700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)進展

張勇甄靜

（陜西科技大學機電工程學院)

2011年美國能源情報署 （EIA）發(fā)布的 《2011年國際能源展望》中指出：到2035年，世界能源使用量將增長53%，化石燃料仍將占據(jù)世界能源的78%[1]。我國的 “多煤缺油少氣”能源結(jié)構(gòu)特點表明，我國將在未來較長一段時間內(nèi)難以改變以煤為主的一次能源結(jié)構(gòu)。因此尋求高效、節(jié)能與環(huán)保的發(fā)電技術(shù)便成為電力行業(yè)的主要研究重點。實踐證明：超超臨界發(fā)電技術(shù)具有顯著的高效低排特點和巨大的經(jīng)濟效益優(yōu)勢。

1 國外的超超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展

美國是從事超超臨界發(fā)電技術(shù)研究與應用最早的國家，在1957年就投入運行了世界第一臺容量為125 MW的超超臨界機組，參數(shù)為31 MPa/621℃/566℃/560℃。1958年投運了容量為325 MW、參數(shù)為34.4 MPa/649℃/566℃/566℃的機組，至今該機組仍在運行，是世界上運行時間最長的超超臨界機組。到20世紀80年代初，超臨界和超超臨界機組增至170余臺，占燃煤機組的70%以上，占總裝機容量的25.22%，其中單機容量介于500 MW～800 MW者占60%～70%。至1994年美國共安裝和投運了9臺1300 MW的超臨界大容量機組。

1967年日本從美國進口了600 MW超臨界機組。1979～1981年，日本開始啟動了自己的超超臨界技術(shù)研究。日本最初投運的兩臺高效超臨界機組，僅提高了主蒸汽壓力而未提高其溫度，采用兩次再熱以防汽輪機末級蒸汽濕度過高。31 MPa、566℃兩次再熱機組與24.1 MPa、566℃一次再熱相比，熱效率提高了3%，但機組系統(tǒng)復雜，制造成本顯著提高，缺乏市場競爭力。所以近年來各公司都轉(zhuǎn)為生產(chǎn)24.5 MPa、600℃/600℃等級的高效超臨界機組，其熱效率僅比31 MPa、566℃兩次再熱低0.5%，但制造成本大大降低。

歐洲在建中的高效超臨界機組都改為采用一次再熱。與日本不同的是其主蒸汽壓力和溫度都進一步提高 （30.5 MPa、580℃/600℃），其熱效率與29 MPa、580℃兩次再熱機組基本相同。在提高機組蒸汽參數(shù)的同時，還利用低溫海水冷卻，大幅提高了機組效率。2001年投運的AVV2電廠一臺超超臨界機組，其機組效率高達49%，是目前世界上運行效率最高的超超臨界機組[2]。

2 我國的超超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展

我國自20世紀80年代開始引進超臨界機組。我國第一臺國產(chǎn)600 MW超臨界機組于2004年12月在華能沁北電廠成功投運。鍋爐為超臨界參數(shù)變壓直流本生型鍋爐，一次再熱，單爐膛、尾部雙煙道結(jié)構(gòu)。華能玉環(huán)電廠是國內(nèi)第一個國產(chǎn)百萬千瓦超超臨界燃煤機組項目。該機組鍋爐是國內(nèi)單機容量最大、參數(shù)最高、技術(shù)最為先進的百萬千瓦超超臨界電站鍋爐。該機組鍋爐效率為93.88%，汽輪機熱耗為7295.8 kJ/(kW·h)，額定負荷下機組的發(fā)電煤耗為270.6 g/(kW·h)，機組熱效率高達45.5%，達到國際先進水平[3]。至2012年底，我國已建成投運百臺600℃超超臨界機組，裝機容量超過8000萬千瓦，占國內(nèi)裝機總量的7.5%。全國在役火電機組中1000 MW超超臨界機組有39臺，600 MW超超臨界及超臨界機組超過200臺。目前國內(nèi)超超臨界機組參數(shù)初壓力25.0～26.5 MPa、主蒸汽/再熱蒸汽溫度600℃/600℃。

3 超超臨界火電機組技術(shù)因素

3.1 鍋爐方面

（1）超臨界參數(shù)鍋爐的受熱面工作條件比亞臨界參數(shù)鍋爐的差，因此對受熱面鋼種、管道規(guī)格等的選擇提出了較高的要求。尤其是在過熱器管的選擇時，更應注意所用鋼材的抗腐蝕性和晶粒度指標。晶粒度過大就容易形成氧化層，氧化層脫落后將引起汽輪機 “硬粒沖蝕”的問題。

（2）要保證鍋爐在各種工況下水動力的可靠性。在各種負荷下，從亞臨界壓力到超臨界壓力廣泛的運行工況范圍內(nèi)，水冷壁出口溫度上下波動幅度必須限定在規(guī)定的范圍內(nèi)。尤其當水冷壁懸吊管系中設有中間聯(lián)箱時，必須采取措施避免在啟動分離器干濕轉(zhuǎn)換、工質(zhì)為兩相流時，聯(lián)箱中出現(xiàn)流量分配不均勻的問題。因為，流量分配不均勻?qū)⑹箲业豕軠夭畛?，導致懸吊管扭曲變形?/p>

（3）超臨界變壓運行鍋爐水冷壁對爐內(nèi)熱偏差的敏感性較強。當采用四角切圓燃燒方式時，必須采取有效措施消除煙氣溫度偏差，鍋爐出口的兩側(cè)最大煙氣溫差不得大于50℃。

3.2 汽輪機方面

（1）超臨界壓力機組是由直流爐供汽的。通常，溶解于蒸汽中的雜質(zhì)較多。蒸汽在汽輪機的通流部分做功后壓力降低，原先溶解的物質(zhì)就會釋放出來，產(chǎn)生積鹽現(xiàn)象。另外，主蒸汽管道、過熱器和再熱器均會出現(xiàn)氧化皮脫落的問題，導致固體“硬粒沖蝕”。

（2）超臨界參數(shù)汽輪機由于主蒸汽參數(shù)和再熱蒸汽參數(shù)的提高，尤其是溫度的增高，使其對材料的要求也有了相應的提高，一些亞臨界機組使用的材料已不能適應超臨界參數(shù)汽輪機的工作狀況，因此在選材時應高度重視這一問題。

（3）在氣缸結(jié)構(gòu)設計上應采取措施防止蒸汽漩渦振蕩。由于高壓缸入口壓力高、氣流密度大，會使調(diào)節(jié)級復環(huán)徑向間隙處發(fā)生蒸汽漩渦振蕩，引起軸承不穩(wěn)定振動[4]，因此，必須采取預防蒸汽漩渦振蕩的措施。

3.3 水動力學特性

（1）工質(zhì)比體積在擬臨界溫度附近的大比熱容區(qū)內(nèi)發(fā)生急劇變化，但工質(zhì)溫度變化不大。壓力越升高，擬臨界溫度越向高溫區(qū)推移，大比熱容特性則逐漸減弱。根據(jù)超臨界壓力下工質(zhì)的熱物理特性，控制輻射區(qū)水冷壁的吸熱量，使大比熱容區(qū)避開受熱最強的區(qū)域，是超臨界鍋爐機組設計和運行的關(guān)鍵。

（2）超臨界壓力下水冷壁管內(nèi)發(fā)生膜態(tài)沸騰主要是由于管內(nèi)壁附近的流體黏度、比熱容、導熱系數(shù)、密度等物性參數(shù)發(fā)生顯著變化而引起的。這些物性參數(shù)隨溫度的升高而劇烈下降，管中心的物流黏度大，而壁面處的流體黏度降低，由此產(chǎn)生黏度梯度，引起流體邊界層的層流化。同時，邊界層中的流體密度降低，產(chǎn)生浮力，促使紊流傳熱層流化。邊界層中的流體導熱系數(shù)降低，又使導熱性差的流體與管壁接觸，且壁面處的流體速度遠低于管中心的流體速度，在熱負荷較大時就可能導致傳熱惡化[5-6]。相關(guān)研究結(jié)果表明：超臨界壓力下的傳熱惡化，還與熱負荷及工質(zhì)的質(zhì)量流速有關(guān)，傳熱惡化首先發(fā)生在管子的入口處，因此在任何負荷下都需要維持較高的質(zhì)量流速。

4 超超臨界技術(shù)的最新發(fā)展

根據(jù)朗肯循環(huán)的基本原理，蒸汽參數(shù)的高低直接影響熱力循環(huán)效率的高低，700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)與600℃超超臨界發(fā)電技術(shù)相比，其熱效率可提高至50%左右，每千瓦時煤耗可降低近70 g，二氧化碳排放減少14%。為此，歐盟、日本和美國均已制定長期的700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)和設備發(fā)展計劃。國外700℃計劃研究如表1所示。

表1 各國計劃主要研究內(nèi)容匯總 [7]

歐洲已于1998年啟動了700℃等級超超臨界參數(shù)的 “AD700計劃”，目標是2015年建成參數(shù)為35 MPa、700℃、720℃，利用降低汽輪機背壓和管道阻力、煙氣余熱回收、提高給水溫度等方法，將熱效率提高至53%的超超臨界示范電廠。德國Scholven電站進行了全尺寸部件現(xiàn)場掛爐試驗，試驗部件包括新材料爐膛管屏、過熱器、安全閥、汽輪機進氣閥。德國最大的能源公司E.ON魯爾燃氣公司對建設AD700示范電站進行了可行性研究，計劃建設容量為500 MW、一次再熱、采用螺旋盤管技術(shù)的直流鍋爐。但由于后壁部件和蒸汽管道材料CCA617的掛爐試驗結(jié)果未達到要求，材料和造價的問題無法解決，因此公司推遲了示范電站的建設，目前該建設計劃處于暫停狀態(tài)。

美國將其先進超超臨界計劃 （AD760）的目標定位在主蒸汽溫度700～760℃，熱效率達到50%，實現(xiàn)污染氣體零排放。美國已于2006年完成鍋爐材料方面的測試及其部件的加工，現(xiàn)階段正在進行鍋爐部件的測試以及研究如何將全氧技術(shù)運用到超超臨界技術(shù)中。2009年汽輪機的材料測試已經(jīng)初步完成，現(xiàn)階段正對轉(zhuǎn)子、氣缸和閥門材料的各方面性能進行評估。目前美國AD760計劃未進行關(guān)鍵部件現(xiàn)場的掛爐運行試驗。

日本的A-USC項目的目標是開發(fā)700℃的燃煤發(fā)電技術(shù)。該項目的大規(guī)模開發(fā)工作從2008年8月啟動，此項目以目前的600℃等級的超超臨界機組為基礎(chǔ)，把主蒸汽溫度進一步提升，采用二次再熱，并計劃采用生物質(zhì)混合燃燒和二氧化碳回收技術(shù)，從而減少二氧化碳的排放，把主蒸汽溫度提高100℃，全廠凈效率從現(xiàn)在的42%提高到46%～48%。日本A-USC項目發(fā)展的技術(shù)路線是：（1）總的參數(shù)目標為700℃/720℃、700℃/750℃和未來的800℃，采用二次再熱方案。 （2）改造現(xiàn)有的大量超臨界機組，25 MPa壓力不變，采用700℃的一次再熱USC+A-USC的方案。

我國 《國家能源科技 “十二五”規(guī)劃 （2011-2015）》提出要掌握700℃超超臨界發(fā)電機組的關(guān)鍵技術(shù)，使火電機組的供電效率達到50%。該規(guī)劃還提出： “在2015年至2018年，開展700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)示范工程建設，對700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)前期研究成果進行驗證。” 從上面可以看出，AD700與A-USA兩個計劃都將新型耐熱合金材料作為研發(fā)的關(guān)鍵內(nèi)容。從目前我國700℃計劃的研究結(jié)果看，與600℃計劃相比，700℃在發(fā)電裝備的布局上差別不大，真正的考驗是材料，需要耐受更高溫度、更大壓力，而材料科學正是我國的短板。我國700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的研發(fā)比發(fā)達國家起步晚了十年。明確短板，才能把握方向。我國700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)的技術(shù)路線是：通過借鑒國外700℃超超臨界機組技術(shù)開發(fā)的經(jīng)驗，在我國600℃超超臨界機組研發(fā)應用基礎(chǔ)上，構(gòu)建我國700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)平臺，自主開發(fā)700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)，并形成生產(chǎn)能力。大致可分為五個步驟：第一步，研究提出700℃超超臨界機組的整體技術(shù)方案和主要設備設計方案；第二步，對高溫部件所用的材料進行篩選、開發(fā)、評定和優(yōu)化，確定我國700℃機組耐熱材料系列；第三步，開發(fā)關(guān)鍵耐熱材料的生產(chǎn)技術(shù)和關(guān)鍵部件的制造技術(shù)，形成生產(chǎn)制造能力；第四步，建設驗證試驗平臺，對關(guān)鍵部件進行性能驗證；第五步，建設700℃超超臨界示范工程，全面掌握700℃超超臨界燃煤發(fā)電的核心技術(shù)。

5 結(jié)束語

實踐證明，我國僅用幾年時間就走過了發(fā)達國家十幾年走過的路程，與世界先進水平的差距正逐步縮小，我國已是世界上燃煤火電裝機容量最大的國家。700℃超超臨界機組的發(fā)展對我國節(jié)能減排具有巨大的經(jīng)濟效益優(yōu)勢，相信通過借鑒已有的成果和經(jīng)驗，努力實現(xiàn)各方面的突破創(chuàng)新，一定會在700℃先進超超臨界發(fā)電技術(shù)上實現(xiàn)跨越式進展。

[1] 國家700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟.國際700℃燃煤超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)進展綜合報告 [R].2012.

[2] Jorgen Buggea,Sven Kjaer,Rudolph Blum.High efficiency coalfired powerplants developmentand perspectives[J].Energy， 2006， 31 （10）： 1437-1445.

[3] 朱寶田，苗遁金，雷兆團，等.我國超超臨界機組技術(shù)參數(shù)與結(jié)構(gòu)選型的研究[J].熱力發(fā)電，2005（7）：1-6.

[4] 趙毅，馬劍民，梁昌乾，等.超臨界、超超臨界機組運行安全性、可靠性分析[J].熱力發(fā)電，2013（2）：1-5.

[5] Ibsais A， Ajjarapu V.The role of automatic code differentiation in power systems analysis[J].IEEE Trans on Power Systems， 1997， 12(2)： 592-597.

[6] 楊小華，羅必雄，霍沛強，等.超超臨界1000 MW火力發(fā)電廠熱機設計技術(shù) [M].武漢：中國地質(zhì)大學出版社，2008： 238-245.

[7] 史進淵，楊宇，孫慶，等.超超臨界汽輪機技術(shù)研究的新進展 [J].動力工程，2003（2）：2252-2257.