700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀及建議

王東雷

【摘 要】發(fā)展更大容量、更高參數(shù)和更高效率的發(fā)電機(jī)組，已經(jīng)成為我國電力規(guī)劃所明確的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，具有明顯的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，對我國節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)即是新一代燃煤發(fā)電技術(shù)，為了推動700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，本文介紹了國外相關(guān)研發(fā)計劃以供借鑒，分析了我國開展相關(guān)研究的優(yōu)勢，總結(jié)了我國700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)進(jìn)展，并提出了3點(diǎn)建議：開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的耐高溫材料；對汽輪機(jī)和鍋爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，盡量減少鎳基高溫材料用量和打破常規(guī)的電廠布置思路，使四大管道或六大管道的用量減到最少。

【關(guān)鍵詞】700℃；超超臨界；節(jié)能減排；研發(fā)現(xiàn)狀

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，社會用電量逐年穩(wěn)步提升，全國發(fā)電裝機(jī)數(shù)量平穩(wěn)快速增長。截至2013年底，全國發(fā)電裝機(jī)總量達(dá)12.47億千瓦[1]，其中，火電裝機(jī)量為8.6億千瓦，占總裝機(jī)量的69%，在電力生產(chǎn)中居于主導(dǎo)地位。盡管我國目前大力發(fā)展核電、水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電等產(chǎn)業(yè)，但由于我國是以煤炭為主要一次能源的國家，在未來幾十年的時期內(nèi)，火電在我國電力生產(chǎn)中的主導(dǎo)地位依然無法改變。另一方面，由于SOx﹑NOx和CO2排放對人類及環(huán)境的損害與破壞不斷加重，我國面臨空前的環(huán)保壓力。大力發(fā)展超超臨界火電機(jī)組和對達(dá)不到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)役機(jī)組實(shí)施升級改造，已經(jīng)成為我國電力管理部門及發(fā)電企業(yè)面臨的重要課題。鑒于大型高參數(shù)機(jī)組，具有發(fā)電效率高，污染控制和技術(shù)推廣容易，經(jīng)濟(jì)性和可靠性高等特點(diǎn)[2]，發(fā)展大規(guī)模、高效率、高參數(shù)發(fā)電機(jī)組，已經(jīng)成為我國電力規(guī)劃所明確的優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。 700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)即是新一代燃煤發(fā)電技術(shù)，其主要目標(biāo)是將主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度提高至700℃或更高，將主蒸汽壓力提到至35MPa或以上，機(jī)組發(fā)電凈效率提高至46%或以上，并減少CO2和其他污染物的排放[3-5]。根據(jù)黃甌等人的經(jīng)濟(jì)得益計算，700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)的節(jié)能減排經(jīng)濟(jì)得益是現(xiàn)有600℃超超臨界技術(shù)的6倍[6]，具有明顯的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，對以煤炭為主要一次能源的我國來說具有特別重要的意義。

1 國外700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)計劃

鑒于700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)在提高發(fā)電效率、減少污染物排放和提升裝備制造水平方面的積極意義，世界主要國家開始采用政府協(xié)調(diào)的模式，組織電力用戶、毛坯和原材料供應(yīng)商和設(shè)備制造商共同研發(fā)700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)。目前，國際上正在進(jìn)行的700℃高效超超臨界研發(fā)計劃主要集中在歐洲、日本和美國，分別為歐盟AD700 17年計劃（1998-2014）、日本A-USC 9年計劃（2008-2016）和美國A-USC 15年計劃（2001-2015）。

1.1 歐盟AD700 計劃

AD700計劃是歐盟于1998年啟動的一項(xiàng)長達(dá)17年的計劃，其主要目標(biāo)是開發(fā)出蒸汽參數(shù)達(dá)37.5MPa/700℃/720℃左右的超超臨界發(fā)電機(jī)組，將發(fā)電凈效率提高至52%（內(nèi)陸電廠，主要在歐洲南部和中部）～55%（沿海電廠，主要在歐洲北部），使CO2排放降低15%。該計劃由丹麥ELSAM電力公司負(fù)責(zé)，組織歐盟45家公司共同完成。該計劃要解決的主要問題是研發(fā)滿足運(yùn)行條件的成熟高溫材料，并通過優(yōu)化設(shè)計降低建造成本，并最終在歐洲建立一個參數(shù)為35MPa/700℃/720℃的示范電廠。

AD700計劃分六個階段實(shí)施，具體內(nèi)容如下：

（1）第一階段是可行性研究階段，包括新材料開發(fā)和電廠設(shè)備改進(jìn)設(shè)計兩個方面。材料開發(fā)的目標(biāo)是研發(fā)可以適用于700℃電廠運(yùn)行的鐵素體鋼、奧氏體鋼和鎳基合金材料，材料的蠕變斷裂應(yīng)力目標(biāo)為：鐵素體管道材料為100MPa/650℃/105h、奧氏體管道材料為100MPa/700℃/105h和鎳基合金管道材料為100MPa/750℃/105h。除考慮材料的蠕變性能外，還要使材料的抗氧化性能、抗腐蝕性能和加工焊接性能也滿足相應(yīng)部件的要求[7]。設(shè)備改進(jìn)設(shè)計即是對鍋爐、汽輪機(jī)和電廠布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使整個電廠消耗的鎳基合金材料量達(dá)到最少。

（2）第二階段為準(zhǔn)備階段，包括以下研究內(nèi)容：對第1階段中開發(fā)的新材料進(jìn)行示范和廠內(nèi)試驗(yàn)、汽輪機(jī)部件原型制造和測試、初步部件設(shè)計、確定試驗(yàn)裝置和所在電廠和制定商業(yè)計劃。

（3）第三階段為部件驗(yàn)證階段， 也稱COMTES700計劃。主要任務(wù)是設(shè)計、制造并安裝一套部件試驗(yàn)裝置（CTF， Component Test Facility）。利用這套裝置在實(shí)際電廠中對第1、2階段開發(fā)的主要部件進(jìn)行高溫環(huán)境下的全尺寸示范試驗(yàn)，檢驗(yàn)部件的材料耐高溫性能及其加工制造質(zhì)量。部件示范工作在德國E.ON公司Scholven電廠的F機(jī)組上進(jìn)行，主要測試以下部件： 出口聯(lián)箱、蒸發(fā)管、過熱器、安全閥、旁路閥、汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥和高壓管道。

（4）第四階段、第五階段和第六階段分別為全尺寸電站示范、運(yùn)行和反饋。2006年10月31日，德國E.ON公司宣布建造700℃的示范電廠，廠址選在德國北部的威廉港。2007年9月確定機(jī)組容量為508MW，2008年底完成設(shè)計，計劃2010年開工建設(shè)，2014年投入運(yùn)行。機(jī)組凈效率為50%以上，發(fā)電煤耗小于246g/kW.h。但從2009年起未見有關(guān)該項(xiàng)目的官方報導(dǎo)，2010年的E.ON在建電廠列表也未見該項(xiàng)目。

在部件掛爐驗(yàn)證方面，歐洲除了實(shí)施COMTES700計劃外，還實(shí)施了丹麥Esbjerg電廠的過熱器試驗(yàn)項(xiàng)目、德國GKM電廠GKM HWT 725I項(xiàng)目、GKM HWT II項(xiàng)目、意大利ENCIO項(xiàng)目和NextGenPower項(xiàng)目[7-8]。

700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)在歐洲從1998年開始，經(jīng)過多年研究開發(fā)已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，高溫鎳基合金材料A617可用于鍋爐小口徑管，大口徑管發(fā)現(xiàn)了焊縫開裂等技術(shù)問題，仍需進(jìn)一步研發(fā)。由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面原因，歐洲至少要在2018年以后才能開始工程示范[8]。

1.2 美國A-USC計劃

美國高效超超臨界研發(fā)計劃選定參數(shù)為更為先進(jìn)的732℃/760℃，主要分為3個階段來實(shí)施：材料研發(fā)（2001年-2006年）、專題研究（2006年-2007年）和示范電廠（2008年-2015年）。該計劃由美國政府和企業(yè)界合作開展，目標(biāo)是開發(fā)蒸汽參數(shù)為35MPa /760℃的超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，發(fā)電效率達(dá)到46%～48%（HHV），SOx、NOx和CO2的排放減少約25%。目前，該計劃也由于材料和經(jīng)濟(jì)性問題出現(xiàn)滯后，把高效超超臨界樣機(jī)的預(yù)期時刻表定在2017年左右[8]。

1.3 日本A-USC計劃

2008年8月，日本的A-USC 9年計劃正式啟動，分為2008-2012年的鍋爐管材、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、汽缸及閥門工藝制造及3萬小時試驗(yàn)研究；2010-2012年電廠設(shè)計；2013-2014年鍋爐部件和小汽輪機(jī)的設(shè)計制造；2014-2016年鍋爐部套及小汽輪機(jī)試驗(yàn)等4個階段。該計劃開發(fā)目標(biāo)是2016 年后A-USC 產(chǎn)品可達(dá)到650MW、35MPa/700℃/720℃/720℃、發(fā)電效率為46%的水平；2020年達(dá)到再熱溫度750℃（遠(yuǎn)期為800℃）、發(fā)電效率48%的水平[8]。日本高效超超臨界發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展較快，目前已經(jīng)直追歐洲水平。

2 我國的700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)計劃

2.1 我國開展700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)的優(yōu)勢

我國開展700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)的優(yōu)勢有以下3個方面。

第一方面，我國具備巨大的市場需求。截至2013年底，全國發(fā)電裝機(jī)總量達(dá)12.47億千瓦[1]，其中，火電裝機(jī)量為8.6億千瓦，占總裝機(jī)量的69%，在電力生產(chǎn)中居于主導(dǎo)地位。未來一段時間，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入中高速的新常態(tài)階段，電力需求會隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高而穩(wěn)步增長。由于我國是以煤炭為主要一次能源的國家，火電在我國電力生產(chǎn)中的主導(dǎo)地位無法改變，這就需要新建一批火電機(jī)組來滿足電力需求。700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)具有很好環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，在未來一定具有廣闊的市場空間。

第二方面，我國具備雄厚的超超臨界技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)。近10年來，我國600MW和1000MW等級超超臨界發(fā)電機(jī)組進(jìn)入了快速發(fā)展時期，目前已是在建和投產(chǎn)超超臨界機(jī)組最多的國家。上海外高橋第三發(fā)電廠1000MW機(jī)組2010年的實(shí)際供電煤耗降至279.39g/kW.h，成為世界上第一個沖破實(shí)際運(yùn)行供電煤耗280 g/kW.h整數(shù)關(guān)口的電廠，達(dá)到世界最先進(jìn)水平。目前超超臨界機(jī)組除了少數(shù)材料和閥門需要進(jìn)口外，已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。通過超超臨界機(jī)組的設(shè)計、制造、建設(shè)和運(yùn)行，為我國培養(yǎng)了一批相關(guān)技術(shù)人才，為700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)的研發(fā)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

第三方面，我國具備良好的政策基礎(chǔ)。近些年，隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，一些環(huán)境污染問題逐漸顯現(xiàn)出來。我國政府為了調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和改善生態(tài)環(huán)境，對火電機(jī)組的要求越來越嚴(yán)格。目前，沿海地區(qū)新上火電機(jī)組全部要求達(dá)到“近零排放”。700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)由于提高了發(fā)電效率，可以從根本上降低污染物排放量，正是適應(yīng)我國發(fā)展要求的新一代技術(shù)，必將得到政府的大力支持。

2.2 我國的700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)情況

2010年7月23日，國家能源局組織成立了“國家700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，正式開展700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)工作。聯(lián)盟設(shè)立理事會，下設(shè)秘書處和技術(shù)委員會。技術(shù)委員會下設(shè)置系統(tǒng)及工程方案組、鍋爐組、汽輪機(jī)組和材料組，負(fù)責(zé)組織推進(jìn)各項(xiàng)技術(shù)研發(fā)。目前，已經(jīng)確定了我國700℃計劃研發(fā)技術(shù)路線和總體研發(fā)計劃，并細(xì)化形成總體方案設(shè)計、耐熱合金研發(fā)、關(guān)鍵部件研制、試驗(yàn)驗(yàn)證平臺建設(shè)和示范工程建設(shè)等五個分項(xiàng)計劃，擬利用10年左右時間，全面掌握核心技術(shù)，建成我國700℃高效超超臨界發(fā)電示范工程。初步確定我國700℃示范工程容量為600MW等級、35MPa/700℃/720℃、一次再熱或者二次再熱。最終方案和參數(shù)將根據(jù)研究進(jìn)展和技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證確定。

700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)的核心在于耐高溫材料的研發(fā)。在材料開發(fā)方面，我國已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。2012年6月1日，中國鋼研科技集團(tuán)有限公司（中國鋼研）在北京組織召開了國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“先進(jìn)超超臨界火電機(jī)組關(guān)鍵鍋爐管開發(fā)” 課題啟動會。該課題的總體目標(biāo)是研發(fā)600℃～700℃等級超超臨界燃煤電站用P92、P122、G115/G112和CCA617等材料鍋爐大口徑管，新型奧氏體鋼、GH2984等材料過熱器和再熱器小口徑管，研究鍋爐管焊接接頭性能，形成上述關(guān)鍵鍋爐管的自主化生產(chǎn)技術(shù)集成，為我國600℃～700℃等級超超臨界燃煤電站示范工程建設(shè)奠定重要基礎(chǔ)。G115/G112鐵素體耐熱鋼是中國鋼研研發(fā)的應(yīng)用于650℃蒸汽參數(shù)的專利鋼種，已開展了工業(yè)試制。GH2984耐熱合金是中科院金屬所自主研發(fā)的鋼種，已在艦船鍋爐上服役多年，表現(xiàn)出了良好的熱強(qiáng)性。近年中科院金屬所針對700℃等級超超臨界燃煤電站應(yīng)用環(huán)境，正在對其進(jìn)行全面成分和工藝優(yōu)化，并同時研發(fā)配套焊接材料，改進(jìn)后的合金命名為GH2984G[9]。

耐高溫材料是700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵，其開發(fā)應(yīng)用需要經(jīng)過比較長的時間。為了穩(wěn)步推進(jìn)700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)的研發(fā)，可以在現(xiàn)有先進(jìn)鐵素體材料的基礎(chǔ)上驗(yàn)證700℃機(jī)組的一些性能，例如增大機(jī)組容量、高效超超臨界壓力和二次再熱。我國已經(jīng)完成了世界上容量最大的高效超超臨界機(jī)組（陽西5、6號機(jī)組）的初步設(shè)計工作，標(biāo)志我國主輔機(jī)廠已經(jīng)具備了相應(yīng)的生產(chǎn)能力。其容量為1240MW，參數(shù)為28MPa/600℃/620℃。國電泰州二期1000MW機(jī)組是我國發(fā)展大容量高效超超臨界技術(shù)的示范工程，目前，該工程已經(jīng)獲批并開工建設(shè)。機(jī)組容量為1000MW，參數(shù)為31MPa/600℃/610℃/610℃，發(fā)電效率將達(dá)47.94%，預(yù)計發(fā)電煤耗為256.2g/kW.h。

3 對我國700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)計劃的建議

作為一名電力工業(yè)發(fā)展的參與人員，熱切期盼我國700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)早日取得突破并應(yīng)用于工程實(shí)踐。為此，特提出以下幾點(diǎn)建議，供相關(guān)研發(fā)人員參考。

（1）開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的耐高溫材料，擺脫對國外技術(shù)的依賴。近些年，我國超超臨界機(jī)組取得了長足發(fā)展，工程所需大部分設(shè)備和材料均可以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。但一些關(guān)鍵高溫材料（如P91、P92、P22和15NiCuMoNb5-6-4等）和關(guān)鍵閥門（如重要調(diào)節(jié)閥和高溫高壓關(guān)斷閥）還需要進(jìn)口，其價格昂貴、生產(chǎn)周期長，嚴(yán)重影響我國超超臨界機(jī)組的建設(shè)周期和經(jīng)濟(jì)性。因此，700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)一定要避免600℃超超臨界機(jī)組的不足，開發(fā)出我國自己的材料系列。

（2）對汽輪機(jī)和鍋爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，盡量減少鎳基高溫材料用量。對汽輪機(jī)中各部件進(jìn)行優(yōu)化計算，盡量減少相關(guān)部件尺寸和厚度，達(dá)到減少材料用量的目的。還可以通過開發(fā)新型冷卻技術(shù)，使部件溫度降低等級，即可以采用低等級的材料。對鍋爐中各受熱面進(jìn)行合理布置，確定合理的工質(zhì)流速，以減少高溫材料的用量。

（3）打破常規(guī)的電廠布置思路，使四大管道或六大管道的用量減到最少。如可以考慮將汽輪發(fā)電機(jī)組和鍋爐聯(lián)箱出口盡量靠近，這樣可以降低管道長度。汽輪發(fā)電機(jī)組和鍋爐在水平靠近的同時，高度也需要抬高，這樣對基座的設(shè)計也提出了新的要求。

4 結(jié)論

700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)是新一代燃煤發(fā)電技術(shù)，其主要目標(biāo)是將主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度提高至700℃或更高，將主蒸汽壓力提到至35MPa或以上，機(jī)組發(fā)電凈效率提高至46%或以上，并減少CO2和其他污染物的排放。

我國開展700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)具有3方面優(yōu)勢：巨大的市場需求、雄厚的超超臨界技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)和良好的政策基礎(chǔ)。

我國已經(jīng)在耐高溫材料研究方面取得一些進(jìn)展，G115/G112鐵素體耐熱鋼是中國鋼研研發(fā)的應(yīng)用于650℃蒸汽參數(shù)的專利鋼種，已開展了工業(yè)試制。GH2984耐熱合金是中科院金屬所自主研發(fā)的鋼種，已在艦船鍋爐上服役多年，表現(xiàn)出了良好的熱強(qiáng)性。中科院金屬所已經(jīng)在GH2984的基礎(chǔ)上開發(fā)適用于700℃機(jī)組的新材料GH2984G。我國已經(jīng)在現(xiàn)有材料基礎(chǔ)上將700℃示范機(jī)組的一些性能推向了工程應(yīng)用，完成了1240MW、28MPa/600℃/620℃機(jī)組的初步設(shè)計，開工建設(shè)了1000MW、31MPa/600℃/610℃/610℃二次再熱機(jī)組，發(fā)電效率將達(dá)47.94%，預(yù)計發(fā)電煤耗為256.2g/kW.h。這些工作的開展為700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)的研發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。

建議我國700℃計劃要開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的耐高溫材料；對汽輪機(jī)和鍋爐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，盡量減少鎳基高溫材料用量；打破常規(guī)的電廠布置思路，使四大管道或六大管道的用量減到最少。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]