700℃超超臨界發電技術進展

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%，化石燃料仍將占據世界能源的78%[1]。我國的 “多煤缺油少氣”能源結構特點表明，我國將在未來較長一段時間內難以改變以煤為主的一次能源結構。因此尋求高效、節能與環保的發電技術便成為電力行業的主要研究重點。實踐證明：超超臨界發電技術具有顯著的高效低排特點和巨大的經濟效益優勢。

1 國外的超超臨界發電技術發展

美國是從事超超臨界發電技術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，參數為31 MPa/621℃/566℃/560℃。1958年投運了容量為325 MW、參數為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為生產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 我國的超超臨界發電技術發展

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。鍋爐為超臨界參數變壓直流本生型鍋爐，一次再熱，單爐膛、尾部雙煙道結構。華能玉環電廠是國內第一個國產百萬千瓦超超臨界燃煤機組項目。該機組鍋爐是國內單機容量最大、參數最高、技術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。目前國內超超臨界機組參數初壓力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因素

3.1 鍋爐方面

（1）超臨界參數鍋爐的受熱面工作條件比亞臨界參數鍋爐的差，因此對受熱面鋼種、管道規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，水冷壁出口溫度上下波動幅度必須限定在規定的范圍內。尤其當水冷壁懸吊管系中設有中間聯箱時，必須采取措施避免在啟動分離器干濕轉換、工質為兩相流時，聯箱中出現流量分配不均勻的問題。因為，流量分配不均勻將使懸吊管溫差超限，導致懸吊管扭曲變形。

（3）超臨界變壓運行鍋爐水冷壁對爐內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，原先溶解的物質就會釋放出來，產生積鹽現象。另外，主蒸汽管道、過熱器和再熱器均會出現氧化皮脫落的問題，導致固體“硬粒沖蝕”。

（2）超臨界參數汽輪機由于主蒸汽參數和再熱蒸汽參數的提高，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）在氣缸結構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，會使調節級復環徑向間隙處發生蒸汽漩渦振蕩，引起軸承不穩定振動[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）工質比體積在擬臨界溫度附近的大比熱容區內發生急劇變化，但工質溫度變化不大。壓力越升高，擬臨界溫度越向高溫區推移，大比熱容特性則逐漸減弱。根據超臨界壓力下工質的熱物理特性，控制輻射區水冷壁的吸熱量，使大比熱容區避開受熱最強的區域，是超臨界鍋爐機組設計和運行的關鍵。

（2）超臨界壓力下水冷壁管內發生膜態沸騰主要是由于管內壁附近的流體黏度、比熱容、導熱系數、密度等物性參數發生顯著變化而引起的。這些物性參數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，產生浮力，促使紊流傳熱層流化。邊界層中的流體導熱系數降低，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]。相關研究結果表明：超臨界壓力下的傳熱惡化，還與熱負荷及工質的質量流速有關，傳熱惡化首先發生在管子的入口處，因此在任何負荷下都需要維持較高的質量流速。

4 超超臨界技術的最新發展

根據朗肯循環的基本原理，蒸汽參數的高低直接影響熱力循環效率的高低，700℃超超臨界燃煤發電技術與600℃超超臨界發電技術相比，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℃超超臨界發電技術和設備發展計劃。國外700℃計劃研究如表1所示。

表1 各國計劃主要研究內容匯總 [7]

歐洲已于1998年啟動了700℃等級超超臨界參數的 “AD700計劃”，目標是2015年建成參數為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。

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，現階段正在進行鍋爐部件的測試以及研究如何將全氧技術運用到超超臨界技術中。2009年汽輪機的材料測試已經初步完成，現階段正對轉子、氣缸和閥門材料的各方面性能進行評估。目前美國AD760計劃未進行關鍵部件現場的掛爐運行試驗。

日本的A-USC項目的目標是開發700℃的燃煤發電技術。該項目的大規模開發工作從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，把主蒸汽溫度進一步提升，采用二次再熱，并計劃采用生物質混合燃燒和二氧化碳回收技術，從而減少二氧化碳的排放，把主蒸汽溫度提高100℃，全廠凈效率從現在的42%提高到46%～48%。日本A-USC項目發展的技術路線是：（1）總的參數目標為700℃/720℃、700℃/750℃和未來的800℃，采用二次再熱方案。 （2）改造現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”規劃 （2011-2015）》提出要掌握700℃超超臨界發電機組的關鍵技術，使火電機組的供電效率達到50%。該規劃還提出： “在2015年至2018年，開展700℃超超臨界發電技術示范工程建設，對700℃超超臨界發電技術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的關鍵內容。從目前我國700℃計劃的研究結果看，與600℃計劃相比，700℃在發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℃超超臨界燃煤發電技術的研發比發達國家起步晚了十年。明確短板，才能把握方向。我國700℃超超臨界燃煤發電技術研究開發的技術路線是：通過借鑒國外700℃超超臨界機組技術開發的經驗，在我國600℃超超臨界機組研發應用基礎上，構建我國700℃超超臨界發電技術研發平臺，自主開發700℃超超臨界燃煤發電技術，并形成生產能力。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、評定和優化，確定我國700℃機組耐熱材料系列；第三步，開發關鍵耐熱材料的生產技術和關鍵部件的制造技術，形成生產制造能力；第四步，建設驗證試驗平臺，對關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℃超超臨界燃煤發電的核心技術。

5 結束語

實踐證明，我國僅用幾年時間就走過了發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℃超超臨界機組的發展對我國節能減排具有巨大的經濟效益優勢，相信通過借鑒已有的成果和經驗，努力實現各方面的突破創新，一定會在700℃先進超超臨界發電技術上實現跨越式進展。

[1] 國家700℃超超臨界燃煤發電技術創新聯盟.國際700℃燃煤超超臨界發電技術研發進展綜合報告 [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參數與結構選型的研究[J].熱力發電，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火力發電廠熱機設計技術 [M].武漢：中國地質大學出版社，2008： 238-245.

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