002 超超临界机组参数选择和技术选型-201004-朱.ppt
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1、2019/7/7,1,超超临界机组 主要参数选择与技术选型 朱宝田 西安热工研究院 超超临界发电技术研修班 2010年4月,TPRI,2019/7/7,2,1 前言 2 蒸汽参数与结构选型研究的条件和范围 3 超超临界机组再热次数及主要蒸汽参数 机组容量 机组主要结构型式 技术经济分析 结论,TPRI,2019/7/7,3,根据我国的能源资源状况和电力技术发展的水平,积极发展作为洁净煤发电技术之一的高效、节能、环保的超超临界火电机组是迫切的和必要的 超超临界机组主要蒸汽参数与技术选型的研究是我国超超临界机组的发展中是关键的第一步,TPRI,2019/7/7,4,超临界点:22.115MPa,3
2、74.15 超超临界:商业性称谓,不具备明确的物理定义,仅表示技术参数或技术发展的一个阶段,表示更高的压力和温度,起始点定义不同 日本:大于24.2MPa,或达到593 丹麦: 大于27.5MPa 西门子: 从材料的等级来区分 我国电力百科全书:高于27MPa 建议起始点为 27MPa或580,超超临界参数,TPRI,2019/7/7,5,超临界参数(22.115MPa,374.15) 该点附近,水的液态和汽态密度趋于相同,蒸发热量也趋近于零,TPRI,2019/7/7,6,火电机组参数发展历程 低压 3.92MPa/450 高压 9.9MPa/540 超高压 13.7MPa/540 亚临界
3、16.8MPa 超临界 22.1MPa以上 超超临界 27MPa或580以上,TPRI,2019/7/7,7,TPRI,2019/7/7,8,2 蒸汽参数与结构选型研究的条件和范围 基于国际上可采购到的成熟高温材料 超超临界机组主要技术问题分析论证 再热次数 主要蒸汽参数主蒸汽压力、温度、再热蒸汽温度 机组容量600MW或1000MW等级 锅炉主要结构型式炉型、燃烧方式、水冷壁型式 汽轮机主要结构型式汽缸数、排汽口数、末级叶片、单轴或双轴布置等,TPRI,2019/7/7,9,影响因素 效率 材料(高温强度性能、烟气侧的腐蚀性能、汽水侧的氧化性能、制造加工、热处理、异种材料焊接等工艺性能) 锅
4、炉 (炉型、燃烧方式、水冷壁型式)、汽轮机(汽缸数、汽轮机排汽口数、末级叶片长度、汽轮机布置型式(单轴或双轴)) 安全可靠性(材料、蒸汽激振、固体颗粒冲蚀、疲劳寿命、末级湿度等) 运输条件 设计、制造问题、国外业绩、与国外合作问题 技术经济问题,TPRI,2019/7/7,10,TPRI,2019/7/7,11,TPRI,2019/7/7,12,TPRI,2019/7/7,13,主蒸汽压力 每提高1MPa,机组的热耗率可下降0.13%0.15% 主蒸汽温度 每提高10,机组的热耗率可下降0.25%0.30% 再热汽温度 每提高10,机组的热耗率可下降0.15%0.20%,TPRI,2019/7
5、/7,14,机组参数变化与机组效率关系,TPRI,2019/7/7,15,3 超超临界机组再热次数及主要蒸汽参数 3.1 再热次数、主要蒸汽参数与热效率 提高蒸汽参数(蒸汽的初始压力和温度) 增加再热次数 都是提高机组效率的有效方法,TPRI,2019/7/7,16,3.2 再热次数 二次再热 热耗率较一次再热下降1.4%1.6% 满足机组低压缸最终排汽湿度的要求 机组更加复杂 两个再热器 增加一个超高压缸,机组长度增加 近十年来新投运的超超临界机组没有采用二次再热,TPRI,2019/7/7,17,二次再热机组统计,TPRI,2019/7/7,18,技术经济性 机组造价高10%15% 电站投
6、资增加4%6.8% 现阶段我国采用一次再热是适宜的 采用二次再热存在大量需要解决的技术问题 国外制造运行业绩少 技术经济性较差,TPRI,2019/7/7,19,3.3 主蒸汽温度和再热蒸汽温度 提高温度对提高机组热效率的效果显著 温度提高 影响范围 过热器、再热器的末级及其出口联箱;主汽、再热汽管道;汽轮机高、中压缸、转子、叶片等 强度 增加壁厚或更换新材料 烟气腐蚀 与煤质有关,可通过增加壁厚适当补偿 蒸汽侧氧化无法通过增加壁厚解决,TPRI,2019/7/7,20,超超临界发电对材料的要求: 温度的选择取决于材料蒸汽参数不能领先于材料的发展 满足部件工作温度的需要 具有高的持久强度、蠕变
7、强度或抗松弛性能 金相组织稳定,无常温脆性和长期时效脆性 抗烟气腐蚀性能 抗蒸汽氧化性能 易于冷、热加工 异钟钢焊接工艺能保证其应有的性能 相对低的材料价格,2019/7/7,21,TPRI,2019/7/7,22,SC,USC,TPRI,2019/7/7,23,每吨管子的成本,2019/7/7,24,不同钢种最小壁厚的比较,593.3 C,320 bar,X20,12CrMoVNb,t = 75mm,P22,2Cr1Mo,t = 123mm,t = 21.5mm,NF12,P91,9Cr1MoNbV,200mm Dia.,t = 45mm,P92,(NF616),t = 34mm,t = 3
8、6mm,P122,HCM12A,2019/7/7,25,TPRI,2019/7/7,26,TPRI,2019/7/7,27,TPRI,2019/7/7,28,运行中组织的变化 通过热处理获得材料良好的力学性能 这样的材料组织是非平衡组织,始终存在向平衡组织转变的趋势 一旦驱动力足够大,这种转变就会进行 温度越高,驱动力越大,组织转变越容易 组织的变化必然导致材料性能的变化在高温长期服役过程中材料性能恶化 研究各种强化机制 增加材料在使用过程中向平衡组织转变的阻力 延长向平衡组织转变的过程 保证在设计寿命内材料具有足够的性能,TPRI,2019/7/7,29,P92设计许用应力的变迁 从1999
9、年开始,欧洲对ASME中P92的许用应力提出质疑,通过大量长期的试验先后两次对P92、E911的许用应力进行了下调 日本2004年出现超超临界机组P122、P91管道事故后对其许用应力进行了调整 欧洲P91许用应力比日本、美国低10%,目前正在进行重新评估,TPRI,2019/7/7,30,ASME标准中的持久强度对比,TPRI,2019/7/7,31,许用应力新数据对比,TPRI,2019/7/7,32,许用应力的对比,TPRI,2019/7/7,33,P92设计许用应力的变迁,2019/7/7,34,P92设计许用应力的变迁,TPRI,2019/7/7,35,高温过热器、再热器材料的性能要
10、求,高温强度 烟气侧的腐蚀性能 蒸汽侧的氧化性能,TPRI,2019/7/7,36,TPRI,2019/7/7,37,一些耐热合金的烟气腐蚀性能,2019/7/7,38,2019/7/7,39,不同Cr含量的耐热钢在50MPa的许用温度,2019/7/7,40,TPRI,不锈钢在蒸汽中的氧化,2019/7/7,41,蒸汽侧氧化可能造成的问题,承载壁厚减小 氧化层的绝热作用 氧化层的剥落导致弯头堵塞爆管 氧化层的剥落导致汽轮机通流部分的冲蚀,TPRI,2019/7/7,42,TPRI,2019/7/7,43,TPRI,2019/7/7,44,TPRI,2019/7/7,45,高温过热器、再热器材
11、料 TP347HFGTP347H晶粒细化到ASTM 8级以上的细晶钢,提高了抗蒸汽氧化能力及蠕变强度,在欧洲得到了大量应用 Super 304600 -650的许用应力比TP347H高30% HR3C 25Cr20NiNbN(TP310NbN)抗烟气腐蚀和蒸汽氧化性能好,2019/7/7,46,国外超超临界机组的温度参数达到和超过600/600,已有多年运行业绩 国际上成熟材料可满足610蒸汽参数的要求,不存在无法解决的技术瓶颈 充分考虑材料的高温强度,烟气腐蚀性能,汽水氧化性能,制造、加工、热处理、异种材料焊接等工艺性能,既考虑先进性,又考虑成熟性,取在600左右为宜,TPRI,2019/7
12、/7,47,3.4 主蒸汽压力 提高压力对提高热效率的效果没有提高温度的效果显著 压力提高使汽轮机末级湿度增大低压末级湿度不应超过12% 在30MPa/600/600条件下,汽轮机末级的湿度已超出设计规范,TPRI,2019/7/7,48,压力提高 所有承压部件受力增加 压力对材料选择的影响较小,对材料消耗量的影响较大 近十多年投运的超超临界机组中,主蒸汽压力(3031)MPa的机组台数仅三台,其中两台是二次再热机组,TPRI,2019/7/7,49,主蒸汽压力30MPa以上机组,TPRI,2019/7/7,50,鉴于技术难度、技术瓶颈及国外业绩和经验 我国在开始发展超超临界机组的阶段,主蒸汽
13、压力采用25MPa28MPa是适宜的,TPRI,2019/7/7,51,机组主蒸汽压力和温度与热耗率的关系曲线,效率增量梯度最大的方向,TPRI,2019/7/7,52,联箱材料100000h高温强度与温度的关系,TPRI,2019/7/7,53,主蒸汽联箱材料随主蒸汽压力、温度变化曲线,TPRI,* 主蒸汽联箱内外径比D0/Di=1.8,孔桥减弱系数fv=0.8,2019/7/7,54,材料强度与主蒸汽压力、温度、热耗率的关系曲线,沁北电厂,邹县电厂,玉环电厂,沁北电厂,邹县电厂,玉环电厂,TPRI,2019/7/7,55,不同材料的优化蒸汽参数,TPRI,2019/7/7,56,单纯提高压
14、力或单纯提高温度都是不可取的,应当沿着热耗率(效率)差值梯度最大的方向同时提高压力和温度 热耗率(效率)差值梯度最大的方向偏于温度,提高温度的效果比提高压力要明显 选定材料后,按等热耗线和等强度线的关系可以找到最低热耗率的点,将这些最低热耗率的点连接起来成为一条直线区,这条直线区对应着这族材料优化的蒸汽参数 技术经济分析所确定的蒸汽压力位于图中优化蒸汽参数直线区中的右下方附近,TPRI,2019/7/7,57,各材料对应的优化蒸汽参数带的斜率有所差别 在600温度条件下,铁素体材料对应的最佳压力为28MPa,奥氏体材料对应的最佳压力为25MPa 采用600/600蒸汽温度时,25MPa蒸汽压力
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