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国外超临界压力火力发电机组

江河水编译

 

目录

第一部分 国外超临界压力机组发展概况

第一章 美国


一.美国发展超临界压力机组的原因
1.超临界比亚临界压力机组具有更好的技术经济效益
2.节约能源
3.适应大机组发展的需要

.美国各个时期超临界压力机组发展概况
三.单机容量
四、蒸汽参数
五、美国超临界压力机组生产下降分折


第二章 日本

一.日本发展超临界压力机组前的准备工作
二、采用超临界压力机组的必要性和可行性研究 (2b)
三.日本超临界压力机组发展概况

第三章 苏联

一.苏联超临界压力机组发展概况
二.苏联超临界压力机组的若干特点
三.
苏联各种容量进超临界压力锅炉的特性 (3c)


第四章 西德


一、西德超临界压力机组发展概况 [57]-[61 (4a)
1. 西德电力工业发展情况
2.西德超临界压力机组的特点[60],[62

二a.西德各个时期生产的超临界压力典型机组(4b)
二b
.西德各个时期生产的超临界压力典型机组(4c)(续前)

第二部分 大机组的单机容量和蒸汽参数

第一章 单机容量

一.美国电站锅炉单机容量的发展概况
1.美国各个历史时期的发展情况
2.美国火电设备单机容量下降的原因

二.其它国家电站锅炉单机容量发展概况(包括日本、苏联、西德和英国)
三.发展大容量机组的优点
四.若干国家机组容量发展的比较

第二章 蒸汽参数

一.若干国家蒸汽参数发展历史的回顾
二.蒸汽参数发展的总趨势

第三部分 各种超临界压力锅炉的炉型特点和典型机组概况

第一章 超临界压力UP直流锅炉

一.发展历史回顾
二.设计中的若干具体问题
1.工质流程
2.炉膛结构

三.典型机组概况

第二章超临界压力复合循环锅炉

一.概述
二.主要特点
三a.设计中的若干具体问题

三b.设计中的若干具体问题(续前)
四.典型机组概况

第三章 超临界压力苏尔寿锅炉

一.发展历史回顾
二.主要设计特点
三.典型机组概况


第四章 超临界压力FW型锅炉

一.主要特点
二.典型机组概况


第五章 变压运行的超临界压力锅炉

一.对变压运行超临界压力机组的概述
二.变压运行超临界压力机组的基本技术
三.典型机组概况

第四部分 国外早期超临界压力机组的运行情况及其主要技术问题

第一章 国外早期超临界压力机组的运行情况

一、概况
二、早期机组运行不隹的征兆-可用率低
三、早期机组调峰性能差
四.早期机组啟动热量损失大,啟动时间长
五、运行费用偏高
六、发电成本高


第二章 国外早期超临界压力机组的主要技术问题

一 设计问题
二 制造工艺问题
三 钢材问题
四水处理问题
五 阀门问题


第五部分 发展超临界和亚临界压力机组的经济和技术比较

第一章 发展超临界和亚临界压力机组的经济性比较

一.经济性比较的方法和侧重点
二.燃料消耗的比较
三.基本建设费用的比较
四 发电成本的比较
五 经济比较的结论


第二章 超临界和亚临界压力机组的技术比较较

一.超临界压力机组的可靠性问题
二.技术比较的结论

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第二部分 大机组的单机容量和蒸汽参数 (4)

1(2(3)(4)

第一章    单机容量

第二章 蒸汽参数

一.若干国家蒸汽参数发展历史的回顾

1.美国 [2]、[4]—[12]、[19]、[20]、[112]、[113]、[120.1

1) 从40年代起便开始采用亚临界压力机组

美国早在1940年便在特温布朗奇电站的7.3万千瓦机组上采用了亚临界参数。从那以后,经过长年累月的运行经验的积累,从1955年开始正式在大机组上实际采用亚临界参数。
图2—1是美国1955—1962年每年制造亚临界压力机组(169公斤/厘米2)的容量和台数。过去这种169公斤/厘米2级的机组汽温多采用566℃。但在1964年以后,双倾向于采用538℃级的机组。

2)发展超临界压力机组的概况

美国是发展超临界压力机组历史较早、速度最快和规模最大的国家。从50年代后期开始发展超临界压力机组。世界公共电站第一台超临界压力机组,1957年在美国菲洛电站No。6机组投运(316大气压,621/566/538℃)。在1959年美国又投运了第二台超临界压力机组(阿逢电站No8,25万千瓦,250大气压,593/566℃)。从1960年开始又投运了多台大容量超临界压力机组,如爱迪斯顿电站No1机组采用了更高的蒸汽参数(350大气压,660/565/565℃)。由于当时的超临界压力机组尚处在发展初期,运行中曾出现了较多的问题,如高温腐蚀和泄漏等,这座电站运行三年后,只得将蒸汽初温降低至604℃,到1962年左右便基本上很少采用超临界参数了。
随着超临界压力机组的逐步发展和完善,且由在美国燃料价格较贵等原因,从1964年开始,美国又掀起了一股“超临界压力机组热”,许多锅炉制造厂都争先恐后,倾其全力地制造超临界压力机组,但所用参数稍微降低了一些。
一般来说,美国超临界压力机组的发展并不是一帆风顺的。如前所述,1967年以前发展异常迅猛,到1962年时,由于某些机组出现了若干问题,暂时停了一段时间。1963年后,作了一些调整,又开始了更大规模和更加迅猛地发展。1963—1971年是美国发展超临界压力机组的全盛时期。美国1963年以后,尽管超临界压力机组重新获得广泛应用,但仍旧存在较多的问题。尤其是燃煤机组,锅炉炉内问题较多,如存在结渣、飞灰腐蚀、再热器和省煤器堵塞等问题。这些问题对或靠性和可用率都有一定的影响。美国的燃煤大机组差不多全用超临界参数,都或多或少地碰到结渣,尽管采用了一些技术措施如加大灰斗,改用空气式吹灰器等办法,但仍难从根本上解决问题。因此,美国从1971年后,又出现了部分从超临界参数后退的倾向。

3)超临界压力机组蒸汽参数发展的特点

如前所述,60年代是美国发展超临界压力机组的黄金时代。其发展规模和速度在世界各国中遙遙领先。此时在蒸汽参数方面有下列特点:

(1)蒸汽温度稍有降低

如1966年美国“燃烧”杂志第八期上有一篇论文认为,一般将蒸汽温度限制在530-540℃范围,主要是因为奥氐体钢价格高的缘故。今后,如这种钢材的价格能相应降低一些的话,蒸汽温度便有可能重新升上去。从下列统计数字可以清楚看出蒸汽温度下降的情况:
美国从1952—1962年的316台带中间再热的超高压大型锅炉中284台(90%)二次再热汽温为538℃,其中207台(65.5%)为538/538℃,只有77台(24.4%)为565/538℃。
到1963年,美国的这种蒸汽温度下降趨势更加明显。再热汽温几乎都是538℃,新汽温度中538℃的也占了优势。如1960—1962年开始运行的155台中,有150台(97%)的再热汽温为538℃,其中107台(69%)为538/538℃,43台(28%)为565/538℃。
到1965年,这种蒸汽温度下降的趨势已进一步稳定下来。新汽温度已基本上由565℃退到了540℃.? 540℃的机组占了全部机组的82%。美国人认为,根据当时的技术水平,从投资费用和运行可靠性考虑,汽温超过540℃是不经济的。
分折表明,蒸汽温度选择得高,必然引起过热汽温和再热汽温的上升。对大机组而言,便必须选择高级的过热器钢材,并会出现一些相应的设计结构问题。高温腐蚀的加剧,大量奥氐体不锈钢的采用,会明显地影响锅炉的投资费用和设备的可用率。

图2-1 1955—1965年美国锅炉蒸汽参数变化的情况

图2—3 日本1926—1966年电站蒸汽参数的变化情况

美国早期投运的过高蒸汽温度的锅炉的运行经验表明,大量采用565-570℃的汽温是不经济的。1963年的经济分折也表明,在当时的条件下,将汽温从570℃降到538℃是合理的。故1962-1965年美国新设计的60-90万千瓦超临界压力锅炉中过热器出口温度也降低到了537℃左右。

(2) 蒸汽压力基本上稳定在246公斤/厘米2

美国根据1957-1963年第一批超临界压力试验机组取得的经验,同时经过多方面的技术经济论证,确认1963年后的超临界压力机组采用246公斤/厘米2的新汽压力是合理的和可靠的。

(3)美国为了弥补降低新汽温度后对电站热效率的影响,大机组普遍采用两次再热。


2. 日本 [13],[15],[16],[18],[19]—[21]

1)发展超临界压力机组前蒸汽参数的变化

日本1926-1966年公共电站和自备电站采用的蒸汽参数的变化情况如图2-3和图2-4所示。
日本在战前和战后漫长的一段时间内,公共电站的蒸汽参数均为45公斤/厘米2,450℃的中压参数,直到1951年才开始在九州电力公司筑上电站投运了一台60公斤/厘米2,485℃次高压参数的机组。从此以后,日本蒸汽参数便开始逐步上升。

图2—4 日本1926—1966年自备电站蒸汽参数的变化情况

图2—5 日本电站1945—1962年容量和压力的变化情况

1958年东京电力公司千葉电站开始采用169公斤/厘米2,566/538℃的亚临界压力再热机组。以后,日本新建的机组几乎全部是这种169公斤/厘米2,566℃级的机组,其中有的还高达190公斤/厘米2,已经达到了世界亚临界压力机组的最高水平。
日本自备电站的蒸汽参数发展速度并不比公共电站逊色。工业背压机组使用的蒸汽参数的上升情况比公共电站使用高参数的时间还要早一些。如采用100公斤/厘米2,500℃高压机组的时间比公共电站采用这个参数早10年以上。
特别是1964年以后,日本工业用自备电站,随着产业的发展,生产合理化运动的深入,均积极地采用高压高温蒸汽,促进设备的现代化。故新建的自备电站几乎全在60公斤/厘米2以上。这些设备结合各行各业的具体情况,充分地利用这样的机组来供电、供汽和供热采暖,使之成为有机结合的新型发电方式。
图2—5表明,日本各个时期电站容量和压力变化的情况。从1951年开始使用60公斤/厘米2级机组,以后,这种机组急剧增多。到1962年大于60公斤/厘米2级机组已经超过了总机组容量的78%左右,其中169公斤/厘米2级的机组占51%。同时,日本还关闭压力小于60公斤/厘米2的电站,因为其热效率太低。
1962年以后,日本亚临界压力机组(169公斤/厘米2级)便显著增多。到1964年为止,正在建设的有80台,1680万千瓦,从而使日本的发电设备制造业趕上了世界先进水平。日本的169公斤/厘米2级亚临界压力机组多采用566/538℃和538/538℃的再热方式。燃重油的部分机组多用538/538℃汽机入口蒸汽温度较低的汽温和再热方式。

2)积极发展超临界压力机组

日本对35万千瓦以上的机组可以考虑用超临界压力机组,对45万千瓦以上的机组,则规定一定要采用超临界压力机组。
在选择超临界压力机组的蒸汽参数方面,日本人作过大量的调查研究,并对不同参数作了详细技术经济论证工作。主要观点为:
希望根据日本自已的技术发展状况和经济分折结果,即按自已的可行性分折来选择出最隹的蒸汽参数。
日本现倾向于选用246界压力机组。日本学习外国经验,同时又结合国情加以分折,将蒸汽参数定为246公斤/厘米2,538℃ 左右。因为这样的参数容易为有接受。既可提高电站热效率,降低煤耗,节约能源,又可避免大量使用价昂的奥氐体不锈钢,防止建设投资的偏高,被公认为日本当前超临界压力最隹的蒸汔参数。

3)正研制更高蒸汽参数的超临界压力机组

这里的更高蒸汽参数指大于246公斤/厘米2,538℃级的超临界压力机组。
尽管目前认为最合适的蒸汽参数是246公斤/厘米2,538℃级的参数。但是,将来为了取得更高的电站热效率,必然要发展更高蒸汽参数的超临界压力机组。目前,欲立即发展这样的高参数机组,技术上和经济上还有一些问题未解决。尤其是耐热材料的价格高昂,由于经济上的种种原因,使这种机组的发展停滞不前。如前所述,很多国家都生产过这样的高参数超临界压力机组,这些机组已能正常运行。事实证明,采用高参数机组在技术上是不成问题的。随着今后高温高压技术的发展和完善化,这种机组的技术经济问题也终将得到解决。现阶段欲发展这样的机组,必须加紧进行下列研究工作:

- 耐热材料研究;

- 超临界压力蒸汽性质的研究;

- 超临界压力蒸汽和金属材料关系的研究;

- 蒸汽参数、容量的热效率间关系的进一步研究;

- 蒸汽参数、容量和经济性关系的研究。

3.西德 [58]—[62],[65],[66]

1)概况

1950年以前,西德锅炉的压力一般为120大气压,1953年左右上升到亚临界压力。1955年左右开始发展超临界压力机组。此时新汽温度曾上升到600℃,而在此之前一般为530℃。后来由于事故频繁,1958年左右又重新退回到530℃,以后汽温一直在530—550℃之间波动。
如图2-6所示,在1970年前,西德锅炉的压力一直在亚临界和超临界之间变化。如1959年上超临界,1960年又降回到亚临界。1962-1963年又回到超临界,1964年再次跌到亚临界。1966-1967年用超临界,1968年又采用亚临界,1969-1970又再次啟用超临界。以后,一直到现在大部分机组倾向于亚临界。

2 )西德发展亚临界压力机组的原因

总的来看,西德电站锅炉蒸汽参数的主导发展方向是亚临界参数。各国有自已独特的条件,西德也有适合西德国情的电力工业的发展方针。西德在发展亚临界压力机组的同时,也适当发展若干超临界压力机组。回顾上述发展史得知,西德的蒸汽参数经历了一个跳跃式的发展历程。西德人倾向性的观点是:、
提高蒸汽的初参数可以降低燃料的消耗,但同时也会增加设备的金属消耗量和投资费用。例如30万千瓦汽轮机的重量(不包括凝汽器),随参数的提高发生了下列变化:130大气压,565℃时,1.9公斤/千瓦。240大气压,580/565℃时为2.3公斤/千瓦。300大气压,650/565/565℃时为2.5公斤/千瓦。同时应考虑到随参数提高,不仅提高了金属消耗,同时也增加了奥氐体钢在整台机组中使用的比例。奥氐体钢的价格比珠光体钢贵2-3倍,在某些国家甚至贵7-9倍。西德属于奥氏体钢价格较贵的国家之一。另外,当时超临界压力机组调峰性能差,再加上其它种种原因,甩以西德多采用亚临界压力机组。





图2—6 西德1950—1970年锅炉蒸汽参数的变化情况

4.苏联[23],[25],[107]—[111],[118]

苏联1960年以前电站锅炉的蒸汽参数多为超高压和亚临界,1970年以后一直到现在,30-120万千瓦的大机组全部采用超临界参数(表2-1)。 

表2-1 苏联各种容量机组蒸汽参数的发展过程


年份

机组容量
(万千瓦)

蒸汽参数

供电煤耗
(克/度)

压力(公斤/厘米2

温度℃

1920

0.3--0.6

13

350

1020

1930

1--2.4

16--29

375--400

840

1940

2.5--5

30--35

400--425

645

1950

5--10

90

500--535

590

1960

15--20

130--170

565--565

468

1970

30--80

240

565/565

360

1975

30--80

240

565/565

340.1

1980

30--80

255

565/565
545/545

328

1982

120

255

545/545

 

目前苏联投运的50和80万千瓦机组蒸汽参数为255公斤/厘米2,565/590℃或者545/545℃.120 万千瓦机组的蒸汽参数为255公斤/厘米2,? 545/545℃。

5.英国 [19],[20],[122]—[125]

英国早在1964年时已将电站锅炉的蒸汽参数和容量实行了标准化。1955年已开始生产20万千瓦亚临界压力机组(169公斤/厘米2,566/538℃),并于1959年正式投运。大机组(27.5万千瓦以上)全部采用169公斤/厘米2,566/566℃。但是其中部分烧重油的则采用538/538℃。
英国首台超临界压力机组是一台工业背压机组,1960年在马格姆电站投运,0.95万千瓦,232公斤/厘米2,566℃。英国公共电站用的超临界压力机组是1966和1967年投运的德雷克洛夫第三电站No11和No12机组,37.5万千瓦,246公斤/厘米2,593/566℃。选择这种蒸汽参数的理由是设计时受到价廉高温材料发展的剌激,当时材料已能耐593℃的高温。这是为英国今后发展超临界参数打基础的试验机组。
原订于1970年投运的德拉克斯电站的两台超临界压力机组246公斤/厘米2,538/538/538℃,设计规划都发表了,后来经过技术经济分折,采用了亚临界参数。因为当时英国缺乏超临界压力机组的运行经验,加上初期机组还有相当多的技术问题未过关,认为在这样的情况下,用超临界压力机组没有多大的经济利益.

6.中国 [126]

从解放初期到60年代,国产电站锅炉多为中、低压小机组如:10吨/时,13公斤/厘米2,350℃;20吨/时,25和130吨/时,39公斤/厘米2,450℃;230吨/时,100公斤/厘米2,510℃等烧各种燃料的锅炉。60年代后期,我国几大锅炉厂都陆续制造出5和10万千瓦(220吨/时和410吨/时),100公斤/厘米2,540℃烧各种燃料的高压锅炉和12.5万千瓦(400吨/时),140公斤/厘米2,555/555℃的超高压再热锅炉。70年代初哈尔滨锅炉厂生产出20万千瓦(670吨/时),140/22.5公斤/厘米2,540/540℃的超高压再热锅炉。后来东方锅炉厂也生产出了20万千瓦超高压再热锅炉。上海锅炉厂研制出了30万千瓦(1000吨/时),170/33公斤/厘米2,555/555℃的亚临界压力UP直流锅炉。再后武汉锅炉厂也生产出了20和30万千瓦锅炉。上海锅炉厂、哈尔滨锅炉厂、东方锅炉厂和武汉锅炉厂都已生产出了或正在研制60万千瓦直流锅炉和汽包炉。

表2—2 若干国家电站锅炉蒸汽参数的比较[98]


国家

高压

超高压

亚临界

超临界

压力
公斤/厘米2

温度°C

压力
公斤/厘米2

温度°C

压力
公斤/厘米2

温度°C

压力
公斤/厘米2

温度°C

美国

127

541

140

541/541

176

563/541
541/541

253
270

541/541

苏联

100

540

140

570
565/565

 

 

255

565/565
540/540

日本

131

541/541

 

 

176

571/541
541/541
541/571

255

541/541
541/571

西德

 

 

 

 

180
190

525-540/
525-540

250

549/540

英国

113

541/541

 

 

169

568/568
541/541

246

593/566

法国

 

 

132

542/542

169

567/566
542/541

 

 

意大利

 

 

 

 

176

540/540

260

540/540

中国

100

540

140

555/555

170

555/555

 

 

我国尽管大机组在火电设备装机容量构成中的比重,与过去相比,有了很大的提高,和国外经济发达国家的差距有所缩小,但由于火电设备中蒸汽参数偏低,所以电站的技术经济效果较差。

二.蒸汽参数发展的总趨势

电站锅炉蒸汽参数发展的总趨势是亚临界和超临界压力机组,这是不容置疑的。但一个国家有自已的国情,对具体如何发展?是先发展或后发展?必须根据具体情况具体对待,很难说是道非。但以下几点什得注意:

1.对是否发展超临界压力机组仍有分歧 [127],[128]

英、美、法、德、日和苏等国对大机组采用超临界或亚临界参数问题,都做过一些技术经济分折比较工作,所得的结论不尽相同。在1966年时,美、德、日、苏倾向于采用超临界,而英、法则倾向于亚临界参数。英国技术上已落后于其它国宝家。法国技术比英国先进,机组经济性也较高,法国决定用亚临界参数有其独特的见解。
从1971年开始,不同意发展超临界压力机组的人增多,分歧加深。美国和西德在原来的基础上有所倒退,法国和英持反对和怀疑态度。与此同时,日本和苏联在发展超临界压力机组问题上态度更坚决,倾其全力,加强试验研究工作,积极研制和加速发展,事实表明,其技术政策是正确的,它们的电力工业取得了突飞猛进的发展。

2.目前采用超临界参数的趨势增加

这是因为各国对节约能源问题已引起普遍重视,又因为耐热材料价格降低,很多技术问题逐步得到解决的缘故。一般多用246公斤/厘米2,538℃ 级的超临界压力机组。

3.蒸汽温度稍有降低

从经济性考虑,认为新汽和再热汽温不宜超过600℃。大多数电站的蒸汽温度为540—560℃。一些国家甚至有下降的趨势,将汽温退回至520—540℃,以避免用怂格高昂的奥氏体不锈钢材料。
很多国家参蒸汽度都是根据上述原则进行考虑的。旨在少用奥氏体钢,多用铁素体钢。纯铁素体钢材允许极限蒸汽温度,在亚临界压力时为560—570℃,在超臨界压力下为540℃。当超过此极限温度时,便必须采用奥氏体钢。所以目前国外超临界压力机组的标准蒸汽参数为:246公斤/厘米2,538℃,而再热温度有的与新汽温度相同,有的比新汽温度还高,如538/551/565℃。