002超超临界机组参数选择和技术选型04朱资料

2023/2/141超超临界机组主要参数选择与技术选型

TPRI2023/2/1421

前言2

蒸汽参数与结构选型研究的条件和范围3超超临界机组再热次数及主要蒸汽参数机组容量机组主要结构型式技术经济分析结论TPRI2023/2/143根据我国的能源资源状况和电力技术发展的水平，积极发展作为洁净煤发电技术之一的高效、节能、环保的超超临界火电机组是迫切的和必要的超超临界机组主要蒸汽参数与技术选型的研究是我国超超临界机组的发展中是关键的第一步TPRI2023/2/144

超临界点：22.115MPa，374.15℃

超超临界：商业性称谓，不具备明确的物理定义，仅表示技术参数或技术发展的一个阶段，表示更高的压力和温度，起始点定义不同日本：大于24.2MPa，或达到593℃丹麦：大于27.5MPa西门子：从材料的等级来区分我国电力百科全书：高于27MPa

建议起始点为27MPa或580℃

超超临界参数TPRI2023/2/145

超临界参数（22.115MPa，374.15℃）该点附近，水的液态和汽态密度趋于相同，蒸发热量也趋近于零TPRI2023/2/146火电机组参数发展历程低压——3.92MPa/450℃高压——9.9MPa/540℃超高压——13.7MPa/540℃亚临界——16.8MPa超临界——22.1MPa以上超超临界——27MPa或580℃以上TPRI2023/2/147TPRI2023/2/1482

蒸汽参数与结构选型研究的条件和范围基于国际上可采购到的成熟高温材料超超临界机组主要技术问题分析论证再热次数主要蒸汽参数——主蒸汽压力、温度、再热蒸汽温度机组容量——600MW或1000MW等级锅炉主要结构型式——炉型、燃烧方式、水冷壁型式汽轮机主要结构型式——汽缸数、排汽口数、末级叶片、单轴或双轴布置等TPRI2023/2/149影响因素效率材料（高温强度性能、烟气侧的腐蚀性能、汽水侧的氧化性能、制造加工、热处理、异种材料焊接等工艺性能）锅炉(炉型、燃烧方式、水冷壁型式)、汽轮机(汽缸数、汽轮机排汽口数、末级叶片长度、汽轮机布置型式（单轴或双轴）)安全可靠性（材料、蒸汽激振、固体颗粒冲蚀、疲劳寿命、末级湿度等）运输条件设计、制造问题、国外业绩、与国外合作问题技术经济问题TPRI2023/2/1410

TPRI2023/2/1411TPRI2023/2/1412TPRI2023/2/14131520253035主蒸汽压力MPa效率提高百分比%01234567566/566538/566593/593538/538566/593600/610主蒸汽压力每提高1MPa，机组的热耗率可下降0.13%～0.15%主蒸汽温度每提高10℃，机组的热耗率可下降0.25%～0.30%再热汽温度每提高10℃，机组的热耗率可下降0.15%～0.20%TPRI2023/2/1414

机组参数变化与机组效率关系TPRI2023/2/14153超超临界机组再热次数及主要蒸汽参数3.1再热次数、主要蒸汽参数与热效率提高蒸汽参数（蒸汽的初始压力和温度）增加再热次数——都是提高机组效率的有效方法TPRI2023/2/14163.2再热次数二次再热热耗率较一次再热下降1.4%～1.6%满足机组低压缸最终排汽湿度的要求机组更加复杂两个再热器增加一个超高压缸，机组长度增加近十年来新投运的超超临界机组没有采用二次再热TPRI2023/2/1417二次再热机组统计序号国家电厂制造商机/炉容量MW汽机参数设计效率%投运年份压力/温度MPa/℃/℃背压kPa1美国EDDYSTONE1WH/CE32534.4/649/566/5663.447

19582美国EDDYSTONE2WH/CE32534.4/649/566/5663.447

19603日本川越KAWAGOE1东芝/三菱70031/566/566/5665.0741.9219894日本川越KAWAGOE2东芝/三菱70031/566/566/5665.0741.9219905丹麦SKERBAEKSVAERKET3FLSMILJφBWE41228.4/580/580/580

20196丹麦NORDJYLLAND3FLSMILJφBWE41029/582/580/580

472019TPRI2023/2/1418技术经济性机组造价高10%—15%电站投资增加4%—6.8%现阶段我国采用一次再热是适宜的

采用二次再热存在大量需要解决的技术问题国外制造运行业绩少技术经济性较差TPRI2023/2/14193.3主蒸汽温度和再热蒸汽温度提高温度对提高机组热效率的效果显著温度提高

影响范围——过热器、再热器的末级及其出口联箱；主汽、再热汽管道；汽轮机高、中压缸、转子、叶片等强度——增加壁厚或更换新材料烟气腐蚀——与煤质有关，可通过增加壁厚适当补偿蒸汽侧氧化——无法通过增加壁厚解决TPRI2023/2/1420超超临界发电对材料的要求：

温度的选择取决于材料——蒸汽参数不能领先于材料的发展满足部件工作温度的需要具有高的持久强度、蠕变强度或抗松弛性能金相组织稳定，无常温脆性和长期时效脆性抗烟气腐蚀性能抗蒸汽氧化性能易于冷、热加工异钟钢焊接工艺能保证其应有的性能相对低的材料价格2023/2/1421TPRI2023/2/1422SCUSCTPRI2023/2/1423每吨管子的成本1,000英镑k£0.55k£0.9k£1.9k£2.5k£5.5k£30.k£50.0102030405060CMnSteelT222¼Cr1MoHCM2SP91316In625In617铁素体奥氏体镍基合金2023/2/1424不同钢种最小壁厚的比较593.3°C320barX2012CrMoVNbt=75mmP222¼Cr1Mot=123mmt=21.5mmNF12P919Cr1MoNbV200mmDia.t=45mmP92(NF616)t=34mmt=36mmP122HCM12A2023/2/1425TPRI2023/2/1426TPRI2023/2/1427TPRI2023/2/1428运行中组织的变化通过热处理获得材料良好的力学性能这样的材料组织是非平衡组织，始终存在向平衡组织转变的趋势一旦驱动力足够大，这种转变就会进行温度越高，驱动力越大，组织转变越容易组织的变化必然导致材料性能的变化——在高温长期服役过程中材料性能恶化研究各种强化机制增加材料在使用过程中向平衡组织转变的阻力延长向平衡组织转变的过程保证在设计寿命内材料具有足够的性能TPRI2023/2/1429P92设计许用应力的变迁从2019年开始，欧洲对ASME中P92的许用应力提出质疑，通过大量长期的试验先后两次对P92、E911的许用应力进行了下调日本2019年出现超超临界机组P122、P91管道事故后对其许用应力进行了调整欧洲P91许用应力比日本、美国低10%，目前正在进行重新评估TPRI2023/2/1430

ASME标准中的持久强度对比TPRI2023/2/1431许用应力新数据对比TPRI2023/2/1432许用应力的对比TPRI2023/2/1433P92设计许用应力的变迁2023/2/1434温度℃ASME案例ECCC2019ECCC2019560120.2120114.7570115110104.7580105.8100.794.759096.790.784.7600888275.361079.473.366.762070.964.75863062.956.75064055.149.343.365047.242.737.3P92设计许用应力的变迁TPRI2023/2/1435高温过热器、再热器材料的性能要求高温强度烟气侧的腐蚀性能蒸汽侧的氧化性能高温高压水蒸气高温腐蚀烟气外壁结焦与氧化层内壁氧化层TPRI2023/2/1436TPRI2023/2/1437一些耐热合金的烟气腐蚀性能

2023/2/1438铁素体钢的抗烟气腐蚀性能(烟气：1%SO2-5%O2-Bal.N2

灰：1.5MNaSO4-1.5MKSO4-1MFe2O3)

2023/2/1439不同Cr含量的耐热钢在50MPa的许用温度2023/2/1440TPRI不锈钢在蒸汽中的氧化2023/2/1441蒸汽侧氧化可能造成的问题承载壁厚减小氧化层的绝热作用氧化层的剥落导致弯头堵塞爆管氧化层的剥落导致汽轮机通流部分的冲蚀TPRI2023/2/1442TPRI2023/2/1443TPRI2023/2/1444TPRI2023/2/1445

高温过热器、再热器材料TP347HFG——TP347H晶粒细化到ASTM8级以上的细晶钢，提高了抗蒸汽氧化能力及蠕变强度，在欧洲得到了大量应用Super304——600℃-650℃的许用应力比TP347H高30%HR3C25Cr20NiNbN（TP310NbN）——抗烟气腐蚀和蒸汽氧化性能好2023/2/1446国外超超临界机组的温度参数达到和超过600℃/600℃，已有多年运行业绩国际上成熟材料可满足610℃蒸汽参数的要求，不存在无法解决的技术瓶颈充分考虑材料的高温强度，烟气腐蚀性能，汽水氧化性能，制造、加工、热处理、异种材料焊接等工艺性能，既考虑先进性，又考虑成熟性，取在600℃左右为宜TPRI2023/2/14473.4主蒸汽压力提高压力对提高热效率的效果没有提高温度的效果显著压力提高使汽轮机末级湿度增大——低压末级湿度不应超过12%

——在30MPa/600℃/600℃条件下，汽轮机末级的湿度已超出设计规范TPRI2023/2/1448压力提高所有承压部件受力增加压力对材料选择的影响较小，对材料消耗量的影响较大近十多年投运的超超临界机组中，主蒸汽压力>（30—31）MPa的机组台数仅三台,其中两台是二次再热机组TPRI2023/2/1449序号国家电厂容量MW汽机参数设计效率%投运年份压力/温度MPa/℃/℃背压kPa1美国PHILO612531/610/565/538

19572美国EDDYSTONE132534.4/649/566/5663.447

19583美国EDDYSTONE232534.4/649/566/5663.447

19604日本川越KAWAGOE170031/566/566/5665.0741.9219895日本川越KAWAGOE270031/566/566/5665.0741.9219906丹麦AVEDOERE241630/580/600

492019主蒸汽压力30MPa以上机组TPRI2023/2/1450鉴于技术难度、技术瓶颈及国外业绩和经验我国在开始发展超超临界机组的阶段，主蒸汽压力采用25MPa—28MPa是适宜的TPRI2023/2/1451机组主蒸汽压力和温度与热耗率的关系曲线效率增量梯度最大的方向TPRI2023/2/1452联箱材料100000h高温强度与温度的关系TPRI2023/2/1453主蒸汽联箱材料随主蒸汽压力、温度变化曲线TPRI*主蒸汽联箱内外径比D0/Di=1.8，孔桥减弱系数fv=0.82023/2/1454材料强度与主蒸汽压力、温度、热耗率的关系曲线沁北电厂邹县电厂玉环电厂沁北电厂邹县电厂玉环电厂TPRI2023/2/1455不同材料的优化蒸汽参数TPRI2023/2/1456单纯提高压力或单纯提高温度都是不可取的，应当沿着热耗率（效率）差值梯度最大的方向同时提高压力和温度热耗率（效率）差值梯度最大的方向偏于温度，提高温度的效果比提高压力要明显选定材料后，按等热耗线和等强度线的关系可以找到最低热耗率的点，将这些最低热耗率的点连接起来成为一条直线区，这条直线区对应着这族材料优化的蒸汽参数技术经济分析所确定的蒸汽压力位于图中优化蒸汽参数直线区中的右下方附近TPRI2023/2/1457各材料对应的优化蒸汽参数带的斜率有所差别在600℃温度条件下，铁素体材料对应的最佳压力为28MPa，奥氏体材料对应的最佳压力为25MPa采用600℃/600℃蒸汽温度时，25MPa蒸汽压力和28MPa蒸汽压力均落在优化蒸汽参数带附近，即选择25MPa/600℃/600℃方案或28MPa/600℃/600℃方案都是合理的，但它们在技术经济方面稍有差别TPRI2023/2/1458TPRI2023/2/1459

国外发展超超临界机组的业绩和经验日本超超临界机组采用25MPa左右的主蒸汽压力基本不变的技术路线徳国目前投运的>700MW的超超临界机组也未采用27.5MPa以上的主蒸汽压力25MPa压力方案和28MPa压力方案属于同一层次25MPa压力方案在技术可行性、设计制造模式、国外业绩及与国外合作、技术经济方面稍好而28MPa压力方案的热效率稍高，其技术经济性需要根据实际工程而定TPRI2023/2/14604机组容量大容量机组效率高单位千瓦投资省同容量电厂（如2×900MW与3×600MW）建筑占地少同容量电厂（如2×900MW与3×600MW）建设周期短电厂人员少维护费用低TPRI2023/2/1461

机组单机容量的上限：材料强度汽轮机末级排汽面积（叶片高度）汽轮发电机组（单轴）转子长度(汽缸数)加工制造设备及能力运输电网等TPRI2023/2/14624.1锅炉容量螺旋管圈单炉膛布置型式的最大单机容量为1050MW，可滑压运行的垂直管屏布置型式的最大单机容量为1000MW我国现有设计制造基础及技术，1000MW及以下容量的超超临界锅炉在技术都是可行的TPRI2023/2/14634.2汽轮机容量汽轮机大容量化需要很大的排汽面积增大末级叶片长度——排汽口面积增加——末级叶片长度受限于合金钢或钛合金的强度极限增加低压缸的数量——单轴汽轮机有业绩的汽缸总数最多五个，低压缸排汽口不超过六个——受限于轴系稳定性TPRI2023/2/1464

——我国现有设计制造基础及技术，单轴1000MW超超临界汽轮机是可行的TPRI2023/2/14654.3发电机容量国外具有运行业绩的最大容量发电机：西门子1100MW，三菱900MW，阿尔斯通930MW，东芝1000MW发电机大型化需考虑运输问题——整体式运输、分体式运输我国大容量发电机的发展，选择1000MW级容量是可行的TPRI2023/2/14664.4容量的综合比较我国现有设计制造基础及技术，1000MW和600MW级超超临界机机组是可行的1000MW超超临界机组方案具有效率高、单位千瓦投资省、人员少、维护费用低及同容量电厂建设周期短、用地少等综合优点600MW等级超超临界机组，可与1000MW容量机组形成系列TPRI2023/2/14675机组主要结构型式5.1锅炉结构型式(1)炉型与燃烧方式∏型布置//塔式布置//T型布置布置方式取决于锅炉厂家的传统技术燃用高灰分煤，从减轻受热面磨损方面考虑，采用塔式布置较为合适切园燃烧方式锅炉，从减小炉膛出口烟温偏差角度考虑，选用塔式布置型式较为合适锅炉整体布置型式的选择需要根据电厂燃煤条件、投资费用、运行可靠性及经济性等，进行全面地技术经济比较选定TPRI2023/2/1468П布置垂直管圈锅炉п-typeverticaltubecircleboilerTPRI2023/2/1469锅炉整体布置及工质流程П布置螺旋管圈锅炉п-typespiraltubecircleboiler2023/2/1470塔式布置螺旋管圈锅炉Tower-typespiraltubecircleboilerTPRI2023/2/1471TPRI2023/2/1472锅炉布置型式与燃烧方式应合理搭配1000MW级超超临界锅炉四角单切圆塔式布置墙式对冲塔式布置单炉膛双切圆∏型布置墙式对冲∏型布置600MW级超超临界锅炉还可采用四角单切圆∏型布置TPRI2023/2/1473垂直管圈水冷壁与螺旋管圈水冷壁TPRI2023/2/1474TPRI2023/2/1475（2）水冷壁型式螺旋管圈水冷壁应用最广泛——我国锅炉厂已掌握了制造工艺，技术成熟，是一种优选的方案三菱重工内螺纹垂直管屏水冷壁——已有运行业绩，在支吊、安装及运行等方面有较大的优越性，也是发展的方向，可以应用英巴低质量流速垂直内螺纹管水冷壁——低质量流速、正流量响应特性，即流量随热负荷自动增加的特性，有发展前途，在超临界锅炉上尚无业绩，可待技术成熟后再应用TPRI2023/2/14765.2汽轮机结构型式汽轮机大容量化需要很大的排汽面积增大末级叶片长度——受限于合金钢或钛合金的强度极限增加低压缸的数量——单轴汽轮机有业绩的汽缸总数最多五个，低压缸排汽口不超过六个——受限于轴系稳定性TPRI2023/2/14772023/2/1478(1)末级长叶片与排汽口数1000MW汽轮机推荐采用43″（1092.2mm）—48″（1219.2mm）末级叶片四排汽结构，其排汽损失在25kJ/kg~42kJ/kg的设计规范内600MW级汽轮机可采用~1000mm末级叶片四排汽结构或48″（1219.2mm）末级叶片两排汽结构TPRI图2-4低压缸实体图2023/2/1479用户:

电源开发

开始运行:2000年6月

机组:

双轴四排汽再热机组

CC4F-48”

出力:

1050MW

主蒸汽:25.1MPa600℃

再热蒸汽:610℃

转速:

3600rpm/1800rpm解决汽轮机大容量化的矛盾还可采用双轴方案橘湾#1电站1000MW超超临界机组TPRI2023/2/1480(2)单轴与双轴布置单轴布置双轴布置一台发电机、零部件较多、两台发电机、零部件较多热经济性取决于末级叶片高度热经济性取决于末级叶片高度机组较长机组较短轴系长，要精心组织轴系稳定性轴系简单启停机时要精心组织涨差问题启停机比单轴布置方便无可供选择的派生方案可供选择的派生方案较多（指低压轴可以全速，也可以半速……）汽轮机发电机组投资低机组投资高(比单轴布置高10%—23%)占地面积稍小，但与锅炉占地不易匹配占地面积稍大，与锅炉占地易匹配厂房投资？厂房投资？发电机需大型化发电机不需同步大型化总体技术难度较高总体技术难度较低机组设计条件较难机组设计条件较好要考虑大件运输的限制无大件运输的限制国外900MW以上单轴布置居少数国外900MW以上双轴布置居多数TPRI2023/2/1481近年来更长末级叶片的开发，单轴布置越来越成为新的发展趋势国外多家制造厂已经有1000MW级单轴布置机组投入运行在起步发展1000MW级大容量火力发电机组时，单轴布置是首先推荐的方案TPRI2023/2/14827技术经济分析7.1机组造价分析压力对材料选择的影响较小，而对材料消耗量的影响较大——压力提高后，所有承压部件的壁厚都要增加，投资随压力的增加而线性增加温度影响材料的选择——温度提高后，高温部件要使用价格较贵的材料，材料等级提高后承压部件的壁厚有可能减薄，引起的投资增加要具体分析600℃/600℃方案与580℃/600℃方案相比：锅炉投资増加1%～2%，汽轮机投资不变，电厂造价增加0.2%～0.4%28MPa方案与25MPa方案相比：锅炉投资増加5%～6%，汽轮机投资增加2%～3%，电厂造价增加3%～3.5%TPRI2023/2/1483

电厂单位千瓦投资机组类型静态投资(亿元)单位静态投资(元/kW)单位静态投资(%)国产亚临界45.75783813100国产超临界46.60443884101.9国产化超超临界47.30443942103.4TPRI2023/2/1484

静态总投资（万元）单位静态投资（元/kW）电厂实际投资7737144298扣除脱硫设施6959543866扣除脱硫设施和厂址因素6667943704

某超超临界电厂静态总投资和单位静态投资TPRI2023/2/1485不同类型机组的上网电价机组类型单位投资(元/kW)含税电价（元/MWh）-10%5000小时+10%国产亚临界2×600MW3372309294282国产常规超临界2×600MW3507305290277国产超超临界2×600MW3647309293280某电厂2×900MW超超临界

(扣除脱硫设施和厂址因素)3704301286273某电厂2×900MW超超临界

(扣除脱硫设施和厂址因素，部分辅机国产)3584297282269TPRI2023/2/1486经济性比较项目外高桥2×900MW超临界2×900MW超超临界蒸汽参数24.955MPa538/566℃25.0MPa580/600℃25.0MPa600/600℃28.0MPa580/600℃28.0MPa600/600℃汽轮机热耗率(kJ/KWh)7602预计7451.3预计7409.4预计7392.4预计7350.5发电效率(%)43.544.3844.6344.7344.99发电煤耗率(g/kWh)283277275275273年耗标准煤(吨)280×104274×104272×104272×104270.2×104年节约标准煤(吨)0~60000~80000~80000~98000注：年运行小时按5500小时计。TPRI2023/2/1487注:年运行5500小时；厂用电率5%

单位3×600MW亚临界3×600MW超临界2×900MW超超临界参数MPa/℃/℃16.7/538/53824.2/566/56625.0/600/600发电效率%42.0643.5944.61热耗率kJ/kWh779575227350发电煤耗率g/kWh292.0281.8275.3年耗标煤万t/a304.3293.7286.9年节约标煤万t/a—10.617.4年排放CO2万t/a728.2702.8686.5年减排CO2万t/a—25.441.7TPRI2023/2/1488序号机组类型机组类型特点发电煤耗g/kWh发电厂用电率%供电煤耗g/kWh11000MW级超超临界脱硫2845.23002600MW级超超临界常规2914.3304脱硫2915.53083600MW级超临界机组常规2954.5309脱硫2955.7313脱硫＋空冷（电泵）3068.5334脱硫＋空冷（汽泵）3126.03327.2技术经济对比机组主要指标

TPRI2023/2/1489序号机组类型THA工况热耗率kJ/kWh锅炉效率％厂用电率%(厂用电容量)备注1玉环1000MW超超临界机组731693.85(68MVA)

2营口600MW超超临界机组7427.593.7/

3沁北600MW超临界机组752293（贫煤）5.34不含脱硫4上安600MW超临界空冷机组7992//汽动泵5铜川600MW亚临界空冷机组8166/（63MVA）汽动泵新建机组主要性能设计值TPRI2023/2/1490技术经济问题具有动态性会随着时间及对环境保护方面压力的增加而变化必须进行全面地分析TPRI2023/2/1491

8结论(1)我国发展超超临界机组的技术参数一次再热蒸汽参数25MPa～28MPa/600℃/600℃发电效率44.63%～45.0%发电煤耗率275g/kWh～273g/kWh25MPa压力方案或28MPa压力方案属于同一层次25MPa压力方案在技术可行性、设计制造模式、国外业绩及与国外合作、技术经济方面稍好28MPa压力方案的热效率稍高，其技术经济性需要根据实际工程而定TPRI2023/2/1492(2)机组的容量1000MW及以下容量等级的超超临界机组方案在我国现有条件下是可行的蒸汽参数25MPa/600℃/600℃的1000MW超超临界机组发电效率～44.63%，发电煤耗率～275g/kWh蒸汽参数为28MPa/600℃/600℃的1000MW超超临界机组发电效率～45.0%，发电煤耗率～273g/kWh1000MW等级超超临界机组将成为反映我国电力工业技术水平的代表性机组TPRI2023/2/1493蒸汽参数25MPa/600℃/600℃的600MW超超临界机组发电效率～44.40%，发电煤耗率～276.4g/kWh蒸汽参数28MPa/600℃/600℃的600MW超超临界机组发电效率～44.76%，发电煤耗率～274.4g/kWh600MW等级超超临界机组将成为我国电力工业的主力机组TPRI2023/2/1494(3)机组主要结构型式锅炉型式1000MW级超超临界机组锅炉可采用四角单切圆塔式布置墙式对冲塔式布置单炉膛双切圆∏型布置墙式对冲∏型布置600MW级超超临界机组锅炉还可采用四角单切圆∏型布置水冷壁技术成熟的螺旋管圈水冷壁是优先考虑的方案内螺纹垂直水冷壁也是可供选择的方案低质量流速内螺纹垂直水冷壁，技术成熟后应用TPRI2023/2/1495（B）汽轮机型式推荐1000MW超超临界机组采用单轴布置1000MW级汽轮机推荐采用43″（1092.2mm）～48″（1219.2mm）末级叶片四排汽结构600MW级汽轮机可采用～1000mm末级叶片四排汽结构或48″（1219.2mm）末级叶片两排汽结构TPRI2023/2/1496

YuhuanPowerPlant1000MWUSCUnitTPRI以上方案已在华能玉环1000MW超超临界机组实施应用2023/2/1497TPRI电厂机号容量（MW）蒸汽参数（MPa/℃/℃/℃）投运日期制造厂（炉/机）末级叶片（吋/mm）玉环#1100026.25/600/6002019.11哈锅（三菱）/上汽（西门子）4F-45.3/1146邹县#7100025/600/6002019.12东锅（BHK）/东汽（日立）4F-43/1092泰州#1100025/600/6002019.12哈锅（三菱）/哈汽（东芝）4F-48/1219外三#8100027/600/6002019.03上锅（ALSTOM）/上汽（西门子）4F-45.3/1146