700 ℃先進超超臨界機組概念設計方案研究

羅建松，葉勇健

（中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063）

2021年4月，我國提出爭取在“2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和”的“雙碳”目標，實現“雙碳”目標的前提條件是要控制能源消費總量及增長率，而控制能源消費總量主要途徑就是大幅度提高能源效率，實現能源低碳化發展[1-3]。從源端提高能源效率、構建清潔低碳及安全高效能源體系，是未來煤炭從主體能源向基礎能源轉變的關鍵環節[4]。基于熱力學郎肯循環，進口蒸汽參數越高，熱力循環效率越高，是促進超超臨界燃煤發電技術高效化的主要舉措[5-6]。節能提效減排綜合升級技術，成為先進發電技術的研究重點[7]。未來10年如700 ℃超超臨界發電技術等先進發電技術實現重大突破，可大幅提高當前燃煤發電機組的發電效率[8]，實現煤炭的清潔高效利用，從源端提高能源效率，可有效降低煤耗，減少SO2、NOx、重金屬等污染物排放，對減少二氧化碳的排放，具有十分重要的戰略意義[9-10]。

目前，先進燃煤發電機組的最高凈效率為47.6%，預計700 ℃超超臨界發電技術可將機組的凈效率提高至50%以上[11]。20世紀90年代末期，歐盟、美國和日本已開展了700 ℃超超臨界發電技術的研發[12-13]，擬將燃煤發電機組的主蒸汽參數提高到35 MPa/700 ℃或更高[14-15]。我國也正在開展30～37 MPa/700 ℃以上先進超超臨界燃煤發機組的研究。

本文的研究假定設計煤種為神華煤、廠址位于北方沿海、冷卻方式采用直流循環等外部條件，主要闡述自主設計的700 ℃超超臨界機組方案，對所涉及的蒸汽初參數、機組容量、再熱次數、主機選型方案、熱力系統擬定、主要輔機選型和主廠房布置方案等進行全面介紹，以期為700 ℃超超臨界機組的工程化提供參考。

1 初參數選擇

提高超超臨界機組效率的主要手段之一是在保證機組高可靠性、高可用率的前提下采用更高的蒸汽溫度和壓力。主蒸汽溫度和壓力的高低還影響到低壓排汽的狀況、設備的制造成本等因素[16]。

1.1 蒸汽溫度

耐高溫合金材料的開發是700 ℃超超臨界發電技術發展的關鍵，傳統的鐵素體耐熱鋼和奧氏體鋼已不能滿足700 ℃超超臨界機組的要求，鎳基高溫合金與鎳鐵基高溫合金因其優異的高溫性能被認為是700 ℃超超臨界機組的候選材料。目前，國外相關機構針對耐高溫材料已開展大量研究工作，并開發了以CCA617及其改進型、Inconel740H、Haynes282、Sanicro25、HR6W等為代表的耐高溫材料。同時，我國也已開展了大量的研究工作，并開發了GH984G、HT700、SP2215及G115等一系列耐高溫候選材料[17-19]。

考慮到鎳基合金開發及應用的狀況，選取700 ℃的主蒸汽溫度是一個較為穩妥的起步參數，對大部分鎳基合金，該溫度有較大的安全裕度。所以建議概念設計方案的主蒸汽溫度為700 ℃，而再熱蒸汽系統的壓力較低，可以考慮再熱蒸汽溫度較主蒸汽溫度高出20 ℃，建議概念設計方案的再熱蒸汽溫度為720 ℃。

1.2 蒸汽壓力

主蒸汽壓力也是決定汽輪機、鍋爐和整個機組裝置的關鍵參數，提高主蒸汽壓力是提高機組容量、提高熱效率的有效手段。從材料強度的承受能力來說，蒸汽的壓力不是主要因素，但壓力的增加會使鍋爐、汽輪機部件的厚度增加，帶來成本的上升；其次設備高溫區的壁厚越厚，在相同的溫升率或升負荷率下，熱應力也越大。為限制熱應力，保證機組的正常運行與壽命消耗，只有降低機組變負荷速率，這會影響機組運行靈活性。因此，蒸汽壓力與蒸汽溫度的選取應當匹配，才能取得最佳的效率。

考慮高壓對汽輪機高壓缸及進口閥門的制造難度和對末級葉片排汽濕度的影響，推薦主蒸汽壓力為35 MPa，該壓力可與我國高效超超臨界600 ℃溫度等級產品中所發展的二次再熱、30～35 MPa壓力模塊技術相銜接，降低開發的風險。

2 機組容量選擇

超超臨界機組有一個合理的最小單機容量，由于超超臨界蒸汽密度很高，若單機容量偏小，則汽輪機高壓部分通流部分的尺寸很小，這會增加汽封泄漏和二次流的損失，可能會減少甚至抵消因蒸汽參數提高帶來的收益。隨著汽輪機設計技術的進步，采用增加高壓缸葉片級數的措施，可部分抵消通流下降對汽輪機缸效的不利影響。因此，合理的最小單機容量呈現不斷降低的趨勢。600 ℃等級的超超臨界機組合理的最小單機容量通常約為300～400 MW，700 ℃超超臨界機組汽輪機高壓缸進口蒸汽密度是600 ℃等級的0.84倍，蒸汽流量約是后者的90%，因此，對于700 ℃超超臨界機組最小單機容量應限制為350～450 MW。

對蒸汽溫度在700 ℃以上的先進超超臨界汽輪機高中壓轉子，9～12Cr鐵素體耐熱鋼的高溫性能已經不能滿足使用要求，需使用性能更好的鎳基合金材料。由于10 t以上的鎳基合金鑄鍛件制造難度大，成本高，700 ℃超超臨界汽輪機的高中壓缸的汽缸和轉子均要采用焊接結構，鎳基合金與12Cr鋼焊接是700 ℃高溫轉子、汽缸制造過程中面臨的最大挑戰[20]。機組容量越大，轉子和汽缸的結構尺寸也越大，制造和異種鋼焊接的難度也隨之增加，且高溫過熱器集箱、主蒸汽管道等鎳基合金大口徑厚壁管也面臨同樣的難題。

歐盟AD700先進超超臨界發電計劃中原規劃的示范機組容量為500 MW[21]，而我國的火電機組一般分為300/350、600/660、1 000 MW的容量等級，綜合考慮機組效率、鎳基材料部件的制造和焊接能力、配套的輔機規格、機組成本、機組建設風險、電網適應性等因素，建議700 ℃超超臨界機組概念設計方案的機組容量為660 MW。

3 再熱次數選擇

超超臨界二次再熱發電技術是一種有效提高煤電機組效率的方法[22]。二次再熱發電技術是在一次再熱發電技術的基礎上增加一級蒸汽再熱過程，通過蒸汽的二次回爐，以提高發電循環的平均吸熱溫度，從而降低機組的煤耗率，提高機組的效率[23]。歐洲、美國和日本700 ℃機組的主流研究機型均為一次再熱機組[24]，根據國內某主機廠提供的熱平衡圖和鍋爐效率進行測算，700 ℃超超臨界一次再熱機組和二次再熱機組熱經濟指標對比如表1所示。

表1 700 ℃超超臨界一次再熱機組和二次再熱機組熱經濟指標對比Tab.1 Comparison of thermal economic indexes between 700 ℃ USC primary reheat unit and secondary reheat unit

從表1可知，700 ℃機組采用二次再熱技術后，和一次再熱機組相比，汽機熱耗率下降87 kJ/(kW·h)，設計發電標準煤耗率下降3.2 g/(kW·h)，設計發電熱效率增加0.71%，從機組熱經濟指標看，采用二次再熱機組方案具有優勢，但對于高參數機組，二次再熱機組的熱力系統相對復雜、主設備和高溫管道投資相對較高，帶來相對高昂的初期建設投資[25]。經初步測算，700 ℃機組采用二次再熱技術后，總投資增加約40%以上。目前，建設700 ℃超超臨界示范機組的主要目的之一是驗證高溫金屬材料在機組額定參數、負荷變化等工況下的特性和壽命，所以在方案選擇上宜將重點放在高溫材料選用等方面，避免因再熱次數的增加引起設備設計、制造和運行難度的提升。綜合投資因素，建議700 ℃超超臨界機組概念設計方案為一次再熱機組。

4 主機選型方案

4.1 鍋爐

4.1.1 總體布置方案

700 ℃超超臨界機組概念設計方案的鍋爐擬采用超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、采用切圓燃燒方式、平衡通風、固態排渣、全鋼懸吊結構塔式鍋爐、露天布置，鍋爐主要設計參數如表2所示。

表2 700 ℃超超臨界機組概念設計方案鍋爐主要設計參數Tab.2 Main design parameters of boiler in conceptual design scheme of the 700 ℃ USC unit

700 ℃鍋爐中應用了塔式鍋爐受熱面最新的設計理念，采用煙氣擋板調溫作為再熱器調溫的主要手段，大幅提高了機組低負荷下達到再熱汽溫的能力，提高了機組全負荷下的經濟性。同時優化了過熱器和再熱器布置面積比例，使調溫效果更好。再熱器配置事故+微量兩級噴水減溫器，可對再熱器系統起到良好的調節和保護作用。

通過采用有效的溫度調控措施，過熱蒸汽溫度在30%～100%鍋爐最大連續蒸發量（BMCR）工況下、再熱蒸汽溫度在50%～100% BMCR工況下均能達到設計值。燃燒器采用擺動式燃燒器，一次風最大擺角±20°，二次風最大擺角±30°。

4.1.2 水冷壁材料選擇

600 ℃超超臨界機組鍋爐水冷壁材料選用的是低合金鉻鉬鋼，如15CrMoG、12Cr1MoVG、SA213T23、SA213T24、15CrMoG等，對35 MPa/700 ℃參數的機組，鍋爐水冷壁出口介質溫度約530 ℃，水冷壁金屬最高設計溫度約590 ℃，設計壓力超過40 MPa，此時水冷壁材料要滿足高溫強度、抗蒸汽側氧化和抗煙氣側腐蝕等要求，而低合金鋼已無法滿足上述條件，必須使用性能更好的高溫合金材料，700 ℃超超臨界機組鍋爐水冷壁壁溫和設計壓力初步計算結果如表3所示[26]。700 ℃超超臨界機組鍋爐水冷壁推薦選材及其適用的溫度范圍如表4所示。

表3 700 ℃超超臨界機組鍋爐水冷壁初步計算結果Tab.3 Preliminary calculation results for water wall of the 700 ℃ USC unit boielr

表4 700 ℃超超臨界機組鍋爐水冷壁推薦材料溫度范圍Tab.4 The recommended material temperature range of water wall of the 700 ℃ USC unit boiler

結合本概念設計的參數特點，初步推薦采用15CrMoG、12Cr1MoVG、T92、G115材料作為水冷壁不同溫度段的候選材料，許用應力對比如圖1所示[27]。

圖1 水冷壁候選材料許用應力的對比Fig.1 The allowable stress of candidate materials for water wall

4.1.3 過、再熱器材料選擇

過熱器和再熱器布置在鍋爐煙氣溫度的最高區域，長期受高溫應力作用，要承受較大的蠕變強度及高溫煙氣的磨損和腐蝕。600 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器和再熱器普遍使用的9%～12%Cr傳統奧氏體不銹鋼和馬氏體熱強鋼[28]，如A335P91、A335P92和Super304H、HR3C等，對于35 MPa/700 ℃參數的機組上述材料已經不能滿足要求。需要尋找新的高溫材料，該材料在服役溫度下的2×105h腐蝕損失要小于2 mm，105h持久強度要達到100 MPa[29]，如鎳基高溫合金材料Inconel740H和Haynes282等、鐵鎳基高溫合金材料GH984G等[30-31]。根據研究，700 ℃超超臨界機組概念設計的鍋爐過熱器和再熱器的部分候選材料如表5所示。

表5 700 ℃超超臨界機組鍋爐過熱器和再熱器的候選材料選擇情況Tab.5 Selection of the candidate materials for superheater and reheater of the 700 ℃ USC unit boiler

4.2 汽輪機

4.2.1 汽輪機總體框架

700 ℃超超臨界機組概念設計方案的汽輪機擬采用單軸、一次中間再熱、四缸四排汽機組。以現有的成熟的超超臨界機組為主要原型機，保留成熟的中低壓部分設計，仍采用積木塊開發的理念，主要對高溫高壓部分區域進行概念性設計，700 ℃超超臨界汽輪機總體布置如圖2所示。

圖2 700 ℃超超臨界汽輪機總體布置Fig.2 General layout of the 700 ℃ USC unit steam turbine

汽輪機概念設計，首先對熱力總體方案進行研究，選用適當的熱力邊界、回熱系統、末級葉片等，同時和汽輪機本體概念設計結合起來，實現熱力系統與本體結構設計的有機結合。

高溫高壓的參數對機組的整體設計有很大影響，如整體熱力循環、機組差脹等因素。對700 ℃超超臨界機組而言，高壓缸是溫度差、壓力差均較大的部件，且絕對壓力最高。因此，對700 ℃超超臨界機組的汽輪機本體概念設計核心應聚焦在高壓缸上。

4.2.2 高壓缸結構

高壓缸是承載700 ℃超超臨界汽輪機的關鍵部件，其結構選型直接影響了整個汽輪機的方案。在研究過程中分析了若干種汽缸結構，對超高溫超高壓情況適應性作了評估，并淘汰了不當的結構備選形式，選擇了優化的結構進行進一步深入研究。

由于主蒸汽參數大幅度提高，超超臨界機組中使用的傳統鐵素體耐熱鋼無法滿足機組長期高溫高壓下安全運行的要求，所以700 ℃超超臨界汽輪機的高溫部分大量使用高溫性能更好的鎳基材料。國內某主機廠采用圓筒形的高壓缸設計，將汽缸的壓力載荷和熱載荷分開，分別由外缸和內缸承受，使整個機組的高壓部分能夠承受足夠高的蒸汽參數，采用適當有效的措施來冷卻高壓缸的高溫部件，能保證汽輪機的安全可靠性，同時能減少使用鎳基合金，迎合鎳基鑄鍛件的尺寸限制，降低投資[32]。700 ℃超超臨界汽輪機高壓缸總體結構如圖3所示。

圖3 700 ℃超超臨界汽輪機高壓缸總體結構和各部件選材示意Fig.3 Overall structure and material selection of various components of high-pressure cylinder of the 700 ℃ USC unit steam turbine

4.2.3 關鍵部件高溫材料選用

在充分借鑒國外AUSC汽輪機材料方面研究成果的基礎上，700 ℃超超臨界汽輪機關鍵高溫材料的選擇如表6所示。

表6 700 ℃超超臨界機組汽輪機關鍵部位高溫材料選擇情況Tab.6 Selection of high-temperature materials for key parts of the 700 ℃ USC unit steam turbine

700 ℃超超臨界汽輪機高壓缸總體結構和各主要部件的材料選擇如圖3所示。

5 熱力系統擬定

5.1 給水溫度

給水溫度的提高一方面提高了汽輪機的效率，另一方面受鍋爐爐膛和受熱面布置的影響，會提高鍋爐排煙溫度，降低鍋爐效率。因此機組的給水溫度需綜合考慮其對機組效率的的影響，選擇最佳值。

為選擇700 ℃超超臨界機組概念設計最佳給水溫度，某主機廠針對3種給水溫度330、315、300 ℃進行了熱力計算和熱平衡計算，3種溫度下機組的熱經濟指標如表7所示。

表7 機組在3種給水溫度下的熱經濟指標Tab.7 Thermal economic indexes of the unit under three feed water temperatures

從表7可知，給水溫度為315 ℃時，機組的設計發電熱效率最高，設計發電標準煤耗率最低，所以700 ℃超超臨界機組概念設計方案的給水溫度確定為315 ℃左右。

5.2 主蒸汽、再熱蒸汽系統

主蒸汽和再熱蒸汽系統均按汽輪發電機組閥門全開功率（VWO）工況時的熱平衡蒸汽量設計。設計溫度和設計壓力根據《電廠動力管道設計規范》（GB 50764—2012）擬定，700 ℃超超臨界機組概念設計方案原則性熱力系統如圖4所示。

圖4 700 ℃超超臨界機組概念設計方案原則性熱力系統Fig.4 Principle thermal system diagram of the 700 ℃USC unit conceptual design scheme

經初步計算，700 ℃超超臨界機組主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道已不能采用A335P92等傳統鐵素體耐熱鋼，需要尋找新的耐高溫材料。而低溫再熱蒸汽管道的設計參數和600 ℃機組接近，仍可采用A335P11、A691 1-1/4CrCL32、12Cr1MoVG等成熟合金材料。

5.3 抽汽回熱系統

700 ℃超超臨界機組概念設計方案熱力系統采用專利技術帶變頻發電機的BEST小機回熱系統[33]，機組采用十二級非調整抽汽。一段抽汽來自汽輪機高壓缸，二段抽汽來自低溫再熱蒸汽，三、四、五、六、七段抽汽來自BEST小機，一、二、三、四、五段抽汽供5臺高壓加熱器，六段抽汽供除氧器，七、八、九、十、十一、十二段抽汽分別向7、8、9、10、11、12號低壓加熱器供汽。回熱系統設BEST小機后，不再設置外置式蒸汽冷卻器。

帶變頻發電機的BEST小機回熱系統，與現有熱力系統相比有如下優點：

1）高參數蒸汽在BEST小機做功后，可降低抽汽溫度約220～270 ℃，降低了相關抽汽管道、閥門、加熱器的材料等級，無需采用昂貴的鎳基材料；

2）高壓缸排汽作為BEST小機汽源，其蒸汽流量明顯大于常規機組，因這部分蒸汽不再回爐，可較大幅度減少進入再熱器的蒸汽流量，減少再熱器面積，從而降低再熱系統的造價；

3）相較于常規機組，給水泵轉速由小發電機的出力來調節，BEST小機進汽閥門全開，可減少節流損失，提高機組熱經濟性，同時，能充分利用BEST小機的出力，通過小發電機多發電，可大幅度減少廠用電率到2%左右，提高機組的售電收益。

5.4 給水系統

給水系統按最大運行流量即BMCR工況時相對應的給水量進行設計。系統設置1臺全容量的汽動給水泵，四級全容量、臥式、雙流程高壓加熱器，四級高壓加熱器采用給水大旁路系統。給水泵和前置泵同軸布置，由BEST小機驅動，給水泵出口設有最小流量再循環管道并配有相應的控制閥門等，最小流量再循環管道按主給水泵、前置泵所允許的最小流量中的最大者進行設計，再循環管道單獨接至除氧器。

經初步計算，700 ℃超超臨界機組的高壓給水管道的設計壓力約為50 MPa，比600 ℃等級機組高約6 MPa；設計溫度為330 ℃，與600 ℃等級機組相當，所以高壓給水管道仍可采用無縫鋼管15NiCuMoNb5。

6 主要輔機選型

700 ℃超超臨界機組概念設計方案的輔機除了配置BEST小機及小發電機外，其他主要輔機的配置原則上與600 ℃一次再熱機組基本相同，見表8，但給水泵組和旁路的運行參數更苛刻。

表8 700 ℃超超臨界機組概念設計方案主要輔機選型方案Tab.8 Conceptual design scheme and main auxiliary equipment selection scheme of the 700 ℃ USC unit

6.1 BEST小機

BEST小機為單缸、抽背式機組，由于BEST小機具有抽汽功能，設計時考慮采用雙層缸，分別安裝有外缸、內缸和一套持環，內外缸及持環和外缸間共設有5個抽汽腔室，外缸下半設計有5個抽汽口，通過焊接的方式與管道相連，排汽直接進入低壓除氧器，排汽口通過法蘭與排汽管道相連，外缸軸向死點設置在前軸承座上，通過貓爪與之固定，轉子采用雙支點支撐。

6.2 給水泵

700 ℃超超臨界機組概念設計方案的主蒸汽壓力為35 MPa，與常規660 MW二次再熱機組（31 MPa/ 600 ℃/620 ℃/620 ℃）相比，給水泵出口壓力相應提升了3～5 MPa，給水流量下降約6%，給水泵總功率上升約3%。根據目前的調研情況，給水泵選型與常規660 MW二次再熱機組100%給水泵仍屬同一系列。

6.3 旁路裝置

700 ℃超超臨界機組概念設計方案的旁路采用高低壓兩級串聯旁路，考慮成本因素高壓旁路的容量為40% BMCR，低壓旁路容量按高壓旁路出口啟動最大容量+減溫水容量考慮。旁路閥的形式與常規超超臨界旁路并無太大變化，主要區別為參數提升后閥門材料需使用鎳基合金，需進一步對材料性能，特別是閥體的鑄造件和閥體與管道的焊接工藝，進行測試和評定。

6.4 高壓加熱器

采用BEST小機系統后，和常規機組比，抽汽溫度降低，高壓加熱器選型與常規660 MW二次再熱超超臨界機組類似，只是管側設計壓力上升約3 MPa。每臺高壓加熱器均按雙流程設計，全焊接結構，分別由過熱蒸汽冷卻段、凝結段和疏水冷卻段組成。

7 主廠房布置方案

700 ℃超超臨界機組的主蒸汽管道和再熱蒸汽熱段管道采用價格昂貴的鎳基合金材料，因此必須對主廠房布置進行優化創新，以大幅減少機爐連接管道的長度，概念設計方案推薦采用汽輪機高位布置，如圖5所示。

圖5 高位布置方案示意Fig.5 Schematic diagram of high-level layout scheme

主廠房采用二列式、側煤倉，660 MW/700 ℃超超臨界機組塔式鍋爐的主蒸汽及再熱蒸汽聯箱標高約75 m，汽輪發電機組運轉層宜盡量接近該標高區域，運轉層為大平臺結構，汽輪機采用彈簧基座。

采用汽輪機高位布置后，可減少占地面積，有效降低四大管道長度，尤其是主蒸汽管道和再熱蒸汽熱段管道的工程量。但要關注以下問題：

1）主要高溫管道的柔性補償；

2）低壓缸長排汽管道的設計；

3）高位汽輪機振動能量的吸收及地震擾動力的控制；

4）風載、地震及其他水平荷載作用下主廠房的偏擺對管系及設備接口受力影響的分析；

5）主廠房結構及鍋爐爐架的耦合設計；

6）主廠房結構對汽輪機基座的影響；

7）發電機出口和主變相連的離相封閉母線的布置；

8）高位汽輪機、各加熱器、除氧器等設備的吊裝和檢修；

9）機組運行、起停工況、超速控制等使用規程的制訂等。

目前國內已有汽輪機高低位分軸布置的二次再熱1 350 MW機組（其高位布置的汽輪機容量約為600 MW）和汽輪機單軸全高位布置的一次再熱660 MW機組的投運業績[34-35]，可為700 ℃超超臨界機組主廠房布置提供經驗借鑒和設計參考。

8 結 語

本文通過分析，確定了700 ℃超超臨界機組概念設計方案的蒸汽初參數、機組容量、再熱次數、主機選型方案、熱力系統、主要輔機選型及主廠房布置等推薦意見：

1）推薦機組容量為660 MW，初參數為35 MPa/700 ℃/720 ℃的一次再熱機組。

2）鍋爐擬采用超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、采用切圓燃燒方式、平衡通風、固態排渣、全鋼懸吊結構塔式鍋爐、露天布置；汽輪機擬采用單軸、一次中間再熱、四缸四排汽。

3）熱力系統推薦采用帶變頻發電機的BEST小機回熱系統，十二級非調整抽汽。

4）主廠房布置推薦采用二列式、側煤倉、汽輪機高位布置方案。

700 ℃超超臨界機組的凈效率達到50%以上，按年5 000 h計算，2臺660 MW機組每年節約標煤近17.52萬t，可減少CO2排放約49萬t。700 ℃超超臨界機組概念設計方案對我國建設更加高效和清潔的火力發電廠具有重要的參考意義。