组参数系列标准的研究超临界和超超临界机组参数系列标准的研究是上海发电设备成套设计研究院从2006年起承担的一项课题研究，主要任务是通过对超临界和超超临界机组的技术与经济的研究和分析，提出适合国情的超临界和超超临界机组参数系列的国家标准，以规范超临界和超超临界机组参数，实现标准化设计和制造。燃煤火电机组的热力循环是按朗肯循环进行的，蒸汽参数是决定机组的热经济性的重要参数。提高蒸汽的初参数（蒸汽压力和温度），采用再热系统和增加再热次数都能提高循环的热效率。水的物性有超临界和亚临界之分，压力大于临界点Pc状态范围称为超临界区，压力小于Pc的范围称为亚临界区。常规亚临界循环的典型参数为16.7MPa/538/538℃，发电效率约为38％－39％。超临界循环典型的参数为24.1MPa/538/566℃，对应的发电效率约为41％－42％。超超临界（UltraSupercritical）参数实际上是在典型的超临界参数基础上向更高压力和温度提高的过程。通常认为超超临界是指压力达到25MPa-35MPa,温度达到593℃－650℃或者更高的参数，并具有一次再热或二次再热的热力循环,目前达到的发电效率为44％-45％。目前，国际上对超超临界参数的定义各不相同,但通常认为温度566℃事实上一直是超临界参数的准则，新汽温度或再热汽温度高于这一数值时必须使用高一等级的材料，将被划为超超临界参数范畴。对于超超临界参数的定义，我国技术界一直存在争议，很多专家认为超临界和超超临界的划分缺乏科学依据。超临界和超超临界机组参数系列标准研究课题建议将超超临界参数定义为：在典型超临界参数基础上进一步提高蒸汽参数时所作的商业的或人为的区分，在超临界压力状态下，新蒸汽或再热蒸汽温度超过566℃即为超超临界参数。蒸汽参数对超超临界机组经济性的影响归纳如下：1）温度对于一定容量的机组，当蒸汽初压不变提高蒸汽初温，循环效率将会提高。在一定范围内，新蒸汽温度或再热蒸汽温度每提高10℃，机组的热耗就可下降0.25％-0.3％。同时，由于初蒸汽比容增大和低压缸排汽湿度减小，汽轮机的内效率也可提高，对提高电站热经济性有利。蒸汽初温提高主要受材料的许用温度限制，当初温提高到一定程度，锅炉的过热器和再热器、汽轮机的高中压进汽部分的材料将采用热强度高的奥氏体合金钢。为了使超超临界机组降低制造成本，提高市场竞争力，开发热强性高、工艺性好，价格低廉的高温材料是最关键的问题。2）压力当蒸汽初温不变仅提高初压时,一定范围内可提高机组热效率，但单独提高初压过大，机组热效率反而会降低，其原因主要是初压提高时蒸汽比容减小，将使汽轮机超高压通流部分叶片高度减小，甚至需要采用部分进汽，这样将使叶片级的二次流损失和轴封漏汽损失都增大，将抵销一部分提高压力参数所带来的好处。同时，低压缸的排汽湿度将随初压的提高而增加，加大湿气损失，使汽轮机的热效率下降，另外还将增加末级叶片水蚀程度。在初温一定的情况下存在一个最佳初压，超过最佳初压后，机组的热耗率将趋于上升。根据分析，在相同的温度下，将主蒸汽压力从24.1MPa提高到31MPa，超超临界机组热效率能够改善1～1.5％。3）再热为了提高大容量机组的经济性，通常采用中间再热的办法提高热力循环的平均吸热温度，降低热耗。采用中间再热，还可以减小低压末级的排汽湿度，提高汽轮机效率和延长末级叶片寿命。目前世界上投运的超临界或超超临界机组均采用中间再热，通常再热温度与蒸汽初温选在同一水平，在中压缸进汽压力较低的情况下，为了降低排汽湿度，也有将再热温度提高到高于初温水平的情况。采用二次再热循环能比一次再热更能提高机组的热力性能，但同时必须评估由于锅炉受热面、蒸汽管道的增加以及汽轮机的设备复杂性和材料价格而引起的电厂造价的增加，热效率提高获得的收益将有相当长时间用于抵冲增加的造价。我国发电设备制造企业分别从日本三菱、东芝和德国西门子引进了超临界和超超临界机组技术，根据引进技术和超超临界机组生产和运行的实际情况,超临界和超超临界机组参数系列标准研究课题提出如下建议:1)600MW超临界汽轮机额定参数：600MW、24.2MPa/566℃/566℃；2)1000MW超临界汽轮机额定参数：1000MW、24.2MPa/566℃/566℃；3)600MW超超临界汽轮机额定参数：600MW、25MPa/600℃/600℃；600MW、26.25MPa/600℃/600℃；4)1000MW超超临界汽轮机额定参数：1000MW、25MPa/600℃/600℃；1000MW、26.25MPa/600℃/600℃。用户可以按标准参数采购超临界和超超临界机组，也可以根据需要，经过与制造企业协议，在一定范围内变化超临界和超超临界机组参数。超临界和超超临界火电机组将是我国今后发展的先进适用的主力机组，在以后的十年内，宜将超超临界机组的蒸汽参数将稳定在600℃/600℃，通过自主创新，掌握核心技术，实现超超临界使用的600℃合金钢材料和大型锻件国产化。在此基础上，开发更高使用温度的合金钢材料，继续提高超超临界机组的蒸汽参数和热效率。三、我国发展超临界及超超临界火电机组最佳容量选择的研究我国超超临界机组按容量通常可分为600MW等级和1000MW等级，2007年底国内制造厂承接和投标的600MW等级超超临界机组76套，1000MW等级超超临界机组94套。目前已有近10台600MW、1000MW超超临界机组投入运行。但目前玉环电厂的两台1000MW超超临界机组经常运行在500MW-600MW，其经济性与600MW亚临界机组相当，邹县电厂1000MW机组也因电能输送问题不能充分发挥效能。新建电厂如何选择机组容量以发挥最佳效能，政府部门依据什么原则审批成为当前面临的新问题。中国动力工程学会近期对我国发展超临界及超超临界火电机组最佳容量的选择这一课题进行了研究。课题分析了国内外超临界及超超临界火电机组的发展现状，对不同容量的产出率机组进行了技术经济比较，还对超超临界火电机组经济运行负荷、机组容量选择对电网安全稳定性运行的影响以及不同容量机组的投资进行了分析和比较，主要的分析意见如下：关于超超临界机组容量的选择，一般情况下应把容量选得大些，其理由一是因为超高压部分蒸汽容积流量很小，如果机组容量选得不足够大，通流部分叶片高度过小，将引起气动损失增大，使提高参数带来的热经济性不明显，因此，300MW级机组不推荐发展超临界参数；二是单机容量增大，降低了按千瓦分摊的设备费用、土建费用以及其它辅助设施费用，能使电厂的比投资明显降低。但是单机容量的增加主要受到全转速末级叶片长度的限制，对于转速为3000转/分、低压缸为4排汽的机组，由于受材料强度的限制，钢制长叶片最大长度只能做到1220mm。这种长度叶片的通流能力决定机组最大容量为1000MW。超超临界机组的容量选择因根据目前国内汽轮机行业的设计制造能力水平合理选取。从国外发展超临界、超超临界机组的现状分析，发达国家建设1000MW等级的大容量机组数量不多，且基本上是带基本负荷运行。特别注重机组的安全和可靠性，在参数选择上留有余地，即便降低热效率等经济指标，也要确保运行的安全可靠。超临界、超超临界机组的发展必须与耐热合金钢材料技术的发展相适应，由于超超临界机组用耐热合金钢主要从国际市场进口，我国电力市场对超超临界机组旺盛需求推动了国际市场耐热合金钢材料的价格上涨，SUPER304或HR3C价格已经上涨到30万元人民币以上，超超临界汽轮机12%Cr高、中压转子锻件目前还全部从国外进口，价格和交货期都受到制约，增大机组容量以降低机组造价的优势消失，甚至推高机组价格。在我国材料还不能基本自给的情况下，不要盲目大量建设1000MW级及以上机组。机组的容量选择还受到机组在电网中运行方式的制约。当1000MW超超临界机组运行负荷低至60%额定负荷时，机组热耗率将高于600MW超临界机组额定工况热耗率；当1000MW超超临界机组运行负荷低至40%额定负荷时，机组热耗率将高于亚临界300MW、600MW机组额定工况热耗率。而我国已投运的1000MW超超临界机组经常在50%-60%负荷下运行，将失去选择超超临界次数的意义，为充分发挥超超临界机组高效率的优势，最好让其在负荷中心带基本负荷运行，不应使其作调峰运行。为保证超超临界机组经济性的优势，建议电网按竞争上网的调度规则尽量保证超超临界机组在较高负荷下运行，负荷要不小