Feasibility Reascher on Ultra-supercritical 350 MW Unit and Analysis of Main Equipment Parameter

本世纪初开始，国内三大动力集团分别引进了国外先进的超临界、超超临界机组技术，并迅速完成技术消化与国产化工作，至今已经取得了多次技术进步，从24.2 MPa/566 ℃/566 ℃超临界参数逐步发展到超超临界参数。在超超临界机组示范成功后，随着对高温耐热材料性能认识与验证的进展，又历经多次参数升级，目前国内还准备进行630 ℃再热蒸汽超超参数的项目示范^[1]。

国内超(超)临界机组首先在600 MW～1 000 MW大容量机组上实施，技术成熟后又带动中小容量机组技术升级，目前国内中等容量机组已经从300 MW～330 MW亚临界机组升级到350 MW超临界机组，目前已经投产的350 MW容量最高参数为超临界24.2 MPa/566 ℃/566 ℃等级参数。中小容量机组是否能进一步提高参数，取决于两个因素：第一是技术经济性考虑，第二是设备制造成套能力。从长远趋势而言，燃料价格会不断上涨，因此在适当的阶段提高参数是合理的。国内目前已经能自主设计制造600 MW～1 000 MW的超超临界机组，设计制造350 MW等级超超临界机组技术上没有问题，仅仅需要考虑设备厂家成套件的开发和定型周期。

国内尚未有350 MW容量的超超临界机组进行定型设计，因此原则性设计时需要确定机组一些热力参数选取原则。但是热力过程线的拟定以及回热系统的拟定与机组容量并没有直接相关性，国内设备厂家均掌握核心设计技术，并且已经实现电算化，因此可以很快完成热力系统的拟定工作。

国内三大动力设备厂均开发了规格种类齐全的叶片和模块，并且大量采用电算以及CFD分析手段，确定热力参数后，可以在较短时间内拟定通流模块，从而开展整体设计。

与通流相关的抽汽口设计、排汽蜗壳设计、汽封等配套部件设计，可以按照相似模块进行核算，技术上也是成熟的。国内三大动力设备厂在本工程方案技术交流时提出，600 ℃或610 ℃方案需在超临界参数的设计周期上增加半个月到一个月左右，是可以接受的。

由于600 MW～1 000 MW机组上已经大量使用过超超临界参数的材料，并且在国内运行时间已经超过10年，具有丰富的加工制造经验和成熟的质量检验体系。350 MW机组利用现有的生产线，设备与材料的加工、焊接、热处理都不存在问题。

锅炉炉内燃烧组织设计与蒸汽侧参数关联不大，主要与煤质有关；传热计算、水动力计算、承压件强度计算、本体部件设计、锅炉整体结构设计等方面与蒸汽侧参数有关，但设计计算方法是与其它容量机组一致的。锅炉制造流程主要是管材机械加工、焊接、热处理等工艺，这些工艺流程与机组容量相关不大，只要设计方案完成后，制造与检验方式与其它超超临界锅炉相差不大。

根据目前的末级叶片技术和实际运行情况，350 MW机组通常选用2排汽(1只低压缸)，可降低投资，也不影响背压优化。高中压合缸结构紧凑，投资较低，但是过桥汽封较难降低间隙，对中小型容量汽轮机内效率的影响较为明显；若高中压实现分缸分别设置汽封，单根转子跨度减少可以减小通流的根径，有利于提高高压缸内效率。

根据本工程装机方案技术交流，三大汽机厂已经按照3缸2排汽结构重新对350 MW机组通流进行优化。根据其中厂家S的介绍，3缸2排汽结构结合新的通流设计，同样参数下热耗可降低约200 kJ/kWh，效果显著。因此推荐超超临界参数汽轮机采用3缸2排汽结构。

材料的高温性能是决定进汽温度的关键因素。按照已经商业化的超超临界高温材料性能，超超临界参数选择600 ℃已很成熟。确定进汽温度以后，在一定参数范围内，理论上压力越高热力循环效率越高，但实际上对于汽轮机来说与机组的容量有关。若汽轮机单机容量偏小，则高压、流通部分的尺寸也偏小，造成二次流损失和汽封漏气损失比例增加，高压缸效率降低，将会一定程度上抵消参数提高带来的收益。当假定中压缸参数不变时(实际有一定变化)，同样初温下初压提高对高压缸焓降的影响估算结果如表1所示。从对比表可以看出，随着主汽压力的提高，理想焓降增幅逐渐放缓，如果考虑高压缸效率减小，实际焓降增幅更低，若结合投资考虑，25 MPa、26.25 MPa是较佳选择。

超超临界参数主蒸汽/再热蒸汽的初温取600 ℃/600 ℃为常规成熟参数，但这个参数尚未发挥材料的最大潜力。其中一些性能优秀的马氏体耐热钢可以用于650 ℃以下^[2,3]；超超临界常用的奥氏体耐热钢按照ASME规定可以用于649 ℃^[4]，国内《锅炉安全技术监察规程》(TSG G0001—2012)规定其最高使用温度可为630 ℃^[5]。但在大口径管件上，P92强度不足，在大容量机组上应用时使一次汽系统的管件壁厚接近加工能力的极限，管道外径D_o和管道内径D_i的比值大于1.7，也超出现有规范使用的管道最小壁厚计算公式的使用条件^[6,7]。

350 MW容量偏小，管件直径也相应较小，并且初压取值低于660 MW～1 000 MW机组，因此具备进一步提高一次汽温度的潜力。一次汽设计温度提高后，不仅理论循环效率提高，也有利于提高高压缸内效率，使整机获得更高的实际效率。

压力提高虽然循环效率略有提高，但是高压缸的实际效率会降低，抵消了一部分初压提高获得的收益，因此考虑压力不提高或者少量提高，主蒸汽和再热蒸汽的初温提高10 ℃后，经核算材料变化如表2所示。

由表2可见，从超临界提升到超超临界600 ℃及以上参数时，汽轮机本体材料需由低合金钢更改为马氏体钢。

610 ℃转子如采用FB2，则需要进口，导致设备差价明显；如果采用改良马氏体，可以国产则价格相差不大。经咨询，国内三大动力设备厂中的两家认为610 ℃应采用FB2，另一家认为可以用改良马氏体。提高参数以后，热力循环过程可获得明显的效率提升，理论计算结果如表3所示。

为验证理论分析结果，在以上理论分析的基础上，优选了3组超超临界参数，并以超临界参数作为参照基准，向国内三大动力设备厂进行了咨询，在提供同样的边界条件后，咨询结果如表4，表5，表6所示。

从技术配合结果可以看出，综合考虑回热系统的变化与缸效的变化后，最终效率提高值的核算结果(表4，表5，表6)与理论分析的结果(表3)不仅趋势一致，而且数值也是接近的，说明机组效率提高主要是参数提高获得的收益，受回热系统的影响较小。

由表2可见，超超临界参数25 MPa/600 ℃/600 ℃时，各厂家的技术方案所用材料基本类似。但是参数提高到610 ℃以后，其中一部分厂家认为高温转子应该采用FB2，另一部分厂家认为改良的10Cr材料仍可以满足要求。目前国内尚未有锻造FB2的业绩，因此还需要进口，这将导致机组的成本以及交货周期发生较大变化。

从技术角度看，FB2的持久强度更高，是提高机组参数后的最佳选择；改良10Cr材料虽然从理论上分析也可采取措施满足使用要求，但未有相应的运行业绩。

本工程所选择的蒸汽参数除进一步提高外，并无特别之处，因此锅炉的选型思路与其它等级参数机组一致。

锅炉的容量与参数应与汽轮机匹配，本工程机组采用单元制。

锅炉侧出口蒸汽参数与汽轮机进汽侧蒸汽参数按照国内大部分超(超)临界机组选型经验：

1)过热蒸汽压力大于汽轮机高压缸进汽压力5%，过热蒸汽温度大于汽轮机高压缸进汽温度5 ℃。

2)再热蒸汽温度大于汽轮机中压缸进汽温度3 ℃。

炉型以及炉膛特征参数的选择与煤质密切相关，根据本工程的煤质资料，炉型推荐采用成熟的Π型布置；由于设计煤种较易着火且结渣性较强，炉膛断面热负荷可以适当降低；为了兼顾校核煤燃尽，炉膛容积热负荷也不宜取过高。根据煤质推荐本工程的炉膛特征参数指标如表7所示。

24．2 MPa/566 ℃/566 ℃超临界方案为常规成熟参数；25 MPa/600 ℃/600 ℃的超超临界方案也是常规成熟参数，与600 MW同参数机组相近；26.25 MPa/610 ℃/610 ℃的超超临界方案仅主蒸汽初温提高10 ℃，但仍在成熟的马氏体和奥氏体钢材的许用温度范围内，因此主要高温材料仍是常规超超临界的成熟材料，如表8所示，但是材料分界变化，每种材料的用量比例有不同。

从受热面材料上分析，采用超超临界参数之后，主要是最高温度区的受热面材料要更换，从T91 ＋TP347H的组合升级为S30432＋S31042，并且部分12Cr1MoVG材料要更换为T91。中温和低温受热面的材料几乎不变或者采用的材质相当。

当采用优化后的26.25 MPa/610 ℃/610 ℃超超临界参数，由于压力和温度都提高，部分S30432材料裕度不足，要更换为S31042，即这两种材料的分界面有变化，S31042的比例要提高。

本工程以超临界参数为基准，当改为超超临界机组时，辅机选型的主要变化如下：

燃烧制粉系统辅机主要包括给煤机、磨煤机、一次风机、送风机、引风机、除尘器、脱硫装置等。这些辅机均与蒸汽侧参数无关。

给水泵以及驱动小汽机、凝结水泵等转动类设备，会随主机参数变化而略有变化，主要反映在压头略有增加，流量略有下降，容量与超临界参数相比，基本相当。

汽轮机初参数提高以后，回热系统的加热器设计参数会随初参数提高而有一定程度提高，除最高参数高压加热器的局部材料有可能提高材料等级外，大部分加热器材料不需要升级，只是因参数提高而材料用量略有增加。

旁路、安全阀或者热力系统的工艺阀门，随机组参数提高而可能材料升级或者材料用量有一定幅度增加，但本工程所选参数仍在成熟材料的适用范围内，因此仍可以采用成熟的规格型号。

在热力系统中，除了设备本体以外，主蒸汽管道承压最高，因此壁厚较大对管材用量以及造价的影响最大。

按照同等流速设计，超临界参数主蒸汽管道采用P91材料，超超临界参数主蒸汽管道采用P92材料，材料等级需要提高。当超超临界主汽温度再提高10 ℃后，材料不变，但P92的许用应力降低，壁厚有一定程度增加。

主蒸汽计算壁厚(不含腐蚀裕量)对比情况如表9、表10所示。

再热蒸汽热段管道设计温度与主蒸汽管道相同或者更高，但是压力较低，因此壁厚相对较小，但是由于再热蒸汽比容大而容积流量大，管道横截面积大，因此对材料用量也有一定的影响。超临界参数再热蒸汽热段管道采用P91材料，超超临界参数再热蒸汽热段管道采用P92材料。

再热蒸汽冷段管道设计温度较低，而且超临界参数与超超临界参数的再热蒸汽冷段管道设计参数相差并不大。冷段管道选用不同材质，主要依据汽轮机分缸参数以及启停参数的要求。

提高参数以后，不仅设计压力有提高，而且回热系统参数不同设计温度也会提高，但是经过核算，超超临界机组的给水管道设计温度均未超过15NiCuMoNb5-6-4的许用范围，仅壁厚会增加一些，因此给水管道可以采用成熟的15NiCuMoNb5-6-4材料。

根据以上理论分析以及三大动力设备厂的配合结果，最终选取了4组代表性的参数进行技术经济比较。四个方案的技术经济比较如表11所示。

2)26.25 MPa/610 ℃/610 ℃参数汽轮机差价取两家较高值平均值而未采纳最低差价，主要考虑技术上推荐转子材料采用FB2。

敏感性分析涉及多个因素，目前仅从设备投资和煤价两个与技术关联较密切因素分析，对影响趋势做一个简单的评估。

当设备投资总差价降低10%或增加10%时，静态回收年限相应减少10%或增加10%。

以煤价作为敏感性分析因素，当煤价降低至600元/t或增加到800元/t时，静态回收年限变化如表12所示。

1)经过技术分析可知，350 MW机组采用超超临界参数技术上可行，并且所采用的材料均是成熟材料，设计与制造工艺成熟，完全可以国产化。

2)提高参数至超超临界后，350 MW机组的技术指标接近同等参数的600 MW～660 MW超超临界机组，能耗水平显著降低。提高参数后投资增加幅度不多，回收年限也相差不大。但是如果汽轮机高压转子采用FB2而需要进口时，则整体经济性降低。

3)当参数提高至超超临界参数以后，投资有所增加，在煤价较高时回收年限可以接受；但是煤价较低时，回收年限较长。

4)从投资角度考虑，按现阶段煤价水平考虑，采用超超临界参数性价比并不突出，但从长远角度考虑，煤价如果提高幅度较大，设备投资进一步下降，采用超超临界参数则具有较好的经济性。从环保节能以及落后产能淘汰方面考虑，采用较高的参数也是符合国家产业政策的。在超超临界350 MW机组参数选择中，按目前设备造价、煤价，25 MPa/600 ℃/600 ℃参数有较大的优势。