我國(guó)超臨界機(jī)組的發(fā)展

馮偉忠

(上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司，上海 200137)

基于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)電力的需求和一次能源的分布現(xiàn)實(shí)，在今后較長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，煤電仍將是中國(guó)電力的主流，發(fā)展清潔、高效的煤電技術(shù)將是一個(gè)長(zhǎng)期的戰(zhàn)略任務(wù).因此，不斷推進(jìn)超超臨界機(jī)組的高效化是一個(gè)最可行的選項(xiàng).

本文通過(guò)列舉里程碑性質(zhì)的實(shí)際案例，闡述了中國(guó)超(超)臨界技術(shù)的發(fā)展歷程，重點(diǎn)說(shuō)明了中國(guó)超(超)臨界機(jī)組的優(yōu)化和創(chuàng)新，并指出了其未來(lái)的發(fā)展方向.同時(shí)，根據(jù)我國(guó)的國(guó)情，提出了進(jìn)一步提高火電機(jī)組效率的可行性建議.

1 我國(guó)超臨界機(jī)組的起步

20世紀(jì)70年代末，隨著改革開(kāi)放和經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，我國(guó)的電力工業(yè)迅猛發(fā)展.20世紀(jì)80年代，我國(guó)從美國(guó)WestingHouse公司和CE公司引進(jìn)了亞臨界300 MW和600 MW等級(jí)的技術(shù)，并成功地進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化.此后的20年內(nèi)，這兩個(gè)等級(jí)的機(jī)組一直作為中國(guó)電力建設(shè)的主力機(jī)組，其運(yùn)行供電煤耗約在320～340 g/kWh(凈效率為36.1% ～38.4%，不含脫硫).

相對(duì)而言，我國(guó)超臨界機(jī)組的發(fā)展起步較晚，但起點(diǎn)較高.大陸的第一個(gè)超臨界機(jī)組項(xiàng)目是上海石洞口第二發(fā)電廠的2×600 MW超臨界機(jī)組，這是我國(guó)電力超臨界技術(shù)發(fā)展的第一個(gè)里程碑.該項(xiàng)目全套引進(jìn)瑞士ABB公司(汽輪發(fā)電機(jī))、瑞士Sulser公司和美國(guó)CE公司(鍋爐)，蒸汽參數(shù)為24.1 MPa/538℃/566℃，汽輪機(jī)為單軸4缸4排汽，帶調(diào)節(jié)級(jí)汽輪機(jī)，鍋爐為∏型一次再熱，四角切圓燃燒，螺旋水冷壁，疏水啟動(dòng)，固態(tài)排渣鍋爐.

石洞口第二發(fā)電廠由美國(guó)Sargent＆lundy公司總體設(shè)計(jì)，1988年6月開(kāi)工，1992年6月和12月先后投產(chǎn)，該廠的總體技術(shù)屬當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平.在投產(chǎn)后的一年內(nèi)，這兩臺(tái)機(jī)組多次因DCS系統(tǒng)誤動(dòng)導(dǎo)致MFT問(wèn)題，還因調(diào)節(jié)級(jí)葉片設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足導(dǎo)致?lián)p毀更換轉(zhuǎn)子.此外，由于汽輪機(jī)的性能試驗(yàn)值未達(dá)到7 658 kJ/(kWh)的合同保證值，ABB公司又更換過(guò)兩個(gè)低壓缸.

此后，機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性得到了根本改善.運(yùn)行至今，兩臺(tái)機(jī)組的年平均供電煤耗最優(yōu)值為306 g/(kWh)(凈效率為40.14%，不含脫硫)，達(dá)到當(dāng)時(shí)我國(guó)的最好水平，這一紀(jì)錄直到2006年才被打破.

在石洞口超臨界項(xiàng)目之后，我國(guó)又陸續(xù)進(jìn)口了多臺(tái)俄羅斯的300 MW，500 MW的超臨界機(jī)組，兩臺(tái)800 MW的超臨界機(jī)組于2000年在遼寧綏中電廠投產(chǎn).

但上述俄羅斯機(jī)組的運(yùn)行效率和性能均不理想，儀控系統(tǒng)尤其落后，總體性能和效率尚不及20世紀(jì)80年代引進(jìn)的美國(guó)技術(shù)的亞臨界機(jī)組，因此沒(méi)能引起業(yè)界對(duì)超臨界技術(shù)的充分重視，這一局面直到上海外高橋電廠二期工程2×900 MW超臨界機(jī)組的建設(shè)和投產(chǎn)才得以改觀.

2 900MW超臨界機(jī)組的引進(jìn)

外高橋二期工程是中國(guó)電力超臨界技術(shù)發(fā)展的第二個(gè)里程碑.該項(xiàng)目的汽輪發(fā)電機(jī)島［1］和鍋爐島［2，3］分別由德國(guó) SIEMENS 公司和 ALSTOM公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)與供貨，儀控島由日本日立公司供貨.其汽輪機(jī)為單軸，單背壓、單支點(diǎn)軸承，無(wú)調(diào)節(jié)級(jí)，4缸4排汽，7級(jí)回?zé)崞啓C(jī).

鍋爐為塔式，超臨界，一次再熱，分離器內(nèi)置，螺旋水冷壁，滑壓運(yùn)行，單爐膛四角切圓燃燒，露天布置，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣煤粉鍋爐.

鍋爐和汽輪機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2.

表1 外高橋2期工程中鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 外高橋2期工程中汽輪機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該項(xiàng)目于1999年11月開(kāi)始建設(shè)，兩臺(tái)機(jī)組在2004年的4月和9月先后建成投產(chǎn)，其總體技術(shù)水平位于當(dāng)時(shí)國(guó)際最先進(jìn)之列［4］.與石洞口超臨界項(xiàng)目不同，這兩臺(tái)機(jī)組在投產(chǎn)初期就體現(xiàn)了高效率、高可靠性和高度自動(dòng)化等的高綜合性能，很快消除了人們對(duì)超臨界機(jī)組的種種疑慮.其中兩臺(tái)汽輪機(jī)的性能試驗(yàn)熱耗分別為7 531 kJ/(kWh)和7 500 kJ/(kWh)，兩臺(tái)鍋爐的性能試驗(yàn)效率分別為94.65%和94.13%，均遠(yuǎn)優(yōu)于合同保證值.該機(jī)組商業(yè)運(yùn)行階段的最優(yōu)年平均供電煤耗為299.7 g/(kWh)(凈效率為41%，不含脫硫)，曾于2006年被中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)授予“中國(guó)最低煤耗獎(jiǎng)”.自投產(chǎn)至今運(yùn)行狀況良好，汽輪機(jī)從未發(fā)生大的問(wèn)題，而鍋爐一直運(yùn)行到2009年11月才出現(xiàn)了一次因脫落的氧化皮局部阻塞導(dǎo)致的末級(jí)過(guò)熱器爆管.

總體而言，機(jī)組的可靠性和各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到較高水平.

3 超臨界及超超臨界機(jī)組的全面發(fā)展及成效

1995年，京都協(xié)議使全球的目光都投向了CO2的減排.為了大力推動(dòng)節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)，我國(guó)政府將火力發(fā)電業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整為優(yōu)先發(fā)展600～1 000 MW等級(jí)的超臨界和超超臨界技術(shù).

自20世紀(jì)90年代后期，大容量先進(jìn)超超臨界機(jī)組在德國(guó)及日本等國(guó)相繼建成投產(chǎn)，這些機(jī)組的運(yùn)行性能得到了國(guó)際業(yè)界的普遍認(rèn)可.2004年，繼上海外高橋第二發(fā)電廠900 MW超臨界機(jī)組順利投產(chǎn)后，由我國(guó)政府主導(dǎo)，通過(guò)引進(jìn)技術(shù)國(guó)產(chǎn)化及國(guó)內(nèi)自主研發(fā)，我國(guó)的火力發(fā)電建設(shè)的重心開(kāi)始轉(zhuǎn)向600 MW和1 000 MW等級(jí)的引進(jìn)技術(shù)型國(guó)產(chǎn)超臨界和超超臨界機(jī)組。其中，600 MW等級(jí)機(jī)組有主、再熱汽溫為538℃/566℃的超臨界和汽溫為600℃/600℃的超超臨界兩種，而1 000 MW等級(jí)機(jī)組的主、再熱汽溫則均為600℃的超超臨界參數(shù).而且新建機(jī)組全部同步配套建設(shè)脫硫系統(tǒng)，并在2007年全部配套建設(shè)脫硝裝置.這些超臨界及超超臨界機(jī)組的技術(shù)來(lái)源如下.

鍋爐:德國(guó)ALSTOM;美國(guó)ALSTOM(CE);日本日立;日本三菱;國(guó)內(nèi)自主研發(fā)(600 MW 等級(jí)).

汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī):德國(guó) SIEMENS;美國(guó)SIEMENS(Westinghouse);日本日立;日本東芝;國(guó)內(nèi)自主研發(fā)(600 MW等級(jí)).

基于節(jié)能減排的要求，1 000 MW等級(jí)的機(jī)組已成為目前我國(guó)新建燃煤機(jī)組的主流.2006年11月，我國(guó)首臺(tái)1 000 MW超超臨界機(jī)組在浙江玉環(huán)電廠建成投產(chǎn).近年來(lái)，我國(guó)的電力總裝機(jī)容量每年以9.0×107～1.1×108kW 的規(guī)模高速增長(zhǎng)，截至2010年底，我國(guó)已建成投產(chǎn)1 000 MW超超臨界機(jī)組33臺(tái)，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)總量已達(dá)9.62×108kW，其中73.4%為火電機(jī)組.

對(duì)已投產(chǎn)的600 MW超臨界機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，年平均含脫硫煤耗約為310 g/(kWh)(凈效率為39.62%)，而大部分1 000 MW 超超臨界機(jī)組的年平均含脫硫煤耗在290～300 g/(kWh)(凈效率為40.95% ～42.36%)，這些已投產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行煤耗大大低于我國(guó)火電機(jī)組的平均煤耗.同時(shí)，為加快節(jié)能減排的步伐，我國(guó)政府每年關(guān)停大量的中小容量(200 MW及以下)高耗能機(jī)組，使得全國(guó)火電機(jī)組的容量和效率結(jié)構(gòu)明顯改善，平均煤耗逐年穩(wěn)步下降.我國(guó)近10年單機(jī)6 000 kW以上機(jī)組年平均供電煤耗如表3所示.

表3 我國(guó)近10年單機(jī)6 000 kW以上機(jī)組年平均供電煤耗

基于我國(guó)政府堅(jiān)持推行“上大壓小”的政策，隨著大批600～1 000 MW等級(jí)超臨界機(jī)組，特別是1 000 MW等級(jí)超超臨界機(jī)組在今后幾年陸續(xù)的建成投產(chǎn)和中、小容量高耗能機(jī)組的關(guān)停，可以預(yù)計(jì)，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)段內(nèi)，我國(guó)火電機(jī)組的平均運(yùn)行效率將持續(xù)上升.

從已建成投產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行情況來(lái)看，大部分機(jī)組都不同程度地遇到了超(超)臨界機(jī)組的共同問(wèn)題，即氧化皮脫落使鍋爐受熱面阻塞從而引起的爆管，以及破碎的氧化皮形成的固體顆粒對(duì)汽輪機(jī)葉片造成的損傷.但由于目前采用了較為成熟的超(超)臨界技術(shù)，加之近年來(lái)我國(guó)在電力設(shè)備制造、電廠設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試及運(yùn)行和維修技術(shù)等方面的不斷進(jìn)步和趨于成熟，除了鍋爐的平均可靠性在投產(chǎn)初期略低外，已投產(chǎn)機(jī)組的其他方面的可靠性已與亞臨界機(jī)組相接近.

4 超超臨界機(jī)組的綜合優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新

近年來(lái)，除了普遍采用大容量、高參數(shù)機(jī)組外，我國(guó)的新建機(jī)組還在設(shè)計(jì)優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新等方面采取了有效措施，使建成的機(jī)組具有更高的節(jié)能減排水平.其中，上海外高橋第三發(fā)電廠工程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)外三)是最突出的代表，該項(xiàng)目也是我國(guó)超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展史上的又一個(gè)重要里程碑.

外三工程建設(shè)了兩臺(tái)1 000 MW超超臨界機(jī)組，主設(shè)備采用了上海電氣集團(tuán)引進(jìn)的德國(guó)ALSTOM和SIEMENS技術(shù)生產(chǎn)的鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)，工程于2005年9月開(kāi)工，2007年12月17日第一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，兩臺(tái)機(jī)組分別于2008年3月和6月完成調(diào)試和試運(yùn)行并投入商業(yè)運(yùn)行.兩臺(tái)機(jī)組的鍋爐爐型和汽輪發(fā)電機(jī)的機(jī)型與二期工程基本相同，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4和表5.

表4 外高橋3期工程中鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表5 外高橋3期工程中汽輪機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

基于外高橋二期引進(jìn)的德國(guó)2×900 MW超臨界機(jī)組工程成功建設(shè)的有利條件，外三工程從策劃開(kāi)始，就確定以二期工程為基礎(chǔ)，在技術(shù)和性能上延續(xù)并發(fā)展，瞄準(zhǔn)世界最先進(jìn)水平，全面開(kāi)展設(shè)計(jì)優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新［5］，使建成后的機(jī)組具有節(jié)能高效、潔凈環(huán)保、高可靠性、高可調(diào)性及高度自動(dòng)化的先進(jìn)性能，確保機(jī)組的綜合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能位于世界前列.

另外，在二期工程的建設(shè)過(guò)程中，建設(shè)方還對(duì)900 MW超臨界機(jī)組進(jìn)行了逐系統(tǒng)逐設(shè)備的深入研究和消化，認(rèn)真吸取和借鑒國(guó)內(nèi)外超(超)臨界技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，對(duì)超超臨界技術(shù)存在的特殊問(wèn)題和對(duì)策進(jìn)行了超前研究并取得了突破.因此，外三工程從設(shè)備選型和設(shè)計(jì)階段起，就大膽突破了一些已不適應(yīng)超超臨界技術(shù)發(fā)展的傳統(tǒng)規(guī)范和習(xí)慣，對(duì)于實(shí)踐證明存在問(wèn)題或在性能方面尚有提升潛力的設(shè)備和系統(tǒng)，進(jìn)行了全面的優(yōu)化和改進(jìn).在此基礎(chǔ)上，外三公司還把技術(shù)創(chuàng)新作為全面提高機(jī)組綜合性能的抓手，分解和瞄準(zhǔn)各項(xiàng)世界最先進(jìn)水平，重點(diǎn)圍繞節(jié)能減排這一主題，全面深入地開(kāi)展了一系列創(chuàng)新課題研究，開(kāi)發(fā)出了一批先進(jìn)的節(jié)能技術(shù).在鍋爐及相關(guān)系統(tǒng)方面，研發(fā)出了空預(yù)器全向柔性密封技術(shù)、直流鍋爐節(jié)能型啟動(dòng)系列技術(shù)等.在汽輪機(jī)及相關(guān)系統(tǒng)方面，進(jìn)行了主蒸汽參數(shù)及運(yùn)行調(diào)節(jié)方式的優(yōu)化［6］、“四大管道系統(tǒng)”設(shè)計(jì)優(yōu)化、汽輪機(jī)背壓優(yōu)化等，研發(fā)出了節(jié)能型抽汽調(diào)頻技術(shù)［7］，采用單臺(tái)汽動(dòng)給水泵配置，并研發(fā)出了汽動(dòng)給水泵組低速啟動(dòng)及全程調(diào)速運(yùn)行技術(shù)［8］等.這些優(yōu)化和創(chuàng)新技術(shù)在工程建設(shè)的各個(gè)階段進(jìn)行了實(shí)施，使機(jī)組的綜合性能，特別是能耗水平，在剛投產(chǎn)時(shí)就達(dá)到和超過(guò)了建設(shè)目標(biāo).自建成投產(chǎn)后至2008年年底，在平均負(fù)荷率僅為74%的情況下，兩臺(tái)機(jī)組含脫硫的實(shí)際運(yùn)行煤耗達(dá)287.44 g/(kWh)(凈效率為42.73%)，為世界同比最先進(jìn)水平.

外三工程高水平建成投產(chǎn)后，該電廠并沒(méi)有停止技術(shù)創(chuàng)新的步伐，投產(chǎn)3年來(lái)又先后研究開(kāi)發(fā)并成功實(shí)施了“零能耗”煙氣脫硫技術(shù)、廣義回?zé)峒夹g(shù)、鍋爐節(jié)能型快速啟動(dòng)技術(shù)及彈性回?zé)峒夹g(shù)等，使兩臺(tái)機(jī)組的能效和環(huán)保水平得到了持續(xù)提升.2009年，在年平均負(fù)荷率僅為75%的情況下，兩臺(tái)機(jī)組的平均運(yùn)行供電煤耗(兩臺(tái)均含脫硫、第二臺(tái)含脫硝)大幅下降至282.16 g/(kWh)(凈效率為43.53%)，比之前名列世界第一的丹麥Nordjlland電廠3#411 MW兩次再熱超超臨界、低溫海水冷卻(10℃，背壓2.3 kPa)機(jī)組2009年(發(fā)電負(fù)荷率89%，含煙氣凈化系統(tǒng))的實(shí)際運(yùn)行供電煤耗286.08 g/(kWh)(凈效率為42.94%)還低 3.92 g/(kWh).

2010年，在年平均負(fù)荷率為74%的情況下，外三工程的兩臺(tái)機(jī)組再次將平均運(yùn)行供電煤耗大幅刷新至279.39 g/(kWh)(凈效率為43.97%)，在世界上處于領(lǐng)先水平.同時(shí)，基于技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新仍在繼續(xù)，因此這一煤耗記錄還將被不斷刷新.

需要特別指出的是，機(jī)組的實(shí)際年平均運(yùn)行效率與理論效率(設(shè)計(jì)效率)間一般相差2%以上，以此推算，外三機(jī)組目前的理論凈效率為46%～47%，已達(dá)到國(guó)外尚在研發(fā)中的一次再熱700℃等級(jí)高效超臨界機(jī)組的期望效率.

由于外三工程取得了很大成功，機(jī)組投產(chǎn)至今，國(guó)內(nèi)外電力界同行前往參觀學(xué)習(xí)和考察者絡(luò)繹不絕.《華爾街日?qǐng)?bào)》在2010年3月10日的報(bào)道中以《世界最高效的燃煤發(fā)電廠在上海》為題做了專(zhuān)題報(bào)道，并迅速被世界上數(shù)十家媒體和網(wǎng)站轉(zhuǎn)載.外三的成功不但顯著提升了我國(guó)電力的國(guó)際地位，也對(duì)發(fā)電行業(yè)的節(jié)能減排和技術(shù)進(jìn)步起到了很好的推動(dòng)作用.

5 超(超)臨界機(jī)組的汽側(cè)高溫氧化和SPE問(wèn)題及其應(yīng)對(duì)措施

近年來(lái)，隨著我國(guó)超(超)臨界機(jī)組的大規(guī)模建設(shè)，伴隨著蒸汽參數(shù)的大幅度提高，新的問(wèn)題和技術(shù)挑戰(zhàn)不斷出現(xiàn)，特別是汽側(cè)高溫氧化和固體顆粒侵蝕［9］(SPE)問(wèn)題已日趨嚴(yán)重.從已投產(chǎn)機(jī)組的調(diào)試和運(yùn)行情況來(lái)看，絕大部分機(jī)組都存在這些問(wèn)題.因氧化皮脫落和堵塞導(dǎo)致的鍋爐爆管，破碎的氧化皮形成的固體顆粒侵蝕葉片和旁路閥芯導(dǎo)致的汽輪機(jī)運(yùn)行效率的不斷下降，已是這些機(jī)組的常見(jiàn)病，如圖1、圖2和圖3所示.一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)和啟動(dòng)運(yùn)行方式不當(dāng)?shù)臋C(jī)組，這些問(wèn)題已極其嚴(yán)重，個(gè)別項(xiàng)目投產(chǎn)僅兩年多，汽輪機(jī)的效率就下降了8%，早已超過(guò)了報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn).另外，SPE還具有不可逆性，除非更換通流部分，否則效率的損失不可挽回.因此，這些問(wèn)題必須引起業(yè)界的高度重視.

SPE問(wèn)題并非超(超)臨界機(jī)組所特有，自100多年前汽輪機(jī)發(fā)明并投入工業(yè)化應(yīng)用后，這一問(wèn)題就已出現(xiàn)，只是在蒸汽參數(shù)較低時(shí)SPE問(wèn)題的程度較輕，汽輪機(jī)內(nèi)效率下降的速率相對(duì)較緩，但隨著運(yùn)行年限的增加，這一問(wèn)題就會(huì)逐漸凸顯.20世紀(jì)80年代，我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)技術(shù)并大量生產(chǎn)的300 MW和600 MW亞臨界機(jī)組，將目前的運(yùn)行數(shù)據(jù)與投產(chǎn)初期相比，其汽輪機(jī)的內(nèi)效率已大不如前.

SPE這一頑癥已困擾了國(guó)際發(fā)電領(lǐng)域數(shù)十年，國(guó)外所有超(超)臨界機(jī)組均存在這一問(wèn)題.德國(guó)運(yùn)行效率最高的Niederaussem電廠1 025 MW超超臨界機(jī)組，投產(chǎn)僅一年，就因SPE問(wèn)題導(dǎo)致高壓缸的內(nèi)效率下降了3.6%;世界上設(shè)計(jì)效率最高的丹麥Nordjylland電廠411 MW兩次再熱超超臨界機(jī)組，如果不是由于嚴(yán)重的SPE問(wèn)題，其47%的設(shè)計(jì)凈效率，在89%發(fā)電負(fù)荷率下的運(yùn)行效率絕不應(yīng)遠(yuǎn)低于外三機(jī)組;而日本運(yùn)行效率最高的磯子電廠新1#機(jī)600 MW超超臨界機(jī)組，設(shè)計(jì)含脫硫、脫硝的凈效率為43%(供電煤耗為285.7 g/(kWh))，在全年大部分時(shí)間都是滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，其運(yùn)行效率最高的年份實(shí)際運(yùn)行凈效率僅為40.7%(供電煤耗為301.8 g/(kWh)).

圖1 遭氧化皮阻塞的管子

圖2 被固體顆粒侵蝕的葉片

圖3 被固體顆粒侵蝕的旁路閥芯

外三工程從項(xiàng)目策劃開(kāi)始，就將汽側(cè)的高溫氧化和固體顆粒侵蝕問(wèn)題的防治作為首要課題，針對(duì)這類(lèi)問(wèn)題產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了全面深入的研究，提出了綜合治理的技術(shù)措施，其基本思路為:

(1)應(yīng)設(shè)法防止和減緩高溫蒸汽金屬氧化物的生成;

(2)對(duì)于已生成的金屬氧化物應(yīng)避免其脫落;

(3)對(duì)已脫落的金屬氧化物應(yīng)盡快予以清除;

(4)對(duì)未能清除的金屬氧化物應(yīng)盡量減輕其對(duì)汽輪機(jī)葉片的危害程度.

根據(jù)這一思路，研發(fā)了一整套所謂的中醫(yī)全身療法的蒸汽側(cè)氧化和固體顆粒侵蝕綜合治理的系列技術(shù)，涵蓋了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、施工及調(diào)試、機(jī)組控制、啟動(dòng)和運(yùn)行方式等方面的一系列的改進(jìn)和創(chuàng)新，使外三工程取得了很大成效，徹底根治了這一世紀(jì)頑癥.

從第一次點(diǎn)火啟動(dòng)至今，鍋爐從未發(fā)生過(guò)因氧化皮囤積和阻塞導(dǎo)致的超溫和爆管.在運(yùn)行了30個(gè)月后檢查發(fā)現(xiàn)，過(guò)熱器、再熱器內(nèi)壁依然光滑如初，毫無(wú)氧化皮滯留及剝離跡象，如圖4所示.

圖4 外三鍋爐運(yùn)行30個(gè)月后高溫再熱器內(nèi)壁情況

汽輪機(jī)高、中壓缸葉片也依然光亮如新，如圖5所示.同時(shí)，汽輪機(jī)性能試驗(yàn)的比對(duì)表明，從機(jī)組的第一次啟動(dòng)至今，汽輪機(jī)的內(nèi)效率絲毫未變，而旁路閥也從未發(fā)生沖蝕泄漏現(xiàn)象.

圖5 外三汽輪機(jī)運(yùn)行30個(gè)月后中壓缸第一級(jí)葉片情況

從外三的成功實(shí)踐可以看出，SPE問(wèn)題并非不治之癥.在當(dāng)前行業(yè)內(nèi)，如何借鑒這些經(jīng)驗(yàn)，全面改革目前的工藝技術(shù)，盡快遏制SPE問(wèn)題蔓延的勢(shì)頭，應(yīng)是火電業(yè)節(jié)能減排的重中之重.

6 我國(guó)超超臨界技術(shù)的展望

隨著哥本哈根會(huì)議的召開(kāi)，我國(guó)的發(fā)電行業(yè)也深切地感受到了進(jìn)一步節(jié)能減排的壓力.目前，我國(guó)政府和電力學(xué)術(shù)界正密切關(guān)注700℃高效超臨界技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，并已著手開(kāi)始這方面的研究工作.與此同時(shí)，發(fā)展更大容量和更高效的超臨界機(jī)組已提到了議事日程.

自2009年起，已有兩個(gè)項(xiàng)目開(kāi)始進(jìn)入技術(shù)論證:一個(gè)是基于目前1 000 MW超超臨界機(jī)組的基本設(shè)計(jì)，僅擴(kuò)大單機(jī)容量的1 200 MW單軸超超臨界項(xiàng)目，預(yù)計(jì)熱耗水平還可能在目前基礎(chǔ)上略有下降;另一個(gè)項(xiàng)目為(1 350 MW)兩次再熱、高低位雙軸布置(2008年2月，中國(guó)國(guó)家專(zhuān)利局已對(duì)這一技術(shù)給予了專(zhuān)利授權(quán))超超臨界機(jī)組，該技術(shù)主要針對(duì)高參數(shù)超臨界技術(shù)的發(fā)展瓶頸而研發(fā).1 350 MW機(jī)組方案為:將該雙軸機(jī)組的高壓缸和第一中壓缸軸系放置于鍋爐過(guò)熱器和再熱器聯(lián)箱出口附近，而將第二中壓缸及連接著巨大凝汽器和循環(huán)水管的低壓缸等仍按常規(guī)(低位)布置，這極大地縮短了主、再熱蒸汽管道的長(zhǎng)度，在降低造價(jià)的同時(shí)，還能大大降低管系阻力和散熱損失，顯著提高機(jī)組的運(yùn)行效率，并使兩次再熱技術(shù)的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮.目前，由國(guó)內(nèi)外多家設(shè)計(jì)、設(shè)備制造等單位聯(lián)合進(jìn)行的技術(shù)論證已完成，證實(shí)了該設(shè)計(jì)技術(shù)完全可行.據(jù)熱平衡計(jì)算表明，應(yīng)用該技術(shù)后，在同等溫度參數(shù)(材料相同)下，汽輪機(jī)的熱耗能可以再下降5%，相當(dāng)于在目前超超臨界技術(shù)的基礎(chǔ)上再向前推進(jìn)一代以上.如果再同時(shí)集成外三已應(yīng)用的節(jié)能優(yōu)化和創(chuàng)新技術(shù)，可使機(jī)組的理論凈效率提高到48.92%以上(供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗為251 g/(kWh)，循環(huán)冷卻水溫為20℃)，遠(yuǎn)超目前尚未投入運(yùn)行、還在設(shè)計(jì)中的德國(guó)的世界首臺(tái)500 MW，700℃一次再熱機(jī)組(設(shè)計(jì)凈效率為47%，循環(huán)冷卻水溫為16℃)的期望值.

基于700℃機(jī)組需采用極為昂貴的鎳基超級(jí)合金，若采用常規(guī)布置設(shè)計(jì)，按2×1 000 MW 考量，僅高溫高壓管道的造價(jià)就要增加數(shù)十億元，因此高低位布置技術(shù)方案具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì).若700℃材料技術(shù)一旦成熟，將上述600℃方案升級(jí)至700℃，機(jī)組的凈效率就能達(dá)到52%(循環(huán)冷卻水溫為20℃).德國(guó)西門(mén)子公司在作了深入研究后，對(duì)本技術(shù)給予了高度評(píng)價(jià)，在西門(mén)子火力發(fā)電集團(tuán)產(chǎn)品業(yè)務(wù)部首席執(zhí)行官羅蘭·菲舍爾博士簽署的報(bào)告中稱(chēng):“本技術(shù)能大大提高火力發(fā)電機(jī)組的凈效率，是改革高污染發(fā)電行業(yè)成為低排放綠色產(chǎn)業(yè)的唯一機(jī)遇.”“如果能實(shí)踐到工程中，它將使中國(guó)成為世界火力發(fā)電技術(shù)的權(quán)威”.

7 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，大批量建設(shè)的超臨界和超超臨界機(jī)組，絕大多數(shù)都不同程度出現(xiàn)了鍋爐側(cè)氧化皮阻塞引起的超溫爆管及汽輪機(jī)葉片固體顆粒侵蝕導(dǎo)致的效率下降等問(wèn)題.因此，應(yīng)盡快總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，迅速采取有效措施，及早阻止這類(lèi)問(wèn)題的蔓延，以使超臨界及超超臨界機(jī)組的效率優(yōu)勢(shì)不被漸漸吞噬.與此同時(shí)，必須對(duì)目前的設(shè)計(jì)、施工調(diào)試等規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)升級(jí)，以適應(yīng)超臨界發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，全面提高今后新建機(jī)組的水平.

700℃高效超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)在于材料技術(shù)的研究，這需要大量的資金和時(shí)間投入.因此，可立足于我國(guó)的國(guó)情，采取3步走的方法:一是盡快全面總結(jié)推廣已成熟的節(jié)能減排優(yōu)化和創(chuàng)新技術(shù)，使現(xiàn)有的機(jī)組通過(guò)技術(shù)改造，平均能有2% ～3%的效率提升，同時(shí)使新建的600℃超超臨界機(jī)組的凈效率從目前的43%向46%靠攏;二是及早啟動(dòng)600℃等級(jí)高低位分軸布置二次再熱超超臨界示范性項(xiàng)目，使機(jī)組的凈效率接近48.5% ～49%;三是當(dāng)700℃材料成熟后，以第二步的技術(shù)為基礎(chǔ)升級(jí)材料，進(jìn)一步向機(jī)組凈效率52%的高度沖擊，從而走出一條有中國(guó)特色、并能引領(lǐng)世界高效火電技術(shù)發(fā)展的道路.

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