超超临界汽轮机的发展

汽轮机原理论文

超超临界汽轮机发展概述 -------

周烈 5902112043 能动121班

摘要:本文总结国内外超超临界汽轮机的发展历史及现状,表现出超超临界汽轮机工作状况方面的提升,影响着汽轮机经济效益的提高,体现出超超临界汽轮机火电机组在未来电力工业发展的重要性,并阐述发展超超临界汽轮机所面临的主要技术难题。表现出超超临界汽轮机是当今电力工业的发展趋势。

关键词:超超临界,火电机组,发展,技术问题

国外超超临界机组的发展:

在发电循环中 , 蒸汽参数是决定机组的热经济性的重要参数。同时 , 提高汽轮机的效率对提高机组热经济性起决定性的作用 , 约占其中 85%-90% 的份额。燃煤火电机组的热力系统是按朗肯循环进行的 , 提高蒸汽的初参数 ( 蒸汽压力和温度 ), 采用再热系 统和增加再热次数都能提高循环的热效率。在一定范围内 , 新蒸汽温度或再热蒸汽温度每提高 10 ℃ , 机组的热耗就可下降 0.25-0.3% 。如果增加再热次数 , 例如采用二次再热 , 在同样蒸汽参数下热耗可较采用一次再热下降。常规亚临界循环的典型参数为 16.7MPa/538/538 ℃ , 发电效率约为 38-39% 。当汽机进口蒸汽参数超过水临界状态点的参数 , 即压力为 22.115MPa,374.15 ℃ , 统称为超临界机组。在 70 - 80 年代 , 一般超临界循环典型的参数为 24.1MPa 、 538/538 ℃ , 或 24.1MPa 、 538/566 ℃ , 对应的发电为 41-42% 。超超临界参数实际上是在超临界参数的基础上向更高压力和温度提高的过程。

超临界机组的发展历史:

超超临界技术的发展至今已有 40 多年的历史 , 其间超超临界机组热力参数经历了高一低一高的演变过程。在超超临界技术的发展初期 , 蒸汽参数取得比较高 , 超过了当时的材料技术发展水平 , 致使超超临界机组的可用率和可靠性都较低 , 热力参数一度被降低到超临界水平。九十年代以来 , 由于环保及节约能源的需要 , 超超临界机组又进入 了新一轮的发展时期。世界上超超临界火电技术几十年的发展过程可划分为三个阶段 :

第一阶段 , 以美国 GE 和西屋公司为代表的超超临界参数发展起始阶段 (50-70 年 代 ) 。西屋公司于 1959 年首台制造的超超临界机组的容量为 310MW, 进汽压力为 345MPa, 进汽温度达到 649 ℃ , 该机组目前仍在运行。当时有 5 台投运的超超临界机 组温度达到 593 ℃ ,11 台机组为二次中间再热。由于机组可靠性的问题 , 在经历了初期超超临界参数后 , 从 60 年代后期开始至 70 年代 , 美国超临界机组大规模发展时期所采 用的参数均降低到常规超临界参数 : 压力 24.1MPa, 温度 538 ℃ /566 ℃。直至 80 年代 , 美国超临界机组的参数始终稳定在这个水平。这个时期 , 美国的超临界机组总数达到 170 余台。

第二阶段 , 从 80 年代起的超临界机组优化及新技术发展阶段。该阶段仍以美国 GE 、 西屋公司为中心。从 70 年代起 , 美国 GE 及西屋公司分别将超临界技术转让给

日本 (GE向东芝、日立 , 西屋向三菱 ) 和欧洲 , 超临界机组的市场从 80 年代起转移到了欧洲及日本。经过不断完善 , 美国常规超临界机组的可靠性问题得到解决 , 到 1985 年 , 美国超 临界机组的运行可靠性己达到亚临界相同的水平。从 80 年代起 ,GE 和西屋公司对己投运的 170 台机组进行了大规模的优化及改造。通过改造 , 形成了一批经过验证的新设计方法、新结构 , 大大提高了机组的经济性、可靠性、运行灵活性。与此同时 ,GE 及西屋 又将这些新的先进技术与日本日立、东芝、三菱联合进行了一系列超超临界机组的开发设计 , 使超超临界技术的发展进入了一个新的阶段。

第三阶段 ,90 年代新一轮超超临界参数的发展阶段。随着常规超临界技术的成熟 , 在环保及提高经济性目标的驱动下 , 从 90 年代开始 , 以日本 ( 三菱、东芝、日立〉、欧洲 ( 西门子、前 ABB 〉为中心 , 超超临界火电机组又进入了新一轮的发展阶段。在保证机组高可靠性、高可用率条件下采用更高的温度、更高的压力是目前发展阶段的主 要特点。

超超临界汽轮机组的重要性:

我国电力生产以煤电为主。采用先进技术提 高燃煤机组的效率,实现节能降耗,减少环境污染一直是我国电力工业发展的重要和紧迫任务。 超临界火电机组经过几十年的发展,已经是成熟的先进发电技术,在经济发达国家中广泛应用并得到了显著的节能和减少污染的效果,并且正进一步向超超临界技术方向发展。目前,国外超临界一次再热机组热效率一般可达40%以上,超超临界二次再热机组的热效率达到45%左右。超临界火电机组的可用率、可靠性和运行灵活性也都达到了亚临界机组的水平,由于其高效、节能和环保的明显优势,将成为我国21世纪很具竞争力的燃煤火电机组。 在超临界火电机组被国家列入研制计划的同时,发展超超临界火电机组技术也一直是国内技术界所关心的热点。国家电力公司权威人士曾经提出,我国现在开始发展国产超临界机组,已经 晚于发达国家30~ 40年,国外目前超超临界机组也已投入商业运行。我国有条件立足于较高的起点,把近期目标定在当前国际水平,在研制超临界机组的基础上,尽快跨入发展超超临界机组的阶段,充分利用国际最新的科技成果,缩短我国从超临界参数到超超临界参数的过渡,实现技术上的跨越。

我国超超临界机组的发展概况:

国外在发展先进的大型超超临界火电机组方面已经取得了很大的进展,技术日益成熟,并被广泛应用,取得了显著的节能和环保效益。近年来国内的三大动力集团在电站直流锅炉的方面的技术、经验、能力和技术装备水平等都有了很大的进步和发展。从我国国情出发,依靠三大动力集团,通过引进成熟技术,消化吸收再发展的模式,发展超超临界机组,有利于降低我国平均供电煤耗,有利于电网调峰的稳定性和经济性,有利于保持生态环境、提高环保水平,有利于实现技术跨越、创建国际一流的燃煤电厂。

哈尔滨锅炉厂近年来承担了国家863计划,针对“超超临界燃煤发电技术”、“超超临界发电机组技术选型研究”开展了超超临界燃煤锅炉选型的研究工作,在超超临界锅炉的制造方面也走在了国内这一行业的前列。国家重点工程华能玉环电厂4台1000MW 超超临界机组已顺利完成168h 试运正式投入商业运行;上海外高桥三厂、华电邹县电厂、国电泰州电厂1000MW 的超超临界机组一号机也已经顺利完成168h 试运正式投入商业运

行。全国投入运行的1000MW 超超临界机组已经超过十台,且运行稳定,带来了良好的社会经济效益。

上海锅炉厂有限公司在发展直流炉技术方面分为三个阶段:第一阶段是20世纪60~80年代的公司自行研究开发直流炉;第二阶段是20世纪80~90年代的引进国外先进技术;第三阶段是2000以后的自行开发设计并对外转让技术阶段。20世纪80年代末,上海锅炉厂与ABB-CE 公司合作制造石洞口二厂的2×600MW 超临界压力直流炉项目,这也是国内第一台超临界机组;1998年,开始承接与美国ALSTOM 合作制造的外高桥二期2×900MW 超临界锅炉项目。2003年后,上海锅炉厂正式引进了美国ALSOTM 公司600~1000MW 超临界和超超临界锅炉成套设计和制造技术。引进的技术的主要内容主要包括变压运行的螺旋管圈技术以及垂直管圈技术,蒸汽参数为压力25~36.5MPa ,温度为(538~654℃)/(538~600℃)。世界上只有ALSTOM 和三菱公司在800MW 以上机组采用垂直管圈技术。

东方电气集团制造的三大主机已经在华电国际邹县电厂四期工程得到了验证,邹县电厂是国内首批百万千瓦等级火电机组,现两台机均已投入商业运营。

国内目前在建或规划建设百万机组已经有几十台,在数量和质量上均达到了世界先进水平,也标志着我国电力工业又跨入了一个新的时期。

到2002年底, 国内汽轮机制造企业已有亚临界汽轮机的生产经验和投运业绩。同亚临界汽轮机的蒸汽参数16. 7MPa/ 538℃/ 538℃相比, 超超临界汽轮机的主蒸汽压力大幅度升高、主蒸汽温度明显升高, 并且再热蒸汽的压力和温度均有明显升高。

超超临界汽轮机在可靠性等方面面临的主要技术问题

(1) 随着蒸汽温度的升高, 超超临界汽轮机可靠性面临的主要技术问题是:

1材料力学性能和许用应力下降, 超超临界汽轮机承压部件和转动部件的强度降低, 需要开发和采用新材料, 采用蒸汽冷却技术。

2超超临界机组选用直流锅炉, 直流锅炉没有汽包, 不能进行排污, 给水中盐与锅炉过热器、再热器管子内表面剥离的氧化垢微型固体粒子进入汽轮机, 对汽轮机高压部分造成固体颗粒侵蚀, 对汽轮机低压部分易造成应力腐蚀和腐蚀疲劳。需要对调节级和再热第1级叶片开展固体颗粒侵蚀机理研究, 采取防固体颗粒侵蚀措施;末三级叶片需要采用耐腐蚀疲劳材料, 低压转子需要采用防应力腐蚀结构。

3超超临界汽轮机与高温有关的严重问题是工作应力下产生蠕变变形以及启停与负荷快速变化过程中过大的热应力产生热疲劳(低周疲劳) 。超超临界汽轮机的绝大部分高温部件工作温度是不均匀的和变化的, 厚截面部件如转子、汽缸、喷嘴室、阀壳等在启停过程与负荷快速变化过程中都承受很大的温度梯度, 由此而产生的热应力接近或超过材料的屈服极限, 严重影响这些部件的使用寿命。超超临界汽轮机参与调峰运行, 寿命问题更为突出。需要采用新材料和新结构, 开展寿命设计。

(2) 随着蒸汽压力的升高, 超超临界汽轮机可靠性面临的主要技术问题是:

1汽缸、喷嘴室、阀壳、导汽管等承压部件应力增大, 面临严峻的强度和寿命问题, 需要采用新材料和新结构, 开展强度和寿命设计。

2主蒸汽的密度高、比容小, 高压转子的偏心、间隙不对称等产生蒸汽力, 汽流激振容易引起轴系失稳, 需要开展汽流激振机理研究, 开发汽流激振设计分析软件。

3汽轮机各级间压差和轴封的压差也有增大, 隔板汽封、叶顶汽封、轴封等部件蒸汽泄漏量增大, 需要采用汽封新结构。

综上所述, 随着蒸汽参数的提高, 材料开发与工艺、固体颗粒侵蚀、强度问题、寿命问

题、汽流激振、结构可靠性设计、蒸汽冷却技术、通流部分优化等技术已经成为研制超超临界汽轮机的关键技术。上海发电设备成套设计研究所、制造企业和国内有关单位通过近几年的科研工作和技术积累, 对这些关键技术有一定的研究, 特别是对强度、寿命、汽流激振、材料开发、结构可靠性设计和通流部分优化等技术有深入研究, 为研制和生产超超临界汽轮机奠定了良好的基础。

结语

超超临界火电技术属于高新技术, 超超临界火电机组的研制和生产, 反映和代表一个国家工业化的水平。随着蒸汽参数的不断提高, 超超临界火电机组的热效率不断提高, 电厂污染物的排放进一步减少。随着科学技术的进步和材料技术的发展, 超超临界汽轮机的主蒸汽温度达到700℃即将成为现实,研发高效率、高可靠性超超临界火电机组现已成为国际上先进火电技术的发展趋势。我国电力工业应牢牢跟进国际发展技术,努力提升自我汽轮机研究及生产技术,提高火电机组的性能与效益。


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