超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)：燃煤發(fā)電是通過產(chǎn)生高溫高壓的水蒸氣來推動汽輪機發(fā)電的，蒸汽的溫度和壓力越高，發(fā)電的效率就越高。在374.15攝氏度、22.115兆帕壓力下，水蒸氣的密度會增大到與液態(tài)水一樣，這個條件叫做水的臨界參數(shù)。比這還高的參數(shù)叫做超臨界參數(shù)。溫度和氣壓升高到600攝氏度、25―28兆帕這樣的區(qū)間，就進入了超超臨界的“境界”。中文名超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)外文名Ultrasupercriticalpowergeneration

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的更高的熱效率1我國發(fā)展超超臨界機組的必要性按照國家制訂的2020年電力發(fā)展規(guī)劃，我國發(fā)電裝機容量將從目前的4億千瓦增加到2020年9億千瓦，其中燃煤機組將達到5.8億千瓦。2003年，全國二氧化硫排放總量達到2100多萬噸，其中燃煤電廠二氧化硫排放約占全國排放總量的46%。我國酸雨pH值小于5.6的城市面積占全國的70.6%。隨著燃煤裝機總量的增加，我國將面臨嚴峻的經(jīng)濟與資源、環(huán)境與發(fā)展的挑戰(zhàn)。提高燃煤機組的效率、減少總用煤量、降低污染物排放是當(dāng)前我國火電結(jié)構(gòu)調(diào)整，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)。目前我國電力工業(yè)裝機中高效、清潔的火電機組比例偏低，結(jié)構(gòu)性矛盾突出。2002年，火電機組中30萬千瓦及以上機組占41.7%，20萬千瓦以下機組占42.5%，超臨界機組只占2.38%。潔凈煤發(fā)電、核電、大型超（超）臨界機組、大型燃氣輪機技術(shù)開發(fā)、設(shè)備生產(chǎn)剛剛起步。全國火電平均供電煤耗383g/kWh，比世界先進水平高出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亞臨界機組，成為裝備電力工業(yè)的主流機型；同時國內(nèi)設(shè)備制造企業(yè)經(jīng)過努力后能夠具備生產(chǎn)能力，能夠形成規(guī)模生產(chǎn)和市場競爭局面。分析國際上燃煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢，將采用兩種技術(shù)路線來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)，集成蒸汽燃氣聯(lián)合循環(huán)技術(shù)實現(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)相對復(fù)雜而造成投資偏高的問題需要解決。目前正在煙臺電廠建設(shè)一臺300或400MW等級的IGCC示范機組，為今后的發(fā)展作好技術(shù)儲備。另一個發(fā)展方向是通過提高常規(guī)發(fā)電機組的蒸汽參數(shù)來提高效率，即超臨界機組和超超臨界機組。超超臨界機組在發(fā)達國家已經(jīng)實現(xiàn)了大容量、大批量生產(chǎn)。通過努力我國可以較快實現(xiàn)國產(chǎn)化能力，降低設(shè)備成本。如果我國600MW等級的燃煤機組采用超超臨界技術(shù)，供電煤耗278g/kWh，比同容量亞臨界機組的煤耗減少30克/kWh，按年運行5500小時計算，一臺600MW超超臨界機組可比同容量亞臨界機組節(jié)約標(biāo)煤6萬噸/年，同時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)對于節(jié)約資源消耗、保護環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。2國外超超臨界機組的技術(shù)指標(biāo)超超臨界機組蒸汽參數(shù)愈高，熱效率也隨之提高。熱力循環(huán)分析表明，在超超臨界機組參數(shù)范圍的條件下，主蒸汽壓力提高1MPa，機組的熱耗率就可下降0.13%～0.15%；主蒸汽溫度每提高10℃，機組的熱耗率就可下降0.25～0.30%；再熱蒸汽溫度每提高10℃，機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組下降1.4%～1.6%。亞臨界機組的典型參數(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℃；超臨界機組的典型參數(shù)為24.1MPa/538℃/538℃，對應(yīng)的發(fā)電效率約為41%。超超臨界機組的主蒸汽壓力為25～31MPa，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為580～610℃。超臨界機組的熱效率比亞臨界機組的高2%～3%左右，而超超臨界機組的熱效率比超臨界機組的高4%左右。目前，美國投運的超臨界機組大約為170臺，其中燃煤機組占70%以上。前蘇聯(lián)300MW及以上容量機組全部采用超臨界參數(shù)。至1988年已有近200臺超臨界機組投入運行，全國35%電力由超臨界機組供給。日本的超臨界機組共有100多臺，總?cè)萘繛槌^5760萬千瓦，占火電機組容量的61%，45萬千瓦及以上的機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，最高溫度已達到600/600°C。丹麥史密斯公司研究開發(fā)的前2臺超超臨界機組，容量為400MW，過熱蒸汽出口壓力為29MPa，二次中間再熱、過熱蒸汽和再熱汽溫為582/580/580℃，機組效率為47%，機組凈效率達45%（采用海水冷卻，汽輪機的背壓為26kPa）；后開發(fā)了參數(shù)為30.5MPa，582/600℃、容量為400MW的超超臨界機組，該機組采用一次中間再熱，機組設(shè)計效率為49%。德國西門子公司20世紀末設(shè)計的超超臨界機組，容量在400～1000MW范圍內(nèi)，蒸汽參數(shù)為27.5MPa,589/600℃，機組凈效率在45%以上。歐洲正在執(zhí)行“先進煤粉電廠（700℃）”的計劃，即在未來的15年內(nèi)開發(fā)出蒸汽溫度高達700℃的超超臨界機組，主要目標(biāo)有兩個：使煤粉電廠凈效率由47%提高到55%（采用低溫海水冷卻）或52%（對內(nèi)陸地區(qū)和冷卻塔）；降低燃煤電廠的投資價格。美國和日本也將蒸汽溫度為700℃的超超臨界機組作為進一步的發(fā)展目標(biāo)。可見，國際上超超臨界機組的參數(shù)已經(jīng)達到27～32Mpa左右，蒸汽溫度為566～600℃，熱效率可以達到42～45%。國外機組的可靠性數(shù)據(jù)，表明了超超臨界機組可以同樣實現(xiàn)高的可靠性。我國石洞口二廠兩臺60萬千瓦超臨界機組的可用率就高達90%以上，高于其它一些同容量亞臨界機組。從環(huán)保措施看，國外的超超臨界機組都加裝了鍋爐尾部煙氣脫硫、脫硝和高效除塵裝置，可以實現(xiàn)較低的排放，滿足嚴格的排放標(biāo)準。例如日本的超超臨界機組的排放指標(biāo)可以達到SO270mg/Nm3；NOx30mg/Nm3；粉塵5mg/Nm3?？梢姡R界燃煤機組甚至可以與燃用天然氣、石油等機組一樣實現(xiàn)清潔的發(fā)電。目前中國有玉環(huán)電廠、外高橋三廠、寧海國華二期、北侖電廠三期、嘉興電廠三期，以及漕涇電廠等多個2*1000MW超超臨界燃煤機組已建成或在建。600MW和1000MW超臨界機組將成為我國今后10年內(nèi)帶電網(wǎng)基本負荷的主力發(fā)電機組。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，超超臨界機組技術(shù)具有繼承性好，容易實現(xiàn)大型化的特點，在機組的可靠性、可用率、熱機動性、機組壽命等方面已經(jīng)可以和亞臨界機組媲美，已經(jīng)有了較多的商業(yè)運行經(jīng)驗。超超臨界發(fā)電機組火電廠超超臨界機組和超臨界機組指的是鍋爐內(nèi)工質(zhì)的壓力。鍋爐內(nèi)的工質(zhì)都是水，水的臨界參數(shù)是:22.129MPa、374.15℃[1]；在這個壓力和溫度時，水和蒸汽的密度是相同的，就叫水的臨界點，爐內(nèi)工質(zhì)壓力低于這個壓力就叫亞臨界鍋爐，大于這個壓力就是超臨界鍋爐，爐內(nèi)蒸汽溫度不低于593℃或蒸汽壓力不低于31MPa被稱為超超臨界。從國際及國內(nèi)已建成及在建的超臨界或超超臨界機組的參數(shù)選擇情況來說，只要鍋爐參數(shù)在臨界點以上，都是超臨界機組。但對超臨界和超超臨界機組并無嚴格的界限，只是參數(shù)高了多少的一個問題，目前國內(nèi)及國際上一般認為只要主蒸汽溫度達到或超過600℃，就認為是超超臨界機組。含義編輯超臨界、超超臨界火電機組具有顯著的節(jié)能和改善環(huán)境的效果，超超臨界機組與超臨界機組相比，熱效率要提高12%，一年就可節(jié)約6000噸優(yōu)質(zhì)煤。未來火電建設(shè)將主要是發(fā)展高效率高參數(shù)的超臨界（SC）和超超臨界（USC）火電機組，它們在發(fā)達國家已得到廣泛的研究和應(yīng)用。超超臨界機組發(fā)電技術(shù)編輯超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)是一種先進、高效的發(fā)電技術(shù)，它比超臨界機組的熱效率高出約4%，與常規(guī)燃煤發(fā)電機組相比優(yōu)勢就更加明顯?？墒牵?002年，“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用”項目立項時，我國百萬千瓦超超臨界發(fā)電機組連超臨界機組的示范工程都尚未開始建設(shè)，國際上也僅有德國、丹麥、日本的5個電廠投產(chǎn)。是等待國內(nèi)超臨界機組示范成功、國際上超超臨界技術(shù)成熟后再來考慮我國下一代的電力技術(shù)，還是超前進行研究，以技術(shù)為先導(dǎo)，來推動中國電力行業(yè)的發(fā)展？時任國家電力公司科技環(huán)保部主任的張曉魯?shù)热藸幦〉搅丝萍疾康闹С?，決定對國際上的先進技術(shù)進行論證，基于我們能采購到的、成熟商業(yè)應(yīng)用的高溫合金材料，研究在中國發(fā)展超超臨界的技術(shù)類型和技術(shù)路線，希望以此指導(dǎo)我國電力裝備業(yè)新一代設(shè)備的研發(fā)，為我國電力行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級提供技術(shù)儲備。中國華能集團公司、中國電力投資集團公司、哈爾濱鍋爐廠、上海汽輪機有限公司、國家電站燃燒工程技術(shù)研究中心……23家單位的100多名研究人員通力合作，首次提出了我國發(fā)展超超臨界火電機組的技術(shù)選型方案，完成了3種不同型式100萬千瓦超超臨界鍋爐、汽輪機的設(shè)計開發(fā)、制造軟件包研制和材料加工性能研究，自主設(shè)計了超超臨界電站，自主調(diào)試成功了100萬千瓦和60萬千瓦機組，申請了17項國家技術(shù)專利，形成了我國完整的超超臨界電站開發(fā)基礎(chǔ)。技術(shù)儲備很快就派上了大用場。從2003年開始，我國電力行業(yè)進入高速發(fā)展期，年裝機容量從過去十多年里每年1000多萬千瓦急速攀升到5000萬千瓦、6000萬千瓦，2006和2007兩年達到1億千瓦左右。到2007年底，國產(chǎn)60萬千瓦超超臨界機組的訂貨量達到90多臺，100萬千瓦的訂貨數(shù)也有將近50臺。預(yù)計到2010年，我國投產(chǎn)的百萬千瓦超超臨界機組將占全世界的一半以上。世界銀行的代表找到已是中國電力投資集團公司副總經(jīng)理的張曉魯，說現(xiàn)在看來，要減少燃煤發(fā)電溫室氣體和污染物排放，最有效的技術(shù)就是超超臨界技術(shù)，打算拿一筆錢支持中國開展這方面的研究。張曉魯回答：“謝謝你，我們已經(jīng)跨過了這個階段?！?008年1月8日，中共中央、國務(wù)院隆重舉行國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會，由中國華能集團公司承接，聯(lián)合有關(guān)設(shè)計、制造、應(yīng)用單位共同研發(fā)和應(yīng)用的超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)獲得2007年度國家科學(xué)技術(shù)進步一等獎。該技術(shù)的節(jié)能環(huán)保示范作用十分顯著，作為示范工程的華能玉環(huán)電廠項目，于2007年11月全部建成投產(chǎn)，成為世界上超超臨界百萬千瓦級容量最大的火電廠。工程應(yīng)用了大量該課題的研究成果，2臺100萬千瓦超超臨界發(fā)電機組（參數(shù)26.25MPa、600℃/600℃）是當(dāng)今國際上參數(shù)最高、容量最大、同比效率最高的超超臨界機組，經(jīng)實際運行，效率高達45.4%,供電煤耗283.2克/千瓦時，比2006年全國平均供電煤耗366克/千瓦時低82.8克/千瓦時，大幅節(jié)約了煤炭資源,每年可少排放二氧化碳50多萬噸、二氧化硫2800多噸、氮氧化物約2000噸，具有國際先進的能耗和環(huán)保水平，企業(yè)經(jīng)濟效益和社會環(huán)境效益前景巨大?，F(xiàn)在發(fā)電供熱用煤占全國煤炭生產(chǎn)總量的50%左右，而且污染物排放量也很大。據(jù)統(tǒng)計，全國二氧化硫的排放量中，90%是由煤電產(chǎn)生的。百萬千瓦超超臨界機組的研發(fā)和應(yīng)用對實現(xiàn)我國火電結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)能降耗，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。超超臨界機組世界發(fā)展編輯蒸汽溫度不低于593℃或蒸汽壓力不低于31MPa被稱為超超臨界。在1985～1990年，美、蘇、日、德、法等國已著手研制開發(fā)可實際運行的超超臨界機組，并制定了超超臨界機組的兩步發(fā)展計劃，其中第一步目標(biāo)是主蒸汽參數(shù)為30MPa，593℃；第二步目標(biāo)是主蒸汽參數(shù)為34.5MPa，649℃。第二步目標(biāo)比目前常規(guī)的蒸汽參數(shù)為24.1MPa，538/566℃的超臨界機組（國內(nèi)機組）凈效率提高8.8%。美國是發(fā)展超臨界發(fā)電技術(shù)最早的國家。世界第一臺超超臨界參數(shù)機組（125MW，31.03MPa621/565/538℃）于1957年在美國投運。美國投運的超臨界機組占大型火電機組的30%以上，容量以50～80萬千瓦為主。美國于上世紀60年代初完成世界首臺超超臨界火電機組的設(shè)計和制造，后經(jīng)過20余年努力，用材體系不斷完善，掌握了大型鑄鍛件制造技術(shù)，超超臨界火電機組逐漸得以推廣應(yīng)用。美國擁有超臨界機組兩個世界之最，即最大單機容量1300MW和最高蒸汽參數(shù)（費城電力公司EDDY-STONE電廠的#1機組，蒸汽參數(shù)為34.5MPa，649/566/566℃）。近年來，美國GE公司還為日本設(shè)計制造了蒸汽參數(shù)分別為26.6MPa/577℃/600℃和25MPa/600℃/610℃的超超臨界機組。俄羅斯是發(fā)展超臨界機組最堅決的國家。1963年，前蘇聯(lián)第一臺30萬千瓦超臨界機組投入運行，機組參數(shù)為23.5MPa/580℃/565℃?，F(xiàn)在共有超臨界機組200多臺，占總裝機容量的50%以上，其30萬千瓦以上容量機組全部采用超臨界參數(shù)。目前，俄羅斯研制的新一代大型超超臨界機組采用參數(shù)為28～30Mpa/580～600℃。前蘇聯(lián)發(fā)展超臨界技術(shù)主要依靠本國力量，以自主開發(fā)為主，初期也走過不少彎路，但經(jīng)過長期試驗研究已具有一套比較完整的超臨界技術(shù)和產(chǎn)品系列。日本采用引進、仿制、創(chuàng)新的技術(shù)發(fā)展路線。日本的超臨界機組占常規(guī)火電機組裝機容量的60%以上，其45萬千瓦以上機組全部采用超臨界參數(shù)，最初投運的兩套超超臨界機組由三菱公司設(shè)計，裝機容量70萬千瓦、蒸汽參數(shù)34.5MPa/620℃/650℃。日本發(fā)展超超臨界機組起步較晚，但很快由仿制過渡到應(yīng)用自己的科研成果，同時建立了自己的試驗臺，發(fā)展速度很快、收效顯著。我國超臨界、超超臨界機組發(fā)展較晚。我國于上世紀80年代后期開始從國外引進30萬千瓦、60萬千瓦亞臨界機組，第一臺超臨界機組于1992年6月投產(chǎn)于上海石洞口二廠（2×600MW，25.4MPa，541/569℃）。從引進到完全消化吸收，用了近20年時間。國產(chǎn)超臨界發(fā)電技術(shù)從新世紀元年起步，到投入商業(yè)化運行，只用了3年時間。而國產(chǎn)百萬千瓦超超臨界技術(shù)從項目研發(fā)到2006年玉環(huán)電廠首臺機組投運，僅用了4年時間。應(yīng)當(dāng)說，這種跨越式的發(fā)展正是發(fā)電業(yè)和電站裝備制造業(yè)共同進步、共同發(fā)展的必然結(jié)果。在“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)”的研發(fā)和應(yīng)用下，我國發(fā)電業(yè)及電站裝備制造業(yè)的整體水平躍上了一個新臺階。超超臨界機組技術(shù)攻關(guān)編輯百萬千瓦超超臨界汽輪發(fā)電機組件超超臨界機組的關(guān)鍵大型部件，如汽輪機轉(zhuǎn)子、葉片、鍋爐管等，是制約現(xiàn)代重大裝備制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，盡早攻克電站關(guān)鍵用材和大型鑄鍛件制造技術(shù)成為國家和上海中長期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要的重要內(nèi)容。為此，上海市科委組織專家開展了上海現(xiàn)代裝備用關(guān)鍵材料技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向的調(diào)研，并在此基礎(chǔ)上，于2005年將“電站裝備用特種材料研究與開發(fā)”列入上海市科委重大科技攻關(guān)項目，由上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院牽頭，組織上海多家企業(yè)，聯(lián)手上海交通大學(xué)和上海大學(xué)等高校，開展產(chǎn)學(xué)研合作攻關(guān)。聯(lián)合攻關(guān)團隊解決了高溫持久蠕變等多道技術(shù)難題，取得了系列成果。由上海重型機器廠有限公司等負責(zé)的高中壓缸體試制，形成了冶煉、鑄造、熱處理、焊補等成套生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品已用于600MW汽輪機。高壓轉(zhuǎn)子的研制工作經(jīng)歷了多次失敗，終于解決了低硅、低鋁的高合金鋼冶煉難題，開發(fā)了氮氣保護電渣重熔技術(shù)，成功試制出高壓轉(zhuǎn)子一根、在制產(chǎn)品轉(zhuǎn)子兩根。由寶山鋼鐵股份有限公司特殊鋼分公司負責(zé)，上海鍋爐廠有限公司參與開發(fā)的奧氏體不銹鋼管，國產(chǎn)管的冶金質(zhì)量已相當(dāng)于進口材料的水平，在650℃的高溫下持久強度可達99MPa。由上海汽輪機有