超臨界、超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)

超超臨界發(fā)電技術(shù)從熱力學(xué)的角度上講其本質(zhì)還是超臨界技術(shù)，只是日本人將蒸汽壓力在26MPa以上的機(jī)組均劃分為超超臨界機(jī)組，由此得名。

1 我國(guó)發(fā)展超超臨界機(jī)組的必要性

按照國(guó)家制訂的2020年電力發(fā)展規(guī)劃，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量將從目前的4億千瓦增加到2020年9億千瓦，其中燃煤機(jī)組將達(dá)到5.8億千瓦。

2003年，全國(guó)二氧化硫排放總量達(dá)到2100多萬(wàn)噸，其中燃煤電廠(chǎng)二氧化硫排放約占全國(guó)排放總量的46%。我國(guó)酸雨pH值小于5.6的城市面積占全國(guó)的70.6%。隨著燃煤裝機(jī)總量的增加，我國(guó)將面臨嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)與資源、環(huán)境與發(fā)展的挑戰(zhàn)。提高燃煤機(jī)組的效率、減少總用煤量、降低污染物排放是當(dāng)前我國(guó)火電結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)。

目前我國(guó)電力工業(yè)裝機(jī)中高效、清潔的火電機(jī)組比例偏低，結(jié)構(gòu)性矛盾突出。2002年，火電機(jī)組中30萬(wàn)千瓦及以上機(jī)組占41.7%，20萬(wàn)千瓦以下機(jī)組占42.5%，超臨界機(jī)組只占2.38%。潔凈煤發(fā)電、核電、大型超（超）臨界機(jī)組、大型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)、設(shè)備生產(chǎn)剛剛起步。全國(guó)火電平均供電煤耗383g/kWh，比世界先進(jìn)水平高出60g/kWh。因此迫切需要在近期研制出新一代燃煤發(fā)電設(shè)備來(lái)裝備電力工業(yè)。

新一代發(fā)電設(shè)備應(yīng)具備可靠、大型、高效、清潔、投資低等性能；能夠替代現(xiàn)有的300MW和600MW亞臨界機(jī)組，成為裝備電力工業(yè)的主流機(jī)型；同時(shí)國(guó)內(nèi)設(shè)備制造企業(yè)經(jīng)過(guò)努力后能夠具備生產(chǎn)能力，能夠形成規(guī)模生產(chǎn)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)局面。

分析國(guó)際上燃煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，將采用兩種技術(shù)路線(xiàn)來(lái)提高效率和降低排放。其一是利用煤化工中已經(jīng)成熟的煤氣化技術(shù)，集成蒸汽燃?xì)饴?lián)合循環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效清潔發(fā)電，其代表技術(shù)為IGCC。此技術(shù)提高能效的前景很好，但因系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜而造成投資偏高的問(wèn)題需要解決。目前正在煙臺(tái)電廠(chǎng)建設(shè)一臺(tái)300或400MW等級(jí)的IGCC示范機(jī)組，為今后的發(fā)展作好技術(shù)儲(chǔ)備。另一個(gè)發(fā)展方向是通過(guò)提高常規(guī)發(fā)電機(jī)組的蒸汽參數(shù)來(lái)提高效率，即超臨界機(jī)組和超超臨界機(jī)組。超超臨界機(jī)組在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大容量、大批量生產(chǎn)。通過(guò)努力我國(guó)可以較快實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化能力，降低設(shè)備成本。

如果我國(guó)600MW等級(jí)的燃煤機(jī)組采用超超臨界技術(shù)，供電煤耗278g/kWh，比同容量亞臨界機(jī)組的煤耗減少30克/kWh，按年運(yùn)行5500小時(shí)計(jì)算，一臺(tái)600MW超超臨界機(jī)組可比同容量亞臨界機(jī)組節(jié)約標(biāo)煤6萬(wàn)噸/年，同時(shí)SO2、氮氧化物、粉塵等污染物以及CO2排放將大大減少。采用超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)對(duì)于節(jié)約資源消耗、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 國(guó)外超超臨界機(jī)組的技術(shù)指標(biāo)

超超臨界機(jī)組蒸汽參數(shù)愈高，熱效率也隨之提高。熱力循環(huán)分析表明，在超超臨界機(jī)組參數(shù)范圍的條件下，主蒸汽壓力提高1MPa，機(jī)組的熱耗率就可下降0.13%～0.15%；主蒸汽溫度每提高10℃，機(jī)組的熱耗率就可下降0.25～0.30%；再熱蒸汽溫度每提高10℃，機(jī)組的熱耗率就可下降0.15%～0.20%。在一定的范圍內(nèi)，如果采用二次再熱，則其熱耗率可較采用一次再熱的機(jī)組下降1.4%～1.6%。

亞臨界機(jī)組的典型參數(shù)為16.7MPa/538℃/538℃，其發(fā)電效率約為38%。超臨界機(jī)組的主蒸汽壓力通常為24MPa左右，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為538～560℃；超臨界機(jī)組的典型參數(shù)為24.1MPa/538℃/538℃，對(duì)應(yīng)的發(fā)電效率約為41%。超超臨界機(jī)組的主蒸汽壓力為25～31MPa，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為580～610℃。

超臨界機(jī)組的熱效率比亞臨界機(jī)組的高2%～3%左右，而超超臨界機(jī)組的熱效率比超臨界機(jī)組的高4%左右。

目前，美國(guó)投運(yùn)的超臨界機(jī)組大約為170臺(tái)，其中燃煤機(jī)組占70%以上。前蘇聯(lián)300MW及以上容量機(jī)組全部采用超臨界參數(shù)。至1988年已有近200臺(tái)超臨界機(jī)組投入運(yùn)行，全國(guó)35%電力由超臨界機(jī)組供給。

日本的超臨界機(jī)組共有100多臺(tái)，總?cè)萘繛槌^(guò)5760萬(wàn)千瓦，占火電機(jī)組容量的61%，45萬(wàn)千瓦及以上的機(jī)組全部采用超臨界參數(shù)，而且在提高參數(shù)方面做了很多工作，最高壓力為31MPa，最高溫度已達(dá)到600/600°C。

丹麥?zhǔn)访芩构狙芯块_(kāi)發(fā)的前2臺(tái)超超臨界機(jī)組，容量為400MW，過(guò)熱蒸汽出口壓力為29MPa，二次中間再熱、過(guò)熱蒸汽和再熱汽溫為582/580/580℃，機(jī)組效率為47%，機(jī)組凈效率達(dá)45%（采用海水冷卻，汽輪機(jī)的背壓為26kPa）；后開(kāi)發(fā)了參數(shù)為30.5MPa，582/600℃、容量為400MW的超超臨界機(jī)組，該機(jī)組采用一次中間再熱，機(jī)組設(shè)計(jì)效率為49%。

德國(guó)西門(mén)子公司20世紀(jì)末設(shè)計(jì)的超超臨界機(jī)組，容量在400～1000MW范圍內(nèi)，蒸汽參數(shù)為27.5MPa, 589/600℃，機(jī)組凈效率在45%以上。

歐洲正在執(zhí)行“先進(jìn)煤粉電廠(chǎng)（700℃）”的計(jì)劃，即在未來(lái)的15年內(nèi)開(kāi)發(fā)出蒸汽溫度高達(dá)700℃的超超臨界機(jī)組，主要目標(biāo)有兩個(gè)： 使煤粉電廠(chǎng)凈效率由47%提高到55%（采用低溫海水冷卻）或52%（對(duì)內(nèi)陸地區(qū)和冷卻塔）；降低燃煤電廠(chǎng)的投資價(jià)格。美國(guó)和日本也將蒸汽溫度為700℃的超超臨界機(jī)組作為進(jìn)一步的發(fā)展目標(biāo)。

可見(jiàn)，國(guó)際上超超臨界機(jī)組的參數(shù)已經(jīng)達(dá)到27～32Mpa左右，蒸汽溫度為566～600℃，熱效率可以達(dá)到42～45%。國(guó)外機(jī)組的可靠性數(shù)據(jù)，表明了超超臨界機(jī)組可以同樣實(shí)現(xiàn)高的可靠性。我國(guó)石洞口二廠(chǎng)兩臺(tái)60萬(wàn)千瓦超臨界機(jī)組的可用率就高達(dá)90%以上，高于其它一些同容量亞臨界機(jī)組。從環(huán)保措施看，國(guó)外的超超臨界機(jī)組都加裝了鍋爐尾部煙氣脫硫、脫硝和高效除塵裝置，可以實(shí)現(xiàn)較低的排放，滿(mǎn)足嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。例如日本的超超臨界機(jī)組的排放指標(biāo)可以達(dá)到SO2 70 mg/Nm3；NOx 30 mg/Nm3；粉塵5 mg/Nm3?？梢?jiàn)，超超臨界燃煤機(jī)組甚至可以與燃用天然氣、石油等機(jī)組一樣實(shí)現(xiàn)清潔的發(fā)電。 目前中國(guó)有玉環(huán)電廠(chǎng)、外高橋三廠(chǎng)、寧海國(guó)華二期、北侖電廠(chǎng)三期、嘉興電廠(chǎng)三期，以及漕涇電廠(chǎng)等多個(gè)2*1000MW超超臨界燃煤機(jī)組已建成或在建。600MW和1000MW超臨界機(jī)組將成為我國(guó)今后10年內(nèi)帶電網(wǎng)基本負(fù)荷的主力發(fā)電機(jī)組。

蒸汽溫度的提高使P91、S304H、P122、HR3C等許多高溫合金鋼被大量使用。

與其余幾種潔凈煤發(fā)電技術(shù)相比，超超臨界機(jī)組技術(shù)具有繼承性好，容易實(shí)現(xiàn)大型化的特點(diǎn)，在機(jī)組的可靠性、可用率、熱機(jī)動(dòng)性、機(jī)組壽命等方面已經(jīng)可以和亞臨界機(jī)組媲美，已經(jīng)有了較多的商業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。2100433B

中文名稱(chēng)：超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)

定義：燃煤電廠(chǎng)在高溫運(yùn)作時(shí)，采用先進(jìn)的蒸汽循環(huán)以實(shí)現(xiàn)更高的熱效率和比傳統(tǒng)燃煤電廠(chǎng)更少的氣體排放

中國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)中煤炭占到約70%，在整個(gè)電力結(jié)構(gòu)中， 火電占到了絕對(duì)多數(shù)。根據(jù)中電聯(lián)2011 年公布的數(shù)據(jù)，截至2010 年底，中國(guó)的火電裝機(jī)比例高達(dá)73.4%，而西方國(guó)家的比例大多在20%左右。并且中國(guó)是全球600℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組運(yùn)用最多的國(guó)家。

我國(guó)已經(jīng)投運(yùn)近80臺(tái)600℃、壓力超過(guò)25MPa 的超超臨界機(jī)組。通過(guò)600℃超超臨界機(jī)組的技術(shù)研發(fā)及工程實(shí)踐，除鍋爐、汽輪機(jī)部分高溫材料及部分泵和閥門(mén)尚未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化以外，其他已基本形成了600℃超超臨界機(jī)組整體設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行能力，已建立起完整的設(shè)計(jì)體系，擁有了相應(yīng)的先進(jìn)制造設(shè)備及加工工藝。

我國(guó)超臨界和超超臨界發(fā)電技術(shù)比發(fā)達(dá)國(guó)家起步晚，但憑借國(guó)內(nèi)巨大的市場(chǎng)，通過(guò)前期的技術(shù)轉(zhuǎn)讓和后期的自主開(kāi)發(fā)， 600℃超超臨界發(fā)電建成機(jī)組居世界首位。擁有了先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)平臺(tái)、全球最多的600℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，這些為我國(guó)發(fā)展700℃高效超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組奠定了良好的基礎(chǔ)。

根據(jù)700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)的難點(diǎn)以及與國(guó)外的差距，我國(guó)已初步擬定了其技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)(2010～2015)，確定的目標(biāo)參數(shù)為：壓力≥35MPa、溫度≥700℃、機(jī)組容量≥60×104kW，并初步制定了研發(fā)進(jìn)度，爭(zhēng)取在“十二五”末建立示范電廠(chǎng) 。