『结构』二次再热那些事(超赞)

发表于 讨论求助 2019-03-14 06:53:15

 

在我国未来能源发展改革中,能源消费总量控制、煤炭清洁高效利用、大力发展清洁能源、能源体制改革是主要内容。我国资源特点导致能源消费以煤为主(富煤、贫油、少气),燃煤能源消费即便实施总量控制,预计到 2020 年比重仍将高达 62%,其中电煤消费即燃煤电站能源比例也高于 60%。煤炭清洁高效利用对我国能源战略具有极为重要的意义。发电是煤炭清洁高效利用的最主要方向,提高燃煤机组效率是永恒的主题。我国自1993 年开始研究超超临界发电技术,经历了22 年发展历程,受材料技术的限制,超超临界燃煤发电技术仍保持在25 MPa/600 /600 ℃的水平上,与其他先进发电技术相比,超超临界汽轮机热效率还须进一步提高。

机组的蒸汽参数是决定机组热效率、提高热经济性的重要因素,提高蒸汽参数(压力和温度)采用再热系统,选择再热次数都是提高机组效率的有效方法。燃煤机组的发展中,温度一直是技术进步的重要指标。据测算,主蒸汽压力每提高 1 MPa,热效率可相对提高0.2%~0.25%,主蒸汽温度每提高10 ℃,热效率可相对提高0.25%~0.30%,再热蒸汽每提高10 ℃,热效率可相对提高0.15%~0.2%。如果增加机组的再热次数,采用二次中间再热,其热效率可比采用一次中间再热机组相对提高2%

一,二次再热技术及其在国外的发展情况

燃煤机组采用二次再热可以在同初参数(压力、温度)下,使热经济性相对一次再热机组提高 2%左右;中间再热循环的增益随着蒸汽初压的提高呈增加趋势,因此二次再热机组通常在高压力(大于25 MPa)时使用。国外制造厂家早已开始了此方面的尝试,据不完全统计,全球至少有52 台以上二次再热机组投运,其中美国23 台、日本13台、欧洲13台。 

第一台二次再热汽轮机诞生于1957 年美国philo电厂,尽管机组功率仅125 MW,但参数达到超超临界参数31 MPa/621 /566 /566 ℃。1959年,美国Eddystone电厂1号机组投产,机组容量为325 MW,参数为34.3 MPa/649 /565 /565 ℃。 

该机组投运一度刷新了火力发电机组最大出力、最高效率、最高温度、最高压力多项记录,风光无限,然而随后高温材料暴露出的若干严重问题导致其降温降压运行。美国因此暂缓了其超超临界燃煤机组的进一步发展,同时根据其能源特点转为大规模发展燃气电站等清洁能源动力。现在谈到国外二次再热机组,最引人注目的是日本的川越电厂和丹麦Nordjylland电厂。日本在1989年和1990年在川越投运了2台参数31 MPa/566/566 /566 ℃,功率700 MW 的二次再热机组,热效率达到 41%。丹麦在 Nordjylland电厂的 2台超超临界二次再热机组于1998 年后相继投入运行(见图 1),参数29 MPa/582 /580 /580 ,功率410 MW,供热,汽轮机由ABB 制造,热效率达到44%


 从国外二次再热机组发展来看,基本贯穿20世纪后半叶,美国机组主要集中于20世纪5060年代,日本集中在7080年代,丹麦机组建成于世纪交替之时。二次再热机组集中建成时间基本都是在欧、美、日等国经济发展急剧上升期、工业发展迅猛时,而能源结构尚未完成转型。美国燃气能源消费取代燃煤消费,欧洲以法国为代表的国家采用核能代替燃煤机组,丹麦等国以风电为主的清洁能源也逐步取代了燃煤机组。

笔者在丹麦调研时,DONG 能源公司下属某电站甚至集常规供热机组、燃气-蒸汽联合循环机组、烧麦秆供热锅炉、风力发电于一体,形成复合热力系统,成为综合效应良好的现代化电站。环保压力,清洁能源利用,经济发展平缓,明显抑制了国外燃煤机组的发展,尤其是二次再热机组的进一步发展。

 

二,国内二次再热技术的研制情况

结合我国能源特点,“十一·五”期间,各大电力设备制造厂家及电厂纷纷加快了高效燃煤机组的研制。2009 年起,东汽利用其拥有的国家级高温长寿命材料试验室条件,加快了满足620 ℃等级要求的高温材料研究,成功开发了新12Cr 材料。同期国内开始了620 等级高参数燃煤机组研制,以及基于620 ℃等级的二次再热机组研发。在2010~2011年期间,行业内先后提出了提高初压30 MPa31 MPa35 MPa),提高再热温度(605 ℃、610 ℃、620 ℃)的构想,并从热力循环理论、材料制造水平、设备结构特点、投资成本等方面全方位进行了论证分析,形成了国内二次再热超超临界参数暂定31 MPa/600 /620 /620 的初步共识。2012年底到2013年初,国内部分电力企业积极推动了首批二次再热技术工程应用进程,确定了一系列工程项目落地实施,其中最为典型的当属国电泰州2×1 000 MW 机组和华能安源660 MW(见表1)。

 

2015 6 27 日,我国二次再热机组在江西安源电厂投运,823 日该电厂2#机组投运,我国二次再热电站建成投运,揭开了我国能源利用和中国制造新篇章。该电厂首次采用高参数超超临界二次再热技术,汽轮机、发电机由东汽、东电提供,锅炉由哈尔滨锅炉厂提供,电厂系统、机组设备均由国内厂家自主研制,长着一颗纯正的中国“芯”。该机组的投运打破了国外技术壁垒,标志着我国燃煤机组技术的新突破,探索出了新的提高效率之路——燃煤机组二次再热技术。

 

三、安源(66万)二次再热汽轮机概况

     该机组采用四缸四排汽,总体设计方案继承了东汽既有机组成熟安全的设计理念。从机头到机尾依次为1个单流超高压缸,1个合缸反向布置的高中压缸,2个双流低压缸,主汽阀悬挂于机头侧运行平台下,再热主汽调节阀布置在运行平台两侧,产品模型及电厂实景如图2所示。




  1. 汽轮机的进汽参数为 31 MPa/600 ℃/620 ℃/620 ℃。

  2. 一次再热压力约占主蒸汽压力的34.7%。

  3. 二次再热压力约占主蒸汽压力的 10.93%,中压排汽压力宜在0.5 MPa左右。

  4. 回热系统有 10 级回热,包括 4 台高压加热器、1台除氧器、5台低压加热器,除氧器采用滑压运行。

  5. 设置 2 个串联的外置式蒸汽冷却器,热耗可降低约20 k J/k W · h

  6. 小汽轮机带动给水泵和引风机,用来降低厂用电;正常运行时,汽源均来自5号抽汽。

  7. 在凝结水管路上可并联 1 个低温省煤器,热耗可降低约35 k J/k

四,泰州(100万)二次再热基本概况


机组采用一个超高压缸、一个高压缸、一个中压缸和两个低压缸串联布置组成。




五,主要关键技术

 

主要关键技术研发工作包括:

热力系统研究:如何结合材料、制造、结构、成本在内的热力系统优化研究,再热参数、回热系统论证研究等。

高温材料研究:新12Cr 铸锻件开发、耐高温叶片钢、高温螺栓钢研制,异种材料焊接研究,材料特性如强度、蠕变特性、脆性、抗氧化性能研究,高温部件疲劳寿命分析。

耐高压阀门研制:耐高温阀门材料应用研究,具有专利授权的自密封阀门结构设计。

耐高压汽缸研制:自主研发能承受更高压力的筒形汽缸,独特压力场、温度场设计保证汽缸运行安全可靠和长时寿命。

高效通流技术研究:结合二次再热机组各缸焓降分配与一次再热机组差异进行针对性研究,通过数值分析、试验研究和运行数据调研结合进行通流效率提升。特别是,二次再热超高压缸压力高、容积流量明显小于一次再热机组高压缸,导致叶片偏短,如何实现短叶片高效化是其主要设计难点。

机组轴系稳定性研究:针对二次再热高压力高温度,蒸汽能量密度大的特点进行研究分析,结合超超临界机组投运经验,优化轴系参数,汽封选型,增设防旋汽封等措施保障轴系稳定性。

汽轮机启动运行研究:结合转子热应力和疲劳寿命分析、汽缸流场热固耦合温度场分析、机组冷热态滑销系统研究、锅炉启动运行特性、机组旁路配置,综合制定机组启动运行控制策略,保证机组快速启停。

 

六,二次再热展望

二次再热机组投运成功后,国内企业如何利用好已掌握的二次再热技术加快火电技术升级,为我国能源清洁化做出贡献呢?各制造厂在此方面做出了积极的工作,首先,基于现有材料技术在620 ℃等级参数下全面推进二次再热技术系列化,其次,深入开展高温材料研究工作,推进高温材料国产化,此外,加快了更高参数的二次再热机组研究工作。

6.1 620 ℃等级系列二次再热机型

二次再热汽轮机技术在热力循环上的收益是一定的,因此该项技术应用在其他边界条件下的机组中,其收益基本不变,供热机型、空冷机组亦可以采用本项技术。尤其是我国富煤区,通常采用远距离输电,负荷较高,采用二次再热技术是可行的,在技术上并无障碍。东汽为此开发了五缸四排汽660 MW 二次再热机组(高、中压分缸)、660 MW 等级采用863 mm (或1 030 mm)末叶的三缸两排汽直接空冷(或间冷)二次再热机组(高、中压分缸)、1 000~1 200 MW 等级采用 1 200 mm末叶的单轴五缸四排汽机组(高、中压分缸,如图3 所示)、1 300 MW 等级采用 1 400mm 末叶的单轴五缸四排汽机组(高、中压分缸)、1 350MW等级分轴二次再热机组。

6.2 620 ℃等级以上高温材料研究

高参数二次再热机组与一次再热相比,锅炉系统、高温管道布置、汽轮机结构复杂化,造价明显上升。有资料表明,容量为1 000 MW的二次再热机组总投资估计需增加4.4 亿元人民币,相当于提高1%效率成本达到2.2 亿人民币,投入产出未见明显优势。究其原因主要是高温部件成本高,依赖进口,因此高温材料的进一步深入研究和国产化工作是高参数机组更广泛应用的基础

我国超超临界燃煤机组高温材料长期依赖进口,因此在620 ℃及以上等级技术研究初期,东汽就提出了研究最终要推动国产化的目标。目前不仅进口新12%Cr铸锻件(FB2CB2)长时持久蠕变试验已接近40 000 h,国产铸锻件试验时间也接近30 000 h (国产锻件试样试验数据如图4所示)。试验表明,国产件与进口件性能相当。部分国产新12Cr铸件(CB2)已在工程铸件中应用。

 


 

6.3 700 /650 ℃等级二次再热机组研发中可能的技术影响

根据目前全球技术发展状况,进一步提高机组参数到700 ℃等级是具有可行性的。欧美有AD700”计划,美国有“760 -USC”计划,日本有“A-USC”计划,我国亦有700 联盟持续推进技术开发。日本MHPS (原三菱公司)也于2013 年公布了其1 000 MW 700 等级二次再热机组技术开发思路及其机组纵剖面示意图,如图.

考虑欧洲“AD700”计划一再推迟,综合国内部分研究成果,笔者认为尽管700 ℃等级下二次再热技术热经济性收益更为明显,但受制于高温镍基材料进口等限制,700 ℃等级二次再热机组相对一次再热机组绝对成本上升幅度较大,仅汽轮机增加一次再热导致的中压阀门、中压汽缸、中压转子、高温静动叶等制造成本将超过1.8 亿元,且未计入锅炉成本、再热管道成本等。

有资料表明,700 ℃下燃煤机组单位千瓦造价将超过燃气轮机机组,市场竞争力,节能效果值得商榷。事实上,即便将参数退到650 ℃,依然会存在同700 ℃等级一样的造价问题。由于采用650 ℃等级参数,汽轮机铸锻钢可采用铁镍合金,机组造价必然有所下降,但其也将面临材料研制、成本控制问题,高参数对汽轮机通流效率、高温部件寿命影响等问题。

笔者认为,短期内国内研究也将以示范650 ℃等级一次再热燃煤机组技术

文章来源<东方汽轮机>2016.3略有增删


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