1、超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)發(fā)展42091022趙樹(shù)男1. 超超臨界汽輪機(jī)的參數(shù)特征超臨界汽輪機(jī)（supercritical steam turbine）有明確的物理意義。由工程熱力學(xué)中水蒸汽性質(zhì)圖表知道：水的臨界點(diǎn)參數(shù)為：臨界壓力pc=22.129MPa，臨界溫度tc =374.15 C ,臨界焓 hc=2095.2kJ/ kg,臨界熵 Sc=4.4237kJ/（kg K）,臨界比容 Vc= 0.003147m3/kg。工程上，把主蒸汽壓力P0<Pc的汽輪機(jī)稱為亞臨界汽輪機(jī)，把p0>pc的汽輪機(jī)稱為超臨界汽輪機(jī)。在國(guó)際上，超超臨界汽輪機(jī)（Ultra Supercritical Steam

2、Turbine）與超臨界汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)劃分尚未有統(tǒng)一看法。有些學(xué)者把蒸汽參數(shù)為超臨界壓力與蒸汽溫度大于或等于593C稱為超超臨界汽輪機(jī)，蒸汽溫度593 C可以是主蒸汽溫度，也可以是再熱蒸汽溫度；有 些學(xué)者把主蒸汽壓力大于27. 5MPa且蒸汽溫度大于580C稱為超超臨界汽輪機(jī)。1979年日本電源開(kāi)發(fā)公司（EPDC）提出超超臨界蒸汽參數(shù) （Ultra Supercritical Steam Condition） 的概念，簡(jiǎn)寫(xiě)為USC,也稱為高效超臨界或超級(jí)超臨界。目前，超超臨界汽輪機(jī)的提法已被工程界廣泛接受和認(rèn)可，在傳統(tǒng)的超臨界蒸汽參數(shù) 24. 2MPa/ 538 C / 538 C的基礎(chǔ)上，

3、通過(guò) 提高主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度或主蒸汽壓力改善熱效率。國(guó)外提高超臨界機(jī)組的蒸汽參數(shù)有兩種途徑：一種途徑是日本企業(yè)的做法,通過(guò)把主蒸汽和再熱蒸汽的溫度提高到593C或600C ,實(shí)現(xiàn)了供電熱效率的提高，生產(chǎn)出超超臨界汽輪機(jī)；另一種途徑是歐洲一些企業(yè)的 做法,把蒸汽參數(shù)提高到28MPa和580C ,也實(shí)現(xiàn)了供電熱效率的提高，生產(chǎn)出超超臨界汽 輪機(jī)。國(guó)外投運(yùn)大功率超超臨界汽輪機(jī)比較多的國(guó)家有日本和丹麥，生產(chǎn)大功率超超臨界汽輪機(jī)臺(tái)數(shù)比較多的企業(yè)有東芝、三菱、日立、阿爾斯通（德國(guó)MAN和西門(mén)子。我國(guó)研制超超臨界汽輪機(jī)，建議主蒸汽壓力取為25MPa28MPa,主蒸汽溫度為580C600C ,再熱蒸 汽

4、溫度為600 C ,機(jī)組功率為700MV1000MW/2. 超超臨界技術(shù)的發(fā)展2. 1日本超超臨界技術(shù)開(kāi)發(fā)日本超超臨界技術(shù)開(kāi)發(fā)分為 2個(gè)階段實(shí)施完成。第一階段超超臨界技術(shù)開(kāi)發(fā)從1981年開(kāi)始，1994年結(jié)束。第一階段的技術(shù)研究工作分為2步同時(shí)進(jìn)行：第一步的蒸汽溫度為593 C/ 593C,第二步的蒸汽溫度為649C/ 593C。第一階段技術(shù)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)是在傳統(tǒng)超臨界蒸汽 參數(shù)（24.2MPa/ 538 C / 538 C ）的基礎(chǔ)上，熱效率再提高2. 2%。主要技術(shù)研究工作有 5 項(xiàng): 初步試驗(yàn)（1981年）； 鍋爐元件試驗(yàn)（19821989年）;O汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)（1983 1989年）;超高溫

5、汽輪機(jī)示范電廠試驗(yàn)（19831993年） ; ©總體評(píng)價(jià)與分析（1994年）。1994年完成了第一階段技術(shù)開(kāi)發(fā)的總體評(píng)價(jià)與分析工作。第二階段超超臨界技術(shù)開(kāi)發(fā)從1995年開(kāi)始,2001年結(jié)束。第二階段蒸汽溫度為630 C /630C ,第二階段技術(shù)開(kāi)發(fā)工作的重點(diǎn)是對(duì) 9%Cr12%Cr新型鐵素體鋼進(jìn)行開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。 第 二階段技術(shù)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)是在常規(guī)超臨界蒸汽參數(shù)（24. 2MPa/ 538 C / 538 C ）的基礎(chǔ)上，熱效率再提高4.8個(gè)百分點(diǎn)。第二階段技術(shù)研究工作有 4項(xiàng):©初步試驗(yàn)（ 1995年）;©鍋爐元件630 C試驗(yàn)（19962001年）；汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)63

6、0 C試驗(yàn)（19962000年）；總體評(píng)價(jià)和分析（2001年）。2001年完成第二階段技術(shù)開(kāi)發(fā)的總體評(píng)價(jià)與分析工作。日本超超臨界技術(shù)開(kāi)發(fā)的階段研究工作的完成，為日本發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)研制和生產(chǎn)超超臨界火電機(jī)組提供了科學(xué) 的依據(jù)。2. 2歐盟超超臨界技術(shù)開(kāi)發(fā)歐洲國(guó)家從20世紀(jì)90年代開(kāi)始實(shí)施COST50計(jì)劃，繼續(xù)開(kāi)發(fā)9%C12%C鐵素體鋼，實(shí) 現(xiàn)蒸汽溫度為580C/ 600C。歐洲13個(gè)國(guó)家有關(guān)的發(fā)電設(shè)備企業(yè)參與了COST50計(jì)劃的研發(fā)。研究成果已在丹麥投運(yùn)的 SVS3 NW和AVV2等超超臨界機(jī)組上應(yīng)用。歐洲國(guó)家從1998年開(kāi)始實(shí)施COST52計(jì)劃，開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證新型鐵素體鋼和奧氏體鋼。11%C鋼的

7、Co的含量增加到3%, B的含量增加到0. 01% ,以提高材料的蠕變強(qiáng)度和抗高溫氧化性能。實(shí)現(xiàn)蒸汽溫度為600C /620C ,目標(biāo)是開(kāi)發(fā)與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)相比更有競(jìng)爭(zhēng)力的超超臨界火電機(jī)組。按照現(xiàn)有的 技術(shù)水平，可以實(shí)現(xiàn)的主蒸汽和再熱蒸汽的溫度分別為600 C / 620 C。歐盟從1998年1月 1日啟動(dòng)了開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)17年的超超臨界技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目 “Themie 700”，也稱“ AD-700C計(jì)劃”。 歐盟“AD-700C計(jì)劃”的目的是開(kāi)發(fā)具體先進(jìn)蒸汽參數(shù)的超超臨界火電機(jī)組。具體目標(biāo)有兩點(diǎn)：一是供電熱效率（發(fā)電凈效率）由目前的47%提高到55%（深海海水冷卻）或52%（內(nèi)陸廠）; 二是廠

8、房結(jié)構(gòu)更加緊湊，以降低燃煤電廠的投資。歐盟“ AD-700C計(jì)劃”的核心技術(shù)是新材 料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。通過(guò)使用鎳基超級(jí)合金,使汽輪機(jī)的蒸汽溫度由目前的600C / 620C提高到700 C / 720 C。為了在700C / 720 C超超臨界火電機(jī)組中減少使用價(jià)格昂貴的鎳基超級(jí)合 金，“ AD-700 C計(jì)劃”還確立了奧氏體鋼和鐵素體鋼的發(fā)展計(jì)劃。歐盟“ AD-700 C計(jì)劃”分8個(gè)子階段進(jìn)行。第一子階段為初可研階段（19982000年）;第二子階段為材料性能示范試驗(yàn)階段（19992003年）；第三子階段是關(guān)鍵元件的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段（20012003年）；第四子階段是關(guān)鍵元件的示范試驗(yàn)和全尺寸實(shí)體

9、試驗(yàn)階段（20022006年）。在丹麥現(xiàn)有超超臨界機(jī)組 SVS3號(hào)運(yùn)行的電廠內(nèi)，加裝加熱鍋爐和蒸汽溫度為700 C/ 720 C汽輪機(jī)，進(jìn)行全尺寸實(shí)體試驗(yàn)。從 SVS3號(hào)超超臨界機(jī)組上引出一部分30MPa/ 582C蒸汽，在加熱鍋爐的過(guò)熱器中升溫到 700C ,進(jìn)入壓汽輪機(jī)做功后再回到加熱鍋爐的再熱器，升溫到720Co 720C的蒸汽在中壓汽輪機(jī)做功后返回SV S3號(hào)的中壓汽輪機(jī)。第五子階段為示范電廠施工準(zhǔn)備階段（2006年）；第六子階段是示范電廠的設(shè)計(jì)和施工階段（20072011年）。計(jì)劃在波羅的海沿岸國(guó)家建造一個(gè)示范電廠，單機(jī)功率為400MW或1000MW,蒸汽參數(shù)為37.5MPa/ 70

10、0 C / 720 C /720 C , 一次再熱壓力為12MPa,二次再熱壓力為 3MPa,深海海水冷卻, 冷卻水溫度為5C10 C ,電站名稱暫定為EMAX第七子階段是示范電廠的運(yùn)行和試驗(yàn)階段 （20122014年）o第八子階段是示范電廠的結(jié)果反饋到合作者階段（20132014年）。歐盟“AD-700C計(jì)劃”的戰(zhàn)略意義是使歐盟成員國(guó)的燃煤火電機(jī)組的技術(shù)水平始終處于 世界的領(lǐng)先水平，顯著提高歐盟成員國(guó)燃煤火電機(jī)組的競(jìng)爭(zhēng)能力。歐盟“ AD-700C計(jì)劃”成功后，不僅可以顯著提高燃煤火電機(jī)組的熱效率、顯著降低煤的消耗量，而且可以顯著降低CO2的排放量。2. 3 美國(guó)超超臨界技術(shù)開(kāi)發(fā)1999年美國(guó)

11、能源部（DOE）提出了火電新技術(shù)發(fā)展的 Vision 21計(jì)劃，對(duì)1520年后工程 中采用的先進(jìn)發(fā)電技術(shù)提出研發(fā)實(shí)施計(jì)劃。在Vision 21計(jì)劃中，有一個(gè)項(xiàng)目為超超臨界鍋爐材料的研發(fā)計(jì)劃（DOE/OCDO）,起止日期為2001年10月至2006年9月。該項(xiàng)目CDOE/OCDO核心技術(shù)包括：選定在指定熱效率和運(yùn)行溫的發(fā)電廠中使用的材料；確定蒸汽溫度為760C的鍋爐管材(鎳基超級(jí)合金)的制造工藝和噴涂工藝；確定蒸汽溫度為760C的超超臨界火電機(jī)組的設(shè)計(jì)和運(yùn)行難點(diǎn)；促進(jìn)新型管材技術(shù)的商業(yè)化開(kāi)發(fā)和應(yīng)用；通過(guò)ASM規(guī)范的認(rèn)證。該項(xiàng)目(DOE/OCDC有9項(xiàng)研究工作： 概念設(shè)計(jì)；機(jī)械性能；汽側(cè)氧化；(4

12、4煙側(cè)腐蝕；焊 接技術(shù)開(kāi)發(fā)；06制造工藝；07噴涂工藝；08設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)規(guī)范；O9項(xiàng)目管理。該項(xiàng)目(DOE/OCDO) 完成后，美國(guó)可以制造蒸汽溫度達(dá)到 760C的鍋爐管材和各種部件。如果工程需要，也應(yīng)該能夠制造蒸汽溫度為871 C的鎳基超級(jí)合金的部件。 美國(guó)能源部(DOE)有關(guān)超超臨界汽輪機(jī)技 術(shù)的研究項(xiàng)目2002年處于立項(xiàng)階段。同蒸汽參數(shù)為 16. 7MPa/ 538 C / 538 C亞臨界火電機(jī)組 的熱效率35%- 38%相比，美國(guó)能源部(DOE)計(jì)劃開(kāi)發(fā)的35MPa/ 760 C / 760 C / 760 C超超臨 界火電機(jī)組的熱效率將高于 55% , CO2和其他污染物的排放約減少

13、30%美國(guó)能源部(DOE)開(kāi) 發(fā)超超臨界技術(shù)的目標(biāo)有兩點(diǎn)：一是選擇先進(jìn)的材料使得超超臨界火電機(jī)組的成本具有競(jìng) 爭(zhēng)性、環(huán)?？山邮懿⒛軌蛉加酶吡蛎?；二是提高美國(guó)發(fā)電設(shè)備制造商生產(chǎn)的高效燃煤火電機(jī)組(超超臨界機(jī)組)在全世界范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)能力。3. 超超臨界汽輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的探討到2002年底，國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)制造企業(yè)已有亞臨界汽輪機(jī)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和投運(yùn)業(yè)績(jī)。同亞臨界汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)16. 7MPa/ 538C/ 538C相比，超超臨界汽輪機(jī)的主蒸汽壓力大幅度升高、 主蒸汽溫度明顯升高，并且再熱蒸汽的壓力和溫度均有明顯升高。超超臨界汽輪機(jī)在可靠性等方面面臨的主要技術(shù)問(wèn)題如圖1所示。圖1超超臨界汽輪機(jī)的主要技術(shù)問(wèn)題(

14、1) 隨著蒸汽溫度的升高，超超臨界汽輪機(jī)可靠性面臨的主要技術(shù)問(wèn)題是：O材料力學(xué)性能和許用應(yīng)力下降，超超臨界汽輪機(jī)承壓部件和轉(zhuǎn)動(dòng)部件的強(qiáng)度降低，需要開(kāi)發(fā)和采用新材料,采用蒸汽冷卻技術(shù)。O超超臨界機(jī)組選用直流鍋爐，直流鍋爐沒(méi)有汽包，不能進(jìn)行排污，給水中鹽與鍋爐 過(guò)熱器、再熱器管子內(nèi)表面剝離的氧化垢微型固體粒子進(jìn)入汽輪機(jī)，對(duì)汽輪機(jī)高壓部分造成固體顆粒侵蝕，對(duì)汽輪機(jī)低壓部分易造成應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞。需要對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)和再熱第1級(jí)葉 片開(kāi)展固體顆粒侵蝕機(jī)理研究，采取防固體顆粒侵蝕措施；末三級(jí)葉片需要采用耐腐蝕疲勞 材料,低壓轉(zhuǎn)子需要采用防應(yīng)力腐蝕結(jié)構(gòu)。超超臨界汽輪機(jī)與高溫有關(guān)的嚴(yán)重問(wèn)題是工作應(yīng)力下產(chǎn)生蠕變變形

15、以及啟停與負(fù)荷 快速變化過(guò)程中過(guò)大的熱應(yīng)力產(chǎn)生熱疲勞(低周疲勞)。超超臨界汽輪機(jī)的絕大部分高溫部件工作溫度是不均勻的和變化的，厚截面部件如轉(zhuǎn)子、汽缸、噴嘴室、閥殼等在啟停過(guò)程與負(fù)荷快速變化過(guò)程中都承受很大的溫度梯度，由此而產(chǎn)生的熱應(yīng)力接近或超過(guò)材料的屈服極限，嚴(yán)重影響這些部件的使用壽命。超超臨界汽輪機(jī)參與調(diào)峰運(yùn)行，壽命問(wèn)題更為突出。需 要采用新材料和新結(jié)構(gòu)，開(kāi)展壽命設(shè)計(jì)。(2) 隨著蒸汽壓力的升高，超超臨界汽輪機(jī)可靠性面臨的主要技術(shù)問(wèn)題是： 汽缸、噴嘴室、閥殼、導(dǎo)汽管等承壓部件應(yīng)力增大，面臨嚴(yán)峻的強(qiáng)度和壽命問(wèn)題，需 要采用新材料和新結(jié)構(gòu)，開(kāi)展強(qiáng)度和壽命設(shè)計(jì)。 主蒸汽的密度高、比容小，高壓轉(zhuǎn)子的

16、偏心、間隙不對(duì)稱等產(chǎn)生蒸汽力，汽流激振容 易引起軸系失穩(wěn)，需要開(kāi)展汽流激振機(jī)理研究，開(kāi)發(fā)汽流激振設(shè)計(jì)分析軟件。 汽輪機(jī)各級(jí)間壓差和軸封的壓差也有增大，隔板汽封、葉頂汽封、軸封等部件蒸汽泄漏量增大，需要采用汽封新結(jié)構(gòu)。綜上所述，隨著蒸汽參數(shù)的提高，材料開(kāi)發(fā)與工藝、固體顆粒侵蝕、強(qiáng)度問(wèn)題、壽命問(wèn) 題、汽流激振、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)、蒸汽冷卻技術(shù)、通流部分優(yōu)化等技術(shù)已經(jīng)成為研制超超臨界汽輪機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所、制造企業(yè)和國(guó)內(nèi)有關(guān)單位通過(guò)近幾年的科研工作和技術(shù)積累，對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)有一定的研究，特別是對(duì)強(qiáng)度、壽命、汽流激振、材料開(kāi)發(fā)、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)和通流部分優(yōu)化等技術(shù)有深入研究，為研制和生

17、產(chǎn)超超臨界汽輪機(jī)奠定了良好的基礎(chǔ)。4. 結(jié)語(yǔ)超超臨界火電技術(shù)屬于高新技術(shù)，超超臨界火電機(jī)組的研制和生產(chǎn)，反映和代表一個(gè)國(guó)家工業(yè)化的水平。隨著蒸汽參數(shù)的不斷提高，超超臨界火電機(jī)組的熱效率不斷提高，電廠 污染物的排放進(jìn)一步減少。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和材料技術(shù)的發(fā)展，超超臨界汽輪機(jī)的主蒸 汽溫度達(dá)到700 C即將成為現(xiàn)實(shí)，研發(fā)高效率、高可靠性超超臨界火電機(jī)組現(xiàn)已成為國(guó)際上 先進(jìn)火電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。參考文獻(xiàn)：1 水利電力部科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所國(guó)外超臨界壓力機(jī)組文集C.1986.2 上海汽輪機(jī)有限公司.國(guó)外超臨界汽輪機(jī)譯文集C.2000.3 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所.1000MW火電機(jī)組文集C.1996.4 Hiroyuki Abe. Development of USCPower Plants J. The Thermal And Nuclear Power，1987, 38(3) :1728. 張素心，陽(yáng) 虹，姚祖安.超臨界汽輪機(jī)的開(kāi)發(fā)與展望 J.上海汽輪機(jī),2002(1),15 22. 呂偉業(yè)，湯蘊(yùn)琳，方 正.中國(guó)火電結(jié)構(gòu)優(yōu)化和技術(shù)升級(jí)研究概論J.電力建設(shè),2002,23(11):9 22.7史進(jìn)淵，施圣康，嚴(yán)宏強(qiáng).電站汽輪機(jī)功率和參數(shù)的新發(fā)展J.動(dòng)力工程,2001,21(3):1185 1188.汽輪機(jī)對(duì)于