超超臨界簡介

隨著全球溫室效應的日益加劇以及煤炭等化石燃料的日漸緊缺，如何進一步提高燃煤發(fā)電效率和減少CO₂排放成為亟待解決的問題。

火力發(fā)電行業(yè)面臨著兩方面的壓力，一方面市場競爭的加劇需要降低成本，提高發(fā)電效率；另一方面社會對環(huán)境問題日益關注，要求電廠降低SO₂、NO_x、CO₂等的排放，滿足嚴格的環(huán)保要求。發(fā)展?jié)崈裘喊l(fā)電技術是解決這些問題的關鍵，其一是開發(fā)利用新的高效發(fā)電技術，如整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電等；其二是基于常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)，提高機組的蒸汽參數(shù)，即機組的超超臨界化(USC)，發(fā)展高經(jīng)濟性、高效率的高參數(shù)、大容量機組。提高機組參數(shù)成為常規(guī)燃煤電廠增效減排的重要途徑，也是燃煤發(fā)電技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級的主要方向 。

水的臨界參數(shù)為：tc=374.15℃，Pc=22.129MPa。在臨界點以及超臨界狀態(tài)時，將看不見蒸發(fā)現(xiàn)象，水在保持單相的情況下從液態(tài)直接變成汽態(tài)。一般將壓力大于臨界點Pc的范圍稱為超臨界區(qū)，壓力小于Pc的范圍稱為亞臨界區(qū)。

從物理意義上講，水的狀態(tài)只有超臨界和亞臨界之分；而超超臨界一般是應用在火電廠方面的概念，在物理學中沒有這個分界點，只表示超臨界技術發(fā)展的更高階段，是常規(guī)蒸汽動力火電機組的自然發(fā)展和延伸。由于超超臨界參數(shù)機組在我國投運的數(shù)量最多，超超臨界是我國人為的一種區(qū)分，也稱為優(yōu)化的或高效的超臨界參數(shù)。

超超臨界與超臨界的劃分界限尚無國際統(tǒng)一的標準。我國電力百科全書認為主蒸汽壓力≥27MPa為超超臨界機組。2003年，我國“國家高技術研究發(fā)展計劃（'863'計劃）”項目“超超臨界燃煤發(fā)電技術”中，定義超超臨界參數(shù)為蒸汽壓力≥25MPa，蒸汽溫度≥580℃。

超超臨界機組的技術繼承性和可行性最高，同時高效超超臨界發(fā)電具有最高的效率和最低的建設成本，具有最優(yōu)性價比。除了20世紀五六十年代投運的幾臺超超臨界機組外， 從90年代初到全世界已經(jīng)新建超超臨界機組超過100臺，其參數(shù)還在不斷提高。提高參數(shù)，進一步提高經(jīng)濟性，降低價格性能比，降低單位能量的排放是現(xiàn)今火電汽輪機的發(fā)展方向。

日本、歐洲及美國正在政府和各大公司的支持下進行下一步更高參數(shù)超超臨界技術的研發(fā)，將燃煤電廠的蒸汽初參數(shù)提高到700℃以上，同步采取大幅提高蒸汽初壓力以及二次再熱循環(huán)技術，大幅度地提高電廠熱能利用率。

煤炭仍然是我國能源結構的基礎，在整個電網(wǎng)中燃煤火力發(fā)電占70%以上，電力工業(yè)以燃煤發(fā)電為主的格局在相當長一段時期內(nèi)難以改變。

燃煤發(fā)電在創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)電力的同時，也造成了大量的排放污染。因而在我國發(fā)展700℃高效超超臨界燃煤發(fā)電技術具有更為重要的戰(zhàn)略意義。科技部已經(jīng)把“700℃以上高參數(shù)超超臨界發(fā)電”列入新技術發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化領域2012年度國家科技計劃，國家能源局已經(jīng)成立“700℃超超臨界發(fā)電”聯(lián)盟，計劃2015年建立示范電廠 。

中國一次能源結構中煤炭占到約70%，在整個電力結構中， 火電占到了絕對多數(shù)。根據(jù)中電聯(lián)2011 年公布的數(shù)據(jù)，截至2010 年底，中國的火電裝機比例高達73.4%，而西方國家的比例大多在20%左右。并且中國是全球600℃超超臨界燃煤發(fā)電機組運用最多的國家。

我國已經(jīng)投運近80臺600℃、壓力超過25MPa 的超超臨界機組。通過600℃超超臨界機組的技術研發(fā)及工程實踐，除鍋爐、汽輪機部分高溫材料及部分泵和閥門尚未實現(xiàn)國產(chǎn)化以外，其他已基本形成了600℃超超臨界機組整體設計、制造和運行能力，已建立起完整的設計體系，擁有了相應的先進制造設備及加工工藝。

我國超臨界和超超臨界發(fā)電技術比發(fā)達國家起步晚，但憑借國內(nèi)巨大的市場，通過前期的技術轉(zhuǎn)讓和后期的自主開發(fā)， 600℃超超臨界發(fā)電建成機組居世界首位。擁有了先進的設計制造技術平臺、全球最多的600℃超超臨界燃煤發(fā)電機組設計運行經(jīng)驗，這些為我國發(fā)展700℃高效超超臨界燃煤發(fā)電機組奠定了良好的基礎。

根據(jù)700℃高效超超臨界發(fā)電技術的難點以及與國外的差距，我國已初步擬定了其技術發(fā)展路線(2010～2015)，確定的目標參數(shù)為：壓力≥35MPa、溫度≥700℃、機組容量≥60×104kW，并初步制定了研發(fā)進度，爭取在“十二五”末建立示范電廠 。

高效超超臨界機組相對于超超臨界機組，蒸汽溫度和壓力參數(shù)的提高，對關鍵部件材料帶來了更高和更新的要求，尤其是材料的熱強性能、抗高溫腐蝕和氧化能力、冷加工和熱加工性能等，因此材料和制造技術成為發(fā)展先進機組的關鍵。

已經(jīng)運營或處于設計建設階段的超超臨界機組， 溫度參數(shù)大多在566～610℃，壓力則分為25MPa、27MPa 和30～31MPa 三個級別。新高溫鐵素體-馬氏體9%~12%鉻材料已成功應用于31MPa、600℃/610℃參數(shù)。經(jīng)過各高溫高壓部件近10多年的應用，該材料系列已相當成熟，并形成了標準的市場采購規(guī)范。高效超超臨界技術采用更高的蒸汽溫度700℃以及更高的蒸汽初壓力，對材料提出了更苛刻的要求。

發(fā)達國家對于先進發(fā)電技術所需的材料均有相應的研究戰(zhàn)略，對電廠材料的蠕變、疲勞等長時性能研究也有長期規(guī)劃，并建立了數(shù)據(jù)共享平臺，積累了大量的材料性能數(shù)據(jù)。如歐洲蠕變合作委員會(ECCC)和日本材料所的數(shù)據(jù)共享平臺，多數(shù)常用材料的持久強度試驗時間均超過100000h，最長的達到20～30年。這些數(shù)據(jù)為機組的合理設計和安全可靠運行提供了有力的技術支持。

我國的高溫材料基礎研究較為薄弱，缺乏自主知識產(chǎn)權的高溫材料數(shù)據(jù)庫，這成為制約700℃高效超超臨界發(fā)電技術發(fā)展的瓶頸。在材料方面有兩大問題：第一，如何按照汽輪機使用間隔長的要求選擇現(xiàn)有的鎳材料，包括在補充長期高溫性能試驗的基礎上對材料進行調(diào)整和優(yōu)化；第二，汽輪機部件大型化，要求對鑄鍛、焊接、熱處理等工藝性能進行研究，例如單個鍛件的尺寸加大，質(zhì)量達到8～10t。

可選擇的材料有轉(zhuǎn)子及閥門汽缸的617、625；高溫管道的617、740、263；螺栓的M252等。根據(jù)汽輪機的強度要求，材料的長期高溫性能以達到100MPa 為目標，長期性能試驗(從20000h、30000h到100000h)的代價非常大。上述材料在長期性能以及鍛件大型化的基礎上是否要進行成分的優(yōu)化調(diào)整(例如日本對用于轉(zhuǎn)子的617 材料、用于螺栓的M252 材料都進行了微量元素的調(diào)整)，調(diào)整必將增加研究的周期及資金和人力投入。大型化鑄鍛件(閥門、轉(zhuǎn)子鍛件、汽缸)工藝、熱處理規(guī)范的研究投入以及實物的運行試驗研究周期長、投入大，根據(jù)AD700 的報道，僅這方面的投入費用就達到近6000萬歐元。同時，鎳基高溫合金的機械加工切削性能比較差，而汽輪機轉(zhuǎn)子和汽缸的結構型式復雜，必須經(jīng)過大量的切削加工過程，因此必須針對加工制造工藝進行相應的試驗研究，建立合適的加工方法和加工參數(shù)，選擇合適的加工制造設備廠，設計合適的加工切削刀具、切削工藝參數(shù)，設計制造裝夾工具、質(zhì)量檢驗工具等。

由于電廠耐熱材料與影響國計民生的能源和環(huán)境兩大問題均關系密切，有必要制定相應的研究和開發(fā)戰(zhàn)略，通過加大材料研發(fā)的力度，加大試驗研究裝置的建設和研究力量的投入。同時不放棄向國外吸取經(jīng)驗的機會，通過參與國際研發(fā)項目掌握新型耐熱鋼的特性，通過建立材料性能數(shù)據(jù)庫和共享機制，并與國際數(shù)據(jù)平臺合作，形成完整的材料技術支撐體系，促進高效超超臨界等先進火力發(fā)電技術在我國的發(fā)展。

開發(fā)700℃高效超超臨界火力發(fā)電技術對我國電力事業(yè)、環(huán)境保護具有十分重要的意義。機組的蒸汽參數(shù)是決定機組熱經(jīng)濟性的重要因素，亞臨界機組的供電效率一般為36%～38%，設計供電煤耗為340～320g/(kW·h)左右；超臨界機組的供電效率為41%～43%，設計供電煤耗為300～286g/(kW·h)左右；采用先進的700℃高效超超臨界火力發(fā)電機組，通過提高參數(shù)、優(yōu)化系統(tǒng)可使供電效率達到46%以上，供電煤耗可進一步降至250g/(kW·h)以下。可見，700℃高效超超臨界火力發(fā)電機組的節(jié)能效果顯著，同時由于煤耗下降，還大大降低了粉塵、SO₂、NO_x及CO₂等的排放量。

700℃高效超超臨界火力發(fā)電技術對節(jié)約煤炭資源、提高發(fā)電機組的經(jīng)濟性以及改善環(huán)境都顯示出相當?shù)膬?yōu)越性。發(fā)展700℃高效超超臨界發(fā)電技術，可以滿足新增機組、替換低效機組的需求，有效節(jié)約能源，改善環(huán)境，降低CO₂排放，實現(xiàn)高層次的產(chǎn)業(yè)升級 。2100433B

前言

第一章超臨界及超超臨界機組的技術性能

第一節(jié)超臨界及超超臨界機組的發(fā)展概況

第二節(jié)超臨界和超超臨界機組的容量及參數(shù)

第三節(jié)超臨界機組的熱效率及煤耗

第四節(jié)超臨界機組與亞臨界機組的主要區(qū)別

第五節(jié)超臨界鍋爐的性能要求

第六節(jié)超臨界直流鍋爐的主要特點

第七節(jié)新一代超臨界鍋爐的技術特點

第八節(jié)部分超臨界鍋爐燃用的典型煤質(zhì)

第二章超臨界及超超臨界鍋爐的型式及系統(tǒng)

第一節(jié)X電廠600MW超臨界鍋爐

第二節(jié)B電廠600MW超臨界鍋爐

第三節(jié)Q電廠600MW超臨界鍋爐

第四節(jié)C電廠600MW超超臨界鍋爐

第五節(jié)典型的1000MW超超臨界鍋爐

第六節(jié)塔型超臨界和超超臨界鍋爐

第七節(jié)上海石洞口　第二電廠600MW超臨界鍋爐

第八節(jié)800MW超臨界鍋爐

第三章超臨界鍋爐水冷壁的傳熱及水動力特性

第一節(jié)超臨界壓力下水和水蒸氣的熱物理特性

第二節(jié)超臨界壓力下水冷壁管的傳熱特性

第三節(jié)水冷壁型式與質(zhì)量流速優(yōu)化設計

第四節(jié)螺旋管圈水冷壁的特點及水動力特性

第五節(jié)光管垂直管屏水冷壁的特點及水動力特性

第六節(jié)內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的變壓運行特性

第七節(jié)30MPa以上壓力水冷壁的水動力及傳熱特性

第八節(jié)超臨界鍋爐水冷壁工質(zhì)溫度控制

第九節(jié)超臨界鍋爐水冷壁傳熱惡化的判據(jù)

第十節(jié)1000MW超超臨界鍋爐的水冷壁系統(tǒng)

第四章超臨界鍋爐的啟動系統(tǒng)及啟動特性

第一節(jié)超臨界直流鍋爐啟動系統(tǒng)的主要任務

第二節(jié)帶循環(huán)泵的啟動系統(tǒng)

第三節(jié)帶循環(huán)泵和擴容器的啟動系統(tǒng)

第四節(jié)簡化型啟動系統(tǒng)

第五節(jié)帶快速啟動旁路的啟動系統(tǒng)

第六節(jié)帶三級旁路的啟動系統(tǒng)

第七節(jié)帶大氣式擴容器的啟動系統(tǒng)

第八節(jié)超臨界機組的啟動特性

第九節(jié)超臨界機組的旁路系統(tǒng)與啟動方式

第五章超臨界機組的金屬材料

第一節(jié)超臨界機組金屬材料的類型和性能

第二節(jié)超臨界機組鍋爐的金屬材料

第三節(jié)超臨界機組汽輪機的金屬材料

第六章超臨界鍋爐的中間點溫度控制和汽溫調(diào)節(jié)

第一節(jié)超臨界鍋爐的中間點溫度控制

第二節(jié)超臨界鍋爐的汽溫特性

第三節(jié)超臨界鍋爐的汽溫調(diào)節(jié)

第四節(jié)500和800MW超臨界機組的運行特性

第五節(jié)上海石洞口　第二電廠600MW超臨界鍋爐的運行特性

第六節(jié)超臨界機組的變壓運行

第七章煤粉燃燒新技術及超臨界鍋爐爐型結構分析

第一節(jié)低負荷運行無油穩(wěn)燃技術

第二節(jié)燃燒過程NO2控制新技術

第三節(jié)超臨界鍋爐燃燒器及配風技術

第四節(jié)超臨界和超超臨界鍋爐的爐型結構分析

第八章亞臨界參數(shù)鍋爐的類型及性能

第一節(jié)亞臨界參數(shù)鍋爐的主要類型

第二節(jié)亞臨界參數(shù)鍋爐的汽包裝置

第三節(jié)自然循環(huán)鍋爐的技術性能

第四節(jié)控制循環(huán)鍋爐的技術性能

第五節(jié)復合循環(huán)鍋爐的技術性能

第九章亞臨界參數(shù)鍋爐的運行特性

第一節(jié)給水壓力與溫度變化的靜態(tài)特性

第二節(jié)過熱蒸汽壓力與溫度變化的靜態(tài)特性

第三節(jié)再熱蒸汽壓力與溫度變化的靜態(tài)特性

第四節(jié)蒸汽流量、燃料量及過量空氣系數(shù)

第五節(jié)亞臨界機組的啟動特性

第十章亞臨界鍋爐受熱面布置及傳熱特性

第一節(jié)亞臨界鍋爐受熱面布置的特點

第二節(jié)汽溫調(diào)節(jié)方式與受熱面?zhèn)鳠崽匦?

第三節(jié)亞臨界鍋爐過熱器和再熱器系統(tǒng)

第十一章W型火焰鍋爐的燃燒技術和綜合性能

第一節(jié)W型火焰鍋爐的整體布置

第二節(jié)W型火焰鍋爐的技術特點

第三節(jié)W型火焰鍋爐的燃燒技術

第四節(jié)W型火焰鍋爐的汽溫特性

第五節(jié)變負荷過程的動態(tài)特性

第六節(jié)配置W火焰鍋爐的660MW機組的啟動特性

第十二章亞臨界鍋爐的水動力及傳熱特性

第一節(jié)亞臨界鍋爐水動力特性概述

第二節(jié)亞臨界自然循環(huán)鍋爐的水動力及傳熱特性

第三節(jié)控制循環(huán)鍋爐的水動力特性

第四節(jié)循環(huán)特性參數(shù)之間的關系

第十三章調(diào)峰機組的變壓運行

第一節(jié)調(diào)峰機組變壓運行的特點

第二節(jié)調(diào)峰鍋爐運行中的主要問題

第三節(jié)調(diào)峰鍋爐的變壓運行特性

第四節(jié)幾種典型鍋爐的調(diào)峰性能

第十四章大容量鍋爐熱力計算的改進方法

第一節(jié)現(xiàn)行方法的特點與問題

第二節(jié)前蘇聯(lián)的爐膛換熱計算校準方法

第三節(jié)分隔屏過熱器傳熱計算的改進方法

第四節(jié)屏式過熱器傳熱計算的改進方法

第五節(jié)大容量鍋爐爐膛溫度分布計算的改進方法

第六節(jié)煤的灰污特性與受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

第十五章大容量鍋爐的火焰探測技術

第一節(jié)火焰探測技術的發(fā)展及類型

第二節(jié)紅外動態(tài)火焰探測原理及系統(tǒng)組成

第三節(jié)紅外光譜火焰動態(tài)響應特性

第四節(jié)可見光火焰探測系統(tǒng)組成及運行原理

參考文獻2100433B

《超超臨界及亞臨界參數(shù)鍋爐》重點闡述了包括超臨界機組的新技術和經(jīng)濟性；各種型式的超臨界和超超臨界鍋爐的設計特點及系統(tǒng)布置；超臨界鍋爐螺旋管圈水冷壁與內(nèi)螺紋管垂直管屏水冷壁的流動特性和傳熱特性，以及優(yōu)化設計；超臨界鍋爐中間點溫度和水煤比的優(yōu)化控制；超臨界鍋爐的汽溫特性和汽溫調(diào)節(jié)；超臨界直流鍋爐啟動系統(tǒng)及啟動特性；超臨界機組的金屬材料；煤粉燃燒新技術。書中內(nèi)容還包括亞臨界參數(shù)鍋爐的設計理論和運行特性；調(diào)峰機組的變壓運行以及火焰檢測技術等。

本書適用于從事超臨界和超超臨界以及亞l臨界機組鍋爐設計、運行的工程技術人員、科研人員及管理人員，也可供高等院校相關專業(yè)的研究生和本科生參考。