超50%效率的630℃等級燃煤機組關鍵技術研究

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，減少二氧化碳就必須減少燃煤機組大力發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前以及未來相當長時間內依然在電力能源領域占有重要份額，因此持續提升燃煤機組效率打造高效新動能具有重要現實意義[1]。

1 高效超超臨界機組發展概況

全世界燃煤機組的主流技術都是通過提高蒸汽參數來提高效率，不同國家發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自華能玉環電廠、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，機組參數達到25 MPa/600℃/620℃，2013年德國Karlsruhe 8號機組投運，機組參數達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用階段，其中2015年神華萬州項目機組功率達到1 050 MW，參數達到28 MPa/600℃/620℃，發電效率達到46.94%，是我國成功投運的首個高參數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則是二次再熱技術。二次再熱技術并非新技術，早在上個世紀中葉，二次再熱機組就已經開始商用。據不完全統計，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較低，效率收益不明顯。在我國發展二次再熱技術之前，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），蒸汽參數為28.5 MPa/580℃/580℃/580℃,鍋爐效率達到95.7%（天然氣鍋爐），機組循環效率達到48.2%（含天然氣膨脹機發電機5 MW）。當然隨著國外燃氣輪機技術、核電技術、新能源技術的發展、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，國外二次再熱技術的發展受到了局限，21世紀以來并未有新機組投運。

根據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二次再熱機組陸續投運，標志著我國全面掌握了二次再熱技術。這一批投運機組參數達到了新高，都達到了通過二次再熱技術提升機組超過1.5%的目標。國內成功投運的二次再熱燃煤機組見表1。

表1 國內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，得到了廣泛應用。

2 超50%發電效率技術路線的優選

在成功攻克620℃和二次再熱技術后，我國高參數機組總體研制水平和機組運行效率達到了世界領先水平。然而面對清潔能源的高速發展，燃煤機組提高效率減少排放的壓力持續增加，如何選擇下一步技術路線，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。

根據熱力學循環原理，繼續提高蒸汽參數，降低機組背壓是必然選擇，關鍵是在于蒸汽參數提高到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，國內還提出了優化機組布置，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對當前提升效率技術進行了簡單匯總。

表2 當前業內主要提效技術理念及其應用

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

我國首個630℃等級國家電力示范項目經競優比選，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。該機組是我國首次提出在非700℃等級燃煤機組中實現發電效率超過50%[7]。其主要技術路線包括：

（1）超超臨界二次再熱技術；

（2）提高機組蒸汽參數；

（3）冷端優化降低機組背壓；

（4）實施機爐耦合綜合余熱利用；

（5）增加回熱級數到12級；

（6）優化回熱系統為雙機回熱系統。

機組主要參數與指標如表3所示。

表3 630℃等級國家電力示范項目主要技術指標

3 630℃機組研制中需研究的關鍵技術

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的優化、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，因此應針對性開展相關研究課題。

3.1 熱力系統的優化研究

熱力系統是電廠系統設計的基礎，從熱源、冷端及過程3個方面實施優化是根據朗肯循環必然的技術路線。實際工程應用的熱力循環系統除去理論分析，實際還需要考慮設備安全可靠性、系統投資回報率、機組運行便捷性等多重因素。

3.1.1 常規熱力系統優化研究及收益

當前對超超臨界機組常規熱力系統研究方法已經相對成熟，基于常規熱力系統優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，隨著參數的升高，機組經濟性顯著提升。

3.1.2 雙機回熱系統的研究

隨著機組參數不斷提升，通過采用雙機回熱系統降低機組抽汽回熱過熱度、降低機組造價成本，實現機組能力階梯利用成為可能[8]。目前國內已經對雙機回熱系統進行了充分研究，提出了多種方案，典型方案有:

（1）小汽輪機定速運行，一側通過變速裝置驅動給水泵，一側驅動定速發電機；

（2）小汽輪機變速運行，一側直接驅動給水泵，一側驅動發電機通過變頻電機供電；

（3）小汽輪機僅變速驅動給水泵，不帶發電機。

在不同機組參數和系統下對雙機回熱系統收益變化進行研究，綜合評估。初步計算分析表明機組參數越高，雙機回熱系統收益越明顯，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 常規系統與某型雙機回熱系統熱耗對比曲線

3.2 鍋爐關鍵技術的研究

630℃項目鍋爐出口蒸汽參數將達到36.75 MPa/620℃/633℃/633℃，鍋爐需要開展的關鍵技術研究包括：鍋爐的總體方案設計研究、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，應充分尊重制造廠意見，選擇制造廠擅長研制的爐型，當然也應結合參數更高的特點，對鍋爐總體布置、爐內流場、工程造價進行對比優選[9]。

東方電氣研發的首個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、煙氣調節擋板調溫等技術，其中尾部三煙道煙氣擋板調節二次再熱氣溫的調溫方案最具特色。

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提升，選材和設計受到影響，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予以重點關注和開展研究。

根據國內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，開發耐630℃的管道和鍋爐用鋼是必須的。針對630℃高溫管道，行業推薦采用我國自主研發的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化批量生產的能力。相關單位對G115鋼的相關性能指標進行了測評，目前已納入團體標準（T/CISA 003-2017）。

作為我國自主研發的首個高溫無縫鋼管材料，其研發過程和產品性能一直備受關注。從產品試制到工業應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、產品穩定性都需要持續開展研究。

G115在工程應用中的大小管道焊接工藝研究、焊材研發、焊縫高溫性能研究也需要同步開展。此外，在電廠系統中大量閥門與G115管道連接，這些閥門材質各異，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用效果不僅僅影響機組安全性，還影響G115材料的推廣應用，對推動民族工業走自主創新之路也具有重要影響。

3.3 汽輪機關鍵技術研究

630℃等級汽輪機研究相比620℃等級汽輪機研究難度更大，必須解決汽輪機設計技術研究、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 汽輪機設計技術研究

我國汽輪機設計技術已相對較為成熟，已完全可以實現自主研發、設計，但是根據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目的研究；

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

（3）考慮耐高壓高溫下結構設計研究，包括主汽壓力提高后主汽調節閥門強度分析、閥桿動應力、密封結構研究；超高壓內、外缸的結構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構件應力分析研究。

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

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驗[10]，采用了超超臨界二次再熱、單軸、軸系雙支撐結構、反動式通流技術、五缸四排汽方案、雙筒形汽缸、自密封閥門、全周進汽、節流調節等技術，其中雙筒形汽缸結構、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特點。

3.3.2 汽輪機高溫材料及工藝研究

參數提升至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解決材料問題，當然鐵素體材料用到630℃已經是在挑戰其極限，相關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、高壓內缸、中壓缸所用的大型鑄件，高壓轉子、中壓轉子所用的大型轉子鍛件。

（1）大型高溫鑄件材料研究：在620℃等級，國內已普遍采用類CB2材料作為高溫內缸、閥門材料。當溫度進一步提升后，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。根據汽輪機設計慣例，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境下抗氧化和抗腐蝕試驗，工程應用時還應開展抗氧化或抗腐蝕的涂層技術研究。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℃等級的高溫轉子，可采用焊接轉子或整鍛轉子，但都需開發可耐630℃的高溫材料。就620℃等級高溫轉子的研發歷程來看，國外廠商開展的研究相對更為深入，國內轉子毛坯供應商技術沉淀較為薄弱，也不掌握其配方、冶煉、鍛造等核心工藝技術。聯合國外轉子毛坯鍛造廠家共同開展研究，部分或者全面參與轉子材料研究，共享知識產權是一種可行的辦法。對高溫轉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的部分機組中成熟應用，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 汽輪機運行技術研究

隨著機組參數不斷提升，大量研究表明雙機回熱系統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。我國已經逐步開展雙機回熱系統的工程應用研究，首個帶雙機回熱技術已經在甲湖灣一次再熱1 000 MW機組中應用，近期將投運。我國630℃等級二次再熱機組普遍采用雙機回熱系統（各項目可能設計方案有差異），因此帶雙機回熱系統機組的運行方式、和主汽輪機的聯動控制、運行過程中的動態特性都需要開展數值仿真研究和工程應用研究；雙機回熱系統各工況，尤其是特殊工況、事故工況對鍋爐乃至電廠系統的影響也需要開展研究。

3.5 機爐耦合技術研究

近年來，燃煤機組節能逐漸由單一汽輪機子系統、鍋爐子系統的系統優化節能發展至燃煤機組機爐耦合優化節能。機爐耦合是現在電站深度節能的主要手段，本質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、蒸汽過熱利用系統等。

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

4 結論

我國清潔燃煤技術提升之路從未停止，超50%效率的630℃等級燃煤機組關鍵技術研究是發展的必由之路，當前已經取得階段性成果，主要技術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績，因此需要扎實開展高溫材料、系統集成等眾多關鍵技術研究，突破技術瓶頸，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。