PDF《超超临界燃煤发电技术的研究》

中国? 海南 中国科协

2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会

2004 年学术年会论文集

1 超超临界燃煤发电技术的研究 张晓鲁 ( 中国电力投资集团公司,北京

100053 ) RESEARCH ON ULTRA-SUPERCRITICAL PRESSURE COAL-FIRED POWER GENERATION TECHNOLOGY ZHANG Xiao-lu (China Power Investment Corporation,Beijing 100053,China) ABSTRACT: The ultra-supercritical pressure coal-fired power generation technology (USCT) is a mature, advanced and efficient power generation technology in the world.

From the viewpoint of Chinese power industry development, this paper analyzes the necessity and feasibility of ultra-supercritical units in China, and introduces the qualification of ultra-supercritical units abroad. Based on the above, the technical course of ultra-supercritical units'

development in China is expatiated and the prospect of USCT application is analyzed. KEY WORDS: Ultra-supercritical pressure coal-fired power generation;

Clean coal power-generation technology;

Necessity, Feasibility 摘要:超超临界燃煤发电技术是目前世界上成熟、先进、高 效的发电技术. 本文从国家电力发展的角度出发, 分析了我 国发展超超临界机组的必要性, 介绍了国外超超临界机组的 技术指标, 在此基础上阐述了我国发展超超临界机组的技术 路线,并对超超临界发电技术的应用前景做了展望. 关键词:超超临界燃煤发电;

洁净煤发电技术;

必要性;

可 行性

1 我国发展超超临界机组的必要性 按照国家制订的

2020 年电力发展规划, 我国 发电装机容量将从目前的

4 亿千瓦增加到

2020 年9亿千瓦,其中燃煤机组将达到 5.8 亿千瓦.

2003 年,全国二氧化硫排放总量达到

2100 多万吨,其中燃煤电厂二氧化硫排放约占全国排 放总量的 46%.我国酸雨 pH 值小于 5.6 的城市 面积占全国的 70.6%. 随着燃煤装机总量的增加, 我国将面临严峻的经济与资源、环境与发展的挑 战.提高燃煤机组的效率、减少总用煤量、降低 污染物排放是当前我国火电结构调整,实现可持 续发展的重要任务. 目前我国电力工业装机中高效、清洁的火电 机组比例偏低,结构性矛盾突出.2002 年,火电 机组中

30 万千瓦及以上机组占 41.7%,20 万千 瓦以下机组占 42.5%,超临界机组只占 2.38%. 洁净煤发电、核电、大型超(超)临界机组、大 型燃气轮机技术开发、设备生产刚刚起步.全国 火电平均供电煤耗 383g/kWh, 比世界先进水平高 出60g/kWh.因此迫切需要在近期研制出新一代 燃煤发电设备来装备电力工业. 新一代发电设备应具备可靠、大型、高效、 清洁、投资低等性能;

能够替代现有的 300MW 和600MW 亚临界机组,成为装备电力工业的主 流机型;

同时国内设备制造企业经过努力后能够 具备生产能力,能够形成规模生产和市场竞争局 面. 分析国际上燃煤发电技术的发展趋势, 将采 用两种技术路线来提高效率和降低排放.其一是 利用煤化工中已经成熟的煤气化技术,集成蒸汽 燃气联合循环技术实现高效清洁发电,其代表技 术为 IGCC.此技术提高能效的前景很好,但因 系统相对复杂而造成投资偏高的问题需要解决. 目前正在烟台电厂建设一台

300 或400MW 等级 的IGCC 示范机组, 为今后的发展作好技术储备. 另一个发展方向是通过提高常规发电机组的蒸汽 参数来提高效率, 即超临界机组和超超临界机组. 超超临界机组在发达国家已经实现了大容量、大 批量生产.通过努力我国可以较快实现国产化能 力,降低设备成本. 如果我国 600MW 等级的燃煤机组采用超超 临界技术, 供电煤耗 278g/kWh, 比同容量亚临界 机组的煤耗减少

30 克/kWh, 按年运行

5500 小时

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2004 年学术年会论文集 中国? 海南 计算,一台 600MW 超超临界机组可比同容量亚 临界机组节约标煤

6 万吨/年,同时 SO

2、氮氧化 物、粉尘等污染物以及 CO2 排放将大大减少.采 用超超临界燃煤发电技术对于节约资源消耗、保 护环境、实现可持续发展具有重要意义.

2 国外超超临界机组的技术指标 超超临界机组蒸汽参数愈高,热效率也随之 提高.热力循环分析表明,在超超临界机组参数 范围的条件下,主蒸汽压力提高 1MPa,机组的 热耗率就可下降 0.13%~0.15%;

主蒸汽温度每提 高10℃,机组的热耗率就可下降 0.25~0.30%;

再热蒸汽温度每提高 10℃, 机组的热耗率就可下 降0.15%~0.20%. 在一定的范围内, 如果采用二 次再热,则其热耗率可较采用一次再热的机组下 降1.4%~1.6%. 亚临界机组的典型参数为 16.7MPa/538℃ /538℃,其发电效率约为 38%.超临界机组的主 蒸汽压力通常为 24MPa 左右, 主蒸汽和再热蒸汽 温度为 538~560℃;

超临界机组的典型参数为 24.1MPa/538℃/538℃,对应的发电效率约为

41 %.超超临界机组的主蒸汽压力为 25~31MPa, 主蒸汽和再热蒸汽温度为 580~610℃. 超临界机组的热效率比亚临界机组的高 2%~3%左右,而超超临界机组的热效率比超临 界机组的高 4%左右. 目前, 美国投运的超临界机组大约为

170 台, 其中燃煤机组占 70%以上.前苏联 300MW 及以 上容量机组全部采用超临界参数. 至1988 年已有 近200 台超临界机组投入运行,全国 35%电力由 超临界机组供给. 日本的超临界机组共有

100 多台,总容量为 超过

5760 万千瓦,占火电机组容量的 61%,45 万千瓦及以上的机组全部采用超临界参数,而且 在提高参数方面做了很多工作,最高压力为 31MPa,最高温度已达到 600/600°C. 丹麦史密斯公司研究开发的前

2 台超超临界 机组,容量为 400MW,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%,机组净效率达 45%(采用海水冷却,汽轮机的背压为 26kPa) ;

后开发了参数为 30.5MPa,582/600℃、容量为 400MW 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%. 德国西门子公司

20 世纪末设计的超超临界 机组,容量在 400~1000MW 范围内,蒸汽参数 为27.5MPa, 589/600℃, 机组净效率在 45%以上. 欧洲正在执行 先进煤粉电厂(700℃) 的 计划,即在未来的

15 年内开发出蒸汽温度高达 700℃的超超临界机组,主要目标有两个: 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) ;

降低燃 煤电厂的投资价格.美国和日本也将蒸汽温度为 700℃的超超临界机组作为进一步的发展目标. 可见,国际上超超临界机组的参数已经达到 27~32Mpa 左右,蒸汽温度为 566~600℃,热效 率可以达到 42~45%.国外机组的可靠性数据, 表明了超超临界机组可以同样实现高的可靠性. 我国石洞口二厂两台

60 万千瓦超临界机组的可 用率就高达 90%以上,高于其它一些同容量亚临 界机组.从环保措施看,国外的超超临界机组都 加装了锅炉尾部烟气脱硫、 脱硝和高效除尘装置, 可以实现较低的排放,满足严格的排放标准.例 如日本的超超临界机组的排放指标可以达到 SO2

70 mg/Nm3 ;

NOx

30 mg/Nm3 ;

粉尘

5 mg/Nm3 . 可见, 超超临界燃煤机组甚至可以与燃用天然气、 石油等机组一样实现清洁的发电. 与其余几种洁净煤发电技术相比,超超临界 机组技术具有继承性好, 容易实现大型化的特点, 在机组的可靠性、可用率、热机动性、机组寿命 等方面已经可以和亚临界机组媲美,已经有了较 多的商业运行经验.

3 我国发展超超临界机组的技术路线

2000 年开始, 原国家电力公司启动了超超临 界发电技术可行性的研究工作.

2002 年该研究获 得国家科技部支持,列入 十五

863 研究计划. 该项目由国内制造企业、电力公司以及科研院所 等19 个单位组成的课题组, 围绕我国开展超超临 界机组的应用技术问题开展专题研究,分为

5 个 子课题,其中子课题一为 超超临界机组的技术 选型研究 ;

子课题二为 超超临界锅炉关键技术 研究 ;

子课题三为 超超临界汽轮机关键技术研 究 ;

子课题四为 大型燃煤电站烟气净化技术研 究 ;

子课题五为 超超临界机组电站设计与运行 技术研究 .

2003 年11 月7日,子课题一通过国家科技 中国? 海南 中国科协

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3 部组织的专家验收.该子课题全面、深入地调研 了国外超超临界燃煤机组的现状和技术发展趋 势,并根据我国的具体国情,全面分析了超超临 界机组用钢的现状,在选用国际成熟的耐热钢材 的前提下,分析研究了有关超超临界参数、机组 容量、机组的结构型式、热力系统、重要辅机配 套、机炉参数匹配及机组运行性能等问题.明确 提出了我国近期发展超超临界机组的有关技术选 型结论,提出了烟气净化技术的选型建议.研究 结论既考虑了国际上超超临界机组发展的先进成 熟水平,又充分考虑了我国当前设计和制造企业 通过与国外合作迅速实现本地化的可能性. 在此研究过程中,在通过国际市场采购已商 业化的耐热金属材料的条件下,用科学抽象的典 型化、层次化方法,从技术可行性、设计制造模 式、业绩和与国外合作、经济性分析四个重要方 面分析,抓住本质,对繁多因素进行归类、分层 处理,得到如下技术选型论证的结论:

1、我国发展超超临界机组的技术参数 蒸汽参数 25MPa/600℃/600℃(发电效率约 44.63%,发电煤耗率 275g/kWh) ;

同时,不排除 蒸汽参数28MPa/600 ℃ /600 ℃ ( 发电效率约44.99%,发电煤耗率 273g/kWh)的可能,提高 压力后,其热效率提高约 0.4 个百分点,其技术 经济性根据实际工程而定.

2、我国发展超超临界机组的参数等级 ⑴ 推荐 1000MW 容量等级机组方案和 600MW 容量等级机组采用超超临界参数方案, 其中 600MW 容量等级超超临界机组应做为我国 电网中的主力机组.经研究分析,为保证机组的 技术经济合理性,超超临界机组的单机容量应在 350MW 以上,超临界机组的单机容量应在 300MW 以上. ⑵ 1000MW 级超超临界机组推荐采用单轴 布置.对常规背压(4.9kPa)条件,1000MW 级 汽轮机可采用 43~48″(1092.2~1219.2mm)末 级叶片四缸四排汽结构,其排汽损失在设计规范 内;

600MW 级汽轮机采用~1000mm 末级叶片四 缸四排汽结构是合适的, 同时可采用 48″末级长 叶片的两排汽结构. 大型超临界煤粉锅炉的整体布置主要采用∏ 型布置和塔式布置.锅炉水冷壁型式中的螺旋管 圈和垂直管屏二种型式均有运行业绩,均是可行 的,但在数量上以前者为多. ⑶ 采用二次再热可使机组的热效率提高 1%~2%,但也造成了调温方式、受热面布置、 结构等的复杂性,成本明显提高.因此,推荐 一次再热. 总的来看,这种技术选型方案具有创新性和 世界先进水平.我国超超临界机组的推荐参数 25MPa/600℃/600℃是日本目前所采用的方案, 压 力比欧洲低,温度比欧洲高;

目前世界上还没有 该参数的 1000MW 单轴超超临界机组. 这个方案 适合我国经济和电力发展需要. 28MPa/600℃/600℃参数超超临界机组方案 的技术水平略高于 25MPa/600℃/600℃参数方 案,但仍属同一等级的.这个方案采用的压力比 目前日本高、温度比目前欧洲高,该参数与 1000MW 级容量的组合方案具有世界先进水平. 按照上述技术路线,哈尔滨、上海、东方等 三大动力设备厂与日立、三菱、东芝、西门子、 阿尔斯通等公司进行了技术引进工作. 子课题

二、三的研究针对已确定的机组选型 参数,以制造企业为中心开展锅炉、汽轮机、发 电机和重要辅机的研究工作.哈尔滨锅炉厂负责 组织三家锅炉厂、研究单位,重点研究水冷壁水 动力工况和奥氏体钢的加工和焊接工艺,提出超 超临界锅炉的方案和设计软件.东方汽轮机厂负 责组织三家汽轮机厂、研究单位重点研究高温、 高压部件动叶材料、汽轮机总体结构及可靠性、 高温材料冷、热加工工艺和末级长叶片技术,提 出超超临界汽轮机的方案和设计软件.子课题四 由国家电站燃烧技术中心正在研究大机组的脱硝 技术,为今后自主发展烟气脱硝技术作好准备. 子课题五由华能国际电力公司正组织西安热工院 和华东电力设计院研究超超临界运行和设计技 术.这些技术将为建设国产超超临界机组提供具 体的方案.

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