700℃級(jí)別超超臨界發(fā)電技術(shù)

所謂的 700℃級(jí)別超超臨界發(fā)電技術(shù)是指主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度達(dá)到700℃及以上的高參數(shù)超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)。參考其他國(guó)際的研究計(jì)劃，蒸汽溫度達(dá)到 700℃以上水平，那么其主蒸汽壓力也相應(yīng)的會(huì)達(dá)到 36MPa 左右。

隨著超超臨界機(jī)組蒸汽參數(shù)的提高，其熱效率也響應(yīng)增大。根據(jù)熱力循環(huán)分析得知，在超超臨界范圍內(nèi)，鍋爐主蒸汽溫度每增加 10 ℃ ，可使其熱耗率降低大約 0.25 個(gè)百分點(diǎn)；鍋爐主蒸汽壓力每增加 1MPa，其熱耗率可相應(yīng)降低大概 0.3 個(gè)百分點(diǎn)；再熱蒸汽溫度每提高 10℃，可使機(jī)組熱耗率減少 0.2個(gè)百分點(diǎn)左右。

目前，郎肯循環(huán)蒸汽動(dòng)力機(jī)組的效率隨蒸汽參數(shù)的提高而不斷上升，如表 1-1 所示。亞臨界機(jī)組效率比常規(guī)超臨界機(jī)組效率低 2 個(gè)百分點(diǎn)，而常規(guī)超臨界機(jī)組效率比超超臨界機(jī)組效率還要低 4 個(gè)百分點(diǎn).

  通過(guò)計(jì)算估測(cè)，容量為 600MW 級(jí)別的 700℃先進(jìn)超超臨界鍋爐發(fā)一度電煤耗約 210g，比容量為 600MW 級(jí)別的 600℃水平的超超臨界機(jī)組減少 25g 左右標(biāo)準(zhǔn)煤。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的推進(jìn)會(huì)全方位促進(jìn)燃煤發(fā)電設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造能力，進(jìn)一步推動(dòng)能源電力產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)性發(fā)展。

 為此，歐盟、日本和美國(guó)均采取由政府組織電力用戶(hù)、毛坯和原材料供應(yīng)商及設(shè)備制造公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的方式，制定了長(zhǎng)期的 700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)和設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展計(jì)劃，使超超臨界機(jī)組參數(shù)不停留于現(xiàn)狀，而是奔著更高參數(shù)的技術(shù)路徑發(fā)展。目前，世界上研發(fā) 700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的主要路線有以下三個(gè)：歐洲 AD700 的 17 年規(guī)劃(1998-2014)；美國(guó)的 AD760 的15 年計(jì)劃(2001-2015)；日本的 A-USC 的 9 年計(jì)劃(2008-2016)。

(1)  歐盟的 AD700 規(guī)劃研發(fā)動(dòng)態(tài)

早在 1998 年 1 月，歐洲聯(lián)盟已部署了AD700 超超臨界發(fā)電技術(shù)研究計(jì)劃，其目標(biāo)是建造 35MPa/700℃/720℃、50 萬(wàn)千瓦級(jí)別的示范電廠，并采用提高給水焓、鍋爐余熱利用、改善管路阻力特性、降低背壓等技術(shù)方法，將機(jī)組效率提高到 50%以上。并在示范電站的試運(yùn)行和修改完善的基礎(chǔ)上，計(jì)劃在 2020年前后實(shí)現(xiàn)機(jī)組的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。歐盟的計(jì)劃主要有四個(gè)時(shí)期，第一時(shí)期進(jìn)行方案可行性研究和新材料性能試驗(yàn)；第二階段時(shí)期完成初期研發(fā)和材料驗(yàn)證，并已經(jīng)在 2005 年前完成；第三階段是主要部件的檢驗(yàn)，并已經(jīng)在 2010 年前完畢；目前正處于第四階段，關(guān)鍵部件的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和示范電廠的建設(shè)[16-28]。

(2)  美國(guó)的 AD760 規(guī)劃研發(fā)動(dòng)態(tài)

美國(guó) 700℃超超臨界機(jī)組研究課題，計(jì)劃對(duì)的設(shè)計(jì)參數(shù)為 732℃ / 760℃ / 37.9MPa，參數(shù)遠(yuǎn)高于歐盟的設(shè)計(jì)參數(shù)，主要是更適合美國(guó)的高硫煤種。目前，美國(guó)已經(jīng)完成機(jī)組的可行性分析、鍋爐材料和汽輪機(jī)材料等研究，正處于示范電廠設(shè)計(jì)建造階段[16-18]。

(3)  日本的 A-USC 規(guī)劃研發(fā)動(dòng)態(tài)

日本 A-USC 計(jì)劃 2008 年 8 月啟動(dòng)，A-USC 計(jì)劃 9 年完成，分為系統(tǒng)設(shè)計(jì)，鍋爐、汽輪機(jī)和閥門(mén)技術(shù)開(kāi)發(fā)，鍋爐部件及小型汽輪機(jī)試驗(yàn)等幾部分同步實(shí)施。A-USC 計(jì)劃的材料研發(fā)、主要部件制造和測(cè)試工作預(yù)計(jì) 2016 年完成，目前正在開(kāi)展主要部件材料的測(cè)試工作。以上國(guó)外項(xiàng)目計(jì)劃中以歐盟的 AD700 計(jì)劃啟動(dòng)最早，研究?jī)?nèi)容最為全面，實(shí)施進(jìn)度最快。

2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著各大廠家對(duì)超超臨界鍋爐技術(shù)的消化和吸收，中國(guó)已經(jīng)有一大批超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組在運(yùn)，尤其是近期，國(guó)電泰州電廠、華能萊蕪和華能安源等二次再熱機(jī)組示范工程的開(kāi)展，我國(guó)已掌握了豐厚的運(yùn)行、調(diào)試和設(shè)計(jì)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。

這充分說(shuō)明中國(guó)在超超臨界發(fā)電范疇的研發(fā)設(shè)計(jì)、整體設(shè)備制造、建設(shè)、運(yùn)行調(diào)試水平已接近全球領(lǐng)先水平，這些為我國(guó) 700℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)和相關(guān)科研院所也展開(kāi)了相關(guān)研究。

西安熱工研究院，王春昌等研究表明 700℃超超臨界鍋爐并不能簡(jiǎn)單地采用 600℃級(jí)超超臨界鍋爐結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，前者必須在爐側(cè)或鍋內(nèi)側(cè)做出改變，即必須降低燃燒產(chǎn)物在爐膛內(nèi)的純輻射放熱，以使煙氣側(cè)放熱比例與蒸汽側(cè)的吸熱比例匹配。鍋爐爐膛內(nèi)的輻射換熱有所降低，需要在鍋爐側(cè)進(jìn)行改變，這樣才能使過(guò)熱蒸汽和再熱參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值。

王春昌等自主設(shè)計(jì)的“帶二次再熱的 700℃以上參數(shù)超超臨界鍋爐”專(zhuān)利通過(guò)了國(guó)家專(zhuān)利申請(qǐng)。其中提出了一種 700℃超超臨界鍋爐機(jī)組的水蒸氣受熱面的設(shè)計(jì)方式，為了減小爐內(nèi)輻射換熱，并使蒸汽參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值，在現(xiàn)役的 600℃級(jí)的超超臨界鍋爐中加裝壁掛式輻射換熱面，過(guò)熱器系統(tǒng)新增的受熱面位于屏式過(guò)熱器前，再熱器系統(tǒng)新增的受熱面位于末級(jí)高溫再熱器前。并通過(guò)計(jì)算將該技術(shù)應(yīng)用到1000MW 的機(jī)組上發(fā)現(xiàn)，采用二次再熱的機(jī)組比采用一次再熱的超超臨界機(jī)組供電煤耗減少 12g/k W·h，大概減低到 272g/k W·h，根據(jù)每臺(tái)機(jī)組 6000 小時(shí)的年利用小時(shí)數(shù)計(jì)算，每臺(tái)機(jī)組能直接減少 CO2的排放量約為 2×105t，具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

劉旭冉等通過(guò)建立 700℃超超臨界鍋爐爐內(nèi)燃燒與水冷壁傳熱數(shù)學(xué)模型，得知：600℃和700℃下?tīng)t內(nèi)煙溫和熱負(fù)荷分布規(guī)律基本相同；對(duì)不同機(jī)組負(fù)荷下的煙溫水平和熱負(fù)荷分布進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，煙溫和熱負(fù)荷隨著負(fù)荷的降低而依次降低；由于水冷壁管子進(jìn)口工質(zhì)溫度的提高，在相同爐型相同負(fù)荷下，700℃的爐內(nèi)傳熱能力要弱于 600℃，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)煙溫和壁面熱負(fù)荷比 600℃高。  

蔣敏華等設(shè)計(jì)了兩種突破傳統(tǒng)爐型的新型鍋爐布置方式，稱(chēng)之為倒置型和M 型。其中 M 型燃煤鍋爐尾部布置三煙道，在滿(mǎn)足汽溫參數(shù)要求的基礎(chǔ)上，利用下行煙道將爐膛出口的高溫?zé)煔庖粮叨容^低的標(biāo)高處；另外一種倒置型燃煤鍋爐布置方式是將常規(guī)П型燃煤鍋爐布置方式倒置過(guò)來(lái)，這樣可使末級(jí)再熱器和末級(jí)過(guò)熱器布置在較低標(biāo)高水平上。這兩種爐型均可降低末級(jí)過(guò)熱器和末級(jí)再熱器的高度，改善管路的散熱情況和沿程阻力損失?？s短過(guò)熱蒸汽和再熱蒸汽與汽輪機(jī)之間的距離，降低成本，適合布置二次再熱系統(tǒng)和高參數(shù)鍋爐提高了機(jī)組效率。

陳瑞雨等通過(guò)比較Π型和塔式布置鍋爐布置方案得出：從爐膛出口到低溫受熱面入口，塔式布置鍋爐保守估計(jì)可以多爭(zhēng)取 40℃至 60℃或更多高溫?zé)煔鉄崃考訜岣邷貐^(qū)段的介質(zhì)，對(duì)提高換熱溫壓，節(jié)約換熱設(shè)備管道耗材量是極為有利的；塔式布置鍋爐的包覆受熱面系統(tǒng)要簡(jiǎn)單得多；塔式鍋爐的各受熱面?zhèn)鳠釡貕捍螅艧煖囟雀?，因而Π型鍋爐的?效率比較高；二次再熱系統(tǒng)的?效率高于一次再熱系統(tǒng)。

根據(jù)國(guó)家700℃聯(lián)盟技術(shù)委員會(huì)的計(jì)劃要求，結(jié)合本公司超超臨界汽輪機(jī)設(shè)計(jì)制造方面的經(jīng)驗(yàn)和國(guó)外 700℃超超臨界機(jī)組研制資料，哈汽提出了 700℃超超臨界機(jī)組初參數(shù)、容量選擇和主要設(shè)備總體方案的開(kāi)發(fā)構(gòu)想?？偨Y(jié)了其取得的經(jīng)驗(yàn)和成果，并結(jié)合自身超超臨界技術(shù)和設(shè)計(jì)習(xí)慣，提出了 700℃及其以上等級(jí)超超臨界汽輪機(jī)方案，分別為兩個(gè)一次再熱方案：600MW - 35MPa / 700℃ / 620℃、600MW -  35MPa / 700℃/ 720℃，以及一個(gè)二次再熱方案：600MW- 38MPa / 700℃ / 720℃ / 720℃。

• 方案一為相對(duì)簡(jiǎn)化的方案，更易于實(shí)現(xiàn)；

• 方案二是與國(guó)外三個(gè)主要 700℃項(xiàng)目基本同步的方案；

• 方案三是相對(duì)超前的二次再熱方案，也是國(guó)外的三個(gè)主要 700℃項(xiàng)目下一步研究的方案，實(shí)施難度較大。

目前已初步選擇了采用的鍋爐爐型、各個(gè)換熱器的布置方式以及各輔機(jī)的選型等等工作。在材料方面選用方面，尤其是主要高溫高壓原件，已經(jīng)確定了主要受熱面的表面溫度，為設(shè)計(jì)材料提供選擇參數(shù)。目前正處于前期技術(shù)試驗(yàn)儲(chǔ)備階段，并引進(jìn)了 ALLOY617鎳基合金材料進(jìn)行長(zhǎng)久性能檢測(cè)評(píng)定。

END