大型超超臨界機組的自主化開發(fā)

1、大型超超臨界機組的自主化開發(fā)沈邱農(nóng)，楊連海(1上海發(fā)電設備成套設計研究所，上海200240；2中國機械設備進出口總公司，北京100044) 摘 要：論述我國大型超超臨界機組自主化開發(fā)的必要性，通過分析國外超超臨界技術的發(fā)展，論證我國自主化開發(fā)超超臨界機組的技術路線和基礎條件。 關鍵詞：超超臨界；自主化；關鍵技術；條件 中圖分類號：TK26l 文獻標識碼：A 文章編號：16725549(2005)03013305Self-Develpment 0f Large UltraSUpercrnritical Steam TUrbineSHEN Qiu-nong，YANG Lian-hai (1Shan

2、ghai Power Generation Packaged Equipment Reasearch Institute，Shanghai 200240，China； 2China Machinery Import&Export Corporation，Beijing 100044，China) Abstract：This paper describes the necessity Of self-development Of large ultra-supercritical steam turbine， and demonstrates technical schemes and basi

3、c technology Of self-developing ultra-supercritical steam turbineafter analysis Of ultra-supercritical technology development abroad Key words：ultra-supercritical；localization；key technology；condition0 引言 發(fā)展大型超超臨界火電機組，是降低我國火電機組平均發(fā)電煤耗、改善環(huán)保狀況、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的有效途徑，具有顯著的社會經(jīng)濟效益。我國電力工業(yè)總體水平與國外先進水平相比有較大差距，能耗高和環(huán)境污

4、染嚴重是目前我國電力生產(chǎn)中存在的兩大突出問題。隨著我國能源結構的改變，煤電裝機容量的比重將逐年下降，但是在電力工業(yè)中將仍占主導地位。我國環(huán)境保護形勢十分嚴峻，大量煤炭燃燒產(chǎn)生的二氧化碳、二氧化硫和煙塵排放加重大氣環(huán)境污染，造成一系列生態(tài)環(huán)境保護問題。因此，發(fā)展清潔高效的先進發(fā)電技術是火電結構優(yōu)化和技術升級的重要命題。超超臨界火電機組經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)是成熟的先進發(fā)電技術，在經(jīng)濟發(fā)達國家中廣泛應用并得到了顯著的節(jié)能和減少污染的效果，并且正進一步向更高參數(shù)方向發(fā)展。目前國外已經(jīng)運行的超超臨界一次再熱機組熱效率一般可達43以上，二次再熱機組的熱效率達到45以上。為迅速扭轉我國火電機組煤耗長期居高

5、不下的局面，優(yōu)化火電結構，縮小火電技術與國外先進水平的差距，發(fā)展國產(chǎn)大型超超臨界火電機組十分必要。大型超超臨界火電機組的自主化研制，能夠促進電力裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)結構調整，提高行業(yè)技術水平。我國電力裝備制造業(yè)經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展，現(xiàn)已形成以哈爾濱、東方、上海三大發(fā)電設備制造集團等大型骨干企業(yè)，構成具有相當規(guī)模、水平和實力的技術開發(fā)與制造基地，具備較強的自主設計和制造大型電力裝備的能力，已使我國成為世界上為數(shù)不多的電力裝備制造大國之一。雖然我國生產(chǎn)的300MW、600MW亞臨界參數(shù)火電機組的參數(shù)與性能已達到國際先進水平，但是，同國外擁有技術先進的大型跨國公司相比，我國制造企業(yè)在新技術的研究開發(fā)能力

6、、設計、制造水平上差距較大，高效的超臨界和超超臨界發(fā)電機組的自主化開發(fā)還處于起步階段，不能完全滿足未來電力工業(yè)發(fā)展的需要。電力裝備制造是國家經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展和國家安全的重要保障，是國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。電力裝備制造業(yè)所提供裝備的產(chǎn)品質量、水平、性能的高低，對降低工業(yè)綜合能耗，提高整個國民經(jīng)濟效益，實現(xiàn)增長方 式的轉變等都有巨大影響。本文論述了超超臨界技術的發(fā)展歷史，簡述了目前我國超超臨界機組自主開發(fā)的現(xiàn)狀，認為開展大型超超臨界火電機組的研制，并最終實現(xiàn)設計制造自主化、批量化，對促進我國發(fā)電設備制造業(yè)技術進步具有重要意義。1 超超臨界技術的發(fā)展超超臨界技術的發(fā)展至今已有40多年歷史，其發(fā)展過程經(jīng)歷

7、了50年代超超臨界參數(shù)發(fā)展起始階段、80年代超臨界機組優(yōu)化及新技術發(fā)展階段和90年代超超臨界技術成熟的發(fā)展階段。在超超臨界技術的發(fā)展初期，由于蒸汽參數(shù)取得比較高，超過了當時的材料技術發(fā)展水平，致使超超臨界機組的可用率和可靠性都較低，熱力參數(shù)一度被降低到超臨界水平。90年代以來，由于環(huán)保及節(jié)約能源的需要，超超臨界機組又進入了新一輪的發(fā)展時期。美國是發(fā)展超超臨界技術最早的國家，第一臺超超臨界機組1957年投運，容量為125MW，參數(shù)為31MPa、621566538。由于超超臨界機組發(fā)展初期技術不成熟，蒸汽參數(shù)選擇過高，超越了當時的金屬材料技術水平，運行中出現(xiàn)了很多問題，以至于降低參數(shù)運行。為了提高

8、機組可用率，美國以后建設的機組多采用超臨界參數(shù)，并保持了20余年。上世紀80年代以后，針對燃料價格上漲，環(huán)境保護要求日益嚴格的現(xiàn)狀，美國電力研究所(EPR工)總結了前期超臨界機組運行經(jīng)驗和教訓，對超臨界機組蒸汽參數(shù)和容量等進行了各方面可行性優(yōu)化研究，認為在技術方面不需要作突破的條件下，超超臨界機組可采用31MPa、566593的蒸汽參數(shù)，提出重新開發(fā)蒸汽參數(shù)為31MPa593593593的二次再熱超超臨界機組。但是，由于美國電力工業(yè)偏重于發(fā)展高效的燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)，超超臨界技術的發(fā)展計劃沒有得到實施。不過，上述研究成果在亞洲和歐洲的一些國家得到了進一步開發(fā)、推廣。近年來，美國GE公司為日本設

9、計制造了蒸汽參數(shù)分別為26.6MPa577600和25MPa600610的超超臨界機組。日本由于動力燃料幾乎完全依靠進口，因此發(fā)展高效率、低煤耗的超臨界機組是日本的國策。20世紀70年代起日本開始大力發(fā)展大容量超臨界機組，450MW以上容量的機組一律采用超臨界參數(shù)。80年代又著手研制超超臨界機組，至2002年已有19臺1000MW機組投入運行，成為日本電網(wǎng)中的主力機組之一。在發(fā)展大型超臨界機組過程中，日本吸取了美國馬鞍形發(fā)展的教訓，參數(shù)由低向高穩(wěn)步發(fā)展，不僅使機組的經(jīng)濟性逐步提高，而且機組可用率達到95以上。20世紀90年代日本引進和應用美國的耐熱新鋼種T9l和P91，使蒸汽溫度提高到600左

10、右。19902003年間，日本投運了一批容量為600MW1050MW、蒸汽參數(shù)為24MPa25MPa、600610的超超臨界機組。日本發(fā)展超超臨界機組雖然起步較晚，但發(fā)展速度很快、收效顯著。日本發(fā)展超超臨界技術是采用引進一仿制一創(chuàng)新的技術路線，先從國外引進成熟機組和制造技術，然后，建立本國的試驗研究體系，組織力量進行技術消化和仿制，引進設備投運后即作為考核機組，通過試驗掌握其運行性能，再結合日本本國的技術特點進行設計、施工和批量生產(chǎn)，很快由仿制過渡到擁有自主知識產(chǎn)權。目前，日本以機組可靠性高、經(jīng)濟性好、技術發(fā)展快而躍居為發(fā)展超超臨界技術的先進國家。德國是研究制造超臨界機組較早的國家之一，目前德

11、國已投運和在建的超超臨界機組近20臺，有代表性的是2000年在Niederaussem電廠投運的965MW超超臨界機組，其蒸汽參數(shù)為26.9MPa580600C。1998年和2001年丹麥分別投運了兩臺參數(shù)為29MPa582580580的400MW超超臨界機組，在海水冷卻的情況下，其熱效率達到47，從而成為迄今為止世界上報導的熱效率最高的火電機組。歐洲超超臨界技術的發(fā)展與日本類似，除丹麥兩臺超超臨界機組采用二次再熱外，歐洲其他超超臨界機組也都改為采用一次再熱。與日本不同的是主蒸汽壓力和溫度同時提高(305MPa580C600C)，其熱效率與29MPa、580C二次再熱機組基本相同。世界上超超臨

12、界機組技術發(fā)展趨勢表明，開發(fā)更高壓力及溫度參數(shù)的機組，以進步提高經(jīng)濟性，降低價格，獲得良好的價格性能比是超超臨界機組的發(fā)展方向，日本、美國及歐洲都在進行相應的研發(fā)工作。發(fā)展超超臨界技術首先是重點解決高溫高強度材料的開發(fā)，日本、美國及歐洲正在開發(fā)34.3MPa650以及40MPa700新鋼種系列，目的是使將來的燃煤火電機組熱效率能夠達到55。歐盟從1998年1月1日啟動了開發(fā)時間長達17年，目標為700級超超臨界先進蒸汽參數(shù)的開發(fā)項目“AD70計劃”(THERMIEPROGRAM)，具體目標一是使供電熱效率由目前的47提高到55(深海水冷卻)或52(內(nèi)陸電廠)；二是廠房結構更加緊湊，以降低燃煤電

13、廠的投資。歐盟“AD700計劃”的核心技術是新材料的開發(fā)和應用，通過使用鎳基超級合金，使汽輪機的蒸汽溫度由目前的600C620提高到700720。歐盟加快“AD700計劃”研發(fā)的原因有兩點：一是歐盟各成員國擁有的大量亞臨界機組到2010年運行壽命接近40年，采用700720超超臨界機組更換老機組，可明顯提高熱效率；二是歐盟各成員國已批準了聯(lián)合國氣候變化框架公約京都議定書，大量采用700720超超臨界機組替代老機組可以使C02的減排約30，滿足“京都議定書”的要求。其戰(zhàn)略意義是使歐盟成員國的燃煤火電機組的技術水平始終處于世界的領先水平，顯著提高歐盟成員國燃煤火電機組的競爭能力。2 我國超超臨界機

14、組的自主開發(fā)為了論證我國自主開發(fā)大型超超臨界機組的技術方案，國內(nèi)有關研究機構開展了超超臨界火電機組技術開發(fā)預可行性研究工作。研究人員收集了國外大量超超臨界火電機組技術研究的近期；資料，綜合分析國外各大公司在發(fā)展超超臨界技術過程中解決的設計研究技術關鍵，研究超超臨界火電機組當前技術水平和發(fā)展趨勢，對超超臨界火電機組研制的關鍵技術和我國發(fā)展超超臨界技術的基礎和條件進行了分析，提出關于我國發(fā)展超超臨界火電機組技術研究報告。研究報告認為：、世界上600蒸汽溫度等級的超超臨界技術已經(jīng)成熟，具有良好的節(jié)能和環(huán)保效果，可靠性已達到亞臨界機組水平，已成為經(jīng)濟發(fā)達國家火力發(fā)電的主要機型。、采用一次再熱的機組蒸汽

15、壓力一般為25MPa28MPa，供電熱效率達到43左右，由于設備造價增加幅度較少，相對經(jīng)濟性較好，近期日本和歐洲新建的超超臨界機組多采用這類機型；采用二次再熱的機組蒸汽壓力提高到3lMPa左右，供電熱效率達到45左右，但系統(tǒng)復雜，工程造價增加幅度較大，近期這類超超臨界機組建設較少。、單軸機組容量一般為600MW700MW和900MW1000MW，容量超過1200MW一般采用雙軸布置，但工程造價較高，新建機組很少。、世界發(fā)達國家目前正在研制開發(fā)更高參數(shù)的超超臨界機組，技術關鍵是開發(fā)650和700等級的高溫高強材料。、我國目前研制開發(fā)的超超臨界機組選用25MPa28MPa、600、一次再熱，容量為

16、600MW和1000MW比較適宜，其理由是技術繼承性強，前期研究基礎好，制造廠技術儲備充分，設計技術和制造裝備缺口不大。與亞臨界參數(shù)的火電機組相比，大型超超臨界火電機組自主化開發(fā)的技術難點和關鍵技術集中在高溫材料和鑄鍛件的技術、參數(shù)提高后主機設備部件強度研究、機組大型化后結構設計以及輔機設備技術配套等方面。(1)高溫材料和鑄鍛件。根據(jù)超臨界和超超臨界火電機組的不同蒸汽溫度，采用的合金鋼有低鉻耐熱鋼、912Cr鋼、改良型912Cr鐵素體-馬氏體鋼、新型奧氏體耐熱鋼。超超臨界機組材料的開發(fā)應著重研究高溫部件所用的912Cr鋼組織成分和性能變化規(guī)律，使材料的各種應用性能均達到國際標準的要求。實現(xiàn)汽輪

17、機轉子鍛件和汽缸鑄件、汽輪機高溫葉片、螺栓，鍋爐過熱器、再熱器用的各類912Cr鋼國產(chǎn)化，批量化，并且價格合理。同時開展650700等級的超超臨界機組材料的前期研究，在掌握材料成分和性能的基礎上，開展試驗性研制，為更高參數(shù)的超超臨界機組技術開發(fā)奠定基礎。(2)超超臨界鍋爐。鍋爐參數(shù)提高、容量增大后，為獲得良好的爐內(nèi)空氣動力場和穩(wěn)定的燃燒特性，著重要進行的開發(fā)研究是：鍋爐設計技術、大爐膛燃燒技術研究、鍋爐壓力管內(nèi)水動力與傳熱特性、過熱器與再熱器的熱力偏差、旁路啟動系統(tǒng)、主蒸汽溫度的調節(jié)手段、關鍵受壓部件的結構強度與制造工藝等。(3)超超臨界汽輪機。汽輪機參數(shù)提高、容量，增大后，為獲得高效率、高質

18、量的汽輪機，著重要進行的開發(fā)研究是：汽輪機結構關鍵部件的結構設計、高溫部件的冷卻、防汽流激振研究和軸系穩(wěn)定性研究、葉片抗固體顆粒的侵蝕與葉片噴涂技 術、汽輪發(fā)電機組轉子動力學特性等，超純凈低壓轉子制造等。(4)百萬千瓦級汽輪發(fā)電機。百萬級汽輪發(fā)電機的難點技術主要是機組大型化后產(chǎn)生的技術問題，包括額定電壓27kV發(fā)電機定子線棒制造和繞組電暈結構的研究、防止定子繞組端部松動和結構件發(fā)熱問題的研究、轉子護環(huán)與轉子本體的配合結構及槽楔材料和結構的分析研究、防止轉子繞組匝間短路的分析研究、通風冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計、發(fā)電機或電網(wǎng)發(fā)生兩相或三相短路故障時汽輪發(fā)電機軸系扭振問題的分析研究、絕緣材料國產(chǎn)化研究等。

19、(5)輔機設備。由于機組參數(shù)的提高，需要對凝汽器、高加低加、高壓給水泵、再循環(huán)泵、高溫高壓閥門國產(chǎn)化進行攻關。對超超臨界機組自動控制系統(tǒng)的設計和設備的配置進研制。(6)采用國際先進標準，推動大型超超臨界機組的設計和制造標準研究和制定。3 自主開發(fā)超超臨界技術的基礎條件國外超超臨界火電機組已是成熟的先進技術，為加速我國大型超超臨界火電機組的研制進度和實現(xiàn)批量生產(chǎn)，技術路線應采取國內(nèi)制造企業(yè)以我為主，與國外公司進行技術合作，充分利用國際上已有的先進的成熟技術，對引進技術進行驗證、消化吸收。然后在消化吸收基礎上開展自主化攻關，加強國內(nèi)技術攻關的力度，從高水平起步進行優(yōu)化、開發(fā)、創(chuàng)新，逐步提高國產(chǎn)化率

20、，保證機組先進性和可靠性。采用以我為主的合作方式，應用國外的先進成熟技術進行超超臨界機組設計制造，可以大大縮短超超臨界機組的研制周期，盡早形成批量生產(chǎn)能力，適應我國電力生產(chǎn)的市場需要。根據(jù)我國電力生產(chǎn)和裝備制造業(yè)的實際，超超臨界機組容量選定為600MW和1000MW二種機型，以適合國內(nèi)已有大電網(wǎng)容量能需求。蒸汽參數(shù)選定為25MPa27MPa，600/600，一次再熱，因為這種類型的超超臨界機組已是成熟技術，國內(nèi)發(fā)電設備制造業(yè)在技術和制造方面也具有良好的繼承性。我國火力發(fā)電設備制造業(yè)已建成以哈爾濱、上海和東方三大制造集團為主體，具有相當規(guī)模、水平和實力的技術開發(fā)與制造基地。80年代以來，通過30

21、0MW、600MW亞臨界火電機組技術引進和消化吸收，國產(chǎn)化和優(yōu)化，同時對相關制造業(yè)大規(guī)模的技術改造，目前已經(jīng)形成了自主設計、制造大型發(fā)電機組的生產(chǎn)能力，300MW、600MW亞臨界機組的產(chǎn)品水平和制造企業(yè)的裝備水平已接近世界先進水平?？傮w分析，我國發(fā)電設備制造業(yè)在超超臨界技術自主化開發(fā)具備充分的有利條件：(1)擁有一批制造工藝和裝備較先進的制造企業(yè)。為滿足我國電力工業(yè)的發(fā)展，國家對發(fā)電設備制造三大基地的建設投入了大量資金。80年代初引進大型亞臨界機組設計制造技術，至今共進行了三次大規(guī)模的技術改造，基本實現(xiàn)大型發(fā)電設備的生產(chǎn)設施和裝備水平進入國際先進水平的行列。三大基地的制造企業(yè)都建有大跨度重型

22、廠房并配有大噸位的起吊設備，以滿足大型發(fā)電設備制造需要。為保證產(chǎn)品質量，都有相應建造了汽輪機葉片加工、發(fā)電機線圈生產(chǎn)所需的潔凈廠房，以及產(chǎn)品測試和試驗需要的動平衡、超速試驗設備，總體技術裝備水平已達到國外同行業(yè)的先進水平。在鍋爐受壓部件制造工藝和裝備、汽輪機關鍵部件的加工工藝及裝備、汽輪機動葉片專業(yè)生產(chǎn)、汽輪發(fā)電機關鍵部件工藝及裝備、電站輔機的工藝裝備和配套能力等方面已具備制造大型超超臨界機組的基本條件。制造企業(yè)掌握并應用先進的計算機技術，配備了先進的計算機系統(tǒng)，建立了計算機中心。在引進國外先進的計算軟件的同時，積極自主開發(fā)需要的專業(yè)軟件，目前國內(nèi)三大發(fā)電設備制造集團都已開始制造超臨界參數(shù)的6

23、00MW機組，超臨界參數(shù)鍋爐、汽輪機中的許多性能和設計計算程序經(jīng)過一定完善都可以用于超超臨界機組的設計。制造企業(yè)建立了完整而嚴格的管理制度，認真推行質量保證體系，不斷完善和加強企業(yè)管理，建立完善管理制度和管理機構。各制造企業(yè)局均通過IS0900土質量體系認證。制造受壓容器的企業(yè)都獲得國家三類壓力容器設計、制造許可證，以及ASME頒發(fā)的制造鋼印和授權證書。(2)原材料及大型鑄鍛件具備生產(chǎn)基礎。隨著引進300MW、600MW亞臨界火電機組技術的消化吸收，冶金部門對生產(chǎn)發(fā)電設備用鋼(小口徑鍋爐管、大口徑鍋爐管、特厚鍋爐板、葉片鋼、螺栓鋼)的企業(yè)進行技術改造，使其具備了研制生產(chǎn)發(fā)電設備用鋼的主要品種的

24、能力。目前我國發(fā)電設備用鋼品種70可由國內(nèi)供應。發(fā)電設備用鋼生產(chǎn)廠正在改進和完善現(xiàn)有用鋼系列，開發(fā)新的性能更高的耐熱鋼，做好研制生產(chǎn)超超臨界機組用材的技術準備工作。我國大型鑄鍛件生產(chǎn)廠也引進了有關冶煉、澆注、鍛造、熱處理等先進工藝并配置相應的生產(chǎn)設備，掌握了真空脫氧法(VCD)等先進澆鑄技術，使國內(nèi)大鍛件生產(chǎn)水平上了一個新臺階，發(fā)電設備大型鑄鍛件基本實現(xiàn)由國內(nèi)供給。 (3)建立了一支經(jīng)驗豐富、素質較高的科研、設計和制造的隊伍。發(fā)電設備制造企業(yè)通過幾十年科研、開發(fā)、設計、生產(chǎn)的實踐積累了較豐富的經(jīng)驗，尤其通過引進技術、國外合作生產(chǎn)、出國考察、交流和國外培訓，培訓了一批具有專業(yè)知識、管理經(jīng)驗的專業(yè)技術人員，也提高和鍛煉了大批有知識有操作水平的熟練工人。(4)90年代中期以來國內(nèi)企業(yè)進一步加強了與國外公司