超超臨界二次再熱汽輪機發展綜述

王建錄，張曉東（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

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超超臨界二次再熱汽輪機發展綜述

王建錄，張曉東
（東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000）

摘要：文章概述了汽輪機二次再熱技術的發展歷程，當前我國超超臨界二次再熱汽輪機技術研發情況，并重點介紹了我國首臺超超臨界二次再熱汽輪機技術特點及運行情況，對未來二次再熱汽輪機技術發展方向和典型機型進行了探討。

關鍵詞：超超臨界，二次再熱，技術發展

0 前言

在我國未來能源發展改革中，能源消費總量控制、煤炭清潔高效利用、大力發展清潔能源、能源體制改革是主要內容。我國資源特點導致能源消費以煤為主，燃煤能源消費即便實施總量控制，預計到2020年比重仍將高達62%，其中電煤消費即燃煤電站能源比例也高于60%。煤炭清潔高效利用對我國能源戰略具有極為重要的意義。

發電是煤炭清潔高效利用的最主要方向，提高燃煤機組效率是永恒的主題。我國自1993年開始研究超超臨界發電技術，經歷了22年發展歷程，受材料技術的限制，超超臨界燃煤發電技術仍保持在25 MPa/600℃/600℃的水平上，與其他先進發電技術相比，超超臨界汽輪機熱效率還須進一步提高。東汽引進日立技術開發設計的25 MPa/600℃/600℃型660 MW和1 000 MW超超臨界汽輪機，擁有了完整的設計體系、相應的制造及加工工藝，以鄒縣、海門為典型代表的機組已經取得了良好的運行業績。

機組的蒸汽參數是決定機組熱效率、提高熱經濟性的重要因素，提高蒸汽參數（壓力和溫度）采用再熱系統，選擇再熱次數都是提高機組效率的有效方法。燃煤機組的發展中，溫度一直是技術進步的重要指標。據測算，主蒸汽壓力每提高1 MPa，熱效率可相對提高0.2%～0.25%，主蒸汽溫度每提高10℃，熱效率可相對提高0.25%～0.30%，再熱蒸汽每提高10℃，熱效率可相對提高0.15%～0.2%。如果增加機組的再熱次數，采用二次中間再熱，其熱效率可比采用一次中間再熱機組相對提高2%[1]。東汽自2010年起自主開發了新一代蒸汽參數為28 MPa/600℃/620℃的高效一次再熱機組，機組從熱力系統、結構設計、通流技術等方面進行了優化，并在六橫、萬州等項目成功投運。

這些機組的技術積累、制造技術、運行經驗為東汽進一步提升機組參數，開發更高效的二次再熱機組奠定了基礎。

1 二次再熱技術及其在國外發展情況

燃煤機組采用二次再熱可以在同初參數（壓力、溫度）下，使熱經濟性相對一次再熱機組提高2%左右[1]；中間再熱循環的增益隨著蒸汽初壓的提高呈增加趨勢，因此二次再熱機組通常在高壓力（大于25 MPa）時使用。國外制造廠家早已開始了此方面的嘗試，據不完全統計，全球至少有52臺以上二次再熱機組投運，其中美國23臺、日本13臺、歐洲13臺[2]。

第一臺二次再熱汽輪機誕生于1957年美國philo電廠，盡管機組功率僅125 MW，但參數達到超超臨界參數31 MPa/621℃/566℃/566℃[3]。1959年，美國Eddystone電廠1號機組投產，機組容量為325 MW，參數為34.3 MPa/649℃/565℃/565℃。該機組投運一度刷新了火力發電機組最大出力、最高效率、最高溫度、最高壓力多項記錄，風光無限，然而隨后高溫材料暴露出的若干嚴重問題導致其降溫降壓運行。美國因此暫緩了其超超臨界燃煤機組的進一步發展，同時根據其能源特點轉為大規模發展燃氣電站等清潔能源動力。

現在談到國外二次再熱機組，最引人注目的是日本的川越電廠[3]和丹麥Nordjylland電廠。日本在1989年和1990年在川越投運了2臺參數31 MPa/566℃/566℃/566℃，功率700 MW的二次再熱機組，熱效率達到41%[4]。丹麥在Nordjylland電廠的2臺超超臨界二次再熱機組于1998年后相繼投入運行（見圖1），參數29 MPa/582℃/580℃/580℃，功率410 MW，供熱，汽輪機由ABB制造，熱效率達到44%。

圖1　丹麥Nordjylland電廠汽輪機布置示意圖

從國外二次再熱機組發展來看，基本貫穿20世紀后半葉，美國機組主要集中于20世紀50、60年代，日本集中在70、80年代，丹麥機組建成于世紀交替之時。二次再熱機組集中建成時間基本都是在歐、美、日等國經濟發展急劇上升期、工業發展迅猛時，而能源結構尚未完成轉型。美國燃氣能源消費取代燃煤消費，歐洲以法國為代表的國家采用核能代替燃煤機組，丹麥等國以風電為主的清潔能源也逐步取代了燃煤機組。筆者在丹麥調研時，DONG能源公司下屬某電站甚至集常規供熱機組、燃氣-蒸汽聯合循環機組、燒麥稈供熱鍋爐、風力發電于一體，形成復合熱力系統，成為綜合效應良好的現代化電站。環保壓力，清潔能源利用，經濟發展平緩，明顯抑制了國外燃煤機組的發展，尤其是二次再熱機組的進一步發展。

2 國內二次再熱技術研制概況

結合我國能源特點，“十一·五”期間，各大電力設備制造廠家及電廠紛紛加快了高效燃煤機組的研制。2009年起，東汽利用其擁有的國家級高溫長壽命材料試驗室條件，加快了滿足620℃等級要求的高溫材料研究，成功開發了新12Cr材料。同期國內開始了620℃等級高參數燃煤機組研制，以及基于620℃等級的二次再熱機組研發。在2010～2011年期間，行業內先后提出了提高初壓（30 MPa、31 MPa、35 MPa），提高再熱溫度（605℃、610℃、620℃）的構想，并從熱力循環理論、材料制造水平、設備結構特點、投資成本等方面全方位進行了論證分析，形成了國內二次再熱超超臨界參數暫定31 MPa/600℃/620℃/620℃的初步共識。

2012年底到2013年初，國內部分電力企業積極推動了首批二次再熱技術工程應用進程，確定了一系列工程項目落地實施，其中最為典型的當屬國電泰州2×1 000 MW機組和華能安源660 MW（見表1）。

表1　國內典型二次再熱機組數據

2015年6月27 日，我國首臺二次再熱機組在江西安源電廠投運，8月23日該電廠2#機組投運，我國首個二次再熱電站建成投運，揭開了我國能源利用和中國制造新篇章。該電廠首次采用高參數超超臨界二次再熱技術，汽輪機、發電機由東汽、東電提供，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠提供，電廠系統、機組設備均由國內廠家自主研制，長著一顆純正的中國“芯”。該機組的投運打破了國外技術壁壘，標志著我國燃煤機組技術的新突破，探索出了新的提高效率之路——燃煤機組二次再熱技術。

3 我國首臺超超臨界二次再熱汽輪機技術概況

華能安源項目作為國內首個高參數超超臨界二次再熱機組，試運行期間，電廠機組主要技術經濟指標達到國內領先水平，平均供電煤耗比2014年國內同容量一次再熱機組平均水平低19.97 g/kW·h。該項目汽輪機主要參數均按世界最高等級進行設計，尤其是再熱溫度雙雙達到620℃，目前尚屬世界首例。

3.1 機組主要技術規范（見表2）

表2　東汽安源項目技術規范

3.2 機組主機結構[5]

該機組采用四缸四排汽，總體設計方案繼承了東汽既有機組成熟安全的設計理念。從機頭到機尾依次為1個單流超高壓缸，1個合缸反向布置的高中壓缸，2個雙流低壓缸，主汽閥懸掛于機頭側運行平臺下，再熱主汽調節閥布置在運行平臺兩側，產品模型及電廠實景如圖2所示。

圖2　安源機組模型及實景[5]

3.3 二次再熱汽輪機關鍵技術

同常規超超臨界一次再熱相比，安源二次再熱機組設計難度更大，在多個汽輪機技術領域填補了國內技術空白，其中主要關鍵技術研發工作包括：

熱力系統研究：如何結合材料、制造、結構、成本在內的熱力系統優化研究，再熱參數、回熱系統論證研究等。

高溫材料研究：新12Cr鑄鍛件開發、耐高溫葉片鋼、高溫螺栓鋼研制，異種材料焊接研究，材料特性如強度、蠕變特性、脆性、抗氧化性能研究，高溫部件疲勞壽命分析。

耐高壓閥門研制：耐高溫閥門材料應用研究，具有專利授權的自密封閥門結構設計。

耐高壓汽缸研制：自主研發能承受更高壓力的筒形汽缸，獨特壓力場、溫度場設計保證汽缸運行安全可靠和長時壽命。

高效通流技術研究：結合二次再熱機組各缸焓降分配與一次再熱機組差異進行針對性研究，通過數值分析、試驗研究和運行數據調研結合進行通流效率提升。特別是，二次再熱超高壓缸壓力高、容積流量明顯小于一次再熱機組高壓缸，導致葉片偏短，如何實現短葉片高效化是其主要設計難點。

機組軸系穩定性研究：針對二次再熱高壓力高溫度，蒸汽能量密度大的特點進行研究分析，結合超超臨界機組投運經驗，優化軸系參數，汽封選型，增設防旋汽封等措施保障軸系穩定性。

汽輪機啟動運行研究：結合轉子熱應力和疲勞壽命分析、汽缸流場熱固耦合溫度場分析、機組冷熱態滑銷系統研究、鍋爐啟動運行特性、機組旁路配置，綜合制定機組啟動運行控制策略，保證機組快速啟停。

3.4 投運情況

安源項目機組投運總體順利，機組試運行期間，主、輔設備和系統運行穩定，各項性能指標達到設計要求。

機組溫度場合理，溫差較小，可預知高溫部件熱應力較小；啟動全程溫差較小，可見機組啟動熱應力小、壽命消耗有限。超高壓、高壓內缸內外壁溫差小于40℃，啟動過程溫差小于60℃；超高壓、高缸外缸前、中、后部內外壁溫差小于10℃；內外缸夾層上下半溫差普遍小于10℃。機組各支持軸承溫度分布于60～85℃內，推力軸承各測點溫度在65℃～75℃內，均符合設計預期。

通常而言二次再熱機組高能量密度帶來的氣流激振風險增加，機組軸系設計較常規難度略大。安源項目軸系設計合理，運行平穩，振動指標優秀，見表3。

表3　機組實際振動指標 μm

機組運行已接近半年，經歷多次啟停檢驗，也證明了機組在各工況下的啟停運行技術成熟，與鍋爐性能匹配合理，滿足工程應用需求。

4 二次再熱技術發展方向

二次再熱機組投運成功后，國內企業如何利用好已掌握的二次再熱技術加快火電技術升級，為我國能源清潔化做出貢獻呢？東汽在此方面做出了積極的工作，首先，基于現有材料技術在620℃等級參數下全面推進二次再熱技術系列化，其次，深入開展高溫材料研究工作，推進高溫材料國產化，此外，加快了更高參數的二次再熱機組研究工作。

4.1 620 ℃等級系列二次再熱機型

二次再熱汽輪機技術在熱力循環上的收益是一定的，因此該項技術應用在其他邊界條件下的機組中，其收益基本不變，供熱機型、空冷機組亦可以采用本項技術。尤其是我國富煤區，通常采用遠距離輸電，負荷較高，采用二次再熱技術是可行的，在技術上并無障礙。東汽為此開發了五缸四排汽660 MW二次再熱機組（高、中壓分缸）、660 MW等級采用863 mm（或1 030 mm）末葉的三缸兩排汽直接空冷（或間冷）二次再熱機組（高、中壓分缸）、1 000～1 200 MW等級采用1 200 mm末葉的單軸五缸四排汽機組（高、中壓分缸，如圖3所示）、1 300 MW等級采用1 400 mm末葉的單軸五缸四排汽機組（高、中壓分缸）、1 350 MW等級分軸二次再熱機組。

圖3　東汽1 000 MW等級二次再熱機型

4.2 620 ℃等級以上高溫材料研究

高參數二次再熱機組與一次再熱相比，鍋爐系統、高溫管道布置、汽輪機結構復雜化，造價明顯上升。有資料表明，容量為1 000 MW的二次再熱機組總投資估計需增加4.4億元人民幣[6]，相當于提高1%效率成本達到2.2億人民幣，投入產出未見明顯優勢。究其原因主要是高溫部件成本高，依賴進口，因此高溫材料的進一步深入研究和國產化工作是高參數機組更廣泛應用的基礎。

我國超超臨界燃煤機組高溫材料長期依賴進口，因此在620℃及以上等級技術研究初期，東汽就提出了研究最終要推動國產化的目標。目前不僅進口新12%Cr鑄鍛件（FB2、CB2）長時持久蠕變試驗已接近40 000 h，國產鑄鍛件試驗時間也接近30 000 h（國產鍛件試樣及試驗數據如圖4所示）。試驗表明，國產件與進口件性能相當。部分國產新12Cr鑄件（CB2）已在工程鑄件中應用。

圖4　國產鍛件試樣及試驗數據

4.3 700 ℃/650℃等級二次再熱機組研發中可能的技術影響

根據目前全球技術發展狀況，進一步提高機組參數到700℃等級是具有可行性的。歐美有“AD700”計劃[7]，美國有“760℃-USC”計劃，日本有“A-USC”計劃，我國亦有700℃聯盟持續推進技術開發。日本MHPS（原三菱公司）也于2013年公布了其1 000 MW 700℃等級二次再熱機組技術開發思路及其機組縱剖面示意圖[8]，如圖5所示。

圖5　日本MHPS公司700℃1 000 MW二次再熱機型

考慮歐洲“AD700”計劃一再推遲，綜合國內部分研究成果，筆者認為盡管700℃等級下二次再熱技術熱經濟性收益更為明顯，但受制于高溫鎳基材料進口等限制，700℃等級二次再熱機組相對一次再熱機組絕對成本上升幅度較大，僅汽輪機增加一次再熱導致的中壓閥門、中壓汽缸、中壓轉子、高溫靜動葉等制造成本將超過1.8億元，且未計入鍋爐成本、再熱管道成本等。有資料表明，700℃下燃煤機組單位千瓦造價將超過燃氣輪機機組，市場競爭力，節能效果值得商榷。

事實上，即便將參數退到650℃，依然會存在同700℃等級一樣的造價問題。由于采用650℃等級參數，汽輪機鑄鍛鋼可采用鐵鎳合金，機組造價必然有所下降，但其也將面臨材料研制、成本控制問題，高參數對汽輪機通流效率、高溫部件壽命影響等問題。

目前東汽已開展了大量700℃/650℃等級機組材料研究工作，初步確定了滿足機組要求的高溫鑄鍛件，完成了35 MPa～40 MPa/630℃（700℃）/650℃（720℃）一次再熱機型（如圖6所示）和該參數下二次再熱機型研究。筆者認為，短期內國內研究也將以示范650℃等級一次再熱燃煤機組技術為宜。

圖6　東汽650℃等級1 000 MW一次再熱機型

5 結束語

東汽自主研制的國內首臺660 MW超超臨界二次再熱機組的成功投運，證明了東汽自主研發的思路、方法是正確的，東汽已基本掌握了二次再熱技術的核心技術，為我國實現燃煤機組升級換代，實現能源清潔化探索出了新的道路。

燃煤機組進一步節能減排提高機組蒸汽參數，采用二次再熱技術是一種趨勢，但需要在材料研究等方面做更多的工作，尤其是高溫材料國產化，成本合理化是下一步汽輪機技術再上臺階的基礎。

參考文獻

[1]中國動力工程學會,主編.火力發電設備技術手冊:第二卷:汽輪機[M].北京:機械工業出版社,1998.

[2]陳顯輝,譚銳,張志勇,等.東汽超超臨界二次再熱660 MW汽輪機熱力設計特點[J].東方汽輪機,2014,(4):1-5.

[3]T.Fushimi.川越火電運行經驗[J].國際電力,1997,(4):35-40.

[4]余炎,劉曉瀾,范世望.二次再熱關鍵技術分析及探討[J].熱力透平,2013,(2):69-72.

[5]張曉東,方宇,唐清舟,等.660 MW超超臨界二次再熱汽輪機結構特點[J].東方汽輪機,2015,(2):1-6.

[6]毛健雄.超超臨界技術的發展[C].中國動力工程學會第九屆超超臨界機組技術交流2015年年會.

[7]Torsten-UIF KERN,Marc STAUBLI,Brendon SCARLIN.The European Efforts in Material Development for 650℃USC Power Plants-Cost522,ISIJ international,vol.42(2002),No.12,pp.1515-1519.

[8]Takeo Takahashi,Takeo Suga,Shogo Iwai and Shigekazu Miyashita.Development of Steam Turbine for 1 000 MW A-USC Power Plant,(ICOPE-13) Oct 23-27,2013,Wuhan,China.

Development of Ultra-supercritical Double-reheat Steam Turbine

Wang Jianlu,Zhang Xiaodong
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Abstract:This paper introduces the evolution of double-reheat turbine technology,the development of the ultra-supercritical doublereheat turbine technology in China，and mainly introduces the technical charateristic and operation conditions of the first ultra-super?critical double-reheat turbine unit made by DTC in China.The new development direction and typical models of the double-reheat steam turbine designed by DTC is discussed in this paper.

Key words:ultra-supercritical，double-reheat，development of technology

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.001

作者簡介：王建錄（1961-），男，研究員級高工，東方汽輪機有限公司副總經理，總工程師，長期從事透平機械技術研究工作。

中圖分類號：TK262

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9987（2016）01-0001-06