国外超超临界机组及技术发展综述.doc

“十五”国家重点科技攻关计划项目课题名称：超超临界燃煤发电技术 （2002AA526010）子课题1：超超临界发电机组技术选型研究 （2002AA526011）编号：密级：国外超超临界机组及技术发展综述子课题1技术报告之 附件七中国电机工程学会2003年 5 月课 题 名 称： 超超临界燃煤发电技术子 课 题 名 称： 超超临界发电机组技术选型研究子 课 题 编 号： 2002AA526011 工 作 起 迄 日 期： 2002年8月2003年5月报 告 名 称： 国外超超临界机组及技术发展综述负 责 人：郑企仁主要工作人员：汤蕴琳 董卫国 舒惠芬报 告 编 写 人 ：董卫国审 核：郑企仁1概述世界范围内不断高速增长的电力需求，促使人们在寻求高效、清洁的发电技术方面作出更多的努力，包括原子能发电和各种可再生能源发电技术。但是化石燃料发电仍然提供了70以上的能源需求，因而，在满足新增容量的要求上，化石燃料发电仍将起到主要的作用，特别是燃煤发电。蒸汽动力装置的发展过程一直是沿着提高蒸汽参数和大容量化的方向前进的，提高蒸汽参数与单机容量是提高常规火电厂效率及降低单位造价最有效的途径。随着技术的进步，常规燃煤发电技术的蒸汽参数不断提高，发电效率得到了大幅度的改进，再结合各种先进的污染防治技术，使得常规的燃煤发电技术也进入了清洁发电的领域，配置了烟气净化装置的超临界燃煤发电技术已经被公认为一种清洁煤发电技术。随着蒸汽参数的进一步提高，进入了超超临界（USC）的参数范围，发电效率和环保性能进一步提高，成为了在清洁煤发电技术中，可与整体煤气化联合循环(1GCC)和增压流化床联合循环(PFBC)相媲美，并且更具现实可行性的清洁煤发电技术。因此，超超临界发电技术越来越得到各国电力工业界的重视，又进入了新一轮的发展时期，进一步发展的方向是在保持其可用率、可靠性、运行灵活性和机组寿命等的同时，进一步提高蒸汽参数，从而获得更高的效率和环保性能。国外在发展超临界和超超临界发电技术方面已经走过了近半个世纪的历程，积累了很多成功和失败的经验。我国虽然已经引进了一些超临界机组，在运行上有了一定经验，但是超临界和超超临界机组的设计和制造方面，我们还刚刚起步，国外超临界技术的发展经验值得我们学习和借鉴。2国外超超临界机组发展历程在蒸汽动力装置的发展过程中，超临界机组和超超临界机组是同时开发和交叉发展的。1957年在美国投运第一台125MW高参数机组就是超超临界机组，其蒸汽参数为31MPa，621/566/538。经过近半个世纪的研究、完善和发展，目前超临界和超超临界机组已经进入了成熟和商业化运行的阶段。世界超临界和超超临界发电技术的发展过程大致可以分成三个阶段：从上个世纪50年代开始，以美国为核心，当时的起点就是超超临界参数。由于电厂可靠性的问题（主要是材料问题），经历了初期超超临界参数后，从60年代后期开始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。直至80年代，美国超临界机组的参数始终稳定在这个水平。从上个世纪80年代初期开始，材料技术的发展，尤其是锅炉和汽轮机材料性能的大幅度改进，及对电厂水化学方面的认识的深入，解决了早期超临界机组所遇到的问题。美国对已投运的机组进行了大规模的优化及改造，可靠性和可用率指标已经达到甚至超过了相应的亚临界机组。通过改造实践，形成了新的结构和新的设计方法，大大提高了机组的经济性、可靠性、运行灵活性。同时,美国又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，联合进行了一系列新超临界电厂的开发设计。超临界机组的市场逐步转移到了欧洲及日本，涌现出了一批新的超临界机组。国际上超超临界机组的快速发展是从20世纪九十年代开始的，原因在于环保要求日益严格，同时新材料的开发成功和和常规超临界技术的成熟也为超超临界机组的发展提供了条件。以日本（三菱、东芝、日立）、欧洲（Siemens、Alstom）为主，进入了新一轮发展阶段。在保证机组高可靠性、高可用率的前提下采用更高的蒸汽温度和压力。这个阶段超超临界机组的发展有以下三方面的趋势：1）蒸汽压力取得并不太高，多为25MPa左右，而蒸汽温度取得相对较高，主要以日本的技术发展为代表。这种方案可以降低造价、简化结构、增加可靠性，通过提高温度的手段来提高机组热效率更为有效。国外已形成用于566C以下的CrMoV钢，566C的2.25%Cr钢 ，600C等级的9%Cr钢及12%Cr钢等标准材料系列。近期欧洲及日本生产的新机组，大多数机组的压力保持在25MPa左右，进汽温度均提高到了580C 600C左右。2）蒸汽压力和温度同时都取较高值（28-30MPa，600左右），从而获得更高的效率，主要以欧洲的技术发展为代表。部分机组在采用高温的同时，压力也提高到27MPa以上，压力的提高不仅关系到材料强度及结构设计，而且由于汽轮机排汽湿度的原因，压力提高到某一等级后,必须采用更高的再热温度或二次再热循环。近年来，除了丹麦两台二次再热机组外，提高压力的业绩主要来源于1998年以后西门子公司的产品。3）更大容量等级的超超临界机组的开发。决定机组容量的关键之一是低压缸的排汽能力，与进汽参数无直接关系。为尽量减少汽缸数，大容量机组的发展更注重大型低压缸的开发和应用。目前3000r/min大功率机组中已普遍采用高度为1000mm 1200mm，排汽面积在9m2 11m2左右的长叶片。日本几家公司和西门子，ALSTOM等在大功率机组中已开始使用末级钛合金长叶片。图1 表示了蒸汽参数和其它条件对机组效率的影响。据统计，目前全世界已投入运行的超临界及以上参数的发电机组大约有600多台。其中在美国有170多台，日本和欧洲各约60台，俄罗斯及原东欧国家280余台。目前发展超超临界技术领先的国家主要是日本、德国和丹麦等，世界范围内属于超超临界参数的机组大约有60余台。图1 蒸汽参数和其它条件对机组效率的影响21 美国 美国是世界上发展超临界火电机组最早的国家，早在上个世纪50年初就开始了超超界发电技术的探索和研究。目前美国超临界机组在数量上居世界第二位，并拥有9台世界上最大的超临界机组，单机容量为1300MW，见表1。表1 美国现役单机容量最大的1300MW火电机组电站锅炉制造商锅炉蒸发量(t/h)运行方式主汽压力(MPa)主/再汽温()投运时间Cumberland 1、2#B&W4535定压24.2539/5391972/1973Amos 3#B&W4433定压26.5543/5381974Gavin 1、2#B&W4433定压26.5543/5381974/1975Mountaineer 1#B&W4433定压26.5543/5381980.9Rockport 1、2#B&W4433定压26.5543/5381984/1989ZimmerB&W4433定压26.5543/5381990美国也是世界上发展超超临界火电机组最早的国家之一。美国俄亥俄州Philo电厂6号机于1957年投产，这是世界上第一台超超临界机组。容量为125MW，蒸汽压力为31MPa、蒸汽温度为621/566/566，二次中间再热。汽轮机由GE公司生产，锅炉由B&W公司制造。1959年，Eddystone电厂1号机投产，这是一台容量为325MW，蒸汽压力为34.3MPa，蒸汽温度为649/565/565的二次中间再热机组，热耗为8630kJkWh。当时该机组同时打破了火力发电机组最高出力、最高压力、最高温度和最高效率4项纪录，该机组由CE和WH公司设计制造。在设计参数下运行了8年后，因锅炉过热器高温腐蚀和汽轮机高压缸蠕变变形等材料问题，自1968年起将参数降为32.2MPa/610/560/560，至今还在运行，仍然是蒸汽压力和蒸汽温度最高的机组。由于超临界机组的效率比亚临界有明显提高，从60年代中期起，超临界机组在美国得到了快速发展，新建机组容量中有一半以上是超临界机组。最大单机容量达到了1300MW。但是早期的超临界机组事故偏多，可用率低及维修费用高。美国煤价较低，热效率提高对机组运行经济性改善效果不显著。加之当时超临界机组调峰能力较差，不能适应市场需要。80年代以后超临界机组订货减少。在80年代中期，EPRI对美国159台超临界机组进行了调查，显示超临界机组的效率平均比同容量的亚临界机组高3左右，经过初期的运行后，机组可用率和可靠性达到与汽包炉机组相当的水平。虽然超临界机组的发展有过一段时间的停顿，在八、九十年代，EPRI根据早期的设计和研究结果，在锅炉和汽轮机部件材料选择方面开展了进一步的工作，以使机组能适应越来越多的启停次数。随着运行技术的提高和数字化控制技术的发展，快速启停和调峰运行变得越来越普遍，有些机组的低负荷运行极限由50下降到了25，电厂对超临界机组的运行越来越适应了。为了提高机组可用率，美国以后发展的超临界机组的蒸汽参数多采用24.1MPa，主蒸汽温度538，一次再热汽温多为538，二次再热时用552/565，这种蒸汽参数一直保持了20余年。EPRI还对超超临界机组蒸汽参数和容量等进行了优化研究，认为超超临界机组采用蒸汽压力31MPa，温度566593，二次中间再热，容量700800MW为最佳，重新开发了蒸汽参数为31MPa/593/593/593的二次再热超超临界机组。但是由于美国更倾向于大力发展高效的燃气蒸汽联合循环，超超临界技术发展计划没有得到实施。美国采用二次中间再热的机组比较多，表2列举了一些采用二次中间再热的超临界机组。表2 美国一些采用二次中间再热的超临界机组电 厂电力公司蒸汽参数MPa/容量MWEddystone #1PECO34.3/649/565/565325Breed #1AEP24/565/565/565450Sporn #5AEP24/565/565/565450Eddystone #2PECO24/565/565/565325Tanners Creek #4AEP24/538/552/565580Muskingum River #5AEP24/538/552/565590Cardinal #1 and 2AEP24/538/552/565600Hudson #1PSEG24/538/552/565400Brayton Point #1NEP24/538/552/565600Hudson #2PSEG24/538/552/565600Big Sandy #2AEP24/538/552/565760Chalk Point #1 and 2PEPCO24/538/552/565355Haynes #5 and 6LADWP24/538/552/565330Mitchell #1 and 2AEP24/538/552/565760Amos #1 and 224/538/552/565760近期，GE公司为日本制造一台蒸汽温度超过593的1000MW等级机组和一台蒸汽参数为26.6MPa、577/600的750MW的机组，还设计了蒸汽参数25MPa、600/610的机组。美国目前正在进行新一代（760）的用于超超临界参数机组的锅炉材料研究计划，以开发温度和压力更高的机组。22俄罗斯(包括前苏联)七十多年以来，俄罗斯(前苏联)在热力发电技术的研究开发上独立于其它国家，走了一条自力更生的发展道路，其超临界机组的研制也主要立足于国内,有其自己的特点。 前苏联在40时年代末就建立了小容量超临界试验机组，取得一定的经验后便开始生产300MW机组。第一台300MW超临界机组于1963年投入运行，参数为23.5MPa/580/565。后经改进和完善，并将蒸汽温度降到540/540，使机组的可靠性得到提高，逐步形成了300MW、500MW、800MW、1200MW四个容量等级。俄罗斯生产的超临界机组的蒸汽参数大多为常规超临界参数，蒸汽压力一般为24MPa，蒸汽温度一般在545至565的范围内。第一台超临界500MW、800MW机组于1968年投入运行。列宁格勒金属工厂（LMZ）1978年生产了一台1200MW 的K-1200-23.5-2型超临界机组，1981年投入运行，参数为23.5MPa/540/540，已经运行二十多年，但仍是当前世界上火电厂最大的单轴汽轮发电机组，但是至今只生产了一台。前苏联本国内300MW及以上容量机组全部采用超临界参数，至今已有232台超临界机组投入运行，是超临界机组数目最多的国家，全国大约40%的电力由超临界机组提供。由于大量采用超临界机组，前苏联火电机组的平均供电煤耗位居世界水平的前列。俄罗斯还生产了近20台300MW、500MW和800MW的50周波机组供应给中国和古巴。俄罗斯的超临界机组在设计上采用了一些不寻常的，有别于其它国家的技术，在燃用低质高灰份煤、区域供热、汽轮机末级设计、给水加氧处理等等方面有其自己的特点。这些特点包括：1200MW汽轮机低压末级采用钛叶片；直接接触式给水加热器，以降低热耗；Baumann式的低压通流部分设计，降低末叶片的高度；带加热装置的高中压缸法兰，缩短启动时间；两侧布置的凝汽器，降低蒸汽流速，改善真空；超临界机组热电联产，提高能源利用率。据介绍，目前俄罗斯的列宁格勒金属工厂和莫斯科动力学院设计了新一代的高参数超临界机组，蒸汽参数为(3032)MPa/580600/580600，给水温度300，当凝汽器压力为(3.43.6)kPa时，预计电站效率可以达到44%46%。23日本日本资源缺乏，非常注重发电机组的效率。日本从六十年代中期开始发展超临界压力机组，其虽然起步较晚，但吸收了美国和欧洲的最新技术，发展快、收效大。到目前为止，已有60多台超临界以上参数的火电机组在日本运行。日本发展超临界机组主要采取引进、仿制、创新的技术路线。第一台超临界机组是日立公司从美国B&W公司引进的，机组容量为660MW，参数为24.12MPa/538/566，于1967年在姊崎电厂投运。日本其他公司也分别引进了美国和德国的超临界技术，同时建立了自己的试验台，很快由仿制过渡到应用自己的科研成果。两年后，仿制的同型机组就投入运行，1971年投运的600MW超临界机组则已经有效地利用了日本自己的技术。直到上个世纪90年代初期，日本生产的超临界机组蒸汽参数一般都限制在24.6MPa/538/566。日本在通过吸收美国技术，成功发展超临界技术的基础上，进一步开发超超临界机组。1989年6月日本投运了第一台采用超超临界参数的川越电厂1号机组，该机组容量为700MW机组，主蒸汽压力为31MPa，主蒸汽温度和再热蒸汽温度为566/566/566，机组热效率达到41.9。锅炉由三菱公司提供，汽轮机由东芝公司提供。第二台相同的机组于1990年6月投入运行。1993年以后，蒸汽温度逐步提高到接近600。蒸汽参数为24.1MPa，593/593的700MW超超临界机组已于1998年在七尾大田电站投运。25MPa，600/610的1050MW机组在三隅电站于2000年发电。目前，在日本蒸汽参数最高的机组是2000年在桔湾电厂投运的2台由石川岛播磨公司设计的，容量为1050MW、蒸汽参数为25.5MPa/600/610的超超临界机组。1993年以后投运的主要超超临界机组列于表3。表3 日本1993年以后投运的主要超超临界机组电厂电力公司容量MW蒸汽参数MPa/投运日期Hekinann 3Chubu70024.6/538/5931993-4Noshiro 2Tohoku60024.6/566/5931994-12Nanao-Ohta #1Hokuriku50024.6/566/5931995-3Reihoku #1Kyushu70024.1/566/5661995-7Haramachi #1Tohoku100025/566/5931997-7Maatsuura #2EPDC100024.6/593/5931997-7Misumi #1Chugoku100025/600/6001998-6Haramachi #2Tohoku100025/600/6001998-7Nanao-Ohta #2Hokuriku70024.6/593/5931998-7Hekinann 4Chubu100024.6/566/5932001-11Hekinann 5Chubu100024.6/566/5932002-11Tsuruga #2Hokuriku70024.6/593/5932000-10Tachibana-wanShikoku70024.6/566/5662000-7Karita #1(PFBC)Kyushu35024.6/566/5932000-7Reihoku #2Kyushu70024.6/593/5932003-7Tachibana-wan #1EPDC105025/600/6102000-7Tachibana-wan #2EPDC105025/600/6102001-7Isogo (新#1)EPDC60025.5/600/6102002-4Hitachinaka #1Tokyo1000245/600/602002Maizuni #1Kansai90024.1593/5932003Maizuni #2Kansai90024.1593/5932003从表中可以看出，新的超超临界机组大部分是大容量机组。有时候由于热应力的原因，限制了机组的变负荷运行。20世纪70年代以来，日本电网负荷峰谷差增大，加之带基本负荷的核电站的兴起，要求火电机组承担中间负荷，并能适应频繁快速起停的要求。日本各公司从欧洲引进了适合变压运行的螺旋管圈锅炉技术，使超临界机组不仅高效，而且具有与亚临界机组同样的运行灵活性，又由于采用了自动化的启停系统和汽轮机旁路，基本上解决了启动和变负荷运行的问题。自动化的启停系统同时监测锅炉和汽轮机关键部件的温度变化率，在保证没有额外寿命损失的条件下，获得最快的启动速度和最快的负荷变化速率。日本新建的火电站几乎都是变压运行机组，并以5001000MW燃煤变压运行超超临界机组为主体。目前，日本的超超临界机组以可靠性高、经济性好、技术发展快而跃居为发展超超临界机组的先进国家。图2 所示是日本超临界机组参数发展的情况及其代表性机组。图2 日本超临界机组参数发展的情况及其代表性机组日本的冶金技术处于世界领先地位，下一步的开发目标是采用奥氏体钢和镍基合金，将蒸汽初压提高到34.5MPa，初温提高到625640，24 欧洲在欧洲大约有60台超临界机组，大部分在德国、意大利、荷兰和丹麦。近期在欧洲投运的超超临界机组列于表4。表4 近期在欧洲投运的超超临界机组电 厂燃 料容 量蒸汽参数MPa/投运日期Skaerbaek #3气41129/582/580/5801997Nordjyllands #3煤41129/582/580/5801998Avedore油/煤53030/580/6002000Schopau A,B褐煤45028.5/545/5601995-6Schwarze Pumpe A,B褐煤80026.8/545/5601997-8Boxberg Q,R褐煤81826.8/545/5831999-2000Lippendorf R,S褐煤90026.8/554/5831999-2000Bexbach #2煤75025/575/5951999Niederausem K褐煤100026.5/576/5992002德国也是发展超临界技术最早的国家之一，早在上个世纪50年代和60年代就已经和美国同步地开展了超临界机组的研究工作。1956年投运了一台蒸汽参数为34MPa/610/570/570、容量为88MW的超超临界机组。1972年投运了一台430MW超临界机组（参数为24.5MPa/535/535），1979年投运了一台二次再热的475MW超临界机组（参数为25.5MPa/530/540/530）。德国开发了螺圈管式水冷壁的锅炉，实现了锅炉的滑压运行，这类锅炉目前在日本和欧洲的全滑压运行超临界机组中广泛采用。德国近年来很重视发展超临界机组，德国已投运和在建的超临界机组近20台，其中具有代表性的超临界机组是：1992年8月在Staudinger电厂投运的500MW机组（参数为25MPa/540/560）；1999年在Lippendorf电厂投运的933MW，蒸汽参数为26.7 MPa /554/593的超超临界机组；2000年在Niederaubem电厂投运的965MW，蒸汽参数为26.9 MPa /580/600的超超临界机组；在Hessler电厂投运的700MW，蒸汽参数为30MPa/580/600的超超临界机组。SIEMENS公司在19972001年期间制造了八套功率在750MW1000MW、蒸汽参数为25MPa580600的蒸汽轮机。在20世纪末设计的超超临界机组，容量在400 MW1000MW范围内，蒸汽参数为27.5MPa/ 589/600，机组净效率在45%以上。丹麦FLSmilj公司研究开发的前2台超超临界机组，容量为411MW，过热蒸汽出口压力为29MPa，二次中间再热、过热蒸汽和再热汽温为582/580/580，机组效率为47%，净效率达45%（采用海水冷却，汽轮机的背压为26kPa）。然后开发了参数为30.5MPa/582/600、容量为530MW的超超临界机组，该机组采用一次中间再热，机组设计效率为49%。从而成为迄今为止世界上报导的热效率最高的火电机组。欧洲正在执行Thermie700计划，即在未来的1520年内发展蒸汽温度高达700的超超临界机组，主要目标有两个：（1）使煤粉电厂净效率由47%提高到55%（采用低温海水冷却）或52%（对内陆地区和冷却塔）；与常规典型燃煤电站的效率35%比较,由于效率的提高将减少约30%的CO2。3国外超超临界机组发展计划 材料的发展水平决定了不同时期的火电站的运行参数。70年代能源危机的出现和电力市场竞争的加剧导致了80年代初开始的一系列发展超临界和超超临界发电技术的合作研究和发展计划。为进一步降低能耗和减少污染物排放，改善环境，在材料工业发展的支持下，超临界机组正朝着更高参数的超超临界的技术方向发展。目前超临界机组最大容量已达1300MW，最高效率达49，充分显示了超临界和超超临界技术的成熟性和推广前景。国外超超临界机组发展的近期目标为1000MW级机组，参数为31MPa,600/600/600,并正在向更高的水平发展。一些国家和制造厂商已经公布了发展下一代高效超临界机组的计划，蒸汽初温将提高到700，再热汽温达720，相应的压力将从目前的30MPa左右提高到3540MPa。根据英国贸工部对超临界蒸汽发电的预测，今后5年内，超临界机组蒸汽温度将达到620。到2020年，蒸汽温度将达到650700C，循环效率可达到5055。31 美国EPRI在19781980年间开展了一些基础研究，1986年起EPRI又实施了一个由美国、日本和欧洲的锅炉、汽机制造商参加的八年研究计划，其中的RP1403项目就材料研究进行了大量工作，其中包括厚壁管用钢、材料的标准化、现场试验等。最近美国能源部资助了一项所谓的Vision 21计划，将建立能够提供电力、液体燃料、化工产品、氢等多种产品的能源工厂，利用煤、天然气、焦油、垃圾等多种原料，最终实现零排放，而效率达到60（燃煤）和75%（天然气）以上。电站蒸汽参数达到760和38MPa，需要时达到870。研究中包括高温高应力下服役部件用材。2002年开始，美国能源部又开始了一个用于燃煤电厂超临界和超超临界机组的高温高强度合金材料研究项目。主要研究用于燃煤电厂超临界和超超临界机组的高温高强度合金材料，以增强美国锅炉制造业在国际市场中的竞争力。美国能源部通过它的一个国家实验室为这个五年的研究计划向Energy Industries of Ohio, Inc. 拨款1050万美元， Energy Industries of Ohio, Inc. 领导了一个联合体，包括美国四家主要锅炉制造厂、EPRI、俄亥俄煤炭开发办公室和Oak Ridge 国家实验室。这个联合体将提供另外的480万美元研究经费。国家能源技术实验室（NETL）将进行联合体和电力行业间的联络，并在环境和系统方面提供咨询。在五年的研究计划完成时，将能生产出一系列运行温度达到760的先进钢材制造的管道和部件。在必要时，该研究项目还可以包括开发能运行于871的高级合金材料的内容。美国能源部希望通过开发能经受更高温度的材料来提高电厂的效率到52%-55%。该研究项目的五个主要目标是：l 确定哪些材料影响了燃煤电厂的运行温度和效率；l 定义并实现能使锅炉运行于760的合金材料的生产、加工和镀层工艺；l 参与ASME的认证过程并积累数据为成为ASME规程批准的合金材料做好基础工作；l 确定影响运行温度为871的超超临界机组设计和运行的因素；l 与合金材料生产商、设备制造商和电力公司一起确定成本目标并提高合金材料和生产工艺的商业化程度。 2002年3月联合体开会确定了第一年的合作研究计划。 EPRI已将这一研究内容纳入到它的一个称之为“66 Future Coal Generation Options”的综合研究课题中（PS66B）。项目编号为P66.005 (052501)，项目名称为“超超临界燃煤电厂的设计和材料开发研究”。 美国能源部和俄亥俄煤炭开发办公室资助美国的锅炉制造商开发能适用于蒸汽参数为760C 和 34.6 MPa 的材料，在这种参数条件下，电厂效率高于50%（HHV）。在这个项目中，EPRI将提供项目管理，并深入探索新电厂设计中和材料有关的问题。作为新材料开发研究工作的一部分，将对新型锅炉和汽轮机的设计及其对电厂性能和造价的影响进行评价。EPRI已经在超超临界汽轮机和辅助设备的设计改进方面进行了研究，请参见EPRI 报告 1006844 2002 年3月，“超超临界汽轮机设计和材料”（本文集收录了该报告全文）。EPRI还计划开展一项类似锅炉材料开发项目的汽轮机转子材料研究项目。预计，采用新的锅炉和汽轮机材料的新的超超临界示范电厂将在2011年建成，到2017年这些材料和设计技术将能得到广泛应用。32日本日本电力（J-Power，原为EPDC）在日本通商产业省支持下，从政府得到50的补助金，与其它单位共同组织超超临界技术的开发。第一阶段目标是：第一步用铁素体钢达到593，第二步用奥氏体钢达到649。第二阶段目标是用新型铁素体钢达到630。日本三大设备制造公司对转子、汽缸、法兰、螺栓等主要部件进行了相应参数下的实物中间试验，50MW功率的中间实验机组已经投运。第一阶段（19811993）由EPDC负责和汽机、锅炉、钢铁生产企业和研究机构的参与，内容包括593和649下的汽机和锅炉单元试验和现场验证。第一阶段又分为两步，第一步的研究目标是应用9-12%Cr铁素体钢发展31.4MPa/593/593/593参数的两次再热超超临界机组，发电效率44.2(HHV)。第二步的研究目标是应用奥氏体钢发展34.3MPa/649/593/593参数的两次再热机组，发电效率44.9(HHV)。第二阶段（19942000）发展应用铁素体钢的30MPa/630/630一次再热机组，发电效率44.16。日本的情况是已经开发出许多性能优异的新型铁素体和奥氏体耐热钢，因此两个阶段的主要工作都是在电厂现场试验中考核这些既有耐热钢的使用性能和可靠性。与此同时，日本金属所（NRIM）从1997年起开始实施一项面向650级别机组所需的铁素体耐热钢的研发计划。这一计划的开发目标汇总在表5中。表5 日本超超临界技术开发目标现有系统开发目标（以1000MW机组为例）第一阶段第二阶段第一步第二步主要采用的材料铁素体钢铁素体钢奥氏体钢铁素体钢蒸汽压力MPa24.131.434.330.0蒸汽温度538/566593/593/593650/593/593630/630设计毛效率（HHV）42.144.044.944.16效率相对提高%基准5.06.54.8每年CO2排放减少量（106Nm3）基准12415811233 欧洲 331 COST 计划COST 501计划（1983-1997）的目标是建立29.4MPa/600/600和29.4MPa/600/620的机组，由于与日本和美国的设计思想的差别，锅炉和汽机应用了更强的材料，计划中包括高镍和含硼铁素体钢的开发、联箱及管接头整体粉末冶金制备等。COST 522计划始于1998年，到2003年结束，计划开发应用铁素体钢的蒸汽参数为29.4MPa/620/650的超超临界机组。332 欧共体的THERMIE 700计划1）主要内容及目标Thermie 700计划的目的是论证和准备发展具有先进蒸汽参数的未来的燃煤电厂型式，其中关键部件将采用镍基高温合金。Thermie 700计划的目标是使下一代超超临界机组的蒸汽参数达到37.5MPa/700/700，从而效率可达5255%，（海水冷却55，对内陆地区和冷却塔52），使CO2的排放降低15%，并降低燃煤电厂投资。Thermie 700计划的几个重点内容：l Ni基合金材料的研究，700时蠕变强度大于100MPa；l 700750的条件下进行新材料试验，包括强度、蠕变特性、脆性、抗氧化性能等；l 锅炉和汽轮机的设计，循环优化；l 经济分析和评价；l 进行400MW和1000MW两种机型的设计，参数为700/720/720。Thermie 700预期在2014年完成。能否实现上述目标取决于技术方面的发展。Thermie 700计划的核心是发展新材料，材料发展计划是Thermie 700能否成功的关键。材料问题解决后，厚壁管道将不再使用P91钢，而是使用持久强度及抗蠕变性能更好的新型耐高温超级合金。新型超级合金的使用，将使汽水循环受热面金属材料的最高温度由目前的600-620提高到700720。超级合金曾因应用在燃气轮机和核电方面而为人们所熟悉。它可用以解决厚壁部件、高温强度、高温腐蚀、蒸汽氧化和工程造价等方面的问题。对蒸汽电厂来说，超级合金的应用还是首次，因此它应用于蒸汽电厂有两个目标：(1 ) 在750时，蠕应力控制在100Nmm2内；(2 ) 最低的生产费用。同时，Thermie 700为了减少超级合金的使用，还确立了奥氏体钢和铁素体钢的发展计划。Thermie 700计划的战略意义是使欧洲火电厂的技术水平始终处于世界领先水平，所以又被欧洲称为先进的超超临界项目。如果该技术能够在火电厂应用，且目前所有欧洲的运行电厂均采用该技术的话，将使现有火电机组有害气体（包括CO2）排放的减少40。该计划的成功将显著增加欧洲电力设备供货商的市场竞争机会。2）组织形式及进度Thermie 700计划项目由工艺、汽轮机和锅炉3个承包商组成。锅炉又分成设计、燃烧和材料3个分包商。整个项目管理由项目承包商各出一名代表组成项目合作委员会，负责日常工作管理及各承包商、分包商的协调。THERMIE 700计划的工艺承包商为ELSAMPROJECT公司；项目协调人由ELSAMPROJECT公司人员担任；锅炉承包商为Babcock Kraftwerkstechnik公司；锅炉设计分包商为ABBEnertech公司；锅炉材料分包商为ELSAM公司；锅炉燃烧分包商为KEMA公司；汽机分包商为ALSTOM公司。Thermie 700计划的完成将分阶段进行。第1阶段包括材料发展工作、设备和部件设计研究工作。包括镍基超级合金在锅炉的使用，代替现有的铁素体合金材料；奥氏体合金材料及在项目中的应用、试验及认证。第1阶段的费用为2140万欧元，该费用已最终确认由欧盟及瑞士政府提供，其余部分由40家参与公司投资。第2阶段在2001年启动，内容包括关键元件的详细设计、示范试验和实体试验。第3阶段在2006年左右启动，将包括示范电厂的建设，并且在2010以后2年启动运行及示范电厂总结。示范电厂定名为AD 700 Emax。3）示范电厂计划AD 700 Emax计划的总进程为15-16年，分为四个阶段：第一阶段：概念设计；材料选择和试验。第二阶段：基础设计；材料进一步试验。第三阶段：全尺寸设备试验（包括合同、设计采购、建设、运行），估计到2011年。第四阶段：建设示范电厂，20072013年。到2001年10月，第一阶段已经进行的工作有： 优化热力系统参数； 选定燃料； 在几个制造厂的参与下锅炉和汽轮机的设计正在进行； 材料已经选定； 对选定的材料开始长时间的试验； 第一期报告已经提交给欧盟。第二阶段从2002年到2005年，主要工作有： 关键部件的设计和试验； 进一步研究如何采用更少的超合金材料； 试验设施的概念设计； 示范电厂的商务计划。4超超临界机组材料热强度高、抗高温烟气氧化腐蚀和高温汽水介质腐蚀、可焊性和工艺性良好、价格低廉的材料的开发是超超临界机组最关键的问题之一。美国、日本和欧洲在发展超临界机组之前都开展了各自的新材料研发计划，并在投入正式使用之前进行了大量的实验室和现场试验。图3 欧洲超超临界机组材料开发研究过程。在早期开发的超临界机组中，因为直接搬用航空、燃机材料，大量使用了奥氏体钢，投运后出现了部件损伤事故。如奥氏体钢过热器管高温腐蚀；焊接不良、热疲劳等原因引起爆管等损坏；奥氏体钢高压转子裂纹；过热器出口集箱、主蒸汽管和阀门出现裂纹等等。后来，经过美国、日本和欧洲各国的研究，开发了新型铁素体钢和改进的奥氏体耐热钢。国外已形成用于566以下的CrMoV钢，566的2.25Cr钢，600等级的912Cr钢等材料系列。图3是由西门子公司提供的表示了欧洲在材料开发研究的过程。 41 锅炉材料在超超临界锅炉中的关键部件有高压蒸汽管道和联箱、高温过热器/再热器管和水冷壁管，根据不同的蒸汽温度，目前锅炉采用的钢种有：1、低铬耐热钢。如SA213 T11（1.25Cr-0.5%Mo）；SA213， T22/P22（2.25Cr-1Mo）； 12Cr1MoV以及 912Cr的Cr-Mo与Cr-Mo-V钢。如EM12、X20、HT9、HCM9M、SA213 T9等，其允许主汽温为538566。2、改良型912Cr铁素体钢。包括9Cr-1Mo（SA335，T91/P91）、NF616、HCM12A、TB9、TB12等，一般用于566593的蒸汽温度范围。其允许主汽温为610，30MPa再热汽温625。3、新型奥氏体耐热钢。包括：18Cr-8Ni系，如SA213 TP304H、TP347H、TP347HFG、Super 304H、Tempaloy A-1等；20-25Cr系，如HR3C、NF709、Tempaloy A-3等。这些材料的使用壁温达650750，可用于汽温高达600的过热器与再热器管束，具有足够的蠕变断裂强度和很好的抗高温腐蚀性能。正是由于上述低铬耐热钢和改良型912Cr铁素体钢的研制成功，促进了超超临界机组的发展，并降低了锅炉的造价，在经济上具备竞争力。这些新型钢已在10余个欧洲电厂和30多个日本电厂得以应用，主蒸汽温度最高达610。表6为日本BHK公司超临界和超超临界锅炉选用的材料。表6 日本BHK公司超临界和超超临界锅炉选用的材料42 汽轮机材料从材料的角度，高温汽轮机最重要的部件是转子锻件、汽缸铸件、管道。它们对材料的要求体现在：高的蠕变断裂强度；抗脆化性能（金相稳定性）；氧化速度低且没有松散的氧化层；锻件和铸件易于加工，还包括易于焊接、管道弯制等。在不超过566的蒸汽温度下，以往汽轮机主要使用CrMoV低合金钢。但对于采用593以上蒸汽温度的超超临界汽轮机，则需要使用高温强度更好的材料。转子和叶片运行时在高温情况下承受持续的离心力，汽缸等静止部分作为高温高压蒸汽的容器也承受持续的高内压应力。因此，超超临界汽轮机材料首先要求在高温下具有很高的蠕变断裂强度。超超临界汽轮机如果要求具有调峰能力，则要适应频繁的启停。为防止汽轮机部件在启停时由于蒸汽温度变化而产生过大的热应力，要求所用材料线胀系数小，在高温下具有高屈服点及高低周疲劳强度。除此以外，从胀差、焊接性、脆性破坏强度等角度，还要求超超临界汽轮机材料在确保强度的同时，确保最低限度的延展性和韧性。关于超超临界汽轮机使用的材料，国外已经开发了改良型912Cr铁素体钢系列材料以及连接螺栓用镍基合金，并已成功地用于超超临界火电机组。421 转子材料自日本、美国在七十年代初开发了12%Cr钢的大型铸锻件以来。在蒸汽温度为566的700MW、1000MW超临界机组的中压转子、500600MW超临界机组的高中压一体化转子上开始大量使用12%Cr钢转子。常用的成分为1012%Cr、1%Mo、0.2%V，并已列入ASTM A768标准。为进一步提高12%Cr钢转子的强韧性和蠕变性能，GE公司开发了12%Cr-Mo-V-Nb钢、东芝公司开发了12%Cr-Mo-V-Ta-N钢，并获成功。12%Cr钢转子与低合金Cr-Mo-V钢转子相比，具有许多优点，如高温持久强度可提高30%60%，长期运行后的蠕变变形量以及寿命损耗为低合金Cr-Mo-V钢的1/21/3，韧性为Cr-Mo-V钢的1.31.5倍。在十万小时持久强度为98MPa应力所对应的温度，低合金Cr-Mo-V钢为566，12%Cr钢为582。经加Ta、N或Nb、N改良的12%Cr钢这一温度可提高到593以上。由于12%Cr钢的高温强度高、FATT低、K1C 高，其制造的转子安全系数是常规低合金Cr-Mo-V的1.31.5倍。现日本、欧洲已开发出超超临界机组使用（温度达610）的12%Cr（12%Cr-Mo-W-V-Nb-N或12%Cr-Mo-W-V-Nb-Co-B）钢转子材料。422 叶片材料 超超临界汽轮机组的调节级和高温段叶片大多采用强化的12%Cr钢或使用R-26和其它牌号的镍基高温合金材料。 超临界机组使用的中低压叶片、末级叶片与亚临界机组相同。一般采用强化的12%Cr系不锈钢、17-4PH沉淀硬化不锈钢和钛合金材料。强化的12%Cr系不锈钢因制造工艺简单、成本低廉而使用最广泛。423高温紧固件材料美国、日本、欧洲等制造的超超临界机组的高温螺栓一般使用R-26、Nimonic80A等高温合金以及12%Cr系耐热钢。但由于材料成本太高，高温合金材料未被广泛使用。424主蒸汽管材料 对使用温度在600左右的超超临界机组的主蒸汽管，需使用12%Cr系或9%Cr系耐热钢。美国、日本、欧洲等制造的超超临界机组的主蒸汽管一般使用9Cr-1Mo-V-Nb（即P91）钢或E911(Cr-Mo-W-V-Nb)钢，这类材料的组织稳定，具有优良的综合力学性能和焊接工艺性能。即P91钢或E911钢现已广泛应用于超临界锅炉过热器、再热器以及主蒸汽管、阀门锻件等高温部件。425 耐热铸钢件和模锻件材料 对于蒸汽温度为600或更高的超超临界机组高中压内缸、喷嘴室和阀壳等零部件，日本、美国、欧洲等国现大量使用12%Cr系和9%Cr系钢大型铸件或模锻件（主要为阀壳）。锻造壳体具有比铸造壳体更好的致密性和力学性能，具有很高的可靠性。表7为日本东芝公司超超临界汽轮机选用的材料。表7 日本东芝公司超超临界汽轮机选用的材料5主要制造厂商业绩和研究现状51 Alstom （原ABB）生产投运的超临界机组有40余台，包括提供给我国上海石洞口二厂的2台600MW机组，功率600MW的超临界机组有15台，其中：1300MW（24.2MPa538538、3600/3600rpm）双轴8台1300MW（25.4MPa538538、3000/15