无动机组(转载--当今主流大型火力发电机组发展介绍)

Posted 2023-05-28

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无动机组(转载--当今主流大型火力发电机组发展介绍)

来源：火电厂技术联盟

超临界机组简介

超临界火电机组是常规蒸汽动力火电机组的自然发展和延伸。提高蒸汽初参数一直是提高这类火电厂效率的主要措施。当蒸汽压力提到高于22.1MPa时就称为超临界机组，如果蒸汽初压力超过27MPa，则称为超超临界火电机组。目前一些发达国家中，超临界和超超临界机组巳是火电结构中的主导机组或是占据一个举足轻重的比例，也就是说火电结构巳经"超临界化"了。以超临界化为特点的对火电结构的更新换代早在20世纪的中叶就已开始。超临界化可以说是火电发展的一种模式，一条道路，是被多国实践证明的成功模式。

所谓超临界化指的是经过若干年的努力应使超临界机组和超超临界机组在我国火电结构中占据一个举足轻重的比例，而且这些机组的规格、造价和主要性能指标，包括环保性能等应不逊于同类机组的国际水平。我国的超临界化起步晚，现在已比火电先进国家晚了40多年，但要优化我国的火电结构，这似乎是必经的模式。

优化我国火电结构，发展超临界乃至超超临界火电机组，参数等级和容量等级是需要讨论的一个问题。关于容量等级的意见比较一致，多认为300MW的容量似乎太小，以600MW为起步容量酌情分成几个容量系列较为适当。关于参数主要是两种意见，一是从超临界的最低参数起步，即由现在的亚临界参数16.7MPa／538℃／538℃，单纯通过提高蒸汽压力过渡到超临界参数24.2MPa/538℃／538℃；另一种意见则是从更高一些的起点开始我们的国产化研制。蒸汽初参数与机组效率有着密切的关系。

一般而言，采用亚临界的机组，在计入脱硫与脱硝后的净效率约38％，把亚临界参数过渡到超临界的25MPa/540/540℃℃，净效率最多可提高到40%～42%。把亚临界机组格局转换为超临界或超超临界机组格局，意味着降低16～32g/kWh的供电煤耗。

迄今水蒸汽循环电厂蒸汽初参数的提高，从本质上讲主要是不断使用改进的金属材料的结果，金属材料的水平与火电厂初参数的水平有着相互依存和相互促进的紧密关系。通过采用更高的的初参数使供电效率每提高1％降低煤耗约7g/kWh，但要求使用的则是不同的金属材料和不同的部件结构，它们又直接地与设备造价、机组的可用率和负荷适应能力相关联。国际上八十年代以后，大量铁素体耐热钢开发成功，在580～630℃范围内替代了奥氏体钢，从而使电站的蒸汽参数得以提高，在28～31MPa、566～580℃或24～25MPa、593～600℃的参数范围内具有良好的可靠性。

以25MPa/540/540℃℃一次再过热的某700MW机组为比较标准，其背压是4000 Pa. 这种机组使用的是X20CrMoV121 钢，不使用奥氏体。下一步对主蒸汽区（如过热器联箱，管道，汽轮机）将使用X10CrMoVNb 91（即P91钢），至于过热器管道还要使用奥氏体。对参数与效率的关系作了估计。如采用了二次再过热，则效率可再提高约0.8％。从效率和经济效益的观点，P91钢使用的最佳场合可能是27MPa/580℃。在日本正在发展一种叫做Nf616的钢，欧洲则是E911，它们均是非奥氏体钢，研究目标是在600℃时的蠕变强度达到120N/mm2，而P91才90N/mm2，所以有时把前者称为120N/mm2钢。这种钢可用于31MPa/595℃的蒸汽参数，它比奥氏体钢导热性好，热胀率低，在某些场合有希望代替奥氏体钢，而奥氏体钢的极限使用温度则有希望从650℃扩展到700℃。

目前国际上即使是超超临界机组所采用的参数也还是过渡性的。FLS / BWE公司巳公布了发展下一代超临界机组的计划，蒸汽初温将从现在的580℃提高到610～700℃，相应的压力将从目前的30MPa提高到40MPa，供电效率将达到50～55% 。

建国以来，我国一直在追踪世界先进技术研制国产化火电机组，从6MW开始，经历了几乎所有的参数和容量等级，成绩很大，但道路既不平坦也不笔直，特别是200MW以上大机组的研制，经过了不少曲折。至今我国制造的200MW、300MW、600MW机组与从国外引进同容量同参数机组还有一些差距。

我国在电站用钢方面还相对落后，表现为规格不全，性能不高且进展缓慢。这种现状使我们对于超临界参数的发展一直持非常谨慎的态度。在新的世纪里，可持续发展战略已成为全世界的共识，它对火电生产不仅要求减排硫氧化物和氮氧化物，而且对二氧化碳和其他温室气体的排放总量也加强了限制，这是通过京都议定书的形成变成了世界公众和各国政要所关注的重大问题。我国将是温室气体排放的头等大国，排放量的每一变化都将受到世界高度重视。

超临界机组发展史

美国于1957年投运的第一台125MW超临界机组的参数为31MPa/621℃／566℃／560℃，1958年投运的325MW机组的参数为34.4MPa／649℃／566℃／566℃，实质上它们已是迄今最高参数的超超临界机组。到60年代中期，新增机组中有一半采用超临界参数，但到70年代订货台数急剧下降。根据EPRI的一份调查报告认为，这一下降的原因是多方面的，当时美国缺乏超临界机组调峰运行的经验，最重要的是核电站担负起了基本负荷，因而对带基荷的超临界机组的需求量出现了下降，在采用超临界参数方面出现了反复。在日本和欧洲则情况则有所不同。尽管如此，从宏观上看美国在1967年-1976年的10年期间，共安装118台超临界机组，单机最大容量为1300MW，到80年代初，超临界机组仍增至170余台，占燃煤机组的70％以上，占总装机容量的25.22％，其中单机容量介于500-800MW者占60％-70％，至1994年共安装和投运了 9台1300MW的超临界机组。

日本在1967年第一台超临界的600MW机组系从美国引进，在长崎电厂投运。此后日本的超临界压力火力发电得到了迅速的发展。截止1989年3月，日本各大电力公司的48个主要火电厂的总装机容量75870 MW中，超临界压力的为49350MW，占总装机量的65％，比重很大，致使火电机组全国供电煤耗由1963年的366g／kWh降低到1987年335g／kWh 。1989和1990年在川越电厂投运的两台700MW机组的参数是两次再过热的31MPa /566/566/ 566℃，在满负荷下的热效率达41.9％，投运以来情况很好。目前在日本，450MW以上的机组全部采用超临界参数。从1993年以后已把蒸汽温度提高到566/593℃℃和593/593℃℃，一次再过热，说明这种等级的超超临界参数已达到成熟阶段。

前苏联也是世界上拥有超临界机级最多的国家，共有224台，总容量达79300MW，凝汽式汽轮机中，超临界机组的容量占48.7％。1963年，苏联投入第一台300MW超临界机组，其热耗率比超高压的200MW机组降低了5.2％。这一成功促使苏联决定，300MW以上的机组全部采用超临界参数。300MW 机组在70年代中期的可用率已达86.4％，1984年雷夫提恩电厂的300MW机组的利用小时达7043小时。

德国早在60年代开始发展超临界机组，是研究和制造超临界机组最早的国家之一，但初期容量较小。1972年投运了一台430MW的超临界机组，1979年投入了一台475MW二次再过热的机组。德国VEAG电力公司在1999和2000年于Lippendorf电厂投产的两台900MW褐煤机组，蒸汽参数为26.8MPa/ 554/ 583℃，净效率为42％；计划于2002年在Niederaussen 发电厂投产的985MW褐煤机组，使用的蒸汽参数为26MPa/580/600℃℃，由于采用了以超超临界参数为主的多项提高效率的措施，净效率高达45.2％，机组滑压运行，可超负荷5 ％。最低负荷为50％，电厂大修期最少为4年。

丹麦是热能动力方面很先进的国家，在火电机组上也处于领先地位。在1998年在Skaebaek发电厂投产的400MW机组，两次中间再过热，蒸汽参数为29MPa/582/582/582℃，加以海水直接冷却，额定背压为2.2 kPa，净效率高达49％，是当今世界上效率最高的火电机组。1999年在Nordjylands 电厂投产的400MW机组，使用同样的蒸汽初参数，效率也高达47％。丹麦计划2001年在Avedore 电厂投产的375MW机组，采用的参数为30MPa/580/600℃，其净效率也是高达48％。

其他如意大利、荷兰、芬兰等国在采用超临界机组方面也都有成功的经验。目前世界上已有600多台超临界机组在运行。

超临界机组技术概况

超临界技术在优化火电结构方面有特殊作用。可以断言，采用超临界和超超临界参数将是新世纪初火力发电厂主要发展方向之一。超临界化是火电的一种发展模式，且已被证明是改造和优化火电结构的一种成功的模式。所以无论从哪个角度看，我厂三期建成一台超临界机组都符合国家发展的要求。

火电设备的主要发展趋势为：以高效率、低污染、低能耗、低造价的发电设备和新型的清洁煤燃烧发电技术为开发重点，机组容量大多为600～800MW，不再向更大单机容量发展。具体表现为：

1．普遍采用单机容量为600～800MW容量火电机组；

2．工业发达国家广泛应用单机容量为600MW及以上的大容量超临界机组；

3．大容量、高效率燃气轮发电机组迅速发展；

4．空冷发电机组、热电联产供热机组向大型化发展；

5．机组运行自动化水平不断提高；

6．十分重视开发和使用新的高效燃烧技术、煤气化技术、高温燃气轮机、常压和增压流化床（CFBC，PFBC）将有大发展。

燃气轮机以及燃气蒸汽联合循环机组脱颖而出，在天然气生产空前发展的前提下，逐渐扮演起与蒸汽轮机电站“平起平坐”的角色。联合循环机组的单机容量已超过350MW，供电效率已实现56%～58%，即将达到60%的高水平，交钥匙工程的比投资费用已能控制在500～600美元/kW左右，它已经成为最能体现“高效、洁净、经济、可靠、安全”方针的机组。

在洁净煤发电概念的指导下，燃煤的燃气—蒸汽联合循环和大型电站用循环流化床锅炉的研究工作集中于整体煤气化燃气、蒸汽联合环和增压流化床燃气。到21世纪初期，前者的供电效率将达到50%～52%，比投资费用有望降低到1000～1100美元/kW，燃煤的排放质量是最优的，并且特别适用于燃用高硫煤。这两种燃煤联合循环机组必将部分地成为燃煤蒸汽轮机电站更新换代的技术。

随着环保要求日益严格，迫使燃煤电厂要采用更高的参数以获得更高的效率，同时新材料的开发成功也使得超临界机组从技术上具备了发展高参数的条件。目前世界上超超临界机组的最高热效率已达47%，在美国已运行的超临界机组总数有166台，117台800MW及以上的火力发电机组均为超临界机组，最大的单机容量为1300MW。

日本发展超临界机组是采用引进美国和欧洲的技术，并进行二次开发创新，已跃居世界发展超临界技术的先进国家。日本450MW以上的火力发电机组全部采用超临界或超超临界机组，其容量占总装机容量的61%。俄罗斯300MW以上容量机组全部采用超临界参数，共有超临界机组224台

就发电动力而言，为实现电能生产的“高效、洁净、经济、可靠、安全”之要求，蒸汽轮机电站的参数经历了低压、中压、高压、超高压、亚临界和超临界参数的发展阶段，目前正在向超超临界参数的前沿挺进，机组的单机容量已达1300MW，供电效率已超过42%并将逐渐逼近45%。

超临界参数的蒸汽轮机电站目前已经在主要工业化国家趋于成熟，并获得了广泛应用，日本各制造公司正着手对参数为34.5Mpa/620℃/650℃、31Mpa/593℃/593℃/593℃和34.4Mpa/649℃/593℃/593℃的超超临界机组进行全面的研究，力求其相对热效率提高10%以上。据报道，丹麦投运了2台412MW的超超临界参数机组，一台燃煤，一台燃天然气，蒸汽参数为28.5Mpa/580℃/580℃/580℃，凝汽器背压为2.3kPa，热效率可达47%。

倘若对汽轮机的元件效率等进行改进，尚能把机组的效率提高2个百分点，即高温超超临界参数机组可能实现的供电效率大约是46.6%。倘若像siemens公司所期望的那样：把亚临界参数机组的供电效率改善为41.9%，那么高温超超临界参数机组可能实现的供电效率的极限值大约为50.5%。当然，从超临界机组过渡到超超临界机组必然会增大电站的比投资费用。

燃气联合循环机组技术概况

（一）燃气—蒸汽联合循环机组性能特点

联合循环技术已相当成熟，当今的燃气轮机联合循环发电机组热效率高、比投资低、排污指标低、建设周期短、占地和用水量少、起动灵活、自动化程度高，已在世界上得到了广泛的应用。

1．热效率高

近年来燃气轮机及其联合循环技术获得突飞猛进的发展，21世纪初联合循环的单机功率和供电效率已经分别达到480MW和60%。如：美国GE公司的MS9001G型燃机、Siemens公司V94.3A型、三菱公司7019型等大型燃气轮机单机功率都在200MW以上，联合循环功率350MW～470MW，热效率达到58%。美国GE公司生产的第一台109H型联合循环机组在2002年投产，其功率为480MW，电厂热效率达60%。

2．投资低

燃气轮机及其联合循环机组的比投资费用远低于燃煤的蒸汽轮机电站，例如：大功率燃气轮机电站和联合循环电站交钥匙工程的比投资费用分别为200～300美元/kW和500～600美元/kW，而600MW的燃煤超临界参数机组的单位造价为100美元/kW。因而烧天然气的联合循环电站的发电成本在国外是最低的，例如：在荷兰为3美分/kW·h，而燃煤蒸汽轮机电站的平均发电成本为4.5美分/kW·h。

3．调峰性能好

燃气轮机及其联合循环电站的启动方便，可以实现“无外电源”启动，调峰性能优越。此外，燃气轮机及其联合循环电站的用水量少，建设周期短，便于按“分阶段建设方针”建厂，经济收益效果好。

（二）跨国企业联合循环汽轮机的技术特点

1．GE公司

H型联合循环配置的汽轮机是三压再热式，与燃气轮机单轴布置，高、中、低3种压力供汽，中压供汽经再热，通过采用冲动级以减少级数和提高未经动叶片高度以提高通流能力，尽可能缩短其汽轮机长度。

2．Siemens公司

最先进的联合循环为三压再热单轴联合循环，汽轮机有高（HP）、中（1P）、低（LP）3种压力．均来自于余热锅炉，中压具有中间再热。汽轮机在结构设计上具有以下特点：高压缸采用圆筒型，无水平中分面，结构紧凑；中低压缸具有水平中分面，轴向排汽等优化设计；用反动式设计，中压叶片采用全三元、高效串的弓形叶片；转子采用不同材料焊接而成，高温区采用具有优良的高温持久强度材料，低温区离心应力大，采用高韧性、优良的抗腐蚀性能以及低FATT材料。

3．ABB公司

G126型燃气轮机单轴联合循环KA—l中的汽轮机为三压、再热式．高中分缸同流向、低压双流结构。

4．日本三菱公司

新开发的用于50Hz联合循环的先进汽轮机有：蒸汽参数10.2Mpa/537.7℃/537.2℃/138.9℃，为单缸结构，输出功率100.55Mw，末级叶片长度899.16mm（35.4英寸），高压一级调节级和4个压力级，与中低压反向排列；蒸汽参数10.3Mpa/537.8℃/535.9℃/250.7℃，输出功率128.1Mw，末级叶片长度899.16mm（35.4英寸），高中压合缸结构，各有7个压力级，反向布置。低压为双流共有2x6级，向下排汽。三菱公司还有其它汽轮机通流多种布置形式，具有先进的设计技术。

大型循环流化床炉火电机组概况

（一）循环流化床锅炉趋于高参数、大容量

现代电站锅炉发展的趋势是高参数、大容量。煤粉燃烧锅炉在这方面已经迈过了超临界和超超临界两个门槛。循环流化床锅炉（CFB）正向高参数，大容量目标挺进，必将在未来电站锅炉中占有一席之地。作为公认的最具发展前景的“洁净”煤燃烧技术，循环流化床是一种兼顾环保与经济性并且得到广泛验证的新技术，大型流化床锅炉已进入商业市场，已投运最大的CFB锅炉为法国普罗旺斯250MW锅炉。国外制造公司认为，目前制造600MW循环流化床锅炉在技术上是有把握的，其中的一个重要方向是超临界参数循环流化床锅炉技术。

当前世界上已有近千台CFB锅炉投入运行，国外约有60台100MW以上容量的循环流化床锅炉，其中已经投运的有40余台。共37家公司生产流化床锅炉，其中27家生产CFB炉。循环流化床锅炉检验规程和安全规程已经列入美国ASME标准，这是其技术成熟和标准化的重要标志。它的国际发展趋势是继续开发300MW级以上大型电站循环流化床锅炉。

美国能源部制定了支持美国制造商的重要的清洁煤技术计划，法国国家也有类似的计划，还有若干国家的R＆D计划支持有关的研究发展工作，包括欧洲委员会（EC）的支持工作。国外研究表明，采用超临界蒸汽参数的循环流化床锅炉的发电热效率可以达到43.2%，这和传统的燃气蒸汽联合循环发电热效率相比已毫不逊色，但其成本却大大降低。因此，国际上普遍认为，在未来20～30年内常压循环流化床发电技术将会有很大的市场。据英国贸工部估计，到2020年，世界上以燃煤为主的循环流化床锅炉容量将达到150000MW左右，其中中国为125000MW，北美17000MW，印度6000MW，日本3000MW。

法国电力公司（EDF）认为中国、印度以及许多东南亚和东欧国家在强劲的经济发展中迫切需要增加发电量，但是这些国家面临一个十分困难的抉择，一方面他们拥有大量等级很差或比较差的煤炭资源；而另一方面面临着越来越大的环保压力。而循环流化床技术最适合于满足此种情况。开发这种技术可以使EDF在拓展全球发电业务的竞争中处于有利地位。所以自从1985年以来就一直致力于采用CFB技术更新和改进现有常规电厂。

（二）循环床锅炉大型化的技术发展趋势

1．容量扩大

目前，世界上单台循环流化床锅炉机组的容量最大已达到250MW，300MW容量等级的机组马上很快也要投入商业运行。目前技术成熟的炉膛单元的容量为125MW，增加炉宽可以合成到250MW；采用加中间隔墙方式，合成为三炉室炉膛时，容量即达到300MW规模。但是，如果想进一步扩大锅炉机组容量到400～600MW，则炉膛单元的容量应200MW才行。

2．提高燃烧效率

对于难燃煤种，总的技术趋势是将床温提高到900℃，增加炉膛有效高度，延长一次停留时间，适当提高循环倍率。

3．研制新型分离器及布置方式

对于分离器的研究，最主要的任务是优化分离器的布置方式，同时开发紧凑型分离装置，即非圆截面，可与水冷壁整装的新型分离器

4．回送装置型式趋同

循环流化床锅炉的循环物料回送装置也称回料阀、返料阀等，是循环床的关键部件之一。既要使物料稳定持续的返回炉膛，又要隔绝炉膛与分离器间的压差。在循环流化床开发初期，回送装置种类繁多，目前则以U阀为主，尽管各个制造厂商冠以不同的名称，实际多为U阀之变种。

5．控制N2O生成

N2O低温燃烧时生成率高，而高温燃烧时解离率高。燃烧氮转化生成N2O的过程主要发生在密相区初始燃烧阶段。因而采用密相区徽欠氧燃烧方式，可提高N2O还原为氮气的解离率，从而控制N2O生成。

6．发展超临界参数循环流化床锅炉

据掌握的资料，各个循环流化床生产制造厂家均未生产过超临界参数的循环流化床锅炉。未来5～10年内，300～600MW容量等级的循环流化床锅炉将从生产车间走向商业运行，为进一步提高机组效率，循环流化床锅炉有向超临界参数发展的需要。

7．应用新的防磨和耐火材料

内置翼墙和管屏的防磨覆层材料的性能直接关系到循环流化床锅炉运行的可靠性和可用率水平以及运行维修成本等，密相区和分离器内壁的耐火材料衬层同样也需要有良好的抗腐蚀性能。与其这方面的需求会促进相应材料技术的发展。新材料的应用会大大改善大型循环流化床锅炉的负荷调节幅度和调节能力。