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                超(超)临界发电阀门的应用现状和前景展望
                发布时间:2023/7/4



                新能源无疑是近些年的热门话题,也是我国国家能源战略的←重要方向之一,但不可否认的是,我国目前能源结构体系仍旧▅以煤炭为主,这就决定了燃煤发电一直是我国电源的主力。
                如何用更少的煤发更多的电,达到节约资源、提高效率、减少排放╲的目的,成为亟需解决的问题。超(超)临界燃煤发电技术可有效提高火电机组效率、降低发电煤耗和减少污染物排放,有助于实现煤炭资源清洁高效利用、深入推进节能减排的要求。

                碳达峰、碳中和双目标是一场能源革命,作为火电节能减排的主要技术之一,超(超)临界发电技术将助推我国能源事业高质量发展。本文就来探讨超(超)临界发电阀门的应用路径。


                什么是超(超)临界发电技术?
                根据国家统计局的数据,2022 年我国累计发电量 83,886.30 亿千瓦时,其中火电机组累计发电量为58,531.30亿千瓦时,约占我国累计发※电量的69.77%;2022年我国火电机组装机容量达到 133,239.00 万千瓦,同比增长 2.7%。

                火力发电量仍保持一定的增长趋势,但其占比由 2011 年的 82.84%下降至 69.77%,原因正是能源结构在不断优化,电力结构向绿色转型持续推进。而超(超)临界发电技术是一种高效、低污染的发电技术,它是目前煤电厂中最先进的技术之一。其优点主要体现在以下几个方面:
                ①高效:超(超)临界发电技术的效率可以达到45%以上,比传统㊣ 的煤电厂高出10%以上。 
                ②低排放:超(超)临界发电技术采用高温高压的燃烧方式,可以大幅度降低二氧化碳、氮氧化物和硫化物等污染物的排放量。
                ③灵活性强:超(超)临界发电技术可以适应不同种类的煤炭和不同的负荷要求,具有很强的灵活性。

                为保障我国超(超)临界发电技术持续进步和领先,有关专家建议从以下几点布局:
                ■ 加强基础材料研究,开发成套技术。在已有基础上,加快组织各方力量,瞄准国际最先进目标开展联合攻关,加快超(超)临界发电技术高温材料的研制,开发630℃超超临界二次再热技术、650℃/700℃超(超)临界发电技术。 
                ■ 适应能源特性变化,开发针对性机组技术。结合我国具体国情,开发适合我国电网需求的大容量、高参数、灵活调峰下一代超(超)临界发电机组技术。结合我国动力用煤煤质特性,研究提高燃煤发电机组的煤种适应性技术。 
                ■ 推进污染物防治,强化机组洁净化发电技术。开展现有机组NOx、SO2、汞、SO3等污染物生成与排放规律研究,分析不同污染物的影响因素,研究提出相应的污染物控制方案,通过改造现有机组和设计新建机组,实现燃煤发电的超低排放。 

                对于阀门的主要需求
                当前主流的超(超)临界燃煤发电技术发展经历了3个阶段,技术在全球范围内逐渐成熟;在材料工业发展的支持下,朝着700 ℃等级先进超超临界技术的方向发展;并已逐步解决商业化应用的关键技术难题,迈向第4个重要发展阶段。
                超(超)临界火电发电站上的关键阀门主要有:

                ①安全阀(主蒸汽、再热器);
                ②电磁泄放阀(主蒸汽管道);
                ③关键部位控制阀(过热器减温水、主给水旁路、给水再循环、锅炉启动系统);
                ④高低压旁路阀,包括高压旁路阀、低压旁路阀及控制系统;
                ⑤汽水系统的辅助阀门 (放汽、放水、测量仪表用)。

                1、600℃超(超)临界机组及阀门
                超(超)临界机组蒸汽参数与结构选型主要考虑的方面有:①再热次数;②主要蒸汽参数,包括主蒸汽压力、温度、再热蒸汽温度等;③机组容量,主要是 660MW或1000MW等级;④锅炉主要结构型式一一炉型、燃烧方式、水冷壁型式;⑤汽轮机主要结构型式一一汽缸数、排汽口数、末级叶片、单轴或双轴布置等。

                ■ 超(超)临界火电机组阀门发展的关键因素:

                ①冶炼与锻造能力。超(超)临界火电机组阀门对材料的冶炼设备、锻造设备热处理设备、原料成分、工艺环境的要求非常严格,须采用真空冶炼或炉外精炼设备和技术以及大型锻造设备、自动化控制程度高的热处理炉等设备。
                ②设计方法和■手段。国外企业利用成熟的高参数阀门专用计算机分析软件进行辅助设计、有限元应力分析★、流体分析和动态分析计算,更能满足高参数阀门实际工况要求。
                ③先进机械设备。超(超)临界火电机组阀门对〗阀门加工、焊接、大型试压设备等要求很高,机械设备质量决定了阀门精度和性能可靠性。
                ④质量管理和检验可追溯性。阀门最终使用的性能和寿命由设计可靠性、加工制造和材料的综合性决定。为保证产品性能,从原材料毛坯进厂检查、检测、热处理、加工、试验等过程,都需要制定专门的操作规程和管理制度,保证高温高压阀门质量控制稳定性和持续性。

                2、700℃超(超)临界机组及阀门
                700℃超(超)临界发电技术是指主蒸汽温度和再热蒸汽温度达到或超过700℃的先进超(超)临界燃煤发电技术。相对应的主蒸汽压力约为 35~38.5MPa。当前世界主要经济体正在开展700℃等级先进超(超)临界技术研发,但近几年国外相关项目进展较慢,目前技术攻关点主要集中在特殊高温材料制造与加工制造工艺方面。
                ■ 700℃超超临界阀门关键技术攻关点:
                700℃高效超(超)临界机组相对于超(超)临界机组,蒸汽温度和压力参数的提高对关键部件材料提出更高和更新的要求,尤其是材料的热强性能、抗高温腐蚀和氧化能力、冷加工和热加工性能、密封性、使用寿命等,因此材料和制造技术成为发展先进机组□的关键。具体包括以下技术攻关内容:
                ▶ 能够在蒸汽温度 700℃条件下长期安全运行的高温金属材料的开发应用研究;
                ▶ 阀门结构设计研究,应力计算分析、热应力的分析研∮究,强度、高温热应力的分析,高温蠕变分析;
                ▶ 关键零部件设计、制造技术的研究,如弹簧、阀芯;
                ▶ 阀门试验、调试技术的研究;
                ▶ 加工、焊接、热处理等制造工艺的研究,大口径阀体铸、锻焊结构制造工艺技术研究;
                ▶ 主阀、辅助阀密封结构的设计研究;
                ▶ 阀门快速启闭和无冲击结构的设计研究,可靠性应力的分析研究;
                ▶ 阀门流通能力计算和结构研究,流体阻断性能研究;
                ▶ 阀门大流量高压差调节结构的设计研究,强度和可靠性分析计算;
                ▶ 高压差工况下阀门调节特性的研究;
                ▶ 阀门泄漏等级的研究;
                ▶ 阀门高压差喷水减温结构的计算研究;
                ▶ 驱动装置及控制系统研究。

                国产化取得不俗成绩
                我国超(超)临界火电阀门已经取得了很大的进步和成就,许多关键阀门得到了突破。早在2011年5月,中国通用机械工业协会就组织了10多家阀门企业,申报了《国家能源应用技术研究及工程示范项目》攻关课题,即“超(超)临界火电机组关键阀门国产化技术研究及应用示范”项目。近年来,超(超)临界机组阀门的国产化应用成绩不俗。
                ■ 开封高压阀门有限公司生产的F92、F91电动闸阀和截止阀,WB36电动闸阀和三通截止阀,F22堵阀、止回阀及C12A闸阀、截止阀、止回阀等,已先后使用于邹县等1000MW超(超)临界火电㊣站。
                ■ 哈电集团阀门公司研发的超临界、超(超)临界火电机组配套闸阀、安全阀、电磁泄放阀、调节阀、截止阀、止回阀等系列产品,陆续为机组配套,包括华能福州电厂1、2#;威海电厂1-2#;福州电厂1-2#;江苏华电句容发电有限公司;长四热工程1、2#;焦作龙源发电厂;大唐三门峡等众多超临界、超(超)临界机组。

                ■ 华夏阀门有限公司研制了超临界锅炉配套所需的锻钢闸阀、止回阀、调节阀、截止阀和主蒸汽水压试验堵阀等产品,为国内20多台超临界机组配套。
                ■ 吴江市东吴机械有限责任公司早已为汽轮机配套批量生产安全阀,供货通径范围为DN40~500,最高开启压力为☆6.5MPa,最高温度为506℃;为锅炉配套安全阀,通径范围为DN50~150,最高开启压力为9.5MPa,最高温度为485℃。
                ■ 上海自动化仪表七厂为超(超)临界机组抽汽系统、冷凝系统及主蒸汽系统提供部分调节阀。
                ■ 四川滨大阀门为重庆电厂高效超(超)临界燃煤湿冷发电机组提供高质量的18套调节阀,为项目全面投产提供了最大助力。

                相关建议
                超(超)临界机组阀门未来的技术方向为易控制,具有优良的高温许用应力、高温蠕变和持久强度,抗高温汽蚀和抗蒸汽氧化,密封性好,易维护等。超(超)临界所需阀门未来的↘技术方向为以下几点:
                ● 高温材料的突破。开发能够在超高温条件下长期安全运行的高温金属材料,这些材料√必须要具有耐高温的持久强度、耐烟气侧的高温腐蚀、抗蒸汽侧氧化及氧化层剥落和良好的抗热疲劳性能;
                ● 加强高参数阀门专用计算机分析软件开发应用。采用计算机辅助设计、有限元应力分析、流体分析和动态分析计算等;
                ● 提升冶炼和锻造能力。采用真空冶炼或炉外精炼设备和技术,发展自动化控制程度高的热处理炉、数控机床和专用机床等设备,进一步提升阀门精度和动作可靠性;
                ● 加强阀门品质管理和检验,使产品质量在生产制造过程中得到有效的控♀制和监控。