养殖技术顾问超超临界汽轮机技术发展
霸权稳定论布兰妮最新专辑42091022 赵树男1.超超临界汽轮机的参数特征
超临界汽轮机(supercritical steam turbine)有明确的物理意义。由⼯程热⼒学中⽔
蒸汽性质图表知道: ⽔的临界点参数为: 临界压⼒p c=22.129MPa, 临界温度t c=374.15℃ , 临界焓h c=2095.2kJ/ kg, 临界熵s c=4.4237kJ/(kg·K)，临界⽐容v c= 0.003147m3/kg。⼯程上, 把主蒸汽压⼒p0 p c的汽轮机称为超临界汽轮机。
在国际上, 超超临界汽轮机(Ultra Supercritical Steam Turbine)与超临界汽轮机的木年轮
蒸汽参数划分尚未有统⼀看法。有些学者把蒸汽参数为超临界压⼒与蒸汽温度⼤于或等于593℃称为超超临界汽轮机, 蒸汽温度593℃可以是主蒸汽温度，也可以是再热蒸汽温度; 有
些学者把主蒸汽压⼒⼤于27. 5MPa 且蒸汽温度⼤于580℃称为超超临界汽轮机。1979 年⽇
本电源开发公司(EPDC) 提出超超临界蒸汽参数( Ultra Supercritical Steam Condition)的概念, 简写为US
C, 也称为⾼效超临界或超级超临界。⽬前, 超超临界汽轮机的提法已被⼯
程界⼴泛接受和认可, 在传统的超临界蒸汽参数24. 2MPa/ 538℃/538℃的基础上，通过提
⾼主蒸汽温度、再热蒸汽温度或主蒸汽压⼒改善热效率。国外提⾼超临界机组的蒸汽参数 有两种途径: ⼀种途径是⽇本企业的做法, 通过把主蒸汽和再热蒸汽的温度提⾼到593℃或600℃，实现了供电热效率的提⾼, ⽣产出超超临界汽轮机; 另⼀种途径是欧洲⼀些企业的
做法, 把蒸汽参数提⾼到28MPa 和580℃，也实现了供电热效率的提⾼, ⽣产出超超临界汽
轮机。
国外投运⼤功率超超临界汽轮机⽐较多的国家有⽇本和丹麦, ⽣产⼤功率超超临界汽
轮机台数⽐较多的企业有东芝、三菱、⽇⽴、阿尔斯通(德国MAN)和西门⼦。我国研制超超海尔轰天雷x7
临界汽轮机, 建议主蒸汽压⼒取为25MPa ～ 28MPa, 主蒸汽温度为580℃～600℃，再热蒸
汽温度为600℃，机组功率为700MW～1000MW。
2.超超临界技术的发展
2. 1 ⽇本超超临界技术开发
⽇本超超临界技术开发分为2 个阶段实施完成。第⼀阶段超超临界技术开发从1981 年 开始, 1994 年结束。第⼀阶段的技术研究⼯作分为2步同时进⾏: 第⼀步的蒸汽温度为
593℃/593℃，第⼆步的蒸汽温度为649℃/593℃。第⼀阶段技术开发的⽬标是在传统超临
界蒸汽参数( 24.2MPa/ 538℃/538℃)的基础上, 热效率再提⾼2. 2% 。主要技术研究⼯○1○2○3前理解学说是谁的理论
作有5项：初步试验( 1981年)；锅炉元件试验(1982～1989年)；汽轮机转动试验( ○4○5
1983～1989年)；超⾼温汽轮机⽰范电⼚试验(1983～1993年)；总体评价与分析( 1994年)。1994年完成了第⼀阶段技术开发的总体评价与分析⼯作。
第⼆阶段超超临界技术开发从1995年开始,2001年结束。第⼆阶段蒸汽温度为630℃/ 630℃，第⼆阶段技术开发⼯作的重点是对9%Cr ～12%Cr 新型铁素体钢进⾏开发和验证。
第⼆阶段技术开发的⽬标是在常规超临界蒸汽参数(24. 2MPa/ 538℃/538℃)的基础上,
○1
热效率再提⾼4.8 个百分点。第⼆阶段技术研究⼯作有4 项：初步试验( 1995 年)；
○2○3○4锅炉元件630℃试验(1996～2001年)；汽轮机转动630℃试验(1996～2000年)；总体
评价和分析(2001 年)。2001 年完成第⼆阶段技术开发的总体评价与分析⼯作。⽇本超超
临界技术开发的阶段研究⼯作的完成，为⽇本发电设备制造企业研制和⽣产超超临界⽕电机组提供了科学的依据。
2. 2 欧盟超超临界技术开发
欧洲国家从20世纪90年代开始实施COST501计划, 继续开发9%Cr～12%Cr铁素体钢, 实
现蒸汽温度为580℃/600℃。欧洲13个国家有关的发电设备企业参与了COST501计划的研发。研究成果已在丹麦投运的SVS3、NVV3和AVV2等超超临界机组上应⽤。欧洲国家从1998年开
始实施COST522计划, 开发和验证新型铁素体钢和奥⽒体钢。11%Cr钢的Co的含量增加到3% , B的含量增加到0. 01% , 以提⾼材料的蠕变强度和抗⾼温氧化性能。实现蒸汽温度为600℃/ 620℃,⽬标是开发与燃⽓轮机联合循环相⽐更有竞争⼒的超超临界⽕电机组。按照现有的技术⽔平, 可以实现的主蒸汽和再热蒸汽的温度分别为600℃/620℃。欧盟从1998年1⽉
1⽇启动了开发时间长达17年的超超临界技术研发项⽬“Themie 700”，也称“AD-700℃计划”。欧盟“AD-700℃计划”的⽬的是开发具体先进蒸汽参数的超超临界⽕电机组。具体
⽬标有两点: ⼀是供电热效率(发电净效率)由⽬前的47%提⾼到55%(深海海⽔冷却)或
52%(内陆⼚)；⼆是⼚房结构更加紧凑, 以降低燃煤电⼚的投资。欧盟“AD-700℃计划”
的核⼼技术是新材料的开发和应⽤。通过使⽤镍基超级合⾦, 使汽轮机的蒸汽温度由⽬前
的600℃/620℃提⾼到700℃/720℃。为了在700℃/720℃超超临界⽕电机组中减少使⽤
价格昂贵的镍基超级合⾦, “AD-700℃计划”还确⽴了奥⽒体钢和铁素体钢的发展计划。
欧盟“AD-700℃计划”分8个⼦阶段进⾏。第⼀⼦阶段为初可研阶段(1998～2000年)；第⼆⼦阶段为材料性能⽰范试验阶段(1999～2003年)；第三⼦阶段是关键元件的详细设计
阶段(2001～2003年)；第四⼦阶段是关键元件的⽰范试验和全尺⼨实体试验阶段
(2002～2006 年)。在丹麦现有超超临界机组SVS3号运⾏的电⼚内，加装加热锅炉和蒸汽温
度为700℃/720℃汽轮机, 进⾏全尺⼨实体试验。从SVS3号超超临界机组上引出⼀部分
30MPa/ 582℃蒸汽，在加热锅炉的过热器中升温到700℃，进⼊压汽轮机做功后再回到加热
锅炉的再热器，升温到720℃。720℃的蒸汽在中压汽轮机做功后返回SV S3号的中压汽轮机。第五⼦阶段为⽰范电⼚施⼯准备阶段( 2006年)；第六⼦阶段是⽰范电⼚的设计和施⼯阶段(2007～2011年)。计划在波罗的海沿岸国家建造⼀个⽰范电⼚，单机功率为400MW 或1000MW, 蒸汽参数为37. 5MPa/ 700℃/720℃/720℃,⼀次再热压⼒为12MPa, ⼆次再热压⼒为3MPa, 深海海⽔冷却, 冷却⽔温度为5℃～10℃，电站名称暂定为EMAX。第七⼦阶段是⽰范电⼚
的运⾏和试验阶段(2012～2014年)。第⼋⼦阶段是⽰范电⼚的结果反馈到合作者阶段(2013～2014年)。
欧盟“AD-700℃计划”的战略意义是使欧盟成员国的燃煤⽕电机组的技术⽔平始终处
于世界的领先⽔平, 显著提⾼欧盟成员国燃煤⽕电机组的竞争能⼒。欧盟“AD-700℃计划”成功后, 不仅可以显著提⾼燃煤⽕电机组的热效率、显著降低煤的消耗量, ⽽且可以显著
降低CO2 的排放量。
2. 3 美国超超临界技术开发
1999年美国能源部(DOE) 提出了⽕电新技术发展的Vision 21计划, 对15～20年后⼯程
中采⽤的先进发电技术提出研发实施计划。在Vision 21计划中, 有⼀个项⽬为超超临界锅炉材料的研发计划(DOE/OCDO) , 起⽌⽇期为2001年10⽉⾄2006年9⽉。该项⽬CDOE/OCDO 的核⼼技术包括: 选定在指定热效率和运⾏温的发电⼚中使⽤的材料；确定蒸汽温度为760℃的锅炉管材(镍基超级合⾦)的制造⼯艺和喷涂⼯艺；确定蒸汽温度为760℃的超超临界⽕电机组的设计和运⾏难点；促进新型管材技术的商业化开发和应⽤；通过ASME 规范的认证。该项⽬(DOE/OCDO)有9项研究⼯作: 概念设计；机械性能；汽侧氧化；烟侧腐蚀；○
1○2○3○4焊接技术开发；制造⼯艺；喷涂⼯艺；设计数据规范；项⽬管理。该项⽬○5○6○7○8○9(DOE/OCDO)完成后, 美国可以制造蒸汽温度达到760℃的锅炉管材和各种部件。如果⼯程需要, 也应该能够制造蒸汽温度为871℃的镍基超级合⾦的部件。美国能源部(DOE)有关超超临界汽轮机技术的研究项⽬2002年处于⽴项阶段。同蒸汽参数为16. 7MPa/ 538℃/ 538℃亚
临界⽕电机组的热效率35%～38%相⽐, 美国能源部(DOE)计划开发的35MPa/ 760℃/
760℃/ 760℃超超临界⽕电机组的热效率将⾼于55% , CO 2和其他污染物的排放约减少30%。美国能源部(DOE)开发超超临界技术的⽬标有两点: ⼀是选择先进的材料使得超超临界⽕电机组的成本具有竞争性、环保可接受并能够燃⽤⾼硫煤；⼆是提⾼美国发电设备制造商⽣产的⾼效燃煤⽕电机组( 超超临界机组) 在全世界范围内的竞争能⼒。
3.超超临界汽轮机关键技术的探讨
到2002年底, 国内汽轮机制造企业已有亚临界汽轮机的⽣产经验和投运业绩。同亚临界汽轮机的蒸汽参数16. 7MPa/ 538℃/ 538℃相⽐, 超超临界汽轮机的主蒸汽压⼒⼤幅度升⾼、主蒸汽温度明显升⾼, 并且再热蒸汽的压⼒和温度均有明显升⾼。超超临界汽轮机在可靠性等⽅⾯⾯临的主要技术问题如图1
所⽰。
图1 超超临界汽轮机的主要技术问题
(1) 随着蒸汽温度的升⾼, 超超临界汽轮机可靠性⾯临的主要技术问题是:
材料⼒学性能和许⽤应⼒下降, 超超临界汽轮机承压部件和转动部件的强度降低, ○1需要开发和采⽤新材料, 采⽤蒸汽冷却技术。
超超临界机组选⽤直流锅炉, 直流锅炉没有汽包, 不能进⾏排污, 给⽔中盐与锅炉
○2
过热器、再热器管⼦内表⾯剥离的氧化垢微型固体粒⼦进⼊汽轮机, 对汽轮机⾼压部分造成固体颗粒侵蚀，对汽轮机低压部分易造成应⼒腐蚀和腐蚀疲劳。需要对调节级和再热第1级叶⽚开展固体颗粒侵蚀机理研究, 采取防固体颗粒侵蚀措施；末三级叶⽚需要采⽤耐腐蚀疲劳材料, 低压转⼦需要采⽤防应⼒腐蚀结构。
○3
超超临界汽轮机与⾼温有关的严重问题是⼯作应⼒下产⽣蠕变变形以及启停与负荷快速变化过程中过⼤的热应⼒产⽣热疲劳(低周疲劳)。超超临界汽轮机的绝⼤部分⾼温部件⼯作温度是不均匀的和变化的, 厚截⾯部件如转⼦、汽缸、喷嘴室、阀壳等在启停过程与负荷快速变化过程中都承受很⼤的温度梯度, 由此⽽产⽣的热应⼒接近或超过材料的屈服极限, 严重影响这些部件的使⽤寿命。超超临界汽轮机参与调峰运⾏, 寿命问题更为突出。需要采⽤新材料和新结构, 开展寿命设计。
(2) 随着蒸汽压⼒的升⾼, 超超临界汽轮机可靠性⾯临的主要技术问题是:
○1
汽缸、喷嘴室、阀壳、导汽管等承压部件应⼒增⼤, ⾯临严峻的强度和寿命问题, 需要采⽤新材料和新结构, 开展强度和寿命设计。
○2
主蒸汽的密度⾼、⽐容⼩, ⾼压转⼦的偏⼼、间隙不对称等产⽣蒸汽⼒, 汽流激振容易引起轴系失稳, 需要开展汽流激振机理研究, 开发汽流激振设计分析软件。
○3
汽轮机各级间压差和轴封的压差也有增⼤, 隔板汽封、叶顶汽封、轴封等部件蒸汽泄漏量增⼤, 需要采⽤汽封新结构。
综上所述, 随着蒸汽参数的提⾼, 材料开发与⼯艺、固体颗粒侵蚀、强度问题、寿命问题、汽流激振、结构可靠性设计、蒸汽冷却技术、通流部分优化等技术已经成为研制超超临界汽轮机的关键技术。上海发电设备成套设计研究所、制造企业和国内有关单位通过近⼏年的科研⼯作和技术积累，对这些关键技术有⼀定的研究, 特别是对强度、寿命、汽流激振、材料开发、结构可靠性设计和通流部分优化等技术有深⼊研究, 为研制和⽣产超超临界汽轮机奠定了良好的基础。
4.结语
超超临界⽕电技术属于⾼新技术, 超超临界⽕电机组的研制和⽣产, 反映和代表⼀个国家⼯业化的⽔平。随着蒸汽参数的不断提⾼, 超超临界⽕电机组的热效率不断提⾼, 电⼚污染物的排放进⼀步减少。
随着科学技术的进步和材料技术的发展, 超超临界汽轮机的主蒸汽温度达到700℃即将成为现实，研发⾼效率、⾼可靠性超超临界⽕电机组现已成为国际上先进⽕电技术的发展趋势。
参考⽂献：
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1185～1188.
汽轮机对于我们来说是⼀门很重要的基础课程，通过这么多节课的学习，学到了许多
关于汽轮机⽅⾯的基础知识。如果要想把汽轮机很透彻的讲明⽩的话，以现在的课时数肯
定是不够的，所以我我的要挑重点的讲，主要讲⼀些基础的概念、认识，让⼤家对汽轮机
有⼀个初步的全⾯的认识，不需要太深⼊的讲⼀些计算，这些计算在将来⽤到的时候可以
再看的。然后就是关于做PPT，其实出发点是好的，让更多的⼈投⼊到学习中并且锻炼能⼒，但是获得的效果可能就没有想象中的好。⼤多数⼈是应付，讲的不透彻，即使很明⽩⾃⼰
讲的，也只是局限于⾃⼰讲的范围，其他⼈讲的可能很难让其他⼈明⽩，⽽且⽐较浪费时间，不如⽼师⾃⼰讲。
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