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【内容摘要】通过对国外超超临界机组的技术特点和现状分析，及对国内1000MW超超临界机组目前的状况等进行论述，为1000MW级机组主机参数和容量的选择提供参考。
【关键词】1000MW级；主机；选型
【 abstract 】 through to ultra-supercritica units technical characteristics and present condition analysis, and to domestic 1000 MW ultra-supercritical units are present situation is discussed, for 1000 MW unit level the choice of parameters and host capacity to provide the reference.
【 keywords 】 1000 MW grade; Host; selection
中图分类号：U224.5文献标识码：A文章编号：
1 超超临界机组发展概况
1.1 国外超超临界机组的发展现状
國外发达国家发展超临界机组起步早，目前，美国拥有近10台单机容量为1300MW的超临界机组，而在欧洲和日本等发达国家在近些年共有18台1000MW以上机组投产。据目前掌握的资料，再热蒸汽温度已达到620℃或接近620℃（619℃）。国外先进的大容量、高参数机组的投运，为我国发展1200MW超超临界机组提供了借鉴。
表1-1国外大容量、高参数火电机组
1.2 国内超超临界机组的发展现状
2006年11月我国第一台1000MW超超临界机组在浙江投运。同时，我国在引进国外1000MW超超临界机组技术的基础上，进行了一系列技术创新，这其中包括1000MW超超临界空冷机组的投运。目前我国投运、在建、拟建1000MW超超临界机组数量,均居世界首位。
目前国内尚未有1000MW以上机组投产，三大主机厂均对1200MW机组进行了前期研究，均未开展实质性项目实施。
目前国内已投运的超超临界机组主汽、再热温度均为600℃,主汽门进口最高压力为27MPa。近期国外又出现了中联门进口参数610℃、620℃的不同参数的超超临界机组。汽轮机主汽门进口压力一般为25MPa，26.25MPa，28MPa，个别电厂达到30MPa。
2 机组参数选择
在发电厂热力循环中，蒸汽参数是决定机组的热效率的重要参数。提高蒸汽参数（蒸汽的初始压力和温度）、采用再热系统、增加再热次数，都是提高机组效率的有效方法。
超超临界机组参数是随着科学技术，尤其是材料制造的发展而不断提高的。同时，机组参数的提高使初投资相应增加。如何选择机组参数，需要多方面综合考虑，优化选择。
2.1蒸汽压力的选择
通常，在超超临界机组参数范围的条件下，主蒸汽压力每提高1MPa，机组的热耗率就可下降0.13%～0.15%；
目前国内1000MW机组订单总数量（包括已投入运行及在建机组）已超过50台，其中主汽门进口压力25MPa，26.25MPa，均有多台运行业绩。
结合国内外材料发展趋势及国外已投运机组情况，综合考虑他们在设计方法、运行经验、材料技术等方面取得的成果以及国内主机厂吸收和应用的程度，汽机主汽门进口压力采用25MPa、26.25MPa以及28MPa都是可行的。
蒸汽温度的选择
2.2.1 蒸汽温度对效率的影响
在超超临界机组参数范围的条件下，主汽温度每提高10℃，热效率约可相对提高0.25%-0.30%；再热汽温度每提高10℃，热效率约可相对提高0.15%-0.20%。即600℃/620℃方案比600℃/600℃方案的热效率约可相对提高0.37%；比600℃/610℃方案的热效率约可相对提高0.18%。提高温度对提高机组热效率的效果非常显著。
2.2.2 蒸汽温度对材质的影响
对于超超临界机组，蒸汽初温提高主要受材料的许用温度限制，选择合适的主蒸汽温度是使超超临界机组降低制造成本，安全运行的最关键问题。
2.2.3汽轮机选材
汽轮机的选材原则是考虑设备在一定工作条件下能长期安全、可靠、稳定和有效的工作，欧洲及日本各公司在高温材料开发及应用方面基本上处在同一水平。600℃～620℃的9～12％Cr钢，均有大量的应用经验。到2002年，西门子、三菱、东芝最高的温度运行业绩均达到600℃/610℃，阿尔斯通汽轮机最高的业绩600℃/620℃（在建电厂）。根据国内三家汽轮机制造厂介绍，再热汽温的变化对其汽轮机材料基本没有影响。
2.2.4锅炉选材
主汽温度由于其压力较高如再提升温度使刚才许用应力大幅降低，管道壁厚快速增加，带来了一系列加工、制造及氧化皮问题。锅炉主蒸汽压力选择在25~28MPa都是合适的。
再热蒸汽温度选择600℃和610℃都是可行的，但是在620℃的选择上，存在不同的意见和方案。目前再热器相关部分采用的材质分别为：HR3C、SA-213TP347H、SUPER304H、SA-213T92；再热器出口集箱材质为SA-335P92。
对于∏型锅炉，锅炉容量增大以后，锅炉本体宽度增加，再热器出口汽温偏差控制难度更大，因此当再热蒸汽温度选择620℃时，再热器相关部分的设计温度有可能会超出材质允许使用温度的上限。计算所得T92管接头的温度已经在最高许用温度边缘，因此选用这样的参数需谨慎考虑。据调研锅炉厂，通过设计手段减小偏差∏型锅炉同样可以实现再热蒸汽温度选择620℃，但再热器相关部分的设计温度基本没有余量。
对于塔式锅炉，再热器出口汽温偏差小，因此对于同一材质而言，设计裕量较大。
另外，塔式炉由于其结构特点，高温过、再热器可以实现酸洗，管中氧化腐蚀产物可以通过疏水的形式排出，降低了炉管中脱落氧化物堵塞管子引起超温爆管的几率。
而目前国际上已经投运的再热蒸汽温度为620℃的锅炉也为塔式炉。
2.2.5管道选材
主蒸汽和再热蒸汽管道材料选择时，不但首先要考虑钢材的高温蠕变断裂强度，还必须要满足由于管道热膨胀而引起的热应力的要求，同时还要求管道钢材的热膨胀系数比较小，且导热系数比较大，从而降低管道内的热应力水平。在这一点上P91/P92/P122/E911更加适合。由于P91在高压下的推荐使用温度较低，而E911管件的采购难度较大，目前我国超超临界机组主蒸汽管道、集箱的可选材为P92和P122钢，其中P92使用最多。
主蒸汽和再热蒸汽温度参数的提高，首先要考虑不能超出目前使用材料的温度范围，其次对于热效率的提高和经济性进行技术、经济比较。
由于超超临界机组主蒸汽压力较高，目前国内外选用的最高温度均为600℃。
目前国内部分设计院投标方案中再热蒸汽温度采用过610℃、620℃方案。上汽目前已有660MW超超临界机组，再热温度620℃的订货业绩。
2.3 机组容量的选择
大容量机组具有以下的优势：效率高、单位千瓦投资省、建筑占地少、维护费用低等综合优点。
单机容量的上限由关键技术问题、材料强度、汽轮机末级排汽面积（叶片高度）、汽轮发电机组（单轴）转子长度等决定。
2.3.1机组容量对设备的影响
截止到2011年底，国内共投运30余台1000MW机组。1000MW方案已属成熟方案，此处不再列举。
我国的火电设备制造以上海、哈尔滨、四川东方、北重作为四大基地，通过多年的自身建设，目前都已具备独立设计并制造1000MW级超超临界汽轮发电机组的能力。根据我们调研国内制造企业情况，各厂对于汽轮机、锅炉本体在设计手段上都具有的技术储备，目前均在进行大容量（1200MW）超超临界机组的研究和设计。
2.3.1.1 机组容量对汽轮机的影响
增加单机容量的制约因素之一是全转速末级叶片长度的限制，美国和日本在1000MW以上的大容量机组之所以大量使用双轴汽轮机，是因为其电网频率为60Hz，在大容量和高转速的情况下，不得不采用双轴布置设计方案，即高压缸及再热中压缸部分采用全速设计，与一台全速发电机连接；低压缸部分采用半速设计，与另一台半速发电机连接，并与高中压全速轴系并列。
国内目前设计、制造、施工的1000MW超超临界机组是成功的，均为单轴、四缸四排汽、一次再热、凝汽式汽轮机，参数为主汽温度/再热汽温，600℃/600℃；主汽压力为25MPa或26.25MPa。运行实践证明国产1000MW超超临界机组设计、制造技术是成功的。
目前国内三大主机厂已经开展1200MW超超临界机组的设计和研发工作，在末级长叶片自主研制或技术合作方面取得突破，均已做出用于单机容量1200MW汽机的末级叶片方案。
2.3.1.2机组容量对锅炉的影响
各锅炉厂1200MW超超临界锅炉技术、包括锅炉型式、水冷壁型式、过热器和再热器的设计方案、燃烧方式及燃烧器方案、受热面选材等均是在成熟的1000MW超超临界机组水平上的技术延伸。因此在1200WM锅炉制造上没有不可逾越的瓶颈问题。
2.3.2 机组容量对效率的影响
对于超超临界机组容量的选择，一般情况下应把容量选得大些，一是因为高压缸部分蒸汽容积流量较小，如果机组容量选得不足够大，通流部分叶片高度过小，将引起气动损失增大，使提高参数带来的经济性不明显；二是单机容量增大，可以降低每千瓦单位造价。
不同类型的机组热经济指标见下表：
3 经济比较
根据以上对于超超临界机组温度、压力、容量的论述，对于1000MW级机组蒸汽参数和机组容量是一个需要因地（煤价等因素）、因时（市场价格因素，耐热钢研制及供货条件等因素）通过具体的技术经济比较优化选择的问题。
对于温度、压力和容量有多种选择方案，无法逐一比较，而且主机厂对于1200MW机组报价尚未确定，本报告仅针对如下两种方案进行经济比较如下：
初投资比较（单台机组）：
煤耗比较：根据东汽提供资料估算，1000MW，28.00MPa，600℃/610℃方案较1000MW，25.00MPa，600℃/600℃方案节约煤耗1.7 g/kW.h。按机组年利用小时数5500h，标煤价930元/吨计算，每台机组年节约标煤9350吨，年节约燃料费用870万元（未考虑节能减排）。
根据年费用比较公式，1000MW，28.00MPa，600℃/610℃方案约9年即可收回增加的初投资（未考虑机组在不同负荷下运行的差异）。以上初投资、煤耗等仅为初步估算。随着能源的缺乏进一步加大，煤价进一步提高，高参数的优势将进一步体现。
但对于一些煤价较低的地区，当煤价低于550元/吨时，20年内将不能收回增加的初投资。
4结论
4.1 机组参数的确定
结合国内外材料发展趋势，综合考虑他们在设计方法、运行经验、材料技术等方面取得的成果以及國内主机厂吸收和应用的程度，汽机主汽门进口压力采用25MPa、26.25MPa以及28MPa都是可行的。
考虑到超超临界机组由于主蒸汽压力较高温度提升困难，目前主蒸汽温度最高只能选用600℃。
再热温度600℃方案国内已有成熟的运行业绩。610℃方案同600℃方案没有本质差别，也是可行的。620℃方案目前已有600MW超超临界机组的订货业绩，从技术角度看方案可行。
4.2 机组容量的确定
各主机厂1200MW超超临界机组均是在1000MW超超临界技术基础上的延伸。蒸汽参数的提高不会引起各主要部件材质的变化，仅仅是管径和壁厚的改变。而且国外已有相同参数的机组在建和投产。1000MW机组目前国内已有30多台投运，成熟可靠。1200MW机组目前三大主机厂均有设计方案，尚无订单。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
【关键词】1000MW级；主机；选型
【 abstract 】 through to ultra-supercritica units technical characteristics and present condition analysis, and to domestic 1000 MW ultra-supercritical units are present situation is discussed, for 1000 MW unit level the choice of parameters and host capacity to provide the reference.
【 keywords 】 1000 MW grade; Host; selection
中图分类号：U224.5文献标识码：A文章编号：
1 超超临界机组发展概况
1.1 国外超超临界机组的发展现状
國外发达国家发展超临界机组起步早，目前，美国拥有近10台单机容量为1300MW的超临界机组，而在欧洲和日本等发达国家在近些年共有18台1000MW以上机组投产。据目前掌握的资料，再热蒸汽温度已达到620℃或接近620℃（619℃）。国外先进的大容量、高参数机组的投运，为我国发展1200MW超超临界机组提供了借鉴。
表1-1国外大容量、高参数火电机组
1.2 国内超超临界机组的发展现状
2006年11月我国第一台1000MW超超临界机组在浙江投运。同时，我国在引进国外1000MW超超临界机组技术的基础上，进行了一系列技术创新，这其中包括1000MW超超临界空冷机组的投运。目前我国投运、在建、拟建1000MW超超临界机组数量,均居世界首位。
目前国内尚未有1000MW以上机组投产，三大主机厂均对1200MW机组进行了前期研究，均未开展实质性项目实施。
目前国内已投运的超超临界机组主汽、再热温度均为600℃,主汽门进口最高压力为27MPa。近期国外又出现了中联门进口参数610℃、620℃的不同参数的超超临界机组。汽轮机主汽门进口压力一般为25MPa，26.25MPa，28MPa，个别电厂达到30MPa。
2 机组参数选择
在发电厂热力循环中，蒸汽参数是决定机组的热效率的重要参数。提高蒸汽参数（蒸汽的初始压力和温度）、采用再热系统、增加再热次数，都是提高机组效率的有效方法。
超超临界机组参数是随着科学技术，尤其是材料制造的发展而不断提高的。同时，机组参数的提高使初投资相应增加。如何选择机组参数，需要多方面综合考虑，优化选择。
2.1蒸汽压力的选择
通常，在超超临界机组参数范围的条件下，主蒸汽压力每提高1MPa，机组的热耗率就可下降0.13%～0.15%；
目前国内1000MW机组订单总数量（包括已投入运行及在建机组）已超过50台，其中主汽门进口压力25MPa，26.25MPa，均有多台运行业绩。
结合国内外材料发展趋势及国外已投运机组情况，综合考虑他们在设计方法、运行经验、材料技术等方面取得的成果以及国内主机厂吸收和应用的程度，汽机主汽门进口压力采用25MPa、26.25MPa以及28MPa都是可行的。
蒸汽温度的选择
2.2.1 蒸汽温度对效率的影响
在超超临界机组参数范围的条件下，主汽温度每提高10℃，热效率约可相对提高0.25%-0.30%；再热汽温度每提高10℃，热效率约可相对提高0.15%-0.20%。即600℃/620℃方案比600℃/600℃方案的热效率约可相对提高0.37%；比600℃/610℃方案的热效率约可相对提高0.18%。提高温度对提高机组热效率的效果非常显著。
2.2.2 蒸汽温度对材质的影响
对于超超临界机组，蒸汽初温提高主要受材料的许用温度限制，选择合适的主蒸汽温度是使超超临界机组降低制造成本，安全运行的最关键问题。
2.2.3汽轮机选材
汽轮机的选材原则是考虑设备在一定工作条件下能长期安全、可靠、稳定和有效的工作，欧洲及日本各公司在高温材料开发及应用方面基本上处在同一水平。600℃～620℃的9～12％Cr钢，均有大量的应用经验。到2002年，西门子、三菱、东芝最高的温度运行业绩均达到600℃/610℃，阿尔斯通汽轮机最高的业绩600℃/620℃（在建电厂）。根据国内三家汽轮机制造厂介绍，再热汽温的变化对其汽轮机材料基本没有影响。
2.2.4锅炉选材
主汽温度由于其压力较高如再提升温度使刚才许用应力大幅降低，管道壁厚快速增加，带来了一系列加工、制造及氧化皮问题。锅炉主蒸汽压力选择在25~28MPa都是合适的。
再热蒸汽温度选择600℃和610℃都是可行的，但是在620℃的选择上，存在不同的意见和方案。目前再热器相关部分采用的材质分别为：HR3C、SA-213TP347H、SUPER304H、SA-213T92；再热器出口集箱材质为SA-335P92。
对于∏型锅炉，锅炉容量增大以后，锅炉本体宽度增加，再热器出口汽温偏差控制难度更大，因此当再热蒸汽温度选择620℃时，再热器相关部分的设计温度有可能会超出材质允许使用温度的上限。计算所得T92管接头的温度已经在最高许用温度边缘，因此选用这样的参数需谨慎考虑。据调研锅炉厂，通过设计手段减小偏差∏型锅炉同样可以实现再热蒸汽温度选择620℃，但再热器相关部分的设计温度基本没有余量。
对于塔式锅炉，再热器出口汽温偏差小，因此对于同一材质而言，设计裕量较大。
另外，塔式炉由于其结构特点，高温过、再热器可以实现酸洗，管中氧化腐蚀产物可以通过疏水的形式排出，降低了炉管中脱落氧化物堵塞管子引起超温爆管的几率。
而目前国际上已经投运的再热蒸汽温度为620℃的锅炉也为塔式炉。
2.2.5管道选材
主蒸汽和再热蒸汽管道材料选择时，不但首先要考虑钢材的高温蠕变断裂强度，还必须要满足由于管道热膨胀而引起的热应力的要求，同时还要求管道钢材的热膨胀系数比较小，且导热系数比较大，从而降低管道内的热应力水平。在这一点上P91/P92/P122/E911更加适合。由于P91在高压下的推荐使用温度较低，而E911管件的采购难度较大，目前我国超超临界机组主蒸汽管道、集箱的可选材为P92和P122钢，其中P92使用最多。
主蒸汽和再热蒸汽温度参数的提高，首先要考虑不能超出目前使用材料的温度范围，其次对于热效率的提高和经济性进行技术、经济比较。
由于超超临界机组主蒸汽压力较高，目前国内外选用的最高温度均为600℃。
目前国内部分设计院投标方案中再热蒸汽温度采用过610℃、620℃方案。上汽目前已有660MW超超临界机组，再热温度620℃的订货业绩。
2.3 机组容量的选择
大容量机组具有以下的优势：效率高、单位千瓦投资省、建筑占地少、维护费用低等综合优点。
单机容量的上限由关键技术问题、材料强度、汽轮机末级排汽面积（叶片高度）、汽轮发电机组（单轴）转子长度等决定。
2.3.1机组容量对设备的影响
截止到2011年底，国内共投运30余台1000MW机组。1000MW方案已属成熟方案，此处不再列举。
我国的火电设备制造以上海、哈尔滨、四川东方、北重作为四大基地，通过多年的自身建设，目前都已具备独立设计并制造1000MW级超超临界汽轮发电机组的能力。根据我们调研国内制造企业情况，各厂对于汽轮机、锅炉本体在设计手段上都具有的技术储备，目前均在进行大容量（1200MW）超超临界机组的研究和设计。
2.3.1.1 机组容量对汽轮机的影响
增加单机容量的制约因素之一是全转速末级叶片长度的限制，美国和日本在1000MW以上的大容量机组之所以大量使用双轴汽轮机，是因为其电网频率为60Hz，在大容量和高转速的情况下，不得不采用双轴布置设计方案，即高压缸及再热中压缸部分采用全速设计，与一台全速发电机连接；低压缸部分采用半速设计，与另一台半速发电机连接，并与高中压全速轴系并列。
国内目前设计、制造、施工的1000MW超超临界机组是成功的，均为单轴、四缸四排汽、一次再热、凝汽式汽轮机，参数为主汽温度/再热汽温，600℃/600℃；主汽压力为25MPa或26.25MPa。运行实践证明国产1000MW超超临界机组设计、制造技术是成功的。
目前国内三大主机厂已经开展1200MW超超临界机组的设计和研发工作，在末级长叶片自主研制或技术合作方面取得突破，均已做出用于单机容量1200MW汽机的末级叶片方案。
2.3.1.2机组容量对锅炉的影响
各锅炉厂1200MW超超临界锅炉技术、包括锅炉型式、水冷壁型式、过热器和再热器的设计方案、燃烧方式及燃烧器方案、受热面选材等均是在成熟的1000MW超超临界机组水平上的技术延伸。因此在1200WM锅炉制造上没有不可逾越的瓶颈问题。
2.3.2 机组容量对效率的影响
对于超超临界机组容量的选择，一般情况下应把容量选得大些，一是因为高压缸部分蒸汽容积流量较小，如果机组容量选得不足够大，通流部分叶片高度过小，将引起气动损失增大，使提高参数带来的经济性不明显；二是单机容量增大，可以降低每千瓦单位造价。
不同类型的机组热经济指标见下表：
3 经济比较
根据以上对于超超临界机组温度、压力、容量的论述，对于1000MW级机组蒸汽参数和机组容量是一个需要因地（煤价等因素）、因时（市场价格因素，耐热钢研制及供货条件等因素）通过具体的技术经济比较优化选择的问题。
对于温度、压力和容量有多种选择方案，无法逐一比较，而且主机厂对于1200MW机组报价尚未确定，本报告仅针对如下两种方案进行经济比较如下：
初投资比较（单台机组）：
煤耗比较：根据东汽提供资料估算，1000MW，28.00MPa，600℃/610℃方案较1000MW，25.00MPa，600℃/600℃方案节约煤耗1.7 g/kW.h。按机组年利用小时数5500h，标煤价930元/吨计算，每台机组年节约标煤9350吨，年节约燃料费用870万元（未考虑节能减排）。
根据年费用比较公式，1000MW，28.00MPa，600℃/610℃方案约9年即可收回增加的初投资（未考虑机组在不同负荷下运行的差异）。以上初投资、煤耗等仅为初步估算。随着能源的缺乏进一步加大，煤价进一步提高，高参数的优势将进一步体现。
但对于一些煤价较低的地区，当煤价低于550元/吨时，20年内将不能收回增加的初投资。
4结论
4.1 机组参数的确定
结合国内外材料发展趋势，综合考虑他们在设计方法、运行经验、材料技术等方面取得的成果以及國内主机厂吸收和应用的程度，汽机主汽门进口压力采用25MPa、26.25MPa以及28MPa都是可行的。
考虑到超超临界机组由于主蒸汽压力较高温度提升困难，目前主蒸汽温度最高只能选用600℃。
再热温度600℃方案国内已有成熟的运行业绩。610℃方案同600℃方案没有本质差别，也是可行的。620℃方案目前已有600MW超超临界机组的订货业绩，从技术角度看方案可行。
4.2 机组容量的确定
各主机厂1200MW超超临界机组均是在1000MW超超临界技术基础上的延伸。蒸汽参数的提高不会引起各主要部件材质的变化，仅仅是管径和壁厚的改变。而且国外已有相同参数的机组在建和投产。1000MW机组目前国内已有30多台投运，成熟可靠。1200MW机组目前三大主机厂均有设计方案，尚无订单。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。