翟璇侯明軍袁永強張曉東

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

0 前言

為了控制溫室效應(yīng)，減少二氧化碳就必須減少燃煤機組大力發(fā)展清潔高效的新能源，這是毫無爭議的。但是我國自然資源稟賦決定了我國燃煤機組在當(dāng)前以及未來相當(dāng)長時間內(nèi)依然在電力能源領(lǐng)域占有重要份額，因此持續(xù)提升燃煤機組效率打造高效新動能具有重要現(xiàn)實意義[1]。

1 高效超超臨界機組發(fā)展概況

全世界燃煤機組的主流技術(shù)都是通過提高蒸汽參數(shù)來提高效率，不同國家發(fā)展的路線和過程可能略有差異。我國的超超臨界燃煤機組技術(shù)自華能玉環(huán)電廠、山東鄒縣電廠為代表的600℃等級投運，基本達到世界級水平。

2009年日本新磯子2號機組投運，機組參數(shù)達到25 MPa/600℃/620℃，2013年德國Karlsruhe 8號機組投運，機組參數(shù)達27.5 MPa/600℃/620℃[2]。“十二五”期間，以三大動力為代表自主研制的620℃等級1 000 MW超超臨界燃煤機組先后進入應(yīng)用階段，其中2015年神華萬州項目機組功率達到1 050 MW，參數(shù)達到28 MPa/600℃/620℃，發(fā)電效率達到46.94%，是我國成功投運的首個高參數(shù)超超臨界一次再熱機組[3]。

“十二五”期間，助力我國燃煤機組效率水平大幅提升的還有一項重要技術(shù)則是二次再熱技術(shù)。二次再熱技術(shù)并非新技術(shù)，早在上個世紀(jì)中葉，二次再熱機組就已經(jīng)開始商用。據(jù)不完全統(tǒng)計，世界上二次再熱機組已超過60臺，早期國外二次再熱機組普遍參數(shù)較低，效率收益不明顯。在我國發(fā)展二次再熱技術(shù)之前，二次再熱是丹麥的Nordjylland電廠3號機組和丹麥的Skaerbaek電廠3號機組是最為成功的二次再熱機組，其中后者功率460 MW（純凝工況），蒸汽參數(shù)為28.5 MPa/580℃/580℃/580℃,鍋爐效率達到95.7%（天然氣鍋爐），機組循環(huán)效率達到48.2%（含天然氣膨脹機發(fā)電機5 MW）。當(dāng)然隨著國外燃氣輪機技術(shù)、核電技術(shù)、新能源技術(shù)的發(fā)展、國際油價（天然氣）市場變化、國外電力市場趨于飽和等各種因素綜合影響，國外二次再熱技術(shù)的發(fā)展受到了局限，21世紀(jì)以來并未有新機組投運。

根據(jù)我國對燃煤機組清潔高效的需求，基于大量超超臨界（600℃等級）機組運行基礎(chǔ)上研制了主蒸汽31～32 MPa/600℃，再熱蒸汽溫度610～620℃等級的二次再熱大功率機組。2015年7月和華能安源電廠成功實現(xiàn)2臺機組雙投，成為我國第1個二次再熱機組，填補了我國二次再熱技術(shù)的空白[4]。隨后國電泰州2×1 000 MW二次再熱機組和華能萊蕪2×1 000 MW二次再熱機組陸續(xù)投運，標(biāo)志著我國全面掌握了二次再熱技術(shù)。這一批投運機組參數(shù)達到了新高，都達到了通過二次再熱技術(shù)提升機組超過1.5%的目標(biāo)。國內(nèi)成功投運的二次再熱燃煤機組見表1。

表1 國內(nèi)成功投運的二次再熱燃煤機組[5]

截止目前，我國超超臨界620℃等級二次再熱機組成功投運7臺，在建10余臺，得到了廣泛應(yīng)用。

2 超50%發(fā)電效率技術(shù)路線的優(yōu)選

在成功攻克620℃和二次再熱技術(shù)后，我國高參數(shù)機組總體研制水平和機組運行效率達到了世界領(lǐng)先水平。然而面對清潔能源的高速發(fā)展，燃煤機組提高效率減少排放的壓力持續(xù)增加，如何選擇下一步技術(shù)路線，燃煤機組效率究竟該提升到多少成為必須面對和研究的課題。

根據(jù)熱力學(xué)循環(huán)原理，繼續(xù)提高蒸汽參數(shù)，降低機組背壓是必然選擇，關(guān)鍵是在于蒸汽參數(shù)提高到630℃、650℃還是直接到700℃；海邊電廠、高緯度電廠降低背壓到4.0 kPa還是3.0 kPa。除此之外，國內(nèi)還提出了優(yōu)化機組布置，實施濕冷機組高低位布置或空冷機組全高位布置，減少蒸汽管道損失，將管道熱效率提升至99.5%。表2對當(dāng)前提升效率技術(shù)進行了簡單匯總。

表2 當(dāng)前業(yè)內(nèi)主要提效技術(shù)理念及其應(yīng)用

2016年5月24日，電力規(guī)劃總院受國家能源局委托，組織國內(nèi)電力企業(yè)、設(shè)備制造廠、部分設(shè)計院、相關(guān)金屬研究所、鑄鍛廠家等進行了充分論證，認為可以加快630℃等級機組關(guān)鍵技術(shù)的工程化研究。

我國首個630℃等級國家電力示范項目經(jīng)競優(yōu)比選，最終由中國大唐集團、東方電氣集團、山東電力工程咨詢院有限公司在2017年9月獲得示范權(quán)。該機組是我國首次提出在非700℃等級燃煤機組中實現(xiàn)發(fā)電效率超過50%[7]。其主要技術(shù)路線包括：

（1）超超臨界二次再熱技術(shù)；

（2）提高機組蒸汽參數(shù)；

（3）冷端優(yōu)化降低機組背壓；

（4）實施機爐耦合綜合余熱利用；

（5）增加回?zé)峒墧?shù)到12級；

（6）優(yōu)化回?zé)嵯到y(tǒng)為雙機回?zé)嵯到y(tǒng)。

機組主要參數(shù)與指標(biāo)如表3所示。

表3 630℃等級國家電力示范項目主要技術(shù)指標(biāo)

3 630℃機組研制中需研究的關(guān)鍵技術(shù)

630℃等級機組與620℃等級機組相比，其研制難點主要集中在熱力系統(tǒng)的優(yōu)化、鍋爐高溫材料研究、汽輪機高溫材料研究、機爐深度耦合等方面，因此應(yīng)針對性開展相關(guān)研究課題。

3.1 熱力系統(tǒng)的優(yōu)化研究

熱力系統(tǒng)是電廠系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，從熱源、冷端及過程3個方面實施優(yōu)化是根據(jù)朗肯循環(huán)必然的技術(shù)路線。實際工程應(yīng)用的熱力循環(huán)系統(tǒng)除去理論分析，實際還需要考慮設(shè)備安全可靠性、系統(tǒng)投資回報率、機組運行便捷性等多重因素。

3.1.1 常規(guī)熱力系統(tǒng)優(yōu)化研究及收益

當(dāng)前對超超臨界機組常規(guī)熱力系統(tǒng)研究方法已經(jīng)相對成熟，基于常規(guī)熱力系統(tǒng)優(yōu)化下汽輪機熱耗收益可見表4。

表4 不同超超臨界機組熱耗收益對比

可以看到，隨著參數(shù)的升高，機組經(jīng)濟性顯著提升。

3.1.2 雙機回?zé)嵯到y(tǒng)的研究

隨著機組參數(shù)不斷提升，通過采用雙機回?zé)嵯到y(tǒng)降低機組抽汽回?zé)徇^熱度、降低機組造價成本，實現(xiàn)機組能力階梯利用成為可能[8]。目前國內(nèi)已經(jīng)對雙機回?zé)嵯到y(tǒng)進行了充分研究，提出了多種方案，典型方案有:

（1）小汽輪機定速運行，一側(cè)通過變速裝置驅(qū)動給水泵，一側(cè)驅(qū)動定速發(fā)電機；

（2）小汽輪機變速運行，一側(cè)直接驅(qū)動給水泵，一側(cè)驅(qū)動發(fā)電機通過變頻電機供電；

（3）小汽輪機僅變速驅(qū)動給水泵，不帶發(fā)電機。

在不同機組參數(shù)和系統(tǒng)下對雙機回?zé)嵯到y(tǒng)收益變化進行研究，綜合評估。初步計算分析表明機組參數(shù)越高，雙機回?zé)嵯到y(tǒng)收益越明顯，在630℃等級中可降低機組熱耗25～30 kJ/kWh；并且機組在高負荷時收益較低負荷時收益也更明顯，如圖1所示。

圖1 常規(guī)系統(tǒng)與某型雙機回?zé)嵯到y(tǒng)熱耗對比曲線

3.2 鍋爐關(guān)鍵技術(shù)的研究

630℃項目鍋爐出口蒸汽參數(shù)將達到36.75 MPa/620℃/633℃/633℃，鍋爐需要開展的關(guān)鍵技術(shù)研究包括：鍋爐的總體方案設(shè)計研究、鍋爐高溫材料選型研究、制造工藝研究等。

3.2.1 鍋爐總體方案設(shè)計研究

大容量機組主流的鍋爐型式有塔式鍋爐和∏型鍋爐，無論一次再熱機組還是二次再熱機組，兩種爐型在工程中都得到了廣泛應(yīng)用。丹麥的Nordjylland電廠3號機組、Skaerbaek電廠3號機組、我國的華能萊蕪項目采用了塔式鍋爐，日本的川越電廠、我國的安源電廠、蚌埠電廠都則選用了∏型鍋爐。因此宏觀上講，兩種爐型在630℃項目中都是可以選擇的，應(yīng)充分尊重制造廠意見，選擇制造廠擅長研制的爐型，當(dāng)然也應(yīng)結(jié)合參數(shù)更高的特點，對鍋爐總體布置、爐內(nèi)流場、工程造價進行對比優(yōu)選[9]。

東方電氣研發(fā)的首個630℃鍋爐總體方案就充分借鑒了原有超超臨界鍋爐研制和運行經(jīng)驗，鍋爐采用直流、二次再熱、∏型布置、單爐膛、尾部三煙道、前后對沖燃燒、煙氣調(diào)節(jié)擋板調(diào)溫等技術(shù)，其中尾部三煙道煙氣擋板調(diào)節(jié)二次再熱氣溫的調(diào)溫方案最具特色。

3.2.2 爐高溫材料選型研究

630℃等級燃煤機組鍋爐由于蒸汽參數(shù)提升，選材和設(shè)計受到影響，因此對水冷壁、汽水分離器及儲水罐、受熱面、管道和集箱等部件選材應(yīng)予以重點關(guān)注和開展研究。

根據(jù)國內(nèi)620℃機組幾年來實際運行效果，可以初步判斷P92材料已難以滿足630℃等級機組要求，開發(fā)耐630℃的管道和鍋爐用鋼是必須的。針對630℃高溫管道，行業(yè)推薦采用我國自主研發(fā)的08Cr9W3Co3VBNCuBN（G115）馬氏體耐熱鋼，該材料從07年開始研制，目前已具備了全尺寸工業(yè)化批量生產(chǎn)的能力。相關(guān)單位對G115鋼的相關(guān)性能指標(biāo)進行了測評，目前已納入團體標(biāo)準(zhǔn)（T/CISA 003-2017）。

作為我國自主研發(fā)的首個高溫?zé)o縫鋼管材料，其研發(fā)過程和產(chǎn)品性能一直備受關(guān)注。從產(chǎn)品試制到工業(yè)應(yīng)用每一步研究都需要扎實推進，其持久蠕變性能、抗蒸汽腐蝕性能、產(chǎn)品穩(wěn)定性都需要持續(xù)開展研究。

G115在工程應(yīng)用中的大小管道焊接工藝研究、焊材研發(fā)、焊縫高溫性能研究也需要同步開展。此外，在電廠系統(tǒng)中大量閥門與G115管道連接，這些閥門材質(zhì)各異，與G115管道焊接難度也較大，更需要提前開展。

G115材料最終在工程中應(yīng)用效果不僅僅影響機組安全性，還影響G115材料的推廣應(yīng)用，對推動民族工業(yè)走自主創(chuàng)新之路也具有重要影響。

3.3 汽輪機關(guān)鍵技術(shù)研究

630℃等級汽輪機研究相比620℃等級汽輪機研究難度更大，必須解決汽輪機設(shè)計技術(shù)研究、汽輪機高溫材料研究、汽輪機制造工藝研究、汽輪機末級葉片研究。

3.3.1 汽輪機設(shè)計技術(shù)研究

我國汽輪機設(shè)計技術(shù)已相對較為成熟，已完全可以實現(xiàn)自主研發(fā)、設(shè)計，但是根據(jù)機組特點依然要開展必要的工作：

（1）機組總體方案研究：主要是考慮減少汽輪機管道損失等因素，開展汽輪機汽缸-閥門布置研究；考慮超低背壓下低壓排汽面積選擇、末級葉片選擇及排汽缸數(shù)目的研究；

（2）基于高參數(shù)下的通流技術(shù)研究，包括沖動式葉型和反動式葉型技術(shù)應(yīng)用研究[10]；動靜葉型線技術(shù)研究；動靜葉成型規(guī)律的研究等。

（3）考慮耐高壓高溫下結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，包括主汽壓力提高后主汽調(diào)節(jié)閥門強度分析、閥桿動應(yīng)力、密封結(jié)構(gòu)研究；超高壓內(nèi)、外缸的結(jié)構(gòu)形式研究及各運行工況下受力分析；基于共軛換熱下的再熱模塊結(jié)構(gòu)件應(yīng)力分析研究。

（4）機組軸系穩(wěn)定性研究，包括超低背壓導(dǎo)致機組軸系加長后的影響分析；更高參數(shù)下的軸系汽流激振風(fēng)險控制研究等。

東方電氣首個630℃汽輪機也是充分借鑒此前超超臨界二次再熱機組研制經(jīng)驗[10]，采用了超超臨界二次再熱、單軸、軸系雙支撐結(jié)構(gòu)、反動式通流技術(shù)、五缸四排汽方案、雙筒形汽缸、自密封閥門、全周進汽、節(jié)流調(diào)節(jié)等技術(shù)，其中雙筒形汽缸結(jié)構(gòu)、高壓缸單流方案和1 450 mm超長低壓末級葉片是機組獨有技術(shù)特點。

3.3.2 汽輪機高溫材料及工藝研究

參數(shù)提升至630℃，汽輪高溫材料采用鎳基材料價格昂貴，性價比不高，因此有必要研究在鐵素體耐熱鋼框架內(nèi)解決材料問題，當(dāng)然鐵素體材料用到630℃已經(jīng)是在挑戰(zhàn)其極限，相關(guān)研究就需要更為充分、深入。汽輪機高溫材料主要是高壓閥組殼體、中壓閥組殼體、高壓內(nèi)缸、中壓缸所用的大型鑄件，高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子所用的大型轉(zhuǎn)子鍛件。

（1）大型高溫鑄件材料研究：在620℃等級，國內(nèi)已普遍采用類CB2材料作為高溫內(nèi)缸、閥門材料。當(dāng)溫度進一步提升后，對CB2鑄鋼材料的長時持久、蠕變性能在工作溫度下性能略有降低。根據(jù)汽輪機設(shè)計慣例，其十萬小時持久斷裂性能大于80 MPa，其強度仍可滿足設(shè)計需求。但汽輪機高溫鑄件不僅需要考慮強度還需要考慮工作溫度下的氧化、腐蝕問題，因此需要開展高溫蒸汽環(huán)境下抗氧化和抗腐蝕試驗，工程應(yīng)用時還應(yīng)開展抗氧化或抗腐蝕的涂層技術(shù)研究。由于630℃下主、再熱蒸汽管道采用G115，汽輪機閥殼采用CB2鑄鋼，還需要開展異種材料焊接研究。

（2）大型高溫鍛件材料研究：對于630℃等級的高溫轉(zhuǎn)子，可采用焊接轉(zhuǎn)子或整鍛轉(zhuǎn)子，但都需開發(fā)可耐630℃的高溫材料。就620℃等級高溫轉(zhuǎn)子的研發(fā)歷程來看，國外廠商開展的研究相對更為深入，國內(nèi)轉(zhuǎn)子毛坯供應(yīng)商技術(shù)沉淀較為薄弱，也不掌握其配方、冶煉、鍛造等核心工藝技術(shù)。聯(lián)合國外轉(zhuǎn)子毛坯鍛造廠家共同開展研究，部分或者全面參與轉(zhuǎn)子材料研究，共享知識產(chǎn)權(quán)是一種可行的辦法。對高溫轉(zhuǎn)子材料研究也同樣需要開展全面的性能評價，包括室溫和高溫下的物理性能、斷裂韌性、高周疲勞、拉伸性能等的研究，以及高溫下的氧化試驗、蠕變持久試驗等研究。

（3）高溫葉片材料研究：就現(xiàn)在的材料研究成果，630℃等級高溫葉片材料主要采用鎳基高溫合金，該材料已在國外及國內(nèi)的部分機組中成熟應(yīng)用，但仍需對該材料開展室溫及高溫下的性能驗證性試驗研究及大型鎳基葉片的制造工藝研究。

3.4 汽輪機運行技術(shù)研究

隨著機組參數(shù)不斷提升，大量研究表明雙機回?zé)嵯到y(tǒng)可以降低抽汽過熱度，提高機組效率；降低高加造價，提升高加安全可靠性。我國已經(jīng)逐步開展雙機回?zé)嵯到y(tǒng)的工程應(yīng)用研究，首個帶雙機回?zé)峒夹g(shù)已經(jīng)在甲湖灣一次再熱1 000 MW機組中應(yīng)用，近期將投運。我國630℃等級二次再熱機組普遍采用雙機回?zé)嵯到y(tǒng)（各項目可能設(shè)計方案有差異），因此帶雙機回?zé)嵯到y(tǒng)機組的運行方式、和主汽輪機的聯(lián)動控制、運行過程中的動態(tài)特性都需要開展數(shù)值仿真研究和工程應(yīng)用研究；雙機回?zé)嵯到y(tǒng)各工況，尤其是特殊工況、事故工況對鍋爐乃至電廠系統(tǒng)的影響也需要開展研究。

3.5 機爐耦合技術(shù)研究

近年來，燃煤機組節(jié)能逐漸由單一汽輪機子系統(tǒng)、鍋爐子系統(tǒng)的系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能發(fā)展至燃煤機組機爐耦合優(yōu)化節(jié)能。機爐耦合是現(xiàn)在電站深度節(jié)能的主要手段，本質(zhì)上是機爐能量的耦合梯級利用，例如采用各類低溫省煤器系統(tǒng)、蒸汽過熱利用系統(tǒng)等。

該系統(tǒng)型式多種多樣，針對不同的機組，還需開展進一步的研究，包括系統(tǒng)分析模型的研究、機爐耦合系統(tǒng)能耗評估模型的研究，還需結(jié)合實際的系統(tǒng)，開展整個系統(tǒng)的分析等研究，以進一步提升節(jié)能效果。目前我國已經(jīng)投運的超超臨界機組機爐耦合余熱利用普遍可以實現(xiàn)機組熱耗降低60 kJ/kWh，部分項目可以實現(xiàn)熱耗降低90 kJ/kWh。

4 結(jié)論

我國清潔燃煤技術(shù)提升之路從未停止，超50%效率的630℃等級燃煤機組關(guān)鍵技術(shù)研究是發(fā)展的必由之路，當(dāng)前已經(jīng)取得階段性成果，主要技術(shù)路線和研究方向已較為清晰。但630℃燃煤機組在世界上尚未有成功研制和投運業(yè)績，因此需要扎實開展高溫材料、系統(tǒng)集成等眾多關(guān)鍵技術(shù)研究，突破技術(shù)瓶頸，爭取示范工程中予以實施，在“十四五”期間將我國燃煤機組效率進一步提升。