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2003年5月
课题名称:
超超临界燃煤发电技术
子课题名称:
超超临界发电机组技术选型研究
子课题编号:
2002AA526011
工作起迄日期:
2002年8月-2003年5月
报告名称:
国外超超临界机组及技术进展综述
负责人:
郑企仁
要紧工作人员:
汤蕴琳董卫国舒惠芬
报告编写人:
董卫国
审核:
1.概述
世界范围内不断高速增加的电力需求,促令人们在寻求高效、清洁的发电技术方面作出更多的尽力,包括原子能发电和各类可再生能源发电技术。
可是化石燃料发电仍然提供了70%以上的能源需求,因此,在知足新增容量的要求上,化石燃料发电仍将起到要紧的作用,专门是燃煤发电。
蒸汽动力装置的进展进程一直是沿着提高蒸汽参数和大容量化的方向前进的,提高蒸汽参数与单机容量是提高常规火电厂效率及降低单位造价最有效的途径。
随着技术的进步,常规燃煤发电技术的蒸汽参数不断提高,发电效率取得了大幅度的改良,再结合各类先进的污染防治技术,使得常规的燃煤发电技术也进入了清洁发电的领域,配置了烟气净扮装置的超临界燃煤发电技术已经被公以为一种清洁煤发电技术。
随着蒸汽参数的进一步提高,进入了超超临界(USC)的参数范围,发电效率和环保性能进一步提高,成了在清洁煤发电技术中,可与整体煤气化联合循环(1GCC)和增压流化床联合循环(PFBC)相媲美,而且更具现实可行性的清洁煤发电技术。
因此,超超临界发电技术愈来愈取得各国电力工业界的重视,又进入了新一轮的进展时期,进一步进展的方向是在维持其可用率、靠得住性、运行灵活性和机组寿命等的同时,进一步提高蒸汽参数,从而取得更高的效率和环保性能。
国外在进展超临界和超超临界发电技术方面已经走过了近半个世纪的历程,积存了很多成功和失败的体会。
我国尽管已经引进了一些超临界机组,在运行上有了必然体会,可是超临界和超超临界机组的设计和制造方面,咱们还方才起步,国外超临界技术的进展体会值得咱们学习和借鉴。
2.国外超超临界机组进展历程
在蒸汽动力装置的进展进程中,超临界机组和超超临界机组是同时开发和交叉进展的。
1957年在美国投运第一台125MW高参数机组确实是超超临界机组,其蒸汽参数为31MPa,621/566/538℃。
通过近半个世纪的研究、完善和进展,目前超临界和超超临界机组已经进入了成熟和商业化运行的时期。
世界超临界和超超临界发电技术的进展进程大致能够分成三个时期:
从上个世纪50年代开始,以美国为核心,那时的起点确实是超超临界参数。
由于电厂靠得住性的问题(主若是材料问题),经历了初期超超临界参数后,从60年代后期开始美国超临界机组大规模进展时期所采纳的参数均降低到常规超临界参数。
直至80年代,美国超临界机组的参数始终稳固在那个水平。
从上个世纪80年代初期开始,材料技术的进展,尤其是锅炉和汽轮机材料性能的大幅度改良,及对电厂水化学方面的熟悉的深切,解决了初期超临界机组所碰到的问题。
美国对已投运的机组进行了大规模的优化及改造,靠得住性和可用率指标已经达到乃至超过了相应的亚临界机组。
通过改造实践,形成了新的结构和新的设计方式,大大提高了机组的经济性、靠得住性、运行灵活性。
同时,美国又将超临界技术转让给日本(GE向东芝、日立,西屋向三菱)和欧洲,联合进行了一系列新超临界电厂的开发设计。
超临界机组的市场慢慢转移到了欧洲及日本,涌现出了一批新的超临界机组。
国际上超超临界机组的快速进展是从20世纪九十年代开始的,缘故在于环保要求日趋严格,同时新材料的开发成功和和常规超临界技术的成熟也为超超临界机组的进展提供了条件。
以日本(三菱、东芝、日立)、欧洲(Siemens、Alstom)为主,进入了新一轮进展时期。
在保证机组高靠得住性、高可用率的前提下采纳更高的蒸汽温度和压力。
那个时期超超临界机组的进展有以下三方面的趋势:
1)蒸汽压力取得并非太高,多为25MPa左右,而蒸汽温度取得相对较高,要紧以日本的技术进展为代表。
这种方案能够降低造价、简化结构、增加靠得住性,通过提高温度的手腕来提高机组热效率更为有效。
国外已形成用于566︒C以下的CrMoV钢,566︒C的%Cr钢,600︒C品级的9%Cr钢及12%Cr钢等标准材料系列。
近期欧洲及日本生产的新机组,大多数机组的压力维持在25MPa左右,进汽温度均提高到了580︒C~600︒C左右。
2)蒸汽压力和温度同时都取较高值(28-30MPa,600℃左右),从而取得更高的效率,要紧以欧洲的技术进展为代表。
部份机组在采纳高温的同时,压力也提高到27MPa以上,压力的提高不仅关系到材料强度及结构设计,而且由于汽轮机排汽湿度的缘故,压力提高到某一品级后,必需采纳更高的再热温度或二次再热循环。
最近几年来,除丹麦两台二次再热机组外,提高压力的业绩要紧来源于1998年以后西门子公司的产品。
3)更大容量品级的超超临界机组的开发。
决定机组容量的关键之一是低压缸的排汽能力,与进汽参数无直接关系。
为尽可能减少汽缸数,大容量机组的进展更注重大型低压缸的开发和应用。
目前3000r/min大功率机组中已普遍采纳高度为1000mm~1200mm,排汽面积在9m2~11m2左右的长叶片。
日本几家公司和西门子,ALSTOM等在大功率机组中已开始利用末级钛合金长叶片。
图1表示了蒸汽参数和其它条件对机组效率的阻碍。
据统计,目前全世界已投入运行的超临界及以上参数的发电机组大约有600多台。
其中在美国有170多台,日本和欧洲各约60台,俄罗斯及原东欧国家280余台。
目前进展超超临界技术领先的国家主若是日本、德国和丹麦等,世界范围内属于超超临界参数的机组大约有60余台。
图1蒸汽参数和其它条件对机组效率的影响
2.1美国
美国是世界上进展超临界火电机组最先的国家,早在上个世纪50年初就开始了超超界发电技术的探讨和研究。
目前美国超临界机组在数量上居世界第二位,并拥有9台世界上最大的超临界机组,单机容量为1300MW,见表1。
表1美国现役单机容量最大的1300MW火电机组
电站
锅炉
制造商
锅炉蒸发量
(t/h)
运行
方式
主汽压力(MPa)
主/再
汽温(℃)
投运时间
Cumberland1、2#
B&
W
4535
定压
539/539
1972/1973
Amos3#
4433
543/538
1974
Gavin1、2#
1974/1975
Mountaineer1#
Rockport1、2#
1984/1989
Zimmer
1990
美国也是世界上进展超超临界火电机组最先的国家之一。
美国俄亥俄州Philo电厂6号机于1957年投产,这是世界上第一台超超临界机组。
容量为125MW,蒸汽压力为31MPa、蒸汽温度为621/566/566℃,二次中间再热。
汽轮机由GE公司生产,锅炉由B&
W公司制造。
1959年,Eddystone电厂1号机投产,这是一台容量为325MW,蒸汽压力为,蒸汽温度为649/565/565℃的二次中间再热机组,热耗为8630kJ/kWh。
那时该机组同时打破了火力发电机组最高出力、最高压力、最高温度和最高效率4项纪录,该机组由CE和WH公司设计制造。
在设计参数下运行了8年后,因锅炉过热器高温侵蚀和汽轮机高压缸蠕变变形等材料问题,自1968年起将参数降为610/560/560℃,至今还在运行,仍然是蒸汽压力和蒸汽温度最高的机组。
由于超临界机组的效率比亚临界有明显提高,从60年代中期起,超临界机组在美国取得了快速进展,新建机组容量中有一半以上是超临界机组。
最大单机容量达到了1300MW。
可是初期的超临界机组事故偏多,可用率低及维修费用高。
美国煤价较低,热效率提高对机组运行经济性改善成效不显著。
加上那时超临界机组调峰能力较差,不能适应市场需要。
80年代以后超临界机组定货减少。
在80年代中期,EPRI对美国159台超临界机组进行了调查,显示超临界机组的效率平均比同容量的亚临界机组高3%左右,通过初期的运行后,机组可用率和靠得住性达到与汽包炉机组相当的水平。
尽管超临界机组的进展有过一段时刻的停顿,在八、九十年代,EPRI依照初期的设计和研究结果,在锅炉和汽轮机部件材料选择方面开展了进一步的工作,以使机组能适应愈来愈多的启停次数。
随着运行技术的提高和数字化操纵技术的进展,快速启停和调峰运行变得愈来愈普遍,有些机组的低负荷运行极限由50%下降到了25%,电厂对超临界机组的运行愈来愈适应了。
为了提高机组可用率,美国以后进展的超临界机组的蒸汽参数多采纳,主蒸汽温度538℃,一次再热汽温多为538℃,二次再热时用552℃/565℃,这种蒸汽参数一直维持了20余年。
EPRI还对超超临界机组蒸汽参数和容量等进行了优化研究,以为超超临界机组采纳蒸汽压力31MPa,温度566~593℃,二次中间再热,容量700~800MW为最正确,从头开发了蒸汽参数为31MPa593℃593℃593℃
MuskingumRiver
Hudson
Sandy
593℃760℃580℃565℃540℃540℃545℃565℃600℃300℃538℃566℃538℃566℃600℃600℃610℃
图2日本超临界机组参数发展的情况及其代表性机组
640℃
610℃570℃570℃535℃535℃530℃540℃530℃540℃560℃554℃593℃580℃600℃580℃600℃580℃600℃600℃700℃700℃720℃620℃760℃870℃拨款1050万美元,EnergyIndustriesofOhio,Inc.领导了一个联合体,包括美国四家要紧锅炉制造厂、EPRI、俄亥俄煤炭开发办公室和OakRidge国家实验室。
那个联合体将提供另外的480万美元研究经费。
国家能源技术实验室(NETL)将进行联合体和电力行业间的联络,并在环境和系统方面提
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- 国外 临界 机组 技术 进展 综述