超超臨界機(jī)組在我國的發(fā)展及應(yīng)用

唐 飛，董 斌，趙 敏

（中國電力工程顧問集團(tuán)公司，北京市，100120）

1 目前我國超超臨界機(jī)組的建設(shè)情況

我國一次能源結(jié)構(gòu)具有以煤為主的顯著特征，由此決定了我國電力結(jié)構(gòu)以燃煤發(fā)電為主的特點(diǎn)[1-10]。2008年我國原煤產(chǎn)量27.2億t，其中火電耗煤13.4億t，占煤炭產(chǎn)量的近50%。從今后發(fā)展來看，在以煤為主的一次能源結(jié)構(gòu)不發(fā)生大的變化下，在電力結(jié)構(gòu)中火電仍將在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。提高發(fā)電效率、降低污染、節(jié)約資源是我國火電機(jī)組的發(fā)展方向。超超臨界火電機(jī)組具有煤耗低、污染排放物少的節(jié)能減排效益，是提高我國火電機(jī)組技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組技術(shù)優(yōu)化升級(jí)有效而現(xiàn)實(shí)的措施，也是我國火力發(fā)電機(jī)組發(fā)展的必然趨勢。

在“十五”期間，我國首臺(tái)600MW超臨界機(jī)組示范工程投入運(yùn)行，1 000MW超超臨界機(jī)組的研究和開發(fā)也在積極進(jìn)行?！笆濉蹦┢冢瑖页雠_(tái)了一系列鼓勵(lì)建設(shè)大型超超臨界機(jī)組的相關(guān)配套政策，大型超超臨界機(jī)組在我國呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢。從“十一五”初期開始，我國大型超（超）臨界機(jī)組即呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢，600MW機(jī)組基本上都采用了超臨界或超超臨界參數(shù)，1 000MW機(jī)組全部采用了超超臨界參數(shù)。截至2009年6月，我國已投產(chǎn)超超臨界機(jī)組23臺(tái)，其中百萬千瓦機(jī)組13臺(tái)，60萬千瓦級(jí)機(jī)組10臺(tái)，超（超）臨界機(jī)組容量占火電裝機(jī)容量的18%以上，已提前達(dá)到了“十一五”目標(biāo)——超（超）臨界機(jī)組占煤電裝機(jī)容量的比重達(dá)到15%。目前，還有一批超超臨界機(jī)組已經(jīng)國家核準(zhǔn)正在建設(shè)或籌備建設(shè)中。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)主機(jī)制造廠接到的1 000MW級(jí)超超臨界機(jī)組訂單有60余套，機(jī)組容量68 GW，600MW超超臨界機(jī)組訂單有40余套，機(jī)組容量31.56 GW。

總之，我國超超臨界機(jī)組占煤電裝機(jī)容量的比重正在逐漸增大，促進(jìn)了我國火電機(jī)組技術(shù)水平的迅速提高。

2 目前我國超超臨界機(jī)組技術(shù)水平

2.1 主機(jī)技術(shù)水平

目前，我國超超臨界機(jī)組按容量通?？梢苑譃?00MW等級(jí)和1 000MW等級(jí)，從初參數(shù)上可分為25 MPa/600℃/600℃（東方電氣、哈爾濱電氣）和26.25 MPa/600℃/600℃（上海電氣）2類。自2004年6月以來，華能玉環(huán)電廠、華電國際鄒縣發(fā)電廠、國電泰州電廠、上海外高橋第三發(fā)電廠、國電北侖電廠等已先后建成投運(yùn)了百萬千瓦超超臨界機(jī)組。這些百萬千瓦超超臨界機(jī)組自投運(yùn)以來，各項(xiàng)主要性能參數(shù)均能符合設(shè)計(jì)選型要求，性能考核實(shí)測值基本滿足簽訂的設(shè)備合同中的性能數(shù)據(jù)。

我國超超臨界機(jī)組的單機(jī)容量、參數(shù)和數(shù)量均已達(dá)到國際先進(jìn)水平，600～1 000MW等級(jí)的超超臨界機(jī)組大部分的進(jìn)汽參數(shù)為：壓力24.2～28 MPa，溫度580～600℃。世界上最大容量超超臨界機(jī)組是1300MW的雙軸機(jī)組，單軸機(jī)組最大容量為1 050MW。大多數(shù)機(jī)組采用一次再熱循環(huán)，少數(shù)采用二次再熱循環(huán)。

2.2 電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)水平

隨著我國百萬千瓦超超臨界電廠的陸續(xù)投產(chǎn)和穩(wěn)定運(yùn)行，標(biāo)志著我國電力設(shè)計(jì)行業(yè)已掌握了世界先進(jìn)的火力發(fā)電設(shè)計(jì)技術(shù)，具備了百萬千瓦級(jí)超超臨界電廠全部自主設(shè)計(jì)的能力。

百萬千瓦級(jí)超超臨界電廠設(shè)計(jì)初期，在沒有引進(jìn)國外設(shè)計(jì)技術(shù)的情況下，國內(nèi)電力設(shè)計(jì)單位依靠自主力量，通過結(jié)合具體工程，從我國現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)程適應(yīng)性、電廠系統(tǒng)擬定原則、輔機(jī)選擇原則及國產(chǎn)化能力、四大管道材料選擇和設(shè)計(jì)原則、汽水品質(zhì)指標(biāo)及控制要求、汽輪發(fā)電機(jī)組基座設(shè)計(jì)等諸多方面展開一系列研究，研究成果在依托工程中得到了成功的應(yīng)用和檢驗(yàn)，標(biāo)志著我國大型超超臨界電站設(shè)計(jì)技術(shù)已走向成熟，并達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

2.3 設(shè)備設(shè)計(jì)制造水平

“十五”期間，國內(nèi)三大動(dòng)力集團(tuán)（上海電氣、東方電氣、哈爾濱電氣）分別從三菱、日立、阿爾斯通、西門子引進(jìn)了超臨界、1 000MW超超臨界技術(shù)，并采取與國外公司合作的方式進(jìn)行1 000MW超超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造。目前，三大集團(tuán)先后擴(kuò)大了廠房，裝備了數(shù)百臺(tái)加工精度高、工效快的數(shù)控設(shè)備，在裝備水平上達(dá)到了發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)水平，均具備了600MW等級(jí)和1 000MW等級(jí)的超超臨界機(jī)組制造能力。

但是，國內(nèi)企業(yè)目前還不完全掌握1 000MW超超臨界火電機(jī)組（鍋爐和汽輪機(jī)）的性能設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)核心技術(shù)和高端技術(shù)的關(guān)鍵部件仍被國外公司壟斷，外商只提供設(shè)計(jì)軟件目標(biāo)程序，不提供源程序，因此引進(jìn)程序只能使用，不能進(jìn)行修改和改進(jìn)。目前三大動(dòng)力集團(tuán)正在進(jìn)行600MW超超臨界火電機(jī)組的自主設(shè)計(jì)。

600MW超超臨界機(jī)組，除耐高溫合金鋼、高壓轉(zhuǎn)子和部分高溫及專用閥門須進(jìn)口外，已能實(shí)現(xiàn)制造國產(chǎn)化。

600℃等級(jí)新型耐熱鋼材料尚未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，鍋爐和汽輪機(jī)高溫部件的材料特性尚未掌握。對(duì)超超臨界技術(shù)具有重大影響的大型鑄鍛件（汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子和汽缸，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和持環(huán)等）和關(guān)鍵原材料（鍋爐的大口徑管、再熱器、過熱器小口徑管等）目前還基本依賴進(jìn)口，對(duì)新型耐高溫材料的加工工藝性能和應(yīng)用性能還未完全掌握。

配套閥門的國產(chǎn)化方面還有較大缺口，高參數(shù)閥門目前大部分需要向國外采購，關(guān)鍵輔機(jī)如鍋爐給水泵、啟動(dòng)再循環(huán)泵等尚缺乏設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)。

3 我國超超臨界機(jī)組存在的問題及其原因

3.1 超（超）臨界機(jī)組電源布局及運(yùn)行調(diào)度

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，電力建設(shè)速度相應(yīng)加快。電力體制改革后，各大發(fā)電集團(tuán)和各發(fā)電企業(yè)為實(shí)現(xiàn)自身發(fā)展，不斷開辟新的電源點(diǎn)，由于與規(guī)劃進(jìn)度不協(xié)調(diào)、與電網(wǎng)建設(shè)不同步，造成了部分已建成的超超臨界機(jī)組無法長期滿負(fù)荷運(yùn)行、機(jī)組負(fù)荷率降低、煤耗增加等問題。

另外，由于目前對(duì)超超臨界機(jī)組的運(yùn)行調(diào)度還不能做到優(yōu)先保證機(jī)組的長期滿負(fù)荷運(yùn)行，使超超臨界機(jī)組不能充分發(fā)揮節(jié)能降耗的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 超超臨界機(jī)組自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)

國內(nèi)主要的鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)制造廠都相繼引進(jìn)了600～1 000MW超臨界和超超臨界的設(shè)備設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，制造出了國產(chǎn)的600MW、1 000MW超超臨界機(jī)組。但是，設(shè)備的基本設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)由技術(shù)引進(jìn)方完成，關(guān)鍵部件從技術(shù)引進(jìn)方進(jìn)口。由于沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，受引進(jìn)技術(shù)協(xié)議的限制，國內(nèi)主機(jī)廠需要向技術(shù)引進(jìn)方交納高額費(fèi)用。

大容量火電機(jī)組的大型鑄鍛件一直是我國電力裝備制造業(yè)沒有解決好的難題。經(jīng)過多次廠方技術(shù)改造，我國重型廠在設(shè)備能力上已滿足要求，但在技術(shù)掌握上還有所欠缺。

3.3 超超臨界機(jī)組的關(guān)鍵材料

超超臨界機(jī)組蒸汽溫度和壓力參數(shù)的提高給關(guān)鍵部件材料帶來了更高、更新的要求,尤其是材料的熱強(qiáng)性能、抗高溫腐蝕和氧化能力、冷加工和熱加工性能等，因此材料及其制造技術(shù)成為發(fā)展先進(jìn)超超臨界機(jī)組的技術(shù)核心。

目前，我國還不能自主生產(chǎn)適應(yīng)于600℃的材料，大型超超臨界機(jī)組主設(shè)備中的一些關(guān)鍵材料還完全依賴進(jìn)口，一旦外商不能及時(shí)供貨，只能采用替代材料。因替代材料性能不能完全等同原設(shè)計(jì)材料，機(jī)組長期運(yùn)行性能將受影響。國外的耐高溫材料能承受600℃的工作溫度，但這些材料沒有經(jīng)過長時(shí)間的疲勞檢驗(yàn)，通常需要十多年時(shí)間對(duì)性能參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

開展超超臨界機(jī)組耐熱合金鋼材料的研發(fā)是關(guān)鍵，而且需要長期不斷的進(jìn)行開發(fā)才會(huì)有成效，目前我國還沒有一個(gè)具體的材料研發(fā)計(jì)劃，材料問題將嚴(yán)重影響和制約我國超超臨界機(jī)組的發(fā)展。

3.4 超超臨界機(jī)組的運(yùn)行可靠性

由于超超臨界機(jī)組的溫度等級(jí)較高，所采用的高溫材料已接近適用溫度的極限，同時(shí)高溫材料的焊接性能也不完全掌握，因此在機(jī)組調(diào)試和投產(chǎn)試運(yùn)行階段較容易出現(xiàn)因安裝、沖管和制造質(zhì)量等問題引起鍋爐受熱面爆管等問題，早期投運(yùn)的超超臨界機(jī)組這方面問題比較突出。隨著重視程度的提高和經(jīng)驗(yàn)的積累，近期超超臨界機(jī)組的投產(chǎn)都比較順利。

從目前國內(nèi)已投運(yùn)的1 000MW超超臨界機(jī)組的運(yùn)行情況來看，我國大容量超超臨界機(jī)組商業(yè)運(yùn)行的可靠性已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)先進(jìn)的水平。

根據(jù)有關(guān)分析，超（超）超臨界機(jī)組在投運(yùn)若干年后，存在因鍋爐受熱面蒸汽高溫氧化及由此引起汽輪機(jī)葉片固體粒子侵蝕，導(dǎo)致汽輪機(jī)級(jí)效率迅速下降，機(jī)組熱耗增加的可能，這需要對(duì)已投運(yùn)的超超臨界機(jī)組進(jìn)行長期跟蹤檢測和分析。

4 我國超超臨界機(jī)組的進(jìn)一步發(fā)展

今后，超超臨界機(jī)組的發(fā)展方向依然是向更高效率的方向邁進(jìn)。為了進(jìn)一步提高超超臨界發(fā)電機(jī)組的效率，首先應(yīng)該研究在現(xiàn)有參數(shù)條件下效率的提高，如采用二次再熱、降低排汽背壓、鍋爐排煙余熱利用等措施。

同時(shí)，根據(jù)耐高溫材料的發(fā)展情況和我國超超臨界設(shè)備研發(fā)、制造能力，我國也應(yīng)考慮發(fā)展更高參數(shù)的新一代超超臨界機(jī)組。國內(nèi)超超臨界機(jī)組蒸汽參數(shù)的提高可以考慮分階段實(shí)施，如28 MPa/620℃/620℃、31 MPa/650℃/650℃、34.5 MPa/700℃/700℃等。

預(yù)計(jì)2030年前，我國自主開發(fā)的新一代700℃超超臨界燃煤機(jī)組將投入商業(yè)運(yùn)行，機(jī)組供電效率將超過50%。

5 相關(guān)措施建議

（1）進(jìn)一步落實(shí)環(huán)保、節(jié)能機(jī)組優(yōu)先發(fā)電的相關(guān)政策，提高超超臨界機(jī)組的負(fù)荷率，充分發(fā)揮超超臨界機(jī)組的節(jié)能優(yōu)勢。

（2）當(dāng)前超臨界和超超臨界機(jī)組的發(fā)展還存在參差不齊的局面，建議從國家層面對(duì)投產(chǎn)1年以上的百萬千瓦超超臨界機(jī)組開展后評(píng)價(jià)工作，全面總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，以提高我國超超臨界火電機(jī)組的整體水平，為下一步更大規(guī)模地發(fā)展超超臨界機(jī)組提供更加充分的決策依據(jù)。

（3）建議由國家牽頭組織制造、設(shè)計(jì)、科研、運(yùn)行等有關(guān)部門，就材料使用現(xiàn)狀、材料基礎(chǔ)研究、材料國產(chǎn)化及機(jī)組工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)采取的對(duì)策等問題進(jìn)行全面深入的研究，完善機(jī)制，加大投入，重點(diǎn)研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鍋爐耐熱合金鋼管材料和耐熱合金鋼大型鍛件。

（4）建議國家支持盡快開展更高參數(shù)的超超臨界發(fā)電技術(shù)的研究。

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