Feasibility Study on 1 000 MW New Generation Ultra-supercritical Unit with Double Re-heating Cycles at 630 ℃

“十二五”期间，我国超超临界火力发电技术经过前期高速发展后进入了新阶段，二次再热发电技术进入了工程实施阶段。国内第一个采用二次再热发电技术的百万机组为国电泰州二期工程，该工程为1 000 MW二次再热燃煤发电示范工程，采用主机参数为31 MPa/600 ℃/610 ℃/610 ℃，示范工程建设的两台机组分别于2015年9月和2016年1月正式投入商业运行，两台机组供电煤耗分别达到266.57 g/kWh和265.75 g/kWh^[7]。随后开始建设的1 000 MW二次再热机组的参数均为31 MPa/600 ℃/620 ℃/620 ℃，该参数机组已有投产业绩且有一批项目正在建设中。采用该参数的1 000 MW超超临界二次再热机组在电厂设计、主辅机设计制造和运行等方面已经相对成熟。

近年来，钢铁研究总院和宝武钢铁集团共同研发的可用于650 ℃的马氏体耐热钢G115研究取得了新进展^[8]，目前已完成开发阶段的各项研制工作，有待进行产品技术评审^[9]。在620～650 ℃温度区间，该钢具有优异的组织稳定性和持久强度，其许用应力是P92钢的1.5倍，同时其抗蒸汽氧化腐蚀性能也优于P92钢^[10]。

2016年5月24日，电力规划设计总院受国家能源局委托在北京组织召开了650 ℃超超临界燃煤发电技术可行性研讨会，会议得出结论为：鉴于目前国内外材料研发情况，尚不具备建设650 ℃超超临界机组工程的条件，可开展相关的研究工作；对于630 ℃超超临界机组，造价较620 ℃超超临界机组增加不大，初步具备建设示范工程的技术条件^[9]。在应用我国自主研发的先进马氏体耐热钢G115的基础上，按应用G115和现有成熟耐高温材料制造锅炉、汽轮机和高温管道的上限进行设计，1 000 MW超超临界二次再热机组可以进一步提高初参数，主蒸汽压力可达35 MPa，主蒸汽温度可达615 ℃，再热蒸汽温度可达630 ℃^[10]。因此，在当前技术条件下，1 000 MW超超临界二次再热机组可以采用参数35 MPa/615 ℃/630 ℃/630 ℃。

型式：超超临界参数、变压直流炉、固态排渣、单炉膛、二次中间再热、平衡通风、前后墙对冲燃烧或切圆燃烧、露天布置、全钢构架、全悬吊π形结构或塔式布置。锅炉最大连续蒸发量工况(BMCR, boiler maximum continue rate)下的主要技术参数如表1所示。

型式：超超临界参数、二次中间再热、单轴、五缸四排汽、十二级回热、双背压、凝汽式、湿冷。汽轮机阀门全开(VWO, value whole open)工况下的主要技术参数如表2所示。

型式：水-氢-氢冷却、自并励静止励磁。发电机主要技术参数如表3所示。

受SCR催化剂可承受温度的限制，省煤器出口烟气温度不应超过420 ℃，最佳温度应控制在390 ℃，因此最高给水温度不宜超过350 ℃。另一方面，给水温度提高可以降低汽轮发电机组热耗，但空预器入口烟气温度越高，锅炉排烟损失越大，锅炉效率会降低，因此给水温度应结合汽轮发电机组热耗和锅炉效率统筹确定。经济性最好的给水温度还需要考虑主、辅机设备、管道和阀门等的初投资、折旧费以及运行费用的影响^[11]。此外，给水温度的选取还需要保证锅炉尾部受热面的水循环安全。本工程经过综合考虑最终采用给水温度为337.1 ℃。正在设计中的某1 000 MW二次再热机组给水温度取330.1 ℃，新一代超超临界二次再热机组的给水温度和烟温与常规二次再热机组锅炉相近，水冷壁材料可以继续采用SA-210C，或者可以采用价格相差不大的15 MoG。

与常规二次再热机组相比，新一代超超临界二次再热机组给水温度高约7 ℃，给水压力高约4.3 MPa，主蒸汽流量增加约6%，一次再热蒸汽流量减少约24%，二次再热蒸汽流量减少约10%，锅炉内部焓增分配和受热面布置需要重新调整，水冷壁温度会高于目前常规超超临界二次再热机组。水冷壁可以根据温度分段使用不同材料，下部温度较低部分仍可采用15CrMoG和12Cr1MoVG，上部温度较高部分宜采用T23或T24，需要的话也可以采用T91或T92。

新一代超超临界二次再热机组锅炉末级过热器出口压力高达36.65 MPa，末级过热器出口温度高达620 ℃，中低温过热器设计参数会相应提高，可以根据温度分段采用成熟的T91和Super304H，局部可以继续使用12Cr1MoVG。

新一代超超临界二次再热机组锅炉过热器出口参数为36.65 MPa、620 ℃，末级过热器与辐射区屏过常用材料Super304H在这个温度下许用应力下降较明显(温度由625 ℃升高为650 ℃时，许用应力由91.3 MPa急剧降低为78 MPa)^[12]，抗蒸汽氧化性能已经不足(Cr含量为17%～19%)^[13]。材料HR3C (TP310HCbN)抗氧化性能满足要求(Cr含量为24%～26%)，但600 ℃以上时许用应力低于Super304H，强度不足^[14,15]。推荐末级过热器与辐射区屏过采用新开发的奥氏体钢，候选材料有NF709 (TP310MoCbN)、SAVE25和Sanicro25(S31035)。NF709和Sanicro25已经收录进ASME(The American Society of Mechanical Engineers)体系，Code Case号分别为2581和2752、2753^[12]，设计选用有依据。Sanicro25在三种材料中强度最高，Cr含量也略高于NF709，可以考虑作为首选材料^[12]。因此，末级过热器与辐射区屏过低温部分可以用Super304H或HR3C，高温部分可以用Sanicro25或NF709。

与常规超超临界二次再热机组相比，新一代超超临界二次再热机组汽轮机超高压缸排汽压力提高约24%，排汽温度提高约34 ℃；高压缸排汽压力基本保持不变，排汽温度降低约24 ℃。低温再热器布置在锅炉尾部竖井或塔式炉上部，烟气侧温度变化不大。因此，低温再热器可以延用成熟材料T91。

新一代超超临界二次再热机组锅炉高温再热器出口温度高达633 ℃，一次再热高温再热器设计压力需提高约24%，二次再热高温再热器设计压力基本不变。高温再热器蒸汽侧温度提高幅度较大，对材料抗蒸汽氧化性能要求提高，其设计压力比过热器设计压力低很多，对材料的强度要求较小。由于用于高温再热器的材料要求具有良好的抗蒸汽氧化性能，推荐采用20Cr以上材料，候选材料有NF709(TP310MoCbN)、SAVE25、Sanicro25(S31035)和HR3C(TP310HCbN)。HR3C(TP310HCbN)在超超临界参数机组上已经广泛应用，其强度虽然略低，但高温再热器设计压力不高，经济性比较时可以作为备选材料。

新一代超超临界二次再热机组锅炉过热器出口蒸汽温度高达620 ℃，再热器出口蒸汽温度高达633 ℃。目前，可用于超超临界机组集箱和大口径管道的成熟材料只有4种马氏体合金钢，分别为P91、P92(NF616)、P122(HCM12A)和P911(E911)，相应的管接头则需要选用T91、T92、T122和T911。P91/T91和P911/T911材料的高温强度不足，P122/T122材料的持久强度下降较快，都不适合用于超过600 ℃的场合。P92/T92管材在600 ℃等级超超临界锅炉中有非常多的使用业绩，是否继续适用于新一代超超临界二次再热机组是最关键的材料问题。

ASME规范规定P92/T92管材最高使用温度为649 ℃^[12]，而国内《锅炉安全技术监察规程》(TSG G0001—2012)规定其最高使用温度仅为630 ℃^[16]。P92应用于新一代超超临界二次再热机组主蒸汽管道时，管道壁厚超过150 mm，已经接近目前管件厂和锅炉厂制管和焊接的经验上限；另一方面，其管道外径D_O和管道内径D_i的比值大于1.7，已超出现有规范使用的管道最小壁厚计算公式的使用条件^[17]。

P92/T92材料若应用于再热蒸汽系统，其运行温度633 ℃已超出国内规范的限制，即使采用ASME规范，其温度安全裕量仅有16 ℃。因此，P92/T92材料已经不再适合应用于新一代超超临界二次再热机组锅炉过热器集箱、再热器集箱、主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道。

新开发的可以应用于630 ℃机组的高温材料有两大类：9Cr马氏体材料和11Cr马氏体材料。9Cr马氏体材料有G115(9Cr-3W-3CoCuVNbBN，国产，钢研院和宝武钢铁集团)、MARBN(9Cr- 3W-3CoVNbBN，日本，日本国立材料研究所)和SAVE12AD(9Cr-3W-3CoNdVNbBN，日本，新日铁住金)；11Cr马氏体材料有NF12、SAVF12(日本，新日铁住金)和G112(国产)。11Cr钢由于持久强度过低，不适合应用于630～650 ℃，9Cr钢是推荐使用的材料，其中国产材料G115已完成开发阶段的各项研制工作，有待进行产品技术评审，并已向中国钢铁工业协会团体标准委员会申请了团体标准，宝武钢铁集团已具备商业化生产能力，上海锅炉厂有限公司已开展了相关焊接性能试验研究^[18]，完全可以应用于新一代超超临界二次再热机组锅炉过热器集箱、再热器集箱、主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道的制作。

新一代超超临界二次再热机组汽轮机基本上可以沿用现有常规超超临界二次再热机组汽轮机的材料体系。汽轮机超高压缸内外缸夹层之间可设置冷却蒸汽，用于冷却汽缸和转子高温进汽端，超高压转子可以使用成熟的FB2，超高压内缸和主汽阀阀体可以使用成熟的CB2，并适当增加缸壁或阀体厚度^[19]，超高压外缸可以沿用常规二次再热机组材料。汽轮机高压缸、中压缸和一、二次再热联合汽阀进汽温度提高至630 ℃，高、中压缸采用双流程设计，外缸和内缸之间充满排汽，低温排汽可以冷却外缸，外缸可以继续沿用常规二次再热机组材料，高、中压内缸和一、二次再热联合汽阀阀体可以使用成熟的CB2，并适当增加缸壁或阀体厚度^[19]，高、中压转子可以采用在FB2基础上改进的含3% Co的新型转子钢，日本的钢厂已经可以生产可满足630 ℃机组使用要求的新FB2高温转子锻件，高、中压转子的另一个方案可以采用分段焊接转子，即高温部分采用镍基合金或新型转子钢，低温部分采用12Cr钢。汽轮机高温叶片可选用成熟的、长期组织稳定性优良的GH4080A，现有机组已经有使用经验。通过选择合理的分缸参数，低压缸设计参数变化不大，可以沿用原有材料。综上，新一代超超临界二次再热机组汽轮机及相关高温阀门基本沿用常规二次再热机组材料，局部材料调整工作已经完成，可以满足工程示范需求。

新一代超超临界二次再热机组发电机的生产制造和机组参数提高无关，可以沿用原有成熟产品。

近年来，我国超超临界火力发电技术得到了长足发展。自2006年首台百万千瓦等级超超临界机组投产以来，截至2018年6月26日，国内投产的1 000 MW超超临界机组已达108台。国内三大主机制造厂已经完全掌握了超超临界机组的设计制造技术，并积累了丰富的工程经验。新一代超超临界二次再热机组锅炉和汽轮机高温高压部件材料确定后，主机制造厂只需要根据新参数和流量对相关设备进行重新设计。目前，三大主机制造厂已经完全具备了该项设计制造能力。

新一代超超临界二次再热机组蒸汽参数采用35 MPa/615 ℃/630 ℃/630 ℃，主蒸汽管道的设计温度为625 ℃，高温再热蒸汽管道设计温度为638 ℃。由于受材料使用温度和现有规范关于管道最小壁厚计算公式的使用条件限制，P92材料已经不再适合应用于新一代超超临界二次再热机组主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道。

为了适应机组参数进一步提高的需求，国内外研究人员开发了一些新材料。在新开发的可以应用于630 ℃机组的高温材料中，国产9Cr钢G115是重点推荐材料。

G115是我国企业具有自主知识产权的650 ℃先进马氏体耐热钢，在620～650 ℃温度区间，该钢具有优异的组织稳定性和持久强度，其许用应力是P92钢的1.5倍，同时其抗蒸汽氧化腐蚀性能也优于P92钢。2012年起，相关企业开展了厚壁大口径G115钢管的研发，目前已具备了生产最大外径1.2 m，最大壁厚0.1 m的全谱系钢管的能力^[10]。2008—2017年间，钢铁研究总院和宝武钢集团已试制11轮次G115钢管，目前已掌握了G115钢的冶炼工艺、加工工艺和热处理工艺。上海锅炉厂有限公司已完成了两次焊接工艺试验，得出的结论为G115的可焊性与P92相当，焊接接头的常规性能评定均合格^[10]。G115材料已经在2015年11月完成了材料的预评审，目前正在推进由国家锅炉及压力容器标准化委员会主持的材料评审。相关单位已经向中国钢铁工业协会团体标准委员会提交了“600 ℃以上超超临界电站锅炉用新型马氏体耐热钢无缝钢管(G115)”团体标准，预计于2017年底完成报批和发布。

与常规超超临界二次再热机组相比，新一代超超临界二次再热机组主蒸汽流量、一次再热蒸汽流量和二次再热蒸汽流量均变化较多，主蒸汽管道、一次高温再热蒸汽管道和二次高温再热蒸汽管道采用新材料G115。经计算，半容量主蒸汽管道、一次高温再热蒸汽管道和二次高温再热蒸汽管道规格分别为ID318×94、ID451×63和ID851×32，管道单重分别为常规超超临界二次再热机组的0.85倍、0.59倍和0.62倍。G115钢材价格相比P92略高，但其许用应力远高于P92，管道壁厚可以大幅减小，低温再热蒸汽管道和高压给水管道沿用原有材料，经初步比较，新一代超超临界二次再热机组六大管道造价与常规超超临界二次再热机组基本相当。

新一代超超临界二次再热机组1×100%容量汽动给水泵流量约为3 230 t/h，主泵扬程约为4 760 mH₂O。与常规超超临界二次再热机组1×100%容量汽动给水泵相比，流量增大约6%，扬程提高约4%，经咨询给水泵生产厂家，流量和扬程增大有两个解决方案：一是泵型不变，提高给水泵转速；二是在现有泵型基础上增加一级叶片。给水泵扬程提高后，现有给水泵的泵轴、叶片和泵壳的强度需要重新复核，以满足更高压力的需要，经厂家初步评估，在现有给水泵基础上，本体设计不用做大的改动即可满足新一代超超临界二次再热机组1×100%容量汽动给水泵的要求。

新一代超超临界二次再热机组单列高压加热器的设计流量约为3 088 t/h，管侧设计压力为50 MPa，与常规超超临界二次再热机组单列高加相比，流量提高约6%，管侧设计压力提高约10%。新一代超超临界二次再热机组单列高压加热器壳侧设计参数和管侧设计温度与常规超超临界二次再热机组基本相当。单列高压加热器如果继续采用U形管式高压加热器，管侧主要承压部件半球形封头和管板厚度将大幅增加，设计和加工会遇到以下难题：(1)半球形封头原材料超规格和厚度超规范；(2)管板厚度超规范；(3)应力集中及变工况运行适应性变差。因此，新一代超超临界二次再热机组单列高加已经不适合再采用U形管式高压加热器，如采用U形管式高压加热器，可考虑采用双列形式。

为适应高压加热器设计流量和管侧设计压力增大的需要，国内高加厂家已经推出了蛇形管式高压加热器，相关科技工作者对蛇形管式高压加热器用于1 000 MW二次再热机组的可行性进行了分析^[20]。由中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司设计的某工程已经在国内率先采用该型高压加热器，可以为后续工程积累相关设计、制造和运行经验。蛇形管式高压加热器通过集箱和蛇形管束分隔高压给水和加热蒸汽，同等条件下，蛇形管式高压加热器的集箱厚度仅为U形管式高压加热器管板厚度的约10%^[20]，其加工制造已经不受目前材料加工能力限制，高加变工况运行非常灵活，完全可以应用于新一代超超临界二次再热机组单列高压加热器。

新一代超超临界二次再热机组采用抽汽背压式给水泵汽轮机，其汽源为超高压缸排汽，采用五抽一排方案，即抽背式给水泵汽轮机设置5级抽汽分别供给4台高压加热器和高压除氧器，其排汽供给低压除氧器。由中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司设计的某工程已经采用了上海汽轮机厂生产制造的三抽一排抽背式给水泵汽轮机，可以为后续工程积累相关设计、制造和运行经验。目前，国内三大主机制造厂已经初步完成了抽背式给水泵汽轮机的设计，其中上海汽轮机厂已经有了相关工程业绩。

新一代超超临界二次再热机组抽背式给水泵汽轮机在驱动给水泵的同时，还拖动一台小发电机，其功率约为13.8 MW。变转速的抽背式给水泵汽轮机驱动发电机发出电网要求的50 Hz的电，可以采用以下两种方案：一是变速汽轮机通过调速装置转化为定速输出，驱动工频发电机发电，其所发电量可以直接并网，国内南京高精传动设备制造集团有限公司已经开发出了相关调速装置^[21]；另一种是变速汽轮机驱动变频发电机发电，其发出电量经过变频装置处理为50 Hz交流电后接入电网。

1)本工程煤质易燃、易爆，拟采用中速磨煤机正压冷一次风机直吹式制粉系统，每台锅炉配置6台中速磨煤机，5台运行，1台备用。

2)每台锅炉配置6台电子称重皮带式给煤机，5台运行，1台备用。

3)每台锅炉配置6个圆筒仓形煤仓，材料为碳钢，内衬不锈钢。

4)每台锅炉配置2台全容量离心式密封风机，1台运行，1台备用。用于对正压制粉系统的设备密封，防止煤粉外泄。

5)每台锅炉配置2台半容量一次风机，采用动叶可调轴流式，2台运行，不设备用。

6)每台锅炉配置2台半容量送风机，采用动叶可调轴流式，2台运行，不设备用。

7)每台锅炉配置2台半容量引风机，采用动叶可调轴流式，2台运行，不设备用。

1)每台机组配置1台双壳体、单流程、双背压、表面式凝汽器。

2)每台机组配置5台全容量蛇形管集箱式高压加热器，采用立式布置。

3)每台机组配置5台全容量U形管管板式低压加热器和1台U形管管板式疏水冷却器，采用卧式布置。

4)每台机组配置2台内置式除氧器。

5)每台机组配置1台全容量汽动给水泵，其前置泵与主泵同轴布置。每台机组设置1台35%BMCR容量电动调速给水泵，启动和低负荷时投入使用。机组采用单缸、单流、抽背式全容量给水泵汽轮机，其在驱动给水泵的同时还拖动1台小发电机发电。

6)每台机组配置2台全容量立式筒型凝结水泵，1台运行，1台备用，用于将凝汽器中的凝结水输送至低压除氧器。每台机组配置2台全容量中继水泵，1台运行，1台备用，用于将低压除氧器中的凝结水输送至高压除氧器。

7)机组采用高、中、低压三级串联旁路系统。每台机组配置4套25%BMCR容量高压旁路装置，中、低压旁路装置容量根据凝汽器不增加面积情况下的接收能力来核算确定，高压旁路装置替代过热器出口安全阀。

与1 000 MW常规超超临界二次再热机组相比，1 000 MW新一代超超临界二次再热机组整体投资略高，但具有热效率高和污染物排放少等优势，静态回收年限为7.7年，动态回收年限为9.9年，回收年限较短，经济效益较高，且可以促进我国电力工业转型升级。详细经济性对比数据如表4所示。

本工程采用新一代超超临界参数，抽背式给水泵汽轮机在拖动给水泵之外，还驱动1台小发电机用于发电，热力系统得到了合理配置和优化，其热经济性指标达到了国内最优水平，详细数据如表5所示。

1)1 000 MW新一代超超临界二次再热机组参数宜选取为35 MPa/615 ℃/630 ℃/630 ℃，我国已经具备该机组的设计制造能力。

2)钢铁研究总院和宝武钢铁集团共同研发的具有自主知识产权的650 ℃先进马氏体耐热钢G115，可以应用于新一代超超临界二次再热机组锅炉过热器集箱、再热器集箱、主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道的制作，并以此带动我国材料工业的发展。

3)带小发电机的抽背式给水泵汽轮机可以应用于新一代超超临界二次再热机组，为700 ℃超超临界燃煤发电技术的研发和应用奠定基础。

4)1 000 MW新一代超超临界二次再热机组与常规超超临界二次再热机组相比整体投资略高，但具有热效率高和污染物排放少等优势，静态回收年限为7.7年，动态回收年限为9.9年，回收年限较短，经济效益较高。

5)通过对热力系统进行合理配置和优化，2×1 000 MW新一代超超临界二次再热机组全厂热效率达到48.72%，发电标煤耗达到252.48 g/kWh，供电标煤耗达到260.16 g/kWh，为国内最优水平，可以促进我国电力工业转型升级，对我国节能减排和可持续发展具有重大意义。