超超臨界機組在我國的發展及應用

唐 飛，董 斌，趙 敏

（中國電力工程顧問集團公司，北京市，100120）

1 目前我國超超臨界機組的建設情況

我國一次能源結構具有以煤為主的顯著特征，由此決定了我國電力結構以燃煤發電為主的特點[1-10]。2008年我國原煤產量27.2億t，其中火電耗煤13.4億t，占煤炭產量的近50%。從今后發展來看，在以煤為主的一次能源結構不發生大的變化下，在電力結構中火電仍將在相當長的時期內占據主導地位。提高發電效率、降低污染、節約資源是我國火電機組的發展方向。超超臨界火電機組具有煤耗低、污染排放物少的節能減排效益，是提高我國火電機組技術水平，實現火電機組技術優化升級有效而現實的措施，也是我國火力發電機組發展的必然趨勢。

在“十五”期間，我國首臺600MW超臨界機組示范工程投入運行，1 000MW超超臨界機組的研究和開發也在積極進行。“十五”末期，國家出臺了一系列鼓勵建設大型超超臨界機組的相關配套政策，大型超超臨界機組在我國呈現出快速發展的趨勢。從“十一五”初期開始，我國大型超（超）臨界機組即呈現出快速發展的趨勢，600MW機組基本上都采用了超臨界或超超臨界參數，1 000MW機組全部采用了超超臨界參數。截至2009年6月，我國已投產超超臨界機組23臺，其中百萬千瓦機組13臺，60萬千瓦級機組10臺，超（超）臨界機組容量占火電裝機容量的18%以上，已提前達到了“十一五”目標——超（超）臨界機組占煤電裝機容量的比重達到15%。目前，還有一批超超臨界機組已經國家核準正在建設或籌備建設中。據不完全統計，目前國內主機制造廠接到的1 000MW級超超臨界機組訂單有60余套，機組容量68 GW，600MW超超臨界機組訂單有40余套，機組容量31.56 GW。

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

2 目前我國超超臨界機組技術水平

2.1 主機技術水平

目前，我國超超臨界機組按容量通常可以分為600MW等級和1 000MW等級，從初參數上可分為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，華能玉環電廠、華電國際鄒縣發電廠、國電泰州電廠、上海外高橋第三發電廠、國電北侖電廠等已先后建成投運了百萬千瓦超超臨界機組。這些百萬千瓦超超臨界機組自投運以來，各項主要性能參數均能符合設計選型要求，性能考核實測值基本滿足簽訂的設備合同中的性能數據。

我國超超臨界機組的單機容量、參數和數量均已達到國際先進水平，600～1 000MW等級的超超臨界機組大部分的進汽參數為：壓力24.2～28 MPa，溫度580～600℃。世界上最大容量超超臨界機組是1300MW的雙軸機組，單軸機組最大容量為1 050MW。大多數機組采用一次再熱循環，少數采用二次再熱循環。

2.2 電廠系統設計技術水平

隨著我國百萬千瓦超超臨界電廠的陸續投產和穩定運行，標志著我國電力設計行業已掌握了世界先進的火力發電設計技術，具備了百萬千瓦級超超臨界電廠全部自主設計的能力。

百萬千瓦級超超臨界電廠設計初期，在沒有引進國外設計技術的情況下，國內電力設計單位依靠自主力量，通過結合具體工程，從我國現有設計規程適應性、電廠系統擬定原則、輔機選擇原則及國產化能力、四大管道材料選擇和設計原則、汽水品質指標及控制要求、汽輪發電機組基座設計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用和檢驗，標志著我國大型超超臨界電站設計技術已走向成熟，并達到了國際先進水平。

2.3 設備設計制造水平

“十五”期間，國內三大動力集團（上海電氣、東方電氣、哈爾濱電氣）分別從三菱、日立、阿爾斯通、西門子引進了超臨界、1 000MW超超臨界技術，并采取與國外公司合作的方式進行1 000MW超超臨界機組的設計和制造。目前，三大集團先后擴大了廠房，裝備了數百臺加工精度高、工效快的數控設備，在裝備水平上達到了發達國家的先進水平，均具備了600MW等級和1 000MW等級的超超臨界機組制造能力。

但是，國內企業目前還不完全掌握1 000MW超超臨界火電機組（鍋爐和汽輪機）的性能設計。設計核心技術和高端技術的關鍵部件仍被國外公司壟斷，外商只提供設計軟件目標程序，不提供源程序，因此引進程序只能使用，不能進行修改和改進。目前三大動力集團正在進行600MW超超臨界火電機組的自主設計。

600MW超超臨界機組，除耐高溫合金鋼、高壓轉子和部分高溫及專用閥門須進口外，已能實現制造國產化。

600℃等級新型耐熱鋼材料尚未實現國產化，鍋爐和汽輪機高溫部件的材料特性尚未掌握。對超超臨界技術具有重大影響的大型鑄鍛件（汽輪機的轉子和汽缸，發電機的轉子和持環等）和關鍵原材料（鍋爐的大口徑管、再熱器、過熱器小口徑管等）目前還基本依賴進口，對新型耐高溫材料的加工工藝性能和應用性能還未完全掌握。

配套閥門的國產化方面還有較大缺口，高參數閥門目前大部分需要向國外采購，關鍵輔機如鍋爐給水泵、啟動再循環泵等尚缺乏設計制造經驗。

3 我國超超臨界機組存在的問題及其原因

3.1 超（超）臨界機組電源布局及運行調度

近年來，隨著國民經濟的持續發展，電力建設速度相應加快。電力體制改革后，各大發電集團和各發電企業為實現自身發展，不斷開辟新的電源點，由于與規劃進度不協調、與電網建設不同步，造成了部分已建成的超超臨界機組無法長期滿負荷運行、機組負荷率降低、煤耗增加等問題。

另外，由于目前對超超臨界機組的運行調度還不能做到優先保證機組的長期滿負荷運行，使超超臨界機組不能充分發揮節能降耗的優點。

3.2 超超臨界機組自主知識產權

國內主要的鍋爐、汽輪機、發電機制造廠都相繼引進了600～1 000MW超臨界和超超臨界的設備設計和制造技術，制造出了國產的600MW、1 000MW超超臨界機組。但是，設備的基本設計和關鍵技術的設計由技術引進方完成，關鍵部件從技術引進方進口。由于沒有自主知識產權，受引進技術協議的限制，國內主機廠需要向技術引進方交納高額費用。

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

3.3 超超臨界機組的關鍵材料

超超臨界機組蒸汽溫度和壓力參數的提高給關鍵部件材料帶來了更高、更新的要求,尤其是材料的熱強性能、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成為發展先進超超臨界機組的技術核心。

目前，我國還不能自主生產適應于600℃的材料，大型超超臨界機組主設備中的一些關鍵材料還完全依賴進口，一旦外商不能及時供貨，只能采用替代材料。因替代材料性能不能完全等同原設計材料，機組長期運行性能將受影響。國外的耐高溫材料能承受600℃的工作溫度，但這些材料沒有經過長時間的疲勞檢驗，通常需要十多年時間對性能參數進行驗證。

開展超超臨界機組耐熱合金鋼材料的研發是關鍵，而且需要長期不斷的進行開發才會有成效，目前我國還沒有一個具體的材料研發計劃，材料問題將嚴重影響和制約我國超超臨界機組的發展。

3.4 超超臨界機組的運行可靠性

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

從目前國內已投運的1 000MW超超臨界機組的運行情況來看，我國大容量超超臨界機組商業運行的可靠性已經達到相當先進的水平。

根據有關分析，超（超）超臨界機組在投運若干年后，存在因鍋爐受熱面蒸汽高溫氧化及由此引起汽輪機葉片固體粒子侵蝕，導致汽輪機級效率迅速下降，機組熱耗增加的可能，這需要對已投運的超超臨界機組進行長期跟蹤檢測和分析。

4 我國超超臨界機組的進一步發展

今后，超超臨界機組的發展方向依然是向更高效率的方向邁進。為了進一步提高超超臨界發電機組的效率，首先應該研究在現有參數條件下效率的提高，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，根據耐高溫材料的發展情況和我國超超臨界設備研發、制造能力，我國也應考慮發展更高參數的新一代超超臨界機組。國內超超臨界機組蒸汽參數的提高可以考慮分階段實施，如28 MPa/620℃/620℃、31 MPa/650℃/650℃、34.5 MPa/700℃/700℃等。

預計2030年前，我國自主開發的新一代700℃超超臨界燃煤機組將投入商業運行，機組供電效率將超過50%。

5 相關措施建議

（1）進一步落實環保、節能機組優先發電的相關政策，提高超超臨界機組的負荷率，充分發揮超超臨界機組的節能優勢。

（2）當前超臨界和超超臨界機組的發展還存在參差不齊的局面，建議從國家層面對投產1年以上的百萬千瓦超超臨界機組開展后評價工作，全面總結經驗和教訓，以提高我國超超臨界火電機組的整體水平，為下一步更大規模地發展超超臨界機組提供更加充分的決策依據。

（3）建議由國家牽頭組織制造、設計、科研、運行等有關部門，就材料使用現狀、材料基礎研究、材料國產化及機組工藝系統設計中應采取的對策等問題進行全面深入的研究，完善機制，加大投入，重點研制具有自主知識產權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的超超臨界發電技術的研究。

[1]張建中.我國超(超)臨界火電機組實際投運水平評述[J].電力建設,2009,30(4)：1-9.

[2]馮偉忠.1 000MW超超臨界汽輪機綜合優化及成效[J].電力建設,2009,30(5)：42-46.

[3]柯文石.華能玉環電廠1 000MW超超臨界機組建設的探討與實踐[J].電力建設,2005,26(6):1-5.

[4]江哲生,董衛國,毛國光.國產1 000MW超超臨界機組技術綜述[J].電力建設,2007,28(8):6-13.

[5]陳書平,李健平.華能玉環電廠4×1 000MW超超臨界機組工程建設實踐[J].電力建設,2006,27(7):17-21.

[6]王起江,洪杰.超超臨界壓力鍋爐用T92高壓鍋爐管的研制[J].發電設備,2009,23(6):451-455.

[7]宋愛麟.發電設備行業發展趨勢[J].發電設備,2009,23(5):313-317.

[8]徐洪.超超臨界火電機組的金屬腐蝕特點和沉積規律[J].動力工程,2009,29(3):210-217.

[9]樊險峰,吳少華.國產首臺超超臨界鍋爐的設計與技術特點[J].動力工程,2009,29(2):139-144.

[10]葉勇健.玉環電廠煙風系統風機參數的設計[J].中國電力,2009,42(1):54-57.