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●燃烧方式按各公司老式,有切圆燃烧和对冲燃烧。
日本IHI、日立公司制造超超临界П型炉均采用了先后墙对冲燃烧方式,三菱重工锅炉燃烧方式全为八角双切园燃烧方式,两种燃烧方式都是为了减少炉膛出口烟温偏差。
欧洲超超临界塔式炉不存在烟温偏差问题,燃烧方式既有四角切园燃烧,又有对冲燃烧,尚有个别八角双切园燃烧和八角单切园燃烧。
●水冷壁型式初期为垂直管屏,90年代后,除日本三菱公司采用内螺纹垂直管外,别的所有采用螺旋管圈。
●已投运1000MW级超超临界机组以双轴机组居多,但当前国外大容量级别超超临界机组开发及百万千瓦级别机组倾向于采用单轴方案。
为减少排汽缸数,大容量机组发展更注重大型低压缸开发和应用,3000r/min大功率机组中已普遍采用高度为1000mm~1200mm(排汽面积在9m2~11m2左右)长叶片。
●在超临界和超超临界机组材料方面,从上世纪80年代开始,美国、日本及欧洲都分别开展了各自材料研发筹划,针对不同级别参数机组如(580℃、600℃、620℃等)开发了新耐热材料,并进行了大量实验室和实机验证,当前,新高温铁素体-马氏体9%-12%Cr材料已可用于压力为31MPa、温度为610℃/625℃参数级别。
国外超超临界机组发展近期目的为1000MW级机组,参数为31MPa,600℃/600℃/600℃,并正在向更高水平发展。
某些国家和制造厂商已经发布了发展下一代高效超临界机组筹划,蒸汽初温将提高到700℃,再热汽温达720℃,相应压力将从当前30MPa左右提高到35MPa-40MPa,机组供电效率可达到50%-55%。
3国外重要技术流派超超临界火电机组技术特点
国外重要动力制造厂商通过多次并购和整合,在超超临界火电机组设计制造方面,重要以欧洲(Siemens、Alstom)、日本(东芝、三菱、日立)为代表,形成了不同技术流派。
3.1发达国家超临界汽轮机技术特点
3.1.1Siemens公司
Siemens公司共生产超临界机组45台(涉及700MW容量如下机组)。
在超临界汽轮机方面,西门子1951年就生产了625︒C超超临界汽轮机,至今进汽温度600︒C机组已有14台在运营。
近十年,西门子更在单轴大功率机型大开发中获得成功业绩。
表1为Siemens公司超临界及超超临界汽轮机发展业绩[2]。
表1Siemens公司超临界及超超临界汽轮机发展业绩(1990年后)
电厂
所在国
容量(MW)
投运年份
压力(MPa)
温度℃
STEAGKWHERNE4
德国
500
1989
25
530/530
FYNSVAERKETBOLCK7
丹麦
410
1991
24
538/538
KWSCHWARZEPUMPE1
813
1997
25.2
542/562
KWSCHWARZEPUMPE2
ALTBACHHKW2
395
26.3
542/565
BOXBERGBLOCKQ
915
1999
25.8
541/578
AVEDOERE,2
375
30
580/600
NIEDERAUSSEM
1025
26.5
576/600
BEXBACH,II
750
575/595
外高桥1#
中华人民共和国
980
538/566
外高桥2#
注:
表中功率为最大出力。
自1997年起,SiemensKWU在50HZ、单轴、900MW功率级别领域领先一步获得了独特业绩;
近十年由日本和欧洲制造共计8台50HZ、单轴、900MW功率级别机组业绩中,Siemens占据了其中6台(另为ALSTOM两台930MW、26MPa/550︒C/580︒C机组);
其中最大1025MW、单轴、参数26.5MPa/576︒C/599︒C超超临界汽轮机(锅炉参数为27.49MPa/580︒C/600︒C)已于8月正式投运。
当前Siemens公司汽轮机产品系列中HMN系列可适应200MW-1200MW、50Hz/60HZ超临界机组,蒸汽参数可达30MPa/600℃/620℃。
Siemens公司超临界大功率汽轮机重要特点是高压缸采用单流程、小直径筒式构造、中压缸进口为双层构造并作涡旋式冷却、轴承箱与汽缸分离并刚性落地。
机组采用滑压运营,调峰性能好。
各转子采用整锻转子,转子之间由整体刚性联轴器连接。
西门子膨胀系统设计具备独特技术风格和独特构造设计。
西门子各轴承座直接支撑在基本上,其特点为:
机组绝对死点及相对死点均在高中压之间推力轴承处;
中压汽缸与低压内缸以及低压内缸之间有推拉装置,减小低压段动静相对间隙。
汽缸与轴承座之间有耐磨、滑动性能良好金属介质。
机组通流某些设计采用全三维技术,除低压末三级外,别的所有高中低压叶片级所有采用弯扭耦合叶片,级反动度控制在30%~40%水平。
当前Siemens公司50Hz机组中有运营业绩末级叶片为1146mm,是世界上已运营最长、排汽面积最大叶片,并正在开发排汽面积为16m21420mm钛合金叶片。
Siemens公司参加欧洲联合开发600℃材料已应用于单轴1000MW机组上。
Siemens公司超临界汽轮机高压缸常采用材料列于表2。
表2Siemens公司超临界汽轮机高压缸常采用材料
主蒸汽温度℃
540
566
600
主蒸汽压力MPa
170
250
300
设计方案
采用静叶环构造
内缸
转子
1%CrMoV
1%CrMoVor10%Cr
10%Cr
静叶环/内缸
9-10%Cr
进汽缸
排汽缸
3.1.2Alstom公司[2]
ALSTOM(原ABB+原ALSTOM)公司是国际上发电设备制造行业中业绩突出知名公司之一,在超超临界发电技术上具备自己特点。
ALSTOM由原ABB、原ALSTOM公司合并而成,已生产投运超临界机组有40余台,功率600MW以上容量超临界机组有15台,其中:
1300MW(24.2MPa/538/538℃、3600/3600r/min)双轴8台
1300MW(25.4MPa/538/538℃、3000/1500r/min)双轴1台
930MW(26.0MPa/550/580℃、3000r/min)单轴2台
680MW(25.0MPa/535/563℃、3000r/min)单轴1台
640MW(24.2MPa/538/538℃、3600r/min)单轴1台
627MW(24.2MPa/538/566℃、3000r/min)单轴2台
Alstom公司提出当前超临界及超超临界蒸汽参数范畴为:
超临界机组:
24.0MPa,540℃/565℃;
超超临界机组:
30.0MPa,600℃/620℃。
当前正在设计1100MW四缸四排汽超超临界汽轮机,汽轮机参数为27MPa,600/605℃,背压4.8kPa,功率1100MW。
原ABB公司采用独特老式工艺---焊接转子,锻件小、锻造质量高,有助于迅速启动;
采用套环紧固件无中分面法兰高压内缸,使内、外缸紧凑小巧,减少热应力、避免高温螺栓装拆带来不便,内缸和转子采用高铬材料。
ABB公司另一种独特老式工艺---两个转子间共用一种轴承支承,四缸机组只有5个轴承,明显缩短机组长度。
Alstom汽轮机采用模块化、系列化设计,有助于满足顾客规定;
高、中、低压进汽采用涡壳构造,减少进汽损失,通流某些可优化设计以达到高效率;
低压转子为由各种锻件按照埋弧焊工艺焊接在一起装配式设计,代表了阿尔斯通动力系统成熟技术。
Alstom已经开发了50Hz、49英寸钛合金末级叶片,叶根为4叉枞树型,叶片采用整体围带和凸台拉筋连接成为全周构造,叶片环形面积为13.2m2,并将应用于新设计1100MW四缸四排汽超超临界汽轮机。
为减少围带汽封漏汽损失,Alstom研制开发了刷子汽封。
围带汽封第一列采用刷子汽封,其他汽封仍采用老式汽封,虽然刷子汽封损坏,老式汽封仍起作用。
刷子汽封材料由Ni基材料构成,能耐700℃高温,运营时与围带间隙接近于0,有效地减少了汽封漏汽。
Alstom公司材料开发大体可以提成三个阶段:
90年代前重要采用X20(11%-12%Cr),适应温度565℃。
从90年代开始,在9%Cr钢中添加W,得到更高蠕变断裂强度,在管子材料上采用P91、E911和P92。
叶片采用奥氏体钢StT17/13W;
第二阶段参加开发11%Cr钢,添加Co、B,得到更好蠕变断裂强度和抗氧化性能。
预测使用温度可以达到625℃;
第三阶段是参加开发适应于700、725℃材料。
Alstom还参加了美国DOEVision21中超超临界材料项目。
HCM12和镍基合金Alloy617即将进行实验。
3.1.3东芝公司
东芝公司超临界机组是在引进美国GE公司技术基本上发展。
东芝公司超超临界机组是指蒸汽参数超过24.1MPa/566℃/566℃机组,东芝公司生产USC汽轮机容量在1000MW机组有8台,其中:
1000MW(24.1MPa/538/566℃、CC4F-41、3000/1500r/min)4台;
1000MW(24.5MPa/566/593℃、CC4F-41、3000/1500r/min)1台;
1000MW(24.1MPa/566/593℃、CC4F-40、3600r/min)2台;
1050MW(25.0MPa/600/610℃、CC4F-48、3600/1800r/min)1台;
东芝公司在已成熟应用24.2Mpa/538℃/566℃参数基本上,正在发展31MPa/593/610℃技术,并应用在大功率机组上。
东芝可以生产1000MW级别单轴汽轮机,有合用于蒸汽温度超过600℃/610℃材料,蒸汽参数可达31.6MPa,600℃/610℃。
东芝公司通过采用了通流某些三维设计、新叶片型线、复合倾斜喷嘴、倾斜动叶,叶整体叶顶汽封和改进排汽涡壳型线等使汽轮机内效率得到改进。
东芝公司42英寸和48英寸末级叶片采用了全三维设计和跨音速叶型。
东芝公司典型汽轮机用材见表3。
表3东芝公司超超临界汽轮机典型用材
24.5MPa/566/593℃
25.0MPa/600/610℃
28.0MPa/610/630℃
原町HARAMACHI#1
橘湾TACHIBANAWAN#1
先进蒸汽参数
高压外缸
1.25Cr1MoVSteel
高压内缸
12CrMoVNbNSteel
中压外缸
中压内缸
12CrMoVNbNor1.25Cr1MoVSteel
喷嘴室
9Cr1MoNbVSteel
高中压叶片
10.7CrMoVNbNSteel
11CrWVNbNReCoSteel
高中压喷嘴
高压转子
中压转子
主汽阀调节阀
9Cr1MoNbVor10Cr1MoWNbVBCoSteel
再热调节阀
10Cr1MoWNbVBCoSteel
3.1.4三菱公司
三菱公司超临界汽轮机是在引进美国Westinghouse公司技术基本上发展,三菱公司自1967年第1台超临界汽轮机投运以来,至今已有28台,其中23台已投入运营。
记录至已投运容量700MW以上超临界机组有10台。
到当前为止三菱公司已经生产了1000MW级别汽轮机6台,如表4所示。
表4三菱公司1000MW级别汽轮机业绩
电厂名
机组
容量MW
压力kg/cm2
温度
℃/℃
投运日期
转速
r/min
型号
末叶
(英寸)
袖浦
#4
1000
246
1979.08
3000/1500
CC4F
44
松浦
#1
1990.06
3600/1800
东扇岛
#2
1991.03
593/593
1997.07
46
三隅
600/600
1998.06
橘湾
1050
255
600/610
.12
虽然上述机组都是双轴机组,但高、中压缸设计可以用于单轴机组。
尽管没有单轴1000MW级别、50Hz超超临界参数机组业绩,但50Hz和60Hz机组差别并不大;
可以通过模化设计成50Hz机组。
1996年之后投运两台超超临界机组参数分别为:
1000MW,24.2MPa/593℃/593℃和1000MW,24.5MPa/600℃/600℃。
三菱公司已在大机组上广泛应用593℃、600℃主蒸汽参数,并进一步发展到610℃再热蒸汽温度。
三菱公司汽轮机为反动式汽轮机。
已运营1000MW机组为四缸四排汽,由双分流高压缸、双分流中压缸和2个双流半转速低压缸构成。
高中压缸分别为双层缸,低压缸为三层缸。
三菱公司最新设计TC4F-48型1000MW汽轮机采用全速、串联布置、新开发48英寸末级叶片。
其参照机型分别为:
高压某些:
为1050MWCC4F-46型汽轮机高压缸,3600r/min,进汽参数为25.1MPa/600℃。
高压缸采用双流型,
中压某些:
为1050MWCC4F-46型汽轮机中压缸,3600r/min,进汽参数为4.1MPa/610℃。
中压缸也采用双流型,中压缸转子在进汽侧采用了冷却办法,用高压缸排汽进行冷却。
低压某些:
为700MWTC4F-40型汽轮机低压缸,3600r/min,蒸汽参数为24.1MPa/538℃/566℃。
低压缸也采用双流型,48英寸末级叶片是从3600r/min机组40英寸末级叶片模化而得到。
40英寸末级叶片从1999年开始已经在多台机组上成功应用。
三菱公司汽轮机高温材料合用范畴、合用温度和材料型号列于表5。
表5三菱公司汽轮机高温材料
≦566℃
≦610℃
≦630℃
≦650℃
高压/中压转子
CrMoV
12CrMoVNb*
(TMK-1)
3Co12CrMoWVNbB*
(MTR10A)
ModifiedA28G*
内缸/喷嘴室
2.25CrMo
(MFC-12)
(MTC10A)
Type316H
叶片
12CrMoWV
(Type422)
12CrMoWVNb*
(10705MBU)
(MTB10A)
W545
阀门
Super9Cr
(T91)
(MTV10A)
*三菱公司研发。
3.1.5日立公司
日立公司超临界机组是在引进美国GE公司技术基本上发展。
日立公司于1971年制造了第一台超临界汽轮机,容量为600MW,蒸汽参数为24.13MPa,566℃/566℃。
到当前为止,日立公司已经投入运营和在建超临界汽轮机共28台。
3.1.5.2日立公司超临界汽轮机技术特点
单机容量最大机组为1000MW,双轴(3000/1500r/min),四缸四排汽,功率1000MW,已于1998年投运,参数为24.52MPa,600℃/600℃。
参数最高机组为700MWTC4F-43型汽轮机,参数为25MPa,600℃/600℃。
日立公司正在进行1000MW超临界汽轮机设计,蒸汽参数从25.0MPa-600℃/600℃提高到30.0MPa-600℃/600℃可以使效率提高0.5%。
为改进超临界汽轮机可靠性,日立公司采用了如下办法:
椭圆形汽封;
用隔板电子束焊接改进焊接件可焊性和强度;
保证转子材料同轴性,防止由于转子材料蠕变伸长沿园周方向不均匀所导致转子弯曲;
采用整体转子,防止半速低压转子在轴及轴与轮盘连接键槽处产生应力腐蚀裂纹。
为进一步提高机组效率,日立公司采用了:
BALANCE(BalancedLaminarAndCompressibleEffect)叶片,在这种叶片设计中考虑了蒸汽可压缩性;
先进可控涡切向倾斜式喷嘴叶片(AVN-S),减少了喷嘴叶片和动叶片损失,同步减少了由于二次流导致汽流不均匀性;
先进可控涡切向倾斜式喷嘴叶片(AVN-L),形成三维发散汽流通道,优化了喷嘴中流型,实现高效率;
扩压式排汽缸,加上导流板使得汽流更加均匀,减少了透平末级到凝汽器间静压损失。
日立公司生产600℃级别超临界汽轮机所有采用铁素体钢,各重要部件和材料列于表6。
表6日立超临界汽轮机重要部件材料
部件名称
材料
12Cr钢(HR1100)
动叶
静叶
12Cr
阀门和汽缸
加BCr-Mo-V铸钢
9Cr-1Mo锻钢
12Cr铸钢
3.2发达国家超临界锅炉技术特点
对于国外超临界锅炉技术特点,本文将分为欧洲、日本两大技术流派进行分析。
3.2.1炉型
欧洲超超临界锅炉均采用塔式布置,其长处是水冷壁(特别是上炉膛)回路简朴,不但炉膛各墙水冷壁间热力与水动力偏差小,并且后水冷壁回路也特别简朴,烟气自下向上垂直流动,消除了Π型锅炉中因有二次90°
转弯(炉膛出口和尾部转向室)而导致烟侧偏差,此外从减轻对流受热面结渣和烟侧磨损也是有利。
缺陷是:
锅炉较高,增长了安装难度,四根大立柱承受锅炉所有荷载,对柱基本设计规定较高,增长了锅炉房地基费用。
日本超超临界锅炉均采用双烟道Π型布置,其重要长处是锅炉高度稍小,易于安装;
缺陷是水冷壁特别是上部后水冷壁回路较复杂,其热力与水力偏差稍大,过热器与再热器沿炉宽方向烟侧偏差稍大;
转向室后低温对流受热面存在局部烟侧磨损也许性。
总之,二种炉型代表了不同设计老式,均有其优缺陷,只要设计合理,均能保证锅炉可靠运营。
3.2.2燃烧方式与炉膛尺寸
当前世界上已投运百万千瓦级别燃煤超超临界锅炉就其燃烧方式而言仍分切向燃烧和对冲燃烧二大类,而在切向燃烧方式中又分单切圆和双切圆二种,德国、丹麦等欧洲国家均采用单切圆正方形炉膛,能保证较好燃烧效果和炉内空气动力场,已投运最大正方形炉膛为德国SchwarzePump800MW褐煤炉,其截面尺寸为24m×
24m,另一方面为Niedrauβen900MW褐煤炉,其尺寸为23.16m×
23.16m,均已顺利运营,阐明百万级单切圆正方形炉膛是可行,在直流燃烧器火焰穿透能力及燃烧组织方面未浮现任何问题。
三菱公司为了消除Π型
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