700℃高效超超臨界火力發電技術發展的概述

徐 炯， 周一工

（上海電氣電站集團，上海201199）

隨著全球溫室效應的日益加劇以及煤炭等化石燃料的日漸緊缺，如何進一步提高燃煤電站效率，減少二氧化碳（CO2）排放成為全社會越來越關注且亟待解決的問題。

火力發電行業目前面臨兩方面的壓力，一方面市場競爭的加劇需要降低發電成本，提高發電效率；另一方面社會對全球環境問題日益關注，要求電廠降低二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、CO2等的排放，滿足環保要求。發展潔凈煤發電技術是解決這些問題的關鍵，主要可以通過兩個方法得以實現：其一是開發利用新的高效發電技術，如整體煤氣化聯合循環（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC）發電等；其二是基于常規的發電系統，提高機組的蒸汽參數，使機組達到超超臨界（Ultra Supercritical，USC），發展高經濟性、高效率的高參數大容量機組，到目前為止超超臨界機組在國際上已相當普及。提高機組參數成為常規燃煤電站增效減排的重要途徑，也是燃煤發電技術創新和產業升級換代的主要方向[1]。

目前以及將來一段時間內，超超臨界機組的技術繼承性和可行性最高，同時高效超超臨界發電具有最高的效率和最低的建設成本，具有最優性價比。除了20世紀50、60年代投運的幾臺超超臨界機組外，從20世紀90年代初到2011年為止全世界已新建超超臨界機組超過100臺，其參數還在不斷地提高。現今超超臨界百萬等級汽輪機主要集中在中國、日本和歐洲市場。提高參數，進一步提高經濟性，降低價格性能比，降低單位能量的排放是現今火電汽輪機的發展方向。

從20世紀90年代起，日本、歐洲、美國在政府、各大公司的支持下已開始進行下一步更高參數超超臨界技術的研發工作，將燃煤電廠的蒸汽初參數提高到700℃以上，同步采取大幅度提高初蒸汽壓力以及二次再熱循環技術，大幅度地提高電廠熱能利用率。

在我國，煤炭仍然是能源結構的基礎，在我國整個電網中，燃煤火力發電占70%以上，電力工業以燃煤發電為主的格局在很長一段時期內難以改變，燃煤發電在創造優質清潔電力的同時，又產生大量的排放污染。因而在我國發展700℃高效超超臨界燃煤發電技術具有更為重要的戰略意義，2011年，科技部已經把“700℃以上高參數超超臨界發電”列入新技術發展及產業化領域2012年度國家科技計劃，國家能源局已經成立“700℃超超臨界發電”聯盟，計劃2015年建立示范電廠[2－3]。

1 700℃超高溫技術在高效超超臨界火力發電中的應用前景

截至2011年底，超超臨界百萬等級機組主要集中在中國、日本和歐洲市場，其參數狀況如下。

進汽溫度：我國已投運的百萬等級超超臨界汽輪機主汽溫度以及再熱溫度均為600℃，日本主汽溫度均達到600℃，再熱溫度最高為610℃；歐洲電廠主汽溫度最高為600℃，再熱溫度為610℃。根據日本電廠的統計，這些高溫機組的實際年均運行時間均達到8 200 h左右，我國百萬等級超超臨界汽輪機（西門子高中低模塊）的強迫停機率僅有0.36%，可靠性高，表明超超臨界電廠的整體技術已相當成熟，不論功率大小，所有機組均已采用580～600℃參數。

進汽壓力：除東芝1989年有2臺31 MPa，二次再熱700 MW機組外，日本三家（東芝、日立、三菱）1990年以來所有機組均在25 MPa左右。歐洲在20世紀90年代有2臺29 MPa壓力，二次再熱415 MW機組，西門子1998年后也有較高壓力的業績，但目前投運的大功率（包括1 025 MW）機組的進汽壓力均不大于26.5 MPa。我國機組進汽壓力為25～27 MPa，2008年投運的外高橋Ⅲ期汽機主蒸汽壓力達到27 MPa。

采用先進鐵素體材料的一次再熱，25 MPa／600℃／600℃超超臨界機組的熱耗相比超臨界參數24.2 MPa／566℃／566℃，降低幅度約為1.7%。高效超超臨界700℃，35 MPa參數汽輪機機組的熱耗將比在運行的超超臨界的水平下降8.1%～10.7%，經濟性提高的幅度是超超臨界技術的5～6倍。

按我國燃煤超超臨界電廠的平均供電煤耗297 g／k Wh為基準，高效超超臨界機型替代最先進的超超臨界機組，以燃煤發電量約3萬億度計算，預計年節約標準煤7 200～9 600萬t，減小CO2排放約2～2.6億t。700℃，35 MPa汽輪發電機組是保證我國國民經濟持續發展，極具競爭力的新一代裝備，具有巨大的節能減排效益及市場前景[4]。

2 國外高效超超臨界計劃

700℃高效超超臨界燃煤發電技術的研發有助于提升火力發電主設備的設計和制造水平，提高發電效率，減少溫室氣體排放，帶來巨大的經濟和社會效益。國際社會均采用由政府協調的模式，組織電力用戶、原材料供應商及設備制造公司聯合開發，制定了長期的700℃高效超超臨界發電技術發展計劃。

截至2011年底，國際上正在進行的700℃高效超超臨界研發計劃主要集中在歐洲、日本和美國，分別為：

（1）歐洲700℃系列計劃；

（2）日本的A—USC的9年計劃（2008—2016年）；

（3）美國的 A—USC的15年計劃（2001—2015年）。

歐洲700℃系列計劃起始于1998年，是當時世界上第一個高效超超臨界發展計劃，以丹麥Elsam電力公司為主，聯合了歐洲約45家研發單位參加，預計2015年完成示范電廠。日本的700℃計劃起始于2008年，該計劃名為A—USC9年計劃，由日本國家材料研究所聯合日本的電站設備、電力系統的制造廠，以及一些研究單位共同進行，預計2016年后完成產品設計開發。美國的700℃計劃起始于2001年，由美國電力研究院和企業聯合計劃，預計2016年實現商業化目標。

各國的研發計劃較為相似，均著重在材料研究，且提高蒸汽參數至700℃以上，以期大大提高電廠的熱效率。材料方面的研究則主要以鎳基耐熱合金和奧氏體鋼的鑄、鍛、焊接工藝等作為重點。

2.1 歐洲700℃高參數計劃

歐洲的700℃發電技術研發始于1998年，發展過程如表1所示，大致可以分為3個階段。

（1）基礎研究階段。主要包括機組概念設計、材料開發、材料性能測試、材料加工與檢測技術等關鍵技術的研究。

（2）部件驗證階段。歐洲歷來重視高溫部件的現場驗證研究，在700℃發電技術的研發過程中，已經建立了3個高溫部件驗證試驗臺，包括建立在丹麥Esbjerg電廠的過熱器試驗臺、德國Scholven電廠機組的COMTES 700以及德國GKM的725℃試驗臺GKM HWT 725 I。

表1 歐洲700℃技術的發展過程

（3）在2012年與2013年分別在德國和意大利開展GKM HWTⅡ、ENCIO部件驗證試驗臺，繼續進行高溫熱部件驗證；E.ON項目預計2018年以后在威廉港電廠建造一臺700℃示范機組，容量為500 MW示范工程，2020年投入運行。

歐洲700℃技術最近幾年的研究項目主要如下。

（1）COMTES 700研究項目

COMTES 700是建立在德國E.ON電力公司Scholven電廠F機組的高溫部件試驗臺，主要驗證水冷壁、過熱器管、高壓聯箱、帶高壓旁路的蒸汽管道，與此同時還有一個COMTES 700 Turbine Valve的項目，主要驗證高溫閥門，兩個項目最終同時在COMTES 700試驗臺進行，試驗臺的蒸汽流量為12 kg／s，出口蒸汽溫度為700℃。

COMTES 700原計劃是在示范電廠建設前的最后一次試驗，主要目的是對實際電廠相應尺寸部件的制造、彎管、焊接工藝進行驗證，積累所有部件特別是鎳基合金鍋爐管、管道和閥門的運行經驗、材料的煙氣腐蝕和蒸汽氧化行為、在線監測和在役檢驗技術。

（2）GKM HWT 725 I試驗臺項目

GKM HWT 725 I是歐洲第3個高溫部件試驗臺，由德國獨立資助，斯圖加特大學材料試驗所（MPA）設計和組織，主要目的是考核700℃電廠鍋爐管的長期服役行為，包括母材、焊接接頭以及彎頭。參與單位包括 GKM 電廠、MPA、Alstom、VGB、En Eb等材料試驗機構、檢測機構、制造廠和電力企業，該研究項目于2008年開始啟動，2010年10月開始正式運行。試驗臺蒸汽流量為0.33 kg／s，入口蒸汽為 16.65 MPa／530 ℃，出口蒸汽為15.6 MPa／725℃。

在安裝前進行了大量的材料性能和工藝試驗，如焊接工藝、蠕變試驗、組織分析、滑動磨損試驗等。試驗臺已經運行5 700 h。

（3）ENCIO項目

ENCIO項目是歐洲擬在意大利Enel電力公司Fusina電廠建立的高溫部件驗證平臺。試驗臺試驗材料包括617 B、617 B OCC、625、263、HIP 625、HIP 617 B、OCC（新材料以及COMTES 700中運行過的材料）。部件壁厚最大為150 mm，運行條件為靜態載荷，采用不同的制造方法。

（4）NextGenPower項目

項目總體目標是開發、驗證涂層和新材料在超超臨界蒸汽參數下（對新電廠包括摻燒生物質）的適用性。對涂層還包括在現有電廠摻燒生物質的驗證。該項目于2010年啟動，項目周期為48個月。

700℃高效超超臨界發電技術在歐洲從1998年開始，經過多年研究開發已經取得了較大進展，高溫鎳基合金材料A 617可用于鍋爐小口徑管，大口徑管發現了焊縫開裂等技術問題，仍需進一步研發。由于技術和經濟兩方面的原因，歐洲至少要在2018年以后進行工程示范。

2.2 日本A—USC計劃

2008年8 月，日本的 A—USC 9年（2008—2016年）發展計劃正式啟動，分為2008—2012年的鍋爐管材、汽輪機轉子汽缸及閥門工藝制造及3萬h的試驗研究；2010—2012年電廠設計；2013—2014年鍋爐部件和小汽輪機的設計制造；2014—2016年鍋爐部套及小汽輪機試驗等4個階段。開發的目標是2016年后A—USC產品可達到650 MW、35 MPa，700℃／720℃／720℃，發電效率46%的水平；2020年達到再熱溫度750℃（遠期為800℃），發電效率目標48%的水平。

2.3 美國A—USC計劃

美國也制定了一個高效超超臨界開發計劃。考慮到目前日本及歐洲的700℃，選定了更為先進的732℃／760℃參數。主要研究也分為2001—2006年的材料、2006—2007年的專題以及2008—2015年的示范電廠等3個階段。其參數目標為37.9 MPa／732℃／760℃，發電效率目標為45%～47%。

高效超超臨界正在加快密切結合工程的產業化步伐，爭取盡快完成產品的技術準備，建立示范電廠。歐洲從1998年開始，經過多年研究開發已經取得較大進展，雖由于技術和經濟兩方面的原因，至少要在2018年以后才可能進行工程示范，但其已先后建立3個高溫部件驗證試驗臺，預計在接下來的兩三年內，還將再建立兩個試驗臺，繼續對材料的加工工藝、老化機理分析、壽命評估等進行考核和積累經驗。日本雖然起步比歐洲晚了10年，但其9年（2008—2016年）計劃不僅要建成小容量的試驗汽輪機，盡早推廣應用，而且政府積極支持，在推廣700℃高效超超臨界發電技術上直追歐洲。美國也將700℃高效超超臨界樣機的預期時刻表定在2017年左右。

3 我國高效超超臨界計劃

中國一次能源的構成中煤炭占了近90%，在整個中國的電力結構中，火電占到了絕對多數。根據中電聯2011年公布的數據，截至2010年底，中國的火電裝機比例高達73.4%，而西方國家的比例大多在20%左右。并且中國是全球600℃超超臨界燃煤發電機組運用最多的國家。

目前，我國已投運近80臺600℃，壓力超過25 MPa的超超臨界機組。通過600℃超超臨界機組的技術研發及工程實踐，除鍋爐、汽輪機部分高溫材料及部分泵和閥門尚未實現國產化外，其他已基本形成了600℃超超臨界機組整體設計、制造和運行能力，建立起了完整的設計體系，擁有了相應的先進制造設備及加工工藝。

我國超臨界和超超臨界發電技術比發達國家起步晚，但利用國內市場提供的巨大舞臺，通過前期的技術轉讓以及后期立足自主開發，目前600℃超超臨界發電建成機組占世界首位。擁有了先進水平的設計制造技術平臺、全球600℃超超臨界燃煤發電機組最多的設計運行經驗，這些為我國700℃超超臨界燃煤發電機組的發展奠定了良好的基礎[5－6]。

4 我國發展700℃高效超超臨界的技術瓶頸

根據700℃高效超超臨界發電技術的難點及與國外差距，我國已初步擬定其技術發展路線（2010—2015年）。路線確定了目標參數：壓力≥35 MPa、溫度≥700℃、機組容量≥60萬k W，并具體制定了研發初步進度，爭取在“十二五”末建立示范電站。

高效超超臨界機組相對超超臨界機組蒸汽溫度、壓力參數的提高對電站關鍵部件材料帶來了更高和更新的要求，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，材料和制造技術成為發展先進機組的技術核心。

截至2011年底，已經在運營或在設計建設階段的超超臨界機組溫度參數大多在566～610℃，壓力則分為25 MPa、27 MPa和30～31 MPa 3個級別。新高溫鐵素體—馬氏體9%～12%Cr材料已成功用于31 MPa，600℃／610℃參數。經過各高溫高壓部件近十多年的應用，該材料系列已相當成熟，并形成了標準的市場采購規范。對于高效超超臨界技術，采用更高的蒸汽溫度700℃以及更高的初蒸汽壓力對材料提出了更苛刻的要求。

發達國家對先進的發電技術所需的材料均有相應的研究戰略，對電站材料的蠕變、疲勞等長時性能研究也有長期規劃，并建立了數據共享平臺，積累了大量的材料性能數據，如在歐洲蠕變合作委員會（ECCC）和日本材料所的數據共享平臺，多數常用材料的持久強度試驗時間超過了10萬h，最長的數據達到了20～30年。這些數據對機組的合理設計和安全可靠運行提供了堅實的材料技術支持。

我國的高溫材料基礎研究薄弱，缺乏自主產權的高溫材料數據庫，成為制約700℃超超臨界發電技術發展的瓶頸。

材料的2大問題：① 如何按汽輪機使用間隔長的要求，選擇現有的鎳材料，包括補充長期高溫性能試驗基礎上對材料的調整和優化工作；② 汽輪機部件大型化，對鑄鍛、焊接、熱處理等工藝性能的研究，例如單個鍛件的尺寸和重量達到8～10 t。根據汽輪機的強度要求，材料的長期高溫性能以達到100 MPa為目標。長期性能試驗（2萬、3萬到10萬h）的代價非常大；上述材料在長期性能，以及鍛件大型化基礎上是否要進行成分的優化調整，例如日本對用于轉子的617材料、螺栓的M 252材料都進行了微量元素的調整。調整必將增加了研究的周期及資金和人力投入；大型化鑄鍛件（閥門、轉子鍛件、汽缸）工藝、熱處理規范的研究投入，以及實物的運行試驗研究周期長、投入大。根據AD 700的報道僅這方面的投入費用達到近6 000萬歐元。同時鎳基高溫合金的機械加工切削性能比較差，而汽輪機的轉子和汽缸的結構形式復雜，必須經過大量的切削加工過程；因此，必須針對加工制造工藝進行相應的試驗研究，建立合適的加工方法和加工參數，選擇合適的加工制造設備廠，設計合適的加工切削刀具、切削工藝參數，設計制造裝夾工具、質量檢驗工具等[7－9]。

由于電站耐熱材料與影響國計民生的能源、環境兩大重大問題均關系密切，有必要建立相應的研究和開發戰略，通過加大材料研發的力度，加大試驗研究裝置的建設和研究力量的投入，同時不放棄向國外技術吸取經驗的機會，通過參與國際研發項目，掌握新型耐熱鋼的特性，建立電站材料性能數據庫與共享機制，并與國際數據平臺合作，形成完整的材料技術支撐體系，促進高效超超臨界等先進的火力發電技術在我國的發展。

5 結 語

開發700℃的高效超超臨界火力發電技術對我國電力事業、環境保護具有十分重要的意義。機組的蒸汽參數是決定機組熱經濟性的重要因素，亞臨界機組的供電效率一般在36%～38%，設計供電煤耗在340～320 g／k Wh左右；超臨界機組供電效率為41%～43%；設計供電煤耗在300～286 g／k Wh左右；采用先進的700℃的高效超超臨界火力發電機組，通過提高參數、優化系統可使供電效率達到46%以上，供電煤耗可進一步降低在250 g／k Wh以下；因此，700℃的高效超超臨界火力發電機組對煤炭資源的節約具有相當的優越性。由于煤耗的降低，還大大降低粉塵、SO2、NOx及CO2等的排放量。

700℃的高效超超臨界火力發電技術作為先進的超臨界發電技術對煤炭資源的節約、發電機組的經濟性以及環境改善都顯示了相當的優越性。發展700℃的高效超超臨界火力發電技術，可以滿足新增機組、替換低效機組需求，有效地節約資源，改善環境污染，降低CO2排放，實現高層次的產業升級。

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