1、.PAGE ;PAGE 118第1頁超超臨界機組參數與容量的選擇李殿成，葉東平（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江省哈爾濱150046）摘 要: 結合國外超超臨界機組發展情況，通過對不同壓力溫度的方案計算和材料比較，建議目前我國超超臨界機組宜采用25MPa，主蒸汽溫度600，一次中間再熱溫度600參數。百萬等級機組可以采用單軸，四缸四排汽1000MW。600700MW機組應該成為我國超超臨界的主力機組。關鍵詞：超超臨界；汽輪機；蒸汽參數；容量 0 前言隨著國民經濟的持續增長，電力的需求也在不斷增加。我國以煤電為主，采用超臨界和超超臨界參數機組，提高燃煤機組的效率，實現節能降耗、減少CO2和NO

2、x排放，是我國今后的發展方向。研制超超臨界機組的科研課題已經列入了國家863計劃。作者參加了課題的研究和幾臺高效超臨界機組的投標工作。本文根據課題報告，對超超臨界機組的參數和容量選擇做一闡述。1 國外超臨界和超超臨界技術的發展現狀和發展趨勢世界上最早的大型超超臨界機組是美國1958年12月投運的Eddystone電廠的#1機組，功率為325MW，參數為34MPa/649/566/566，汽輪機由西屋公司制造，雙軸、雙排汽。由于在發展初期選用了過高的蒸汽參數，超越了當時材料應用技術的發展水平，導致了機組可靠性差、事故頻繁、成熟期過長。經過了反復后，參數降低到24.1MPa，538/566水平。這

3、個參數一直到80年代。從70年代起，美國將超臨界技術分別轉讓給日本和歐洲，同時，美國也在不斷改進和完善超臨界技術，使超臨界機組可靠性問題得到解決。90年代以來，由于環保和節能的需要，超超臨界參數機組又進入了一個新的發展時期。采用更高溫度和壓力是目前超超臨界機組發展的主要特點。從投運的超超臨界機組來看，壓力在24.125MPa居多，提高溫度一般按27.78（50）一檔增加，相當于538（1000），566（1050），593（1100）。按593材料的高溫性能，也出現了600/610參數的機組。還有部分機組采用了27.6MPa（4000Psi），31MPa（4500Psi）和34.5MPa（50

4、00Psi）的壓力。提高壓力不僅增加汽輪機進汽部分的重量，減少啟動的靈活性，還使排汽濕度增加。因此，提高壓力還必須相應提高溫度或采用二次再熱。采用二次再熱，在同等參數下熱效率可以提高約1.3個百分點。但由于多一套再熱系統，增加了鍋爐和汽輪機的難度，電廠管道也變得復雜，投資將增加10%15%，運行也變得較為復雜，因此，除了1989年和1990年在日本川越電廠投運的兩臺700MW機組以及丹麥1998年投運的兩臺415MW機組采用二次中間再熱外，近十余年來投運的大多數都是一次再熱機組。據不完全統計，在近十年來投運的機組中，主蒸汽壓力、溫度和再熱蒸汽溫度中任何一個參數超過25MPa，566/566的機

5、組共有31臺（東芝12臺，三菱7臺，日立6臺，阿爾斯通原ABB 2臺，西門子4臺）。發展超超臨界火電機組技術一直是國內技術界所關心的熱點。我國現在開始發展國產超臨界機組，已經晚于發達國家3040年，國外目前超超臨界機組也已投入商業運行。我國有條件在較高的基礎上,把近期目標定在當前國際水平上。在開發和研制超臨界機組，特別是結合沁北首臺超臨界600MW機組的基礎上，盡快跨入發展超超臨界機組的階段，充分利用當今國際最新的科技成果，借鑒國外的先進經驗，縮短我國從超臨界參數到超超臨界參數的過渡，實現技術上的跨越。2 高效超臨界機組參數選擇縱觀國外超臨界發展的歷史，既有成功的經驗，也有失敗的教訓。經過長期

6、實踐掌握了一套比較完整的技術，在材料技術、可靠性等方面有了深入的研究。通過研究國外超臨界機組的發展過程，不難得出以下一些特點：蒸汽參數在提高的過程中，總是首先提高再熱溫度，再考慮提高主蒸汽溫度和壓力；對于超超臨界機組，在參數和循環形式上，大多數廠家最初都采用了較高的主汽壓力并采用兩次中間再熱。隨著材料技術的不斷完善，后出現的機組紛紛提高溫度、降低主汽壓力并采用一次再熱循環，這一特點在日本尤其突出。對于1000MW等級的超臨界和超超臨界汽輪機，絕大多數都采用雙軸布置，但隨著近年來參數的不斷提高、更長葉片的開發、葉片和轉子材料的改進，單軸形式越來越成為新的發展趨勢，日本東芝公司分別在2001和20

7、02年投運兩臺1000MW單軸機組，標志著大功率1000MW汽輪機正式由雙軸向單軸的跨越。在發電循環中，常規亞臨界循環的典型參數16.7MPa/538/538。超臨界循環典型參數為24.2MPa/538/566和24.2/566/566。超超臨界參數實際上是超臨界參數向更高壓力和更高溫度提高的過程。通常認為超超臨界參數是指壓力達到24.235.1MPa,溫度達到570649 或者更高。日本的觀點認為，機組任何溫度超過566 或者壓力超過24.2MPa均被認為是超超臨界參數。2.1進汽參數對經濟性的影響表1和表2列出了主蒸汽壓力與汽輪機熱耗和循環熱效率計算相對差值。從表1中可以看出，對于同一種主

8、蒸汽溫度（580）和再熱溫度（600），壓力由25MPa升高到28MPa，汽輪機循環效率相對提高0.56個百分點。主蒸汽壓力再增加3MPa，效率繼續增加0.49個百分點，增幅有減小的趨勢。從表2中可以看出，在主蒸汽溫度600下，主蒸汽壓力升高影響效率值與主蒸汽溫度580時基本相同。表3是對應三組壓力情況下的不同主蒸汽溫度的比較。可以看出，主蒸汽溫度從580提高到600，熱耗約降低40kJ/kWh，汽輪機效率提高0.540.58個百分點。從壓力比較和溫度比較來看，主蒸汽溫度提高20，與主蒸汽壓力提高3MPa對汽輪機熱耗降低或循環熱效率的影響是相同的。表1 主蒸汽壓力比較（580/600）壓力溫度

9、再熱溫度汽輪機熱耗差汽輪機熱耗降低相對值汽輪機循環熱效率相對提高值kJ/kWh%2558060000028580600-41.2-0.560.5631580600-77.7-1.051.05表2 主蒸汽壓力比較（600/600）壓力溫度再熱溫度汽輪機熱耗差汽輪機熱耗降低相對值汽輪機循環熱效率相對提高值kJ/kWh%2560060000028600600-42-0.5710.5731600600-80-1.081.10表3 主蒸汽溫度比較壓力溫度再熱溫度汽輪機熱耗差汽輪機熱耗降低相對值汽輪機循環熱效率相對提高值MPakJ/kWh%255806000025600600-40.2-40.20.542

10、858060000028600600-41-410.563158060000031600600-42.5-42.50.58值得指出的是，上述計算結果是基于對汽輪機通流效率的估算而計算的，不考慮汽輪機具體結構影響。事實上，參數提高必然引起結構上的變化，對經濟性產生影響。如壓力升高，高壓缸葉片需要縮短，圍帶漏汽所占比例增加，葉片的二次流損失也同時增加等。在某600MW超超臨界機組投標過程中，汽輪機進汽參數由25MPa變為28MPa時，熱耗改善僅有0.38% 。無論是提高主蒸汽溫度還是提高主蒸汽壓力，都可以提高汽輪機循環熱效率。提高蒸汽參數主要受材料的影響。事實上，參數每提高一步，都與材料技術進步息

11、息相關。選擇蒸汽參數，不僅要看機組的經濟性，更要比較設備的價格和整個電站的可靠性。2.2 不同參數對汽輪機成本價格的影響超超臨界汽輪機選材主要取決于溫度，國外特別是日本在材料研究方面有很大投入，發展很快。適用于600主蒸汽溫度的材料已經相當成熟。正在研制650 的奧氏體和630 的鐵素體材料。主蒸汽溫度580 和600 ，汽輪機使用的材料基本相同，所以，價格基本相同。主蒸汽壓力25MPa、28MPa和31MPa，對主汽調節閥門、高壓缸進汽部分金屬重量有一定影響。為保證汽缸、閥門應力水平不變，需要增加閥殼、進汽管和噴嘴室等部件的壁厚。增加量可以簡單地認為與部件承受的壓差成正比。但這部分重量在整個

12、汽輪機中所占比例較小，因此材料的增加對總價影響較小。主蒸汽壓力增加3MPa，需要對高壓缸進行調整。汽輪機部分成本增加約為2%。加上鍋爐、高壓給水加熱器、給水管道和高壓旁路系統增加的投資，主蒸汽參數為28MPa時，設備（鍋爐和汽輪機）總投資約增加3.54% 。2.3 對參數的推薦意見如前所述，主蒸汽溫度600 的百萬等級汽輪機有多臺投入商業運行，技術已經成熟。為保證機組的可靠性，我國前幾臺超超臨界機組都采用了國外技術支持、國外設計或中外聯合設計和分包生產形式，部分關鍵部件還進口。因此，從目前國外成熟的600 進汽溫度退回到580 已經沒有必要。高溫關鍵部件采用進口，可以基本保證可靠性指標與國外相

13、同。經過幾年運行，我們能夠逐漸掌握超超臨界設計制造技術，開發高溫材料，實現超超臨界機組國產化。蒸汽壓力提高，可以提高機組經濟性。從25MPa到28MPa,汽輪機總價約增加2%。國外有運行業績的25MPa機組較多。如果選用28MPa參數，由于進汽部分壁厚增加，機組啟動時間會延長。另外，鍋爐成本會增加較大。對于600MW的等級機組或雙流高壓缸設計形式的1000MW的等級機組，如果提高主蒸汽壓力，蒸汽比容減小，高壓缸葉片高度降低，增加了二次流損失，降低了高壓缸效率，會抵消一部分壓力升高帶來的效益。結合西方發達國家目前的發展狀況及發展趨勢，綜合考慮他們在設計方法、運行經驗、材料技術等方面取得的成果以及

14、能夠被我們所掌握和應用的程度，充分考慮我國超超臨界起步機組的先進性和經濟性，并結合我國的實際情況，選擇超超臨界機組的蒸汽參數為25.0MPa/600/600是合適的。3 機組容量大功率超超臨界汽輪機的的容量主要受排汽面積的制約。增加低壓排汽總面積方面，首先是增加低壓缸個數，但低壓缸個數不是可任意增加的。一般來說，汽輪機單側連續排列的排汽口個數不超過6個為佳（3個雙流低壓缸）。因為多于6個排汽口后，要解決汽輪機轉子與靜子間的互相熱膨脹將會有很大困難。如功率更大的機組需采用6個以上低壓排汽口時可考慮低壓排汽口對稱布置在高、中壓缸兩側的方案。利用典型的通用排汽口，用改變排汽口數量的方法即可搭配成功率

15、不同的汽輪機機組，原蘇聯超臨界壓力的300、500、800MW汽輪機就是分別采用了3個、4個和6個排汽口。增大排汽總面積的另外出路就是增高葉片長度及其根徑。從汽輪機的發展來看，長葉片的開發研制與冶金工業的水平、氣動力學、強度振動理論發展的水平密切相關。結合哈汽公司現有亞臨界600MW機組低壓缸積木塊、1000mm末級葉片和三缸四排汽超臨界600MW機組的設計經驗，考慮國外現有的末級長葉片，我們比較了幾個方案。不同背壓下的末級葉片長度與功率的關系見表4。如果利用現有的1000mm葉片低壓模塊，采用四缸四排汽結構，在正常背壓下功率可達750MW左右。如果功率達到百萬等級，需要增加汽輪機低壓缸數。機

16、組設計成五缸六排汽的形式，在常規背壓4.9kPa時，出力將在1100MW左右。如果采用國外公司48吋（1220mm）末級長葉片、用兩個雙排的低壓缸，機組設計成四缸四排汽的形式，根據計算，在常規背壓時，出力將在1000MW左右（見表5）。表4 1000mm末級葉片適用不同背壓的功率比較四排汽六排汽背壓kPa5.24.94.12.54.94.12.5比容m3/kg24.7525.6630.1747.6125.6630.1747.611000mm葉片排汽面積m28.488.488.488.488.488.488.48限定末級余速損失kJ/kg29.329.329.329.329.329.329.3排

17、汽速度m/s242242242242242242242排汽口數量44446661米葉片適合功率MW7667386283981108942597表5 1220mm末級葉片適用不同背壓的功率比較四排汽六排汽背壓kPa5.24.94.12.54.94.12.5比容m3/kg24.7525.6630.1747.6125.6630.1747.611220mm排汽面積m211.2911.2911.2911.2911.2911.2911.29限定末級余速損失kJ/kg29.329.329.329.329.329.329.3排汽速度m/s242242242242242242242排汽口數量44446661.2

18、2米葉片適合功率MW102098383653014751254795通過表4和表5計算可以看出，在常規背壓時，五缸六排汽1000mm末葉方案與四缸四排汽1220mm末葉的方案在容量上都可以達到1000MW。但前者軸系長，為保證運行時軸系的穩定性，對制造安裝要求較高。而后者需要開發1200mm等級的長葉片，并要作一系列的氣動和振動強度試驗，需要有一個過程，滿足不了前幾臺機組的需要。我國目前在建的超超臨界機組采用的都是國外公司生產的末級葉片。對于常規背壓的百萬等級超超臨界機組，我們采用四缸四排汽1.2m末級葉片方案是可行的。對于600MW等級的機組，質量流量是亞臨界的90%，從現有的1000mm低

19、壓模塊來看，用四缸四排汽，銘牌功率可以增加到700MW。銘牌功率為600MW，也可以采用900mm末級葉片。通過對低背壓（2.5kPa）單軸設計方案的計算可以看出，背壓過低時，排汽比容過大，限制了機組容量，在采用四缸六排汽1000mm末葉時出力只有597MW，只有在四缸六排汽1220mm末葉時才能達到795MW，如果將運行背壓提高到4.10kPa，四缸四排汽1220mm末葉方案就能達到836MW?？梢姳硥簩C組容量的影響很大，對可以取用深海水的電廠，機組容量應適當小一些，以充分提高循環效率。4 結論根據前面的比較分析，結合材料開發狀況，我國超超臨界機組宜選擇下列參數：主蒸汽壓力：25MPa主蒸

20、汽溫度：600再熱溫度： 600對適合采用大功率機組的地區，可以采用1000MW容量的機組?？紤]到我國電網和廠址情況，應選擇600MW 700MW作為超超臨界機組的主力機型。另外，對南方或二次循環水溫較高的地區，如果背壓在5.5kPa到6kPa，兩缸兩排汽，末級排汽面積11m2左右，參數為25MPa，600/600超超臨界600MW汽輪機也是一種比較合適的機型。參考文獻1 國家電力公司，中國華能集團公司.我國發展超超臨界發電機組的技術選型研究.2003.82 沈丘農，程均培.我國超臨界汽輪機研制的展望.上海汽輪機，2001，（1）：10-163 白旭，丁秀強.超臨界機組技術發展與國產化分析.熱力透平，2003，（1）：52-57 作者簡介：李殿成（1963-）男，工學碩士，研究員級高級工程師，從事汽輪機設計工作。The Choice of Steam Conditions and Output F