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超超临界汽轮机技术发展
42091022赵树男
1.超超临界汽轮机的参数特征
超临界汽轮机(supercriticalsteamturbine)有明确的物理意义。由工程热力学中水蒸汽性质图表知道:水的临界点参数为:临界压力pc=22.129MPa,临界温度tc=374.15℃,临界焓hc=2095.2kJ/kg,临界熵sc=4.4237kJ/(kg·K),临界比容vc=0.003147m3/kg。工程上,把主蒸汽压力p0<pc的汽轮机称为亚临界汽轮机,把p0>pc的汽轮机称为超临界汽轮机。
在国际上,超超临界汽轮机(UltraSupercriticalSteamTurbine)与超临界汽轮机的蒸汽参数划分尚未有统一看法。有些学者把蒸汽参数为超临界压力与蒸汽温度大于或等于593℃称为超超临界汽轮机,蒸汽温度593℃可以是主蒸汽温度,也可以是再热蒸汽温度;有些学者把主蒸汽压力大于27.5MPa且蒸汽温度大于580℃称为超超临界汽轮机。1979年日本电源开发公司(EPDC)提出超超临界蒸汽参数(UltraSupercriticalSteamCondition)的概念,简写为USC,也称为高效超临界或超级超临界。目前,超超临界汽轮机的提法已被工程界广泛接受和认可,在传统的超临界蒸汽参数24.2MPa/538℃/538℃的基础上,通过提高主蒸汽温度、再热蒸汽温度或主蒸汽压力改善热效率。国外提高超临界机组的蒸汽参数有两种途径:一种途径是日本企业的做法,通过把主蒸汽和再热蒸汽的温度提高到593℃或600℃,实现了供电热效率的提高,生产出超超临界汽轮机;另一种途径是欧洲一些企业的做法,把蒸汽参数提高到28MPa和580℃,也实现了供电热效率的提高,生产出超超临界汽轮机。
国外投运大功率超超临界汽轮机比较多的国家有日本和丹麦,生产大功率超超临界汽轮机台数比较多的企业有东芝、三菱、日立、阿尔斯通(德国MAN)和西门子。我国研制超超临界汽轮机,建议主蒸汽压力取为25MPa～28MPa,主蒸汽温度为580℃～600℃,再热蒸汽温度为600℃,机组功率为700MW～1000MW。
2.超超临界技术的发展
2.1日本超超临界技术开发
日本超超临界技术开发分为2个阶段实施完成。第一阶段超超临界技术开发从1981年开始,1994年结束。第一阶段的技术研究工作分为2步同时进行:第一步的蒸汽温度为593℃/593℃,第二步的蒸汽温度为649℃/593℃。第一阶段技术开发的目标是在传统超临界蒸汽参数(24.2MPa/538℃/538℃)的基础上,热效率再提高2.2%。主要技术研究工作有5项:eq\o\ac(○,1)初步试验(1981年)；eq\o\ac(○,2)锅炉元件试验(1982～1989年)；eq\o\ac(○,3)汽轮机转动试验(1983～1989年)；eq\o\ac(○,4)超高温汽轮机示范电厂试验(1983～1993年)；eq\o\ac(○,5)总体评价与分析(1994年)。1994年完成了第一阶段技术开发的总体评价与分析工作。
第二阶段超超临界技术开发从1995年开始,2001年结束。第二阶段蒸汽温度为630℃/630℃,第二阶段技术开发工作的重点是对9%Cr～12%Cr新型铁素体钢进行开发和验证。第二阶段技术开发的目标是在常规超临界蒸汽参数(24.2MPa/538℃/538℃)的基础上,热效率再提高4.8个百分点。第二阶段技术研究工作有4项:eq\o\ac(○,1)初步试验(1995年)；eq\o\ac(○,2)锅炉元件630℃试验(1996～2001年)；eq\o\ac(○,3)汽轮机转动630℃试验(1996～2000年)；eq\o\ac(○,4)总体评价和分析(2001年)。2001年完成第二阶段技术开发的总体评价与分析工作。日本超超临界技术开发的阶段研究工作的完成,为日本发电设备制造企业研制和生产超超临界火电机组提供了科学的依据。
2.2欧盟超超临界技术开发
欧洲国家从20世纪90年代开始实施COST501计划,继续开发9%Cr～12%Cr铁素体钢,实现蒸汽温度为580℃/600℃。欧洲13个国家有关的发电设备企业参与了COST501计划的研发。研究成果已在丹麦投运的SVS3、NVV3和AVV2等超超临界机组上应用。欧洲国家从1998年开始实施COST522计划,开发和验证新型铁素体钢和奥氏体钢。11%Cr钢的Co的含量增加到3%,B的含量增加到0.01%,以提高材料的蠕变强度和抗高温氧化性能。实现蒸汽温度为600℃/620℃,目标是开发与燃气轮机联合循环相比更有竞争力的超超临界火电机组。按照现有的技术水平,可以实现的主蒸汽和再热蒸汽的温度分别为600℃/620℃。欧盟从19