超超临界燃煤发电技术的发展历程
超超临界燃煤发电技术的发展历程
从上个世纪50年代开始，世界上以美国和德国等为主的工业化国家就已经开始了对超临界和超超临界发电技术的研究。经过近半个世纪的不断进步、完善和发展，目前超临界和超超临界发电技术已经进入了成熟和商业化运行的阶段。 世界上超临界和超超临界发电技术的发展过程大致可以分成三个阶段：
第一个阶段，是从上个世纪50年代开始，以美国和德国等为代表。当时的起步参数就是超超临界参数，但随后由于电厂可靠性的问题，在经历了初期超超临界参数后，从60年代后期开始美国超临界机组大规模发展时期所采用的参数均降低到常规超临界参数。直至80年代，美国超临界机组的参数基本稳定在这个水平。 第二个阶段，大约是从上个世纪80年代初期开始。由于材料技术的发展，尤其是锅炉和汽轮机材料性能的大幅度改进，及对电厂水化学方面的认识的深入，克服了早期超临界机组所遇到的可靠性问题。同时，美国对已投运的机组进行了大规
模的优化及改造，可靠性和可用率指标已经达到甚至超过了相应的亚临界机组。通过改造实践，形成了新的结构和新的设计方法，大大提高了机组的经济性、可靠性、运行灵活性。其间,美国又将超临界技术转让给日本（GE向东芝、日立，西屋向三菱），联合进行了一系列新超临界电厂的开发设计。这样，超临界机组的市场逐步转移到了欧洲及日本，涌现出了一批新的超临界机组。
第三个阶段，大约是从20世纪九十年代开始进入了新一轮的发展阶段。这也是世界上超超临界机组快速发展的阶段，即在保证机组高可靠性、高可用率的前提下采用更高的蒸汽温度和压力。其主要原因在于国际上环保要求日益严格，同时新材料的开发成功和和常规超临界技术的成熟也为超超临界机组的发展提供了条件。主要以日本（三菱、东芝、日立）、欧洲（西门子、阿尔斯通）的技术为主。这个阶段超超临界机组的发展有以下三方面的趋势：
1）蒸汽压力取得并不太高，多为25MPa左右，而蒸汽温度取得相对较高，主要以日本的技术发展为代表。近期欧洲及日本生产的新机组，大多数机组的压力保持在25MPa左右，进汽温度均提高到了580℃~600℃左右。
2）蒸汽压力和温度同时都取较高值（28MPa~30MPa，600℃左右），从而获得更高的效率。主要以欧洲的技术发展为代表。部分机组在采用高温的同时，压力也提高到27MPa以上。压力的提高不仅关系到材料强度及结构设计，而且由于汽轮机排汽湿度的原因，压力提高到某一等级后,必须采用更高的再热温度或二次再热循环。近年来，除了丹麦两台二次再热机组外，提高压力的业绩主要来源于1998年以后西门子公司的产品。
3）更大容量等级的超超临界机组的开发。为尽量减少汽缸数，大容量机组的发展更注重大型低压缸的开发和应用。日本几家公司和西门子，阿尔斯通等在大功率机组中已开始使用末级钛合金长叶片。
为了发展高效率的超超临界机组，从80年代初开始美国、日本和欧洲都投入了大量财力和研究人员开展了各自的新材料研发计划，这些材料分别针对不同参数级别的机组，如593℃（包括欧洲的580℃机组和日本的600℃机组）级别、620℃级别、650℃级别和正在研发之中的更高温度机组。新开发的耐热材料在投入正式使用之前进行了大量的实验室和实机验证试验。到目前为止欧洲已经成功投运了主汽温度为580℃的超超临界机组，日本投运了主汽温度为600℃的机组，从材料的实机验证结果来看，国际上目前成熟的材料已经可以用于建造620℃的机组，而据日本最新的报导称已经可以提供650℃机组所需的关键部件材料。
据统计，目前全世界已投入运行的超临界及以上参数的发电机组大约有600多台。其中在美国有170多台，日本和欧洲各约60台，俄罗斯及原东欧国家280余台。目前发展超超临界技术领先的国家主要是日本、德国和丹麦等，世界范围内属于超超临界参数的机组大约有60余台。近年来在日本和欧洲投运的主要超超临界机
组见表2-1和表2-2。
表2-1 日本1993年以来投运的主要超超临界机组
电厂电力公司容量MW蒸汽参数MPa/℃/℃/℃投运日期
碧南Hekinann ＃3Chubu70024.6/538/5931993-4
能代Noshiro ＃2Tohoku60024.6/566/5931994-12
七尾太田Nanao-Ohta #1Hokuriku50024.6/566/5931995-3
Reihoku #1Kyushu70024.1/566/5661995-7
原汀Haramachi #1Tohoku100025/566/5931997-7
松浦Matsuura #2EPDC100024.6/593/5931997-7
三隅 Misumi #1Chugoku100025/600/6001998-6
原汀 Haramachi #2Tohoku100025/600/6001998-7
七尾太田Nanao-Ohta #2Hokuriku70024.6/593/5931998-7
碧南Hekinann ＃4Chubu100024.6/566/5932001-11
碧南Hekinann ＃5Chubu100024.6/566/5932002-11
敦贺Tsuruga #2Hokuriku70024.6/593/5932000-10
橘湾Tachibana-wanShikoku70024.6/566/5662000-7
Karita #1(PFBC)Kyushu35024.6/566/5932000-7
苓北Reihoku #2Kyushu70024.6/593/5932003-7
橘湾Tachibana-wan #1EPDC105025/600/6102000-7
橘湾Tachibana-wan #2EPDC105025/600/6102001-7
Isogo (新#1)EPDC60025.5/600/6102002-4
常陆那珂Hitachinaka #1Tokyo100024.5/600/6002002
舞鹤Maizuni #1Kansai90024.1/593/5932003
舞鹤Maizuni #2Kansai90024.1/593/5932003
表2-2 近期在欧洲投运的超超临界机组
电 厂国 家燃 料容量蒸汽参数MPa/℃/℃/℃投运日期
Skaerbaek #3丹麦气41129/582/580/5801997
Nordjyllands #3丹麦煤41129/582/580/5801998
Avedore丹麦油/煤41030/580/6002000
SchoPau A,B褐煤45028.5/545/5601995-6
Schwarze Pumpe A,B德国褐煤87425.3/544/5601997-8
Boxberg Q,R德国褐煤91025.8/541/5801999-2000
Lippendorf R,S德国褐煤93026.0/550/5801999-2000
Bexbach #2德国煤75025/575/5951999
Niederausem K德国褐煤102526.5/576/5992002
分析国外超超临界机组发展历程和现状，可以得到非常有益的结论：
l早期（50年代末）以美国为代表，更注重提高初压（30MPa或以上）,并采用两次再热。使结构与系统趋于复杂，运行控制难度趋于提高，机组可用率下降。因此，美国早期只生产了三台超超临界机组之后便停止生产。到80年代，又退回到超临界参数。
l中期（80年代末）日本由川越电厂31MPa/654℃/566℃/566℃超超临界为代表，走的是一条从引进到自主开发，有步骤、有计划的发展之路。
l近期（90年代始），日本由川越电厂31MPa/654℃/566℃/566℃超超临界参数，压力调整为（24～25）MPa，温度由566℃/593℃稳步上升为600℃/600℃的发展方向，取得了显著的成功。
l德国等欧洲国家（丹麦除外）超超临界机组的压力在（25～28）MPa范围，温度也上升为580℃/600℃及600℃/600℃。
l丹麦的超超临界机组追求技术上可能达到的最高效率而不计成本，压力接近30MPa，温度为580℃/600℃或580℃/580℃/580℃，倾向于采用二次再热。 l采用二次再热的超超临界机组，除了早期美国的三台机组外，只有日本川越两台（1989年）和丹麦的机组。采用两次再热可使机组的热效率提高1％～2%，但也造成了调温方式、受热面布置、结构等的复杂性，成本明显提高。因此，除早期投运的少数超超临界机组机组外，无论是日本还是欧洲都趋向于采用一次再热。 l90年代中期以来，世界上已建和在建的超超临界机组的参数和容量的发展有两个特点：一是欧洲的国家在建设大容量火力发电机组时以追求机组的高效率为主要目标，在提高蒸汽温度的同时，蒸汽压力也随之提高，主蒸汽压力为(25～
28)MPa，主蒸汽温度为580℃居多，再热蒸汽温度为(580～600)℃，大多采用一次再热。日本的超超临界机组在大幅度提高机组容量的时候，主要是提高机组的蒸汽温度，而蒸汽压力基本保持在25MPa，日本这种对超超临界机组蒸汽参数（较低的蒸汽压力和较高的蒸汽温度）的选择主要是基于技术经济的考虑。
l锅炉布置型式按各公司传统，有Π型布置及半塔型布置。日本超超临界锅炉全部采用П型布置，德国、丹麦全部采用塔式布置，这主要是各自的传统技术所决定的。
l燃烧方式按各公司传统，有切圆燃烧和对冲燃烧。日本IHI、日立公司制造的超超临界П型炉均采用了前后墙对冲燃烧方式，三菱重工的锅炉燃烧方式全为八角双切园燃烧方式，两种燃烧方式都是为了减少炉膛出口烟温偏差。欧洲的超超临界塔式炉不存在烟温偏差问题，燃烧方式既有四角切园燃烧，又有对冲燃烧，还有个别的八角双切园燃烧和八角单切园燃烧。
l水冷壁型式早期为垂直管屏，90年代后，除日本三菱公司采用内螺纹垂直管外，
l德国等欧洲国家（丹麦除外）超超临界机组的压力在（25～28）MPa范围，温度也上升为580℃/600℃及600℃/600℃。
l丹麦的超超临界机组追求技术上可能达到的最高效率而不计成本，压力接近30MPa，温度为580℃/600℃或580℃/580℃/580℃，倾向于采用二次再热。 l采用二次再热的超超临界机组，除了早期美国的三台机组外，只有日本川越两台（1989年）和丹麦的机组。采用两次再热可使机组的热效率提高1％～2%，但也造成了调温方式、受热面布置、结构等的复杂性，成本明显提高。因此，除早期投运的少数超超临界机组机组外，无论是日本还是欧洲都趋向于采用一次再热。 l90年代中期以来，世界上已建和在建的超超临界机组的参数和容量的发展有两个特点：一是欧洲的国家在建设大容量火力发电机组时以追求机组的高效率为主要目标，在提高蒸汽温度的同时，蒸汽压力也随之提高，主蒸汽压力为(25～
28)MPa，主蒸汽温度为580℃居多，再热蒸汽温度为(580～600)℃，大多采用一次再热。日本的超超临界机组在大幅度提高机组容量的时候，主要是提高机组的蒸汽温度，而蒸汽压力基本保持在25MPa，日本这种对超超临界机组蒸汽参数（较低的蒸汽压力和较高的蒸汽温度）的选择主要是基于技术经济的考虑。
l锅炉布置型式按各公司传统，有Π型布置及半塔型布置。日本超超临界锅炉全部采用П型布置，德国、丹麦全部采用塔式布置，这主要是各自的传统技术所决定的。
l燃烧方式按各公司传统，有切圆燃烧和对冲燃烧。日本IHI、日立公司制造的超超临界П型炉均采用了前后墙对冲燃烧方式，三菱重工的锅炉燃烧方式全为八角双切园燃烧方式，两种燃烧方式都是为了减少炉膛出口烟温偏差。欧洲的超超临界塔式炉不存在烟温偏差问题，燃烧方式既有四角切园燃烧，又有对冲燃烧，还有个别的八角双切园燃烧和八角单切园燃烧。
l水冷壁型式早期为垂直管屏，90年代后，除日本三菱公司采用内螺纹垂直管外，
其余全部采用螺旋管圈。
l已投运的1000MW级超超临界机组以双轴机组居多，但随着汽轮机超长末级长叶片的开发应用，大容量单轴机组已成为发展的趋势。