1、參考文獻超超臨界及亞臨界參數鍋爐，樊泉桂著，中國電力出版社，2007年。超超臨界機組鍋爐設備及系統(xtng)，朱全利編，化學工業出版社，2008年。國產600MW超臨界火力發電機組技術叢書-鍋爐設備及系統(xtng)，朱全利主編，中國電力出版社，2008年。600MW超臨界火力發電機組技術問答叢書-鍋爐運行技術問答，張磊，廉根寬編，化學工業出版社，2009年。超超臨界火電機組叢書-鍋爐設備與運行，張磊，李廣華主編，中國電力出版社，2007年。超臨界、超超臨界燃煤發電技術，西安熱工研究院編著，中國電力出版社，2008年。超超臨界火電機組技術問答叢書-鍋爐運行技術問答，張磊主編，中國電力出版社，

2、2008年。第1頁/共45頁第一頁，共46頁。內容提要(ni rn t yo) 超臨界機組的發展(fzhn)和現狀 超臨界機組參數確定及選型 超臨界機組水動力與傳熱特性 超臨界機組受熱面布置 超臨界機組的金屬材料 超臨界機組熱力系統 超臨界鍋爐啟動和運行第2頁/共45頁第二頁，共46頁。一、超臨界機組的發展(fzhn)和現狀1 超臨界機組概念2 超臨界機組特點3 超臨界機組發展(fzhn)現狀4 超臨界機組發展(fzhn)前景第3頁/共45頁第三頁，共46頁。1 超臨界機組(jz)概念1）熱力(rl)發電廠第4頁/共45頁第四頁，共46頁。鍋爐鍋爐(gul)第5頁/共45頁第五頁，共46頁。汽

3、輪汽輪(q ln)發電機組發電機組第6頁/共45頁第六頁，共46頁。2 2）鍋爐）鍋爐(gul)(gul)汽水和煙風流程汽水和煙風流程凝汽器凝汽器GCCPCBP頂棚包墻低過屏過高過IPHPLP316LPB361分離器儲水罐除氧器給水泵高加低加低加水冷壁省煤器后后墻墻前前墻墻CBAEDF啟啟動動油油槍槍暖磨暖磨煤粉燃煤粉燃燒燒器器CCP頂棚包墻低過屏過高過低再高再GG汽汽輪輪機排汽機排汽第7頁/共45頁第七頁，共46頁。朗肯循環(xnhun)的TS圖第8頁/共45頁第八頁，共46頁。 絕熱壓縮過程絕熱壓縮過程(guchng)：作為工質的凝結水用凝結水泵和給水泵將其：作為工質的凝結水用凝結水泵和給

4、水泵將其從凝汽器打入鍋爐省煤器內；從凝汽器打入鍋爐省煤器內； 定壓吸熱過程定壓吸熱過程(guchng)：水在省煤器內預熱，然后進入爐膛水冷壁內，：水在省煤器內預熱，然后進入爐膛水冷壁內，被加熱汽化成飽和蒸汽，再進入過熱器內過熱變成過熱蒸汽；被加熱汽化成飽和蒸汽，再進入過熱器內過熱變成過熱蒸汽； 絕熱膨脹過程絕熱膨脹過程(guchng)：從鍋爐出來的過熱蒸汽導入汽輪機中，在其：從鍋爐出來的過熱蒸汽導入汽輪機中，在其中膨脹做功（汽輪機帶動發電機轉動發出電能）；中膨脹做功（汽輪機帶動發電機轉動發出電能）； 定壓放熱過程定壓放熱過程(guchng)：在汽輪機內作完功的乏汽，排入凝汽器內，：在汽輪機內作

5、完功的乏汽，排入凝汽器內，在循環水的冷卻下放出它的汽化潛熱，定壓凝結成飽和水；在循環水的冷卻下放出它的汽化潛熱，定壓凝結成飽和水； 凝汽器內的凝結水重又通過凝結水泵和給水泵送入鍋爐加熱蒸發從而完成凝汽器內的凝結水重又通過凝結水泵和給水泵送入鍋爐加熱蒸發從而完成了循環。了循環。第9頁/共45頁第九頁，共46頁。3 3）超臨界概念）超臨界概念(ginin)(ginin) 水在省煤器內預熱，然后進入爐膛水冷壁內，被加熱汽化成飽和蒸汽(zhn q)，再進入過熱器內過熱變成過熱蒸汽(zhn q)；cTBACBcTT cpp 3a3b3d3e3c2c2a2b2d2e1c1a1b1d1eTscp第10頁/共

6、45頁第十頁，共46頁。超臨界壓力下朗肯循環過程的TS圖第11頁/共45頁第十一頁，共46頁。 水在加熱過程中存在一個狀態點臨界點 低于臨界點壓力，從低溫下的水加熱到過熱(u r)蒸汽的過程中要經過汽化過程，即經過水和水蒸汽共存的狀態； 而如果壓力在臨界壓力或臨界壓力以上時，水在加熱的過程中就沒有汽水共存狀態而直接從水轉變為蒸汽。第12頁/共45頁第十二頁，共46頁。STP2P1PljP2 P1水蒸汽性質的圖第13頁/共45頁第十三頁，共46頁。超臨界是一個熱力學概念。 對于水和水蒸氣而言，壓力超過臨界壓力22.129MPa的狀態，即為超臨界狀態。水和水蒸氣在臨界壓力22.129MPa對應的飽

7、和溫度為374.15。超臨界機組即指蒸汽壓力達到超臨界狀態的發電機組。 即在臨界壓力以下，水可以由液態經過加熱蒸發和過熱過程，變為溫度高于對應壓力下的沸點溫度，從而能滿足汽輪機要求并推動汽輪機作功的過熱蒸汽。而在臨界壓力以上，由水變為水蒸汽就沒有沸騰過程了。雖然在不同(b tn)壓力和溫度下水和水蒸汽的密度還在變化，但是在相同壓力和溫度下水和水蒸汽的密度相同。即水可以直接轉變為水蒸汽，中間不需要經過飽和沸騰過程。第14頁/共45頁第十四頁，共46頁。 常規亞臨界機組典型參數16.7MPa/538/538,發電效率38-39。 常規超臨界機組（conventional supercritical

8、）主蒸汽壓力為24MPa左右，主蒸汽和再熱蒸汽溫度(wnd)為540-560；超臨界機組典型參數24.1MPa/538/566,發電效率41-42。效率比亞臨界機組高2。 高效超臨界（high efficiency supercritical）或超超臨界（ultra-supercritical）機組, 主蒸汽壓力為25-35MPa左右，主蒸汽和再熱蒸汽溫度(wnd)為580以上；超超臨界機組（玉環）26.25MPa/600/600,發電效率44.86。效率比亞臨界機組高6左右。 （超超臨界是我國的一種劃分，也稱為優化的或高效的超臨界參數，一般認為蒸汽壓力大于25MPa，蒸汽溫度(wnd)高于5

9、80為超超臨界狀態。世界上尚未有統一的規范。在中國電力行業，蒸汽參數達到27MPa580600以上的高效超臨界機組，屬于超超臨界機組。）第15頁/共45頁第十五頁，共46頁。2 超臨界機組(jz)特點1）最大優勢：能夠大幅度提高循環熱效率，降低發電煤耗。亞臨界機組（1617Mpa、538/538），凈效率約為3738%，煤耗330350g；超臨界機組（2428Mpa、538/538），凈效率約為4041%，煤耗310320g；超超臨界機組（30MPa以上566/566），凈效率約為4446%，煤耗280300g。 例如：中國(zhn u)亞臨界機組的循環熱效率為37，發電煤耗約為330-340

10、g/(KWh)，丹麥的一臺411MW純凝汽式機組蒸汽參數為285bar/580/580/580，循環熱效率達到47。發電煤耗約為255g/kw.h。石洞口、綏中、盤山等電廠的10臺超臨界機組發電煤耗約為320 g/kw.h。一臺1000MW級的超臨界機組，一年就可以節約煤炭約70萬t。 第16頁/共45頁第十六頁，共46頁。2003年度(nind)全國超臨界機組運行經濟指標統計數據電廠名稱容量 MW供電煤耗 g/kWh發電煤耗g/kWh廠用電率%華能南京電廠300324.5309.84.53華能營口電廠320337.2320.74.90華能伊敏電廠500329.53l1.25.55國華盤山電廠

11、500331.O3l1.16.0石洞口電廠600308.2297.13.6綏中電廠800329.23l2.94.93第17頁/共45頁第十七頁，共46頁。2） 環保優勢中國亞臨界機組的循環熱效率為37，與世界目前及未來先進(xinjn)水平的超臨界機組發電技術相比，熱效率相差10-18，多消耗燃料量25-30以上。即便采用最新的燃燒技術，污染物的總排放量也相應增加25-30以上，同時多消耗水資源6-10以上。第18頁/共45頁第十八頁，共46頁。環保(hunbo)標準排放指標單位標準狀態日本超超臨界機組中國國家標準GB13271-2001SO2mg/m370900-1200NOXmg/m330

12、400粉塵mg/m35250第19頁/共45頁第十九頁，共46頁。3）其它優勢 效率高，單機容量(rngling)大，可靠性好，可調性好（無汽包）環保指標先進，造價低（鍋爐高5，總投資高2-3%,但是供電效率高2%,四年就可抵消）。第20頁/共45頁第二十頁，共46頁。4）需要提高金屬材料的檔次和金屬部件的焊接工藝水平。超臨界鍋爐價格比亞臨界高5左右，但是供電效率高，所以在東南部采用超臨界比較有利。但是超臨界機組高壓蒸汽管、聯箱、過熱器管和水冷壁管都要符合蠕變強度的要求,我國主要(zhyo)依賴進口。日本從超臨界到超超臨界材料準備上進行了12年，從566到600又用了7年的時間，從材料到溫度用

13、了將近20年的時間。5）控制系統復雜無汽包、鍋爐動態特性受擾動影響比汽包式鍋爐大；有時會在亞臨界壓力范圍內運行，由于亞-超臨界區工質特性的巨大差異，使超臨界機組呈現很強的非線性特性和變參數特性，遠比常規的亞臨界機組難于控制超臨界機組蓄熱量和蓄質量相對亞臨界小，負荷調節的靈敏性好，可實現快速啟停和調節負荷，但是對擾動響應快，反而更容易出現較大的熱偏差。第21頁/共45頁第二十一頁，共46頁。6）整個系統設計經驗、輔機配件、控制系統、制造、安裝到工地焊接都沒有經驗。一面(y min)是高效應、一面(y min)是技術漏洞。超超臨界技術對于制造廠沒有問題，對發電廠來說，如機組啟停、運行過程中的監控等

14、都缺乏經驗。 我國沒有核心技術。以哈爾濱鍋爐廠為例。其亞臨界項目和阿爾斯通合作，超臨界項目和英巴合作，超超臨界是和三菱合作。沒有一個清晰的技術路線。第22頁/共45頁第二十二頁，共46頁。第23頁/共45頁第二十三頁，共46頁。3 超臨界機組發展(fzhn)現狀 目前全世界有大約600臺超臨界機組在運行。主要的工業(gngy)國家十分注重發展超臨界和超超臨界機組。前蘇聯境內超臨界機組數量及總容量居世界首位。在美國、德國、日本等國家也具有相當數量的超臨界機組。第24頁/共45頁第二十四頁，共46頁。第一階段（上世紀第一階段（上世紀(shj)50-70(shj)50-70年代）年代） 以美國為核心

15、，追求高壓/雙再的超超臨界參數。1959年Eddystone 電廠1#機組，容量為325MW，蒸汽壓力為34.5MPa，蒸汽溫度為 649 / 566 / 566 C（二次再熱），熱耗為8630kJ/kWh，汽輪機制造商美國WH公司，鍋爐制造商美國CE公司。其打破了最大出力、最高壓力、最高溫度和最高效率的4項記錄。1968年降參數（32.2MPa/610/560/560 C）運行(ynxng)直至今，但至今仍是世界上蒸汽壓力和溫度較高的機組。 早期的超超臨界機組，更注重提高初壓（30MPa或以上）,迫使采用二次再熱。 使結構與系統趨于復雜，運行(ynxng)控制難度更難，并忽視了當時技術水平和

16、材料水平，使機組可用率不高。第25頁/共45頁第二十五頁，共46頁。第二階段（上世紀第二階段（上世紀(shj)80(shj)80年代）年代） 以材料技術發展為中心(zhngxn)，超超臨界機組處于調整期。鍋爐和汽輪機材料性能大幅度提高，電廠水化學方面的認識更趨深入，美國對已投運的超臨界機組進行大規模的優化和改造，形成了新的結構和新的設計方法，使可靠性和可用率指標達到甚至超過了相應的亞臨界機組。其后，美國將超臨界技術轉讓給日本，GE公司轉讓給東芝和日立公司，西屋公司轉讓給三菱公司。 第26頁/共45頁第二十六頁，共46頁。第三階段（上世紀第三階段（上世紀(shj)90(shj)90年代開始）年代

17、開始） 迎來了超超臨界機組新一輪的發展階段。主要原因是國際上環保要求日趨嚴格，新材料的開發成功，常規超臨界技術的成熟。大規模發展超超臨界機組的國家以日本、歐洲（德國、丹麥）為主要代表。 日本以川越電廠31 MPa /654/566/566超超臨界為代表，開拓了一條從引進到自主開發，有步驟有計劃的發展之路，成為當今(dngjn)超超臨界技術領先國家。其值得我們認真學習。第27頁/共45頁第二十七頁，共46頁。前蘇聯前蘇聯 全世界近50的超臨界機組在蘇聯，232臺，提供約40的電力。機組容量300，500，800，1200MW。1963年投運第一臺300MW超臨界機組，現300MW以上機組全部(q

18、unb)采用超臨界參數。特有技術包括超臨界熱電聯產、燃用劣質高灰份煤技術。汽輪機末級葉片設計、直接接觸式給水加熱器、給水加氧處理等。但是效率低，控制系統比較落后，水處理技術不行。 常規超臨界參數壓力為24.1MPa, 溫度為545/545基本形成四個容量等級，300MW（首臺投運時間1963年），500MW（首臺投運時間1968年），800MW（首臺投運時間1968年），1200MW（首臺投運時間1981年）。已有近200臺（1200MW僅一臺）超臨界機組運行，占全國35%電力。 第28頁/共45頁第二十八頁，共46頁。美國(mi u) 是世界上發展超臨界技術最早的國家之一。單機雙軸最大容量為

19、1300MW（9臺），其中單機容量大于500MW的占70%上，其中800MW以上的機組107臺，總量為170多臺超臨界機組。50年代開發第一代燃煤超臨界機組，60年代第二代，70年代到高峰，80年代開始大幅度減少(jinsho)。起步早、發展快、裝機容量大。但是早期發展出現大幅度變化。 美國早期只生產了三臺超超臨界機組之后便停止生產。到80年代，又退回到超臨界參數，大力發展常規超臨界機組。目前，美國超臨界機組在數量上居世界第二位，并擁有9臺世界上最大的超臨界機組，單機容量為1300MW. 第29頁/共45頁第二十九頁，共46頁。日本(r bn) 是世界上超臨界機組(jz)技術最先進的國家，技術

20、先進的主要體現是發電煤耗最低，可實現變壓運行。日本目前正在研究發展超超臨界機組(jz)技術的高強度耐熱金屬材料，井實現了采用垂直管屏內螺紋管水冷壁變壓運行的新技術。 日本1967年從美國引進第一臺超臨界600MW機組(jz)。將450MW以上機組(jz)全部采用超臨界參數，占總裝機容量的61。第30頁/共45頁第三十頁，共46頁。其它(qt)國家 韓國采用標準化設計(shj)，90年代安裝16臺“標準的”500MW機組。 歐洲大約有60臺超臨界機組運行，德國丹麥和英國。 德國1956年29.3MPa/600117MW超臨界機組投產，其參數已經是超超臨界。80年代有16臺。其的特點是超超臨界機組

21、的壓力在（2528）MPa范圍，溫度有上升為580/600及600/600的趨勢，但總的來說溫度水平低于日本。第31頁/共45頁第三十一頁，共46頁。 丹麥(dn mi)“多燃料概念”包括煤、天然氣和生物質。蒸汽燃氣聯合循環系統。丹麥(dn mi)的超超臨界機組追求技術上可能達到的最高效率而不太考慮成本。壓力接近30MPa，溫度為580/600或580/580/580，傾向于采用二次再熱。機組多數為400MW供熱機組，由于采用低溫海水冷卻循環（背壓26kPa)等，其循環效率可達47%。開發了530MW, 30.5MPa/582/600一次再熱機組循環效率可達49%，成為迄今為止世界上熱效率最高

22、的火電機組。第32頁/共45頁第三十二頁，共46頁。 在400MW 1000MW的容量范圍內均有成功業績。已投運的大容量（700MW）機組的進汽壓力均不大于27.5MPa，已應用的超超臨界溫度的先進水平是580610范圍內，國外在這一溫度下的材料技術已經基本成熟 。 采用二次再熱的超超臨界機組，除了(ch le)早期美國的三臺機組外，只有日本川越兩臺（1989年）和丹麥的機組。采用兩次再熱可使機組的熱效率提高12%，但也造成了調溫方式、受熱面布置等的復雜性，成本明顯提高。因此近五年來新投運機組基本上沒有采用二次再熱。 目前世界上先進的超超臨界機組效率已達到47%49%，背壓的降低對機組效率的影

23、響是不可忽視的，配置脫硫、脫硝的超臨界燃煤機組是國際上目前應用最廣泛的高效、減排CO2和低污染的發電技術。第33頁/共45頁第三十三頁，共46頁。中國(zhn u) 從20世紀80年代開始引進美國和俄羅斯的超臨界機組，第一座超臨界機組電廠是上海石洞口第二電廠引進的600MW超臨界機組，1992年建成，南京熱電廠、天津盤山電廠、內蒙古伊敏電廠、遼寧綏中電廠引進的300、500、800MW超臨界機組已經投入運行。 2004年第一個國產超臨界河南沁北電廠2600MW，上海外高橋電廠2900MW、福建后石電廠2600MW、江蘇常熟電廠2600MW、河南三門峽電廠2600MW等超臨界機組相繼建成并投入運

24、行。 浙江玉環電廠1000MW。電廠規劃為4臺，一期兩臺(lin ti)，2004年開工，2007和2008年投產。為國內效率最高、單機容量最大、最潔凈的火電廠。蒸汽壓力26.25MPa，蒸汽溫度600，發電效率44.86。汽輪機引進德國西門子技術，超超臨界、一次再熱、變壓、八級回熱抽汽、單缸四排汽（1146mm末級葉片）、雙背壓、凝汽式；鍋爐為日本三菱技術：超超臨界、一次再熱、變壓、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼結構、全懸吊結構、垂直管圈型直流鍋爐。第34頁/共45頁第三十四頁，共46頁。已投運和訂貨的機組(jz)統計第35頁/共45頁第三十五頁，共46頁。第36頁/共45頁第三十六頁，

25、共46頁。第37頁/共45頁第三十七頁，共46頁。中國新一代超臨界機組技術的主要(zhyo)特征 蒸汽壓力為25-28MPa，蒸汽溫度為540-604，機組(jz)發電功率為600MW、900MW、1000MW級，機組(jz)熱效率為40-44，發電煤耗為300-275g(kWh)，單位時間的水資源節約6-10，污染物的排放量大幅度降低。第38頁/共45頁第三十八頁，共46頁。20052005年完成國家年完成國家“十五十五”863”863計劃計劃“超超臨界燃煤發電超超臨界燃煤發電(fdin)(fdin)技術技術”該863課題主要成果有超超臨界技術選型從技術可行性，設計制造模式，與國外合作，經濟

26、性分析提出選型結論。煙氣凈化選型建議(jiny)高溫部件冷加工工藝等。第39頁/共45頁第三十九頁，共46頁。4 超臨界機組(jz)發展前景 日本：不取太高的壓力，而取相對較高的蒸汽(zhn q)溫度。 鐵素體鋼達到593，應用9-12Cr發展31.4MPa/593/593/593，發電效率達44.2%； 歐洲：取較高的蒸汽(zhn q)壓力和蒸汽(zhn q)溫度，獲得更高效率。 其它：更大容量等級的超超臨界機組開發，減少汽缸數，注重大型低壓缸的開發，使用末級鈦合金長葉片。 第40頁/共45頁第四十頁，共46頁。歐洲歐洲(u zhu)(u zhu)的的“THERMIE”(“THERMIE”(

27、兆兆) )計劃計劃 “ADVANCED（“700”）PC POWER PLANT” 主要二個目標： 使燃燒(rnsho)粉煤（PF）電廠的凈效率由47%提高到55%（對于低的海水冷卻水溫度）或52%左右（對于內陸地區和冷卻塔）；降低燃煤電站的造價。該項目從1998年開始，分為八個階段，預期在2014年完成目標，屆時示范電站建成運行，前后共計將歷時17年的時間。 重點內容：Ni基合金材料的研究，700時蠕變強度大于100MPa; 700-750的條件下進行新材料試驗，包括強度、蠕變特性、脆性、抗氧化性能等；鍋爐和汽輪機的設計，循環優化；經濟分析和評價方面，進行400MW和1000MW兩種機型的設計，參數為700/720/720；時間預期為2014年完成。第41頁/共45頁第四十一頁，共46頁。美國美國(mi (mi u)u)的的“760”“760”計劃計劃 美國能源部目前也正在組織和支持一項發展高參數超超臨界