超超临界燃煤发电机组

超超临界燃煤发电技术：燃煤发电是通过产生高温高压的水蒸气来推动汽轮机发电的，蒸汽的温度和压力越高，发电的效率就越高。在374.15摄氏度、22.115兆帕压力下，水蒸气的密度会增大到与液态水一样，这个条件叫做水的临界参数。比这还高的参数叫做超临界参数。温度和气压升高到600摄氏度、25―28兆帕这样的区间，就进入了超超临界的“境界”。中文名超超临界燃煤发电技术外文名Ultrasupercriticalpowergeneration

缩

写USPG目

的更高的热效率1我国发展超超临界机组的必要性按照国家制订的2020年电力发展规划，我国发电装机容量将从目前的4亿千瓦增加到2020年9亿千瓦，其中燃煤机组将达到5.8亿千瓦。2003年，全国二氧化硫排放总量达到2100多万吨，其中燃煤电厂二氧化硫排放约占全国排放总量的46%。我国酸雨pH值小于5.6的城市面积占全国的70.6%。随着燃煤装机总量的增加，我国将面临严峻的经济与资源、环境与发展的挑战。提高燃煤机组的效率、减少总用煤量、降低污染物排放是当前我国火电结构调整，实现可持续发展的重要任务。目前我国电力工业装机中高效、清洁的火电机组比例偏低，结构性矛盾突出。2002年，火电机组中30万千瓦及以上机组占41.7%，20万千瓦以下机组占42.5%，超临界机组只占2.38%。洁净煤发电、核电、大型超（超）临界机组、大型燃气轮机技术开发、设备生产刚刚起步。全国火电平均供电煤耗383g/kWh，比世界先进水平高出60g/kWh。因此迫切需要在近期研制出新一代燃煤发电设备来装备电力工业。新一代发电设备应具备可靠、大型、高效、清洁、投资低等性能；能够替代现有的300MW和600MW亚临界机组，成为装备电力工业的主流机型；同时国内设备制造企业经过努力后能够具备生产能力，能够形成规模生产和市场竞争局面。分析国际上燃煤发电技术的发展趋势，将采用两种技术路线来提高效率和降低排放。其一是利用煤化工中已经成熟的煤气化技术，集成蒸汽燃气联合循环技术实现高效清洁发电，其代表技术为IGCC。此技术提高能效的前景很好，但因系统相对复杂而造成投资偏高的问题需要解决。目前正在烟台电厂建设一台300或400MW等级的IGCC示范机组，为今后的发展作好技术储备。另一个发展方向是通过提高常规发电机组的蒸汽参数来提高效率，即超临界机组和超超临界机组。超超临界机组在发达国家已经实现了大容量、大批量生产。通过努力我国可以较快实现国产化能力，降低设备成本。如果我国600MW等级的燃煤机组采用超超临界技术，供电煤耗278g/kWh，比同容量亚临界机组的煤耗减少30克/kWh，按年运行5500小时计算，一台600MW超超临界机组可比同容量亚临界机组节约标煤6万吨/年，同时SO2、氮氧化物、粉尘等污染物以及CO2排放将大大减少。采用超超临界燃煤发电技术对于节约资源消耗、保护环境、实现可持续发展具有重要意义。2国外超超临界机组的技术指标超超临界机组蒸汽参数愈高，热效率也随之提高。热力循环分析表明，在超超临界机组参数范围的条件下，主蒸汽压力提高1MPa，机组的热耗率就可下降0.13%～0.15%；主蒸汽温度每提高10℃，机组的热耗率就可下降0.25～0.30%；再热蒸汽温度每提高10℃，机组的热耗率就可下降0.15%～0.20%。在一定的范围内，如果采用二次再热，则其热耗率可较采用一次再热的机组下降1.4%～1.6%。亚临界机组的典型参数为16.7MPa/538℃/538℃，其发电效率约为38%。超临界机组的主蒸汽压力通常为24MPa左右，主蒸汽和再热蒸汽温度为538～560℃；超临界机组的典型参数为24.1MPa/538℃/538℃，对应的发电效率约为41%。超超临界机组的主蒸汽压力为25～31MPa，主蒸汽和再热蒸汽温度为580～610℃。超临界机组的热效率比亚临界机组的高2%～3%左右，而超超临界机组的热效率比超临界机组的高4%左右。目前，美国投运的超临界机组大约为170台，其中燃煤机组占70%以上。前苏联300MW及以上容量机组全部采用超临界参数。至1988年已有近200台超临界机组投入运行，全国35%电力由超临界机组供给。日本的超临界机组共有100多台，总容量为超过5760万千瓦，占火电机组容量的61%，45万千瓦及以上的机组全部采用超临界参数，而且在提高参数方面做了很多工作，最高压力为31MPa，最高温度已达到600/600°C。丹麦史密斯公司研究开发的前2台超超临界机组，容量为400MW，过热蒸汽出口压力为29MPa，二次中间再热、过热蒸汽和再热汽温为582/580/580℃，机组效率为47%，机组净效率达45%（采用海水冷却，汽轮机的背压为26kPa）；后开发了参数为30.5MPa，582/600℃、容量为400MW的超超临界机组，该机组采用一次中间再热，机组设计效率为49%。德国西门子公司20世纪末设计的超超临界机组，容量在400～1000MW范围内，蒸汽参数为27.5MPa,589/600℃，机组净效率在45%以上。欧洲正在执行“先进煤粉电厂（700℃）”的计划，即在未来的15年内开发出蒸汽温度高达700℃的超超临界机组，主要目标有两个：使煤粉电厂净效率由47%提高到55%（采用低温海水冷却）或52%（对内陆地区和冷却塔）；降低燃煤电厂的投资价格。美国和日本也将蒸汽温度为700℃的超超临界机组作为进一步的发展目标。可见，国际上超超临界机组的参数已经达到27～32Mpa左右，蒸汽温度为566～600℃，热效率可以达到42～45%。国外机组的可靠性数据，表明了超超临界机组可以同样实现高的可靠性。我国石洞口二厂两台60万千瓦超临界机组的可用率就高达90%以上，高于其它一些同容量亚临界机组。从环保措施看，国外的超超临界机组都加装了锅炉尾部烟气脱硫、脱硝和高效除尘装置，可以实现较低的排放，满足严格的排放标准。例如日本的超超临界机组的排放指标可以达到SO270mg/Nm3；NOx30mg/Nm3；粉尘5mg/Nm3。可见，超超临界燃煤机组甚至可以与燃用天然气、石油等机组一样实现清洁的发电。目前中国有玉环电厂、外高桥三厂、宁海国华二期、北仑电厂三期、嘉兴电厂三期，以及漕泾电厂等多个2*1000MW超超临界燃煤机组已建成或在建。600MW和1000MW超临界机组将成为我国今后10年内带电网基本负荷的主力发电机组。蒸汽温度的提高使P91、S304H、P122、HR3C等许多高温合金钢被大量使用。与其余几种洁净煤发电技术相比，超超临界机组技术具有继承性好，容易实现大型化的特点，在机组的可靠性、可用率、热机动性、机组寿命等方面已经可以和亚临界机组媲美，已经有了较多的商业运行经验。超超临界发电机组火电厂超超临界机组和超临界机组指的是锅炉内工质的压力。锅炉内的工质都是水，水的临界参数是:22.129MPa、374.15℃[1]；在这个压力和温度时，水和蒸汽的密度是相同的，就叫水的临界点，炉内工质压力低于这个压力就叫亚临界锅炉，大于这个压力就是超临界锅炉，炉内蒸汽温度不低于593℃或蒸汽压力不低于31MPa被称为超超临界。从国际及国内已建成及在建的超临界或超超临界机组的参数选择情况来说，只要锅炉参数在临界点以上，都是超临界机组。但对超临界和超超临界机组并无严格的界限，只是参数高了多少的一个问题，目前国内及国际上一般认为只要主蒸汽温度达到或超过600℃，就认为是超超临界机组。含义编辑超临界、超超临界火电机组具有显著的节能和改善环境的效果，超超临界机组与超临界机组相比，热效率要提高12%，一年就可节约6000吨优质煤。未来火电建设将主要是发展高效率高参数的超临界（SC）和超超临界（USC）火电机组，它们在发达国家已得到广泛的研究和应用。超超临界机组发电技术编辑超超临界燃煤发电技术是一种先进、高效的发电技术，它比超临界机组的热效率高出约4%，与常规燃煤发电机组相比优势就更加明显。可是，2002年，“超超临界燃煤发电技术的研发和应用”项目立项时，我国百万千瓦超超临界发电机组连超临界机组的示范工程都尚未开始建设，国际上也仅有德国、丹麦、日本的5个电厂投产。是等待国内超临界机组示范成功、国际上超超临界技术成熟后再来考虑我国下一代的电力技术，还是超前进行研究，以技术为先导，来推动中国电力行业的发展？时任国家电力公司科技环保部主任的张晓鲁等人争取到了科技部的支持，决定对国际上的先进技术进行论证，基于我们能采购到的、成熟商业应用的高温合金材料，研究在中国发展超超临界的技术类型和技术路线，希望以此指导我国电力装备业新一代设备的研发，为我国电力行业的产业升级提供技术储备。中国华能集团公司、中国电力投资集团公司、哈尔滨锅炉厂、上海汽轮机有限公司、国家电站燃烧工程技术研究中心……23家单位的100多名研究人员通力合作，首次提出了我国发展超超临界火电机组的技术选型方案，完成了3种不同型式100万千瓦超超临界锅炉、汽轮机的设计开发、制造软件包研制和材料加工性能研究，自主设计了超超临界电站，自主调试成功了100万千瓦和60万千瓦机组，申请了17项国家技术专利，形成了我国完整的超超临界电站开发基础。技术储备很快就派上了大用场。从2003年开始，我国电力行业进入高速发展期，年装机容量从过去十多年里每年1000多万千瓦急速攀升到5000万千瓦、6000万千瓦，2006和2007两年达到1亿千瓦左右。到2007年底，国产60万千瓦超超临界机组的订货量达到90多台，100万千瓦的订货数也有将近50台。预计到2010年，我国投产的百万千瓦超超临界机组将占全世界的一半以上。世界银行的代表找到已是中国电力投资集团公司副总经理的张晓鲁，说现在看来，要减少燃煤发电温室气体和污染物排放，最有效的技术就是超超临界技术，打算拿一笔钱支持中国开展这方面的研究。张晓鲁回答：“谢谢你，我们已经跨过了这个阶段。”2008年1月8日，中共中央、国务院隆重举行国家科学技术奖励大会，由中国华能集团公司承接，联合有关设计、制造、应用单位共同研发和应用的超超临界燃煤发电技术获得2007年度国家科学技术进步一等奖。该技术的节能环保示范作用十分显著，作为示范工程的华能玉环电厂项目，于2007年11月全部建成投产，成为世界上超超临界百万千瓦级容量最大的火电厂。工程应用了大量该课题的研究成果，2台100万千瓦超超临界发电机组（参数26.25MPa、600℃/600℃）是当今国际上参数最高、容量最大、同比效率最高的超超临界机组，经实际运行，效率高达45.4%,供电煤耗283.2克/千瓦时，比2006年全国平均供电煤耗366克/千瓦时低82.8克/千瓦时，大幅节约了煤炭资源,每年可少排放二氧化碳50多万吨、二氧化硫2800多吨、氮氧化物约2000吨，具有国际先进的能耗和环保水平，企业经济效益和社会环境效益前景巨大。现在发电供热用煤占全国煤炭生产总量的50%左右，而且污染物排放量也很大。据统计，全国二氧化硫的排放量中，90%是由煤电产生的。百万千瓦超超临界机组的研发和应用对实现我国火电结构调整、节能降耗，建设资源节约型、环境友好型社会，电力工业可持续发展具有重要意义。超超临界机组世界发展编辑蒸汽温度不低于593℃或蒸汽压力不低于31MPa被称为超超临界。在1985～1990年，美、苏、日、德、法等国已着手研制开发可实际运行的超超临界机组，并制定了超超临界机组的两步发展计划，其中第一步目标是主蒸汽参数为30MPa，593℃；第二步目标是主蒸汽参数为34.5MPa，649℃。第二步目标比目前常规的蒸汽参数为24.1MPa，538/566℃的超临界机组（国内机组）净效率提高8.8%。美国是发展超临界发电技术最早的国家。世界第一台超超临界参数机组（125MW，31.03MPa621/565/538℃）于1957年在美国投运。美国投运的超临界机组占大型火电机组的30%以上，容量以50～80万千瓦为主。美国于上世纪60年代初完成世界首台超超临界火电机组的设计和制造，后经过20余年努力，用材体系不断完善，掌握了大型铸锻件制造技术，超超临界火电机组逐渐得以推广应用。美国拥有超临界机组两个世界之最，即最大单机容量1300MW和最高蒸汽参数（费城电力公司EDDY-STONE电厂的#1机组，蒸汽参数为34.5MPa，649/566/566℃）。近年来，美国GE公司还为日本设计制造了蒸汽参数分别为26.6MPa/577℃/600℃和25MPa/600℃/610℃的超超临界机组。俄罗斯是发展超临界机组最坚决的国家。1963年，前苏联第一台30万千瓦超临界机组投入运行，机组参数为23.5MPa/580℃/565℃。现在共有超临界机组200多台，占总装机容量的50%以上，其30万千瓦以上容量机组全部采用超临界参数。目前，俄罗斯研制的新一代大型超超临界机组采用参数为28～30Mpa/580～600℃。前苏联发展超临界技术主要依靠本国力量，以自主开发为主，初期也走过不少弯路，但经过长期试验研究已具有一套比较完整的超临界技术和产品系列。日本采用引进、仿制、创新的技术发展路线。日本的超临界机组占常规火电机组装机容量的60%以上，其45万千瓦以上机组全部采用超临界参数，最初投运的两套超超临界机组由三菱公司设计，装机容量70万千瓦、蒸汽参数34.5MPa/620℃/650℃。日本发展超超临界机组起步较晚，但很快由仿制过渡到应用自己的科研成果，同时建立了自己的试验台，发展速度很快、收效显著。我国超临界、超超临界机组发展较晚。我国于上世纪80年代后期开始从国外引进30万千瓦、60万千瓦亚临界机组，第一台超临界机组于1992年6月投产于上海石洞口二厂（2×600MW，25.4MPa，541/569℃）。从引进到完全消化吸收，用了近20年时间。国产超临界发电技术从新世纪元年起步，到投入商业化运行，只用了3年时间。而国产百万千瓦超超临界技术从项目研发到2006年玉环电厂首台机组投运，仅用了4年时间。应当说，这种跨越式的发展正是发电业和电站装备制造业共同进步、共同发展的必然结果。在“超超临界燃煤发电技术”的研发和应用下，我国发电业及电站装备制造业的整体水平跃上了一个新台阶。超超临界机组技术攻关编辑百万千瓦超超临界汽轮发电机组件超超临界机组的关键大型部件，如汽轮机转子、叶片、锅炉管等，是制约现代重大装备制造业发展的瓶颈，尽早攻克电站关键用材和大型铸锻件制造技术成为国家和上海中长期科学技术发展规划纲要的重要内容。为此，上海市科委组织专家开展了上海现代装备用关键材料技术现状与发展方向的调研，并在此基础上，于2005年将“电站装备用特种材料研究与开发”列入上海市科委重大科技攻关项目，由上海发电设备成套设计研究院牵头，组织上海多家企业，联手上海交通大学和上海大学等高校，开展产学研合作攻关。联合攻关团队解决了高温持久蠕变等多道技术难题，取得了系列成果。由上海重型机器厂有限公司等负责的高中压缸体试制，形成了冶炼、铸造、热处理、焊补等成套生产工艺，产品已用于600MW汽轮机。高压转子的研制工作经历了多次失败，终于解决了低硅、低铝的高合金钢冶炼难题，开发了氮气保护电渣重熔技术，成功试制出高压转子一根、在制产品转子两根。由宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司负责，上海锅炉厂有限公司参与开发的奥氏体不锈钢管，国产管的冶金质量已相当于进口材料的水平，在650℃的高温下持久强度可达99MPa。由上海汽轮机有