【正文】 設(shè)備制造業(yè)、電力工業(yè)的現(xiàn)有基礎(chǔ) 26 6. 發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)保效益 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新的推動(dòng)作用為：推動(dòng)制造工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，繼而推動(dòng)產(chǎn)品的升級(jí)與換代，最終發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)的成套設(shè)備，完成由超臨界向超超臨界的技術(shù) 跨越；推動(dòng)制造企業(yè)技術(shù)的更新?lián)Q代，推動(dòng)輔機(jī)制造業(yè)的升級(jí)換代，關(guān)鍵技術(shù)、新材料也會(huì)應(yīng)用在其它行業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域，產(chǎn)生新的技術(shù)和產(chǎn)品，最終推動(dòng)相關(guān)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，調(diào)整我國(guó)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。 電力工業(yè)的支撐作用為：建成技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行靈活、安全可靠、高效低耗的一流電網(wǎng)； 建立健全管理體制，調(diào)整經(jīng)營(yíng)方式，適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)需求；增加新技術(shù)科研經(jīng)費(fèi)投入，建立健全有效的科技進(jìn)步機(jī)制；逐步建立以電力工業(yè)為主體的潔凈煤發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)體系；示范機(jī)組的落實(shí)、推廣應(yīng)用。 在具體參數(shù)的選擇上首先采用 25～ 27MPa、 600℃等級(jí)超超臨界發(fā)電機(jī)組并進(jìn)行示范工程的設(shè)計(jì)和開工建設(shè)；研究開發(fā) 30MPa、650℃等級(jí)超超臨界發(fā)電機(jī)組；以研究開發(fā) 35MPa、 700℃等級(jí)及以上參數(shù)超超臨界發(fā)電機(jī)組為最終目標(biāo)。同時(shí)建成超超臨界發(fā)電 技術(shù)的研發(fā)平臺(tái)，為引進(jìn)技術(shù)的消化吸收和相關(guān)技術(shù)研究開發(fā)提供技術(shù)保障。 我國(guó)發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)的戰(zhàn)略目標(biāo) 我國(guó)到 2020 年發(fā)電總裝機(jī)容量預(yù)計(jì)達(dá)到 9 億 kW，其中煤電為6 億，這樣煤電每年必須 3000 萬(wàn)千瓦的速度增長(zhǎng)，根據(jù)我國(guó)的資源 II 情況，超超臨界發(fā)電技術(shù)應(yīng)在新增裝機(jī)容量的一半以上，才能保證煤炭，交通運(yùn)輸、電力生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展 。但同時(shí)應(yīng)該看到，我國(guó)在一些設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝和系統(tǒng)優(yōu)化上與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距還很大，尤其是電站機(jī)組材料方面更為突出，還有很多工作需要做。 國(guó)外在發(fā)展超臨界和超超臨界發(fā)電技術(shù)方面已經(jīng)走過(guò)了近半個(gè)世紀(jì)的歷程，積累了很多成功的經(jīng)驗(yàn)和失敗的教訓(xùn)。 國(guó)家十五“ 863”計(jì)劃能源技術(shù)領(lǐng)域潔凈煤技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究 發(fā)展超超臨界潔凈燃煤發(fā)電技術(shù)的 戰(zhàn)略研究報(bào)告 潔凈煤技術(shù)主題專家組 2020 年 10 月 I 摘 要 我國(guó)電力工業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是應(yīng)該看到還存在著一些亟待解決的問題。調(diào)查分析 主要發(fā)達(dá)國(guó)家 超臨界及 超超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展 過(guò)程、發(fā)展現(xiàn)狀 及 發(fā)展趨勢(shì) ，研究其中主要的技術(shù)問題，學(xué)習(xí)并借鑒國(guó)外發(fā)展超臨界及超超臨 界技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于發(fā)展我國(guó)的超臨界及超超臨界發(fā)電技術(shù)無(wú)疑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。我國(guó)“十五” 863 計(jì)劃已經(jīng)設(shè)立了關(guān)于“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)”的課題，并正在建立了百萬(wàn)等級(jí)的示范工程 。超超臨界發(fā)電技術(shù)在國(guó)際上已經(jīng)成熟、在進(jìn)行超臨界機(jī)組國(guó)產(chǎn)化的同時(shí)發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)，既能提升電力工業(yè)的水平，實(shí)現(xiàn)向超超臨界發(fā)電技術(shù)的跨越，又能充分利用已有的設(shè)計(jì)制造能力，保持設(shè)備制造工業(yè)發(fā)展的持續(xù)性。 第二步，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行完善化研究，達(dá)到整機(jī)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化和部分關(guān)鍵材料的國(guó)產(chǎn)化，同時(shí)進(jìn)行參數(shù)和技術(shù)升級(jí)的研究開發(fā)工作。 發(fā)展超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)當(dāng)包含：由于參數(shù)提高所帶來(lái)的技術(shù)問題；由于容量增大所帶來(lái)的技術(shù)問題；電站系統(tǒng)的公用技術(shù)三個(gè)方面，其主要關(guān)鍵技術(shù)是： ? 超超臨界鍋爐的設(shè)計(jì)技術(shù)、水冷壁傳熱與水動(dòng)力特性、耐熱新鋼種的應(yīng)用和制造工藝技術(shù)等； ? 超超臨界汽輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、高溫部件的材料、熱加工及冷加工工藝研究、汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)葉片等研究； ? 與超超臨界機(jī)組配套的 大型水泵、蒸汽閥門、高壓加熱器、旁路系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備、 大型風(fēng)機(jī)等 輔機(jī)關(guān)鍵技術(shù)； ? 超超臨界機(jī)組電站 設(shè)計(jì)與運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)； III ? 與超超臨界機(jī)組配套的燃煤污染物排放控制關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)備制造業(yè)的支撐作用為：加強(qiáng)對(duì)超超臨界機(jī)組關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)與制造技術(shù)的研發(fā)；加大對(duì)研發(fā)投入的力度；建立制造設(shè)計(jì)技術(shù)的研發(fā)體系；加強(qiáng)材料的研發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用。 以技術(shù)創(chuàng)新為紐帶，以用戶為主導(dǎo)，其他科技部門參與，組織國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)力量，進(jìn)行公共單元技術(shù)突破，研究和開發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超超臨界發(fā)電機(jī)組的鍋爐、汽輪機(jī)、電站系統(tǒng)以及與之 IV 相適應(yīng)的污染物排放控制技術(shù)，完成系統(tǒng)集成的原型機(jī)，提高我國(guó)超超臨界機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造能力，使我國(guó)在高參數(shù)大容量機(jī)組方面形成系統(tǒng)集成能力和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)超超臨界發(fā)電 技術(shù)上的突破和未來(lái)電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。 1 2. 超臨界及超超臨界發(fā)電 技術(shù)的發(fā)展過(guò)程 2 3. 主要發(fā)達(dá)國(guó)家超臨界和超超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀 13 二、 我國(guó)發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)的必要性 14 1. 我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r 18 4. 發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)是我國(guó)潔凈煤發(fā)電技術(shù)的必然選擇 22 5. 超超臨界機(jī)組的布局 29 三、 我國(guó)發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)的可行性 30 1. 發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的客觀需求 37 四、 發(fā)展我國(guó)超超臨界發(fā)電技術(shù)的技術(shù)路線 39 2. 實(shí)現(xiàn)我國(guó)超超臨界發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的有利條件和存在問題 41 3. 推進(jìn)我國(guó)超超臨界發(fā)電技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)化的原則及政策建議 45 4. 我國(guó)發(fā)展超超臨界發(fā)電技術(shù)的戰(zhàn)略 53 2. 超超臨界汽輪機(jī)研究開發(fā)關(guān)鍵技術(shù) 57 5. 污染控制關(guān)鍵技術(shù) 59 6. 小結(jié) 61 1. 政府支撐條件 66 七、 結(jié)論 76 附表 5 日本電力超超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展計(jì)劃 77 附表 6 我國(guó)已開展的超臨界鍋爐關(guān)鍵技術(shù)研究 同時(shí) 由于 各國(guó) 環(huán)保要求的不斷提高，配置了煙氣凈化裝置的超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)已經(jīng)被公認(rèn)為一種 潔凈 煤發(fā)電技術(shù)。先進(jìn)的大容量超臨界和超超臨界機(jī)組具有良好的運(yùn)行靈活性和負(fù)荷適應(yīng)性 ,大大降低了污染物排放，具有顯著的環(huán)保 特性 。正因?yàn)槿绱?，超超臨界發(fā)電技術(shù)越來(lái)越得到各國(guó)電力工業(yè)界的重視，發(fā)展的方向是在保持其可用率、可靠性、運(yùn)行靈活性和機(jī)組壽命等的同時(shí)，進(jìn)一步提高蒸汽參數(shù)，從而獲得更高的效率 2 和環(huán)保性能。例如，美國(guó) Philo 電廠 6 號(hào)機(jī)于 1957 年投產(chǎn)，這是世界上第一臺(tái)超超臨界機(jī)組，容量為 125MW，蒸汽壓力為 31MPa、蒸汽溫度為 621℃ /566℃ /566℃ ， 二次中間再熱。但由于所采用的蒸汽參數(shù)超越了當(dāng)時(shí)材料技術(shù)的實(shí)際發(fā)展水平，導(dǎo)致了諸如機(jī)組運(yùn)行可靠性較差等問題的發(fā)生。其間美國(guó)對(duì)已投運(yùn)的機(jī)組進(jìn)行了優(yōu)化及改造，大大提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、運(yùn)行靈活性，其可靠性和可用率指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)了相應(yīng)的亞臨界機(jī)組。在這個(gè)階段，技術(shù)特點(diǎn)主要以日本（三菱、東芝、日立）、歐 3 洲（ 西門子 、 阿爾斯通 ）為代表，進(jìn)入了新一輪發(fā)展階段：即在保證機(jī)組高可靠性、高可用率的前提下采用更高的蒸汽溫度和壓力。 ? 蒸汽壓力和溫度同時(shí)都取較高值（ 28MPa～ 30MPa， 600℃ 左右），從而獲得更高的效率，主要以歐洲的技術(shù)發(fā)展為代表。為盡量減少汽缸數(shù)，大容量機(jī)組的發(fā)展更注重大型低壓缸的開發(fā)和應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全世界已投入運(yùn)行的超臨界及以上參數(shù)的發(fā)電機(jī)組大約有 600 多臺(tái)。美國(guó)早期的 超臨界機(jī)組發(fā)展很快，當(dāng)時(shí)多數(shù)超臨界機(jī)組的容量為 500MW～ 800MW，并比同容量亞臨界機(jī)組早投運(yùn) 6～ 8 年，由于當(dāng)時(shí)缺乏深入的分析研究和試驗(yàn)， 采用了過(guò)高的蒸汽參數(shù) （ ℃ /566℃ /566℃ ），因而發(fā)生了諸如腐蝕、泄漏及高溫部件損壞等較多的事故，不得不降低參數(shù)運(yùn)行。至 20 世紀(jì) 80 年代初美國(guó)的超臨界機(jī)組投運(yùn)了約 170 臺(tái)，最小 單機(jī) 容量為 125MW，最大容量達(dá) 1300MW，于 1972 年和 1973 年分別投運(yùn)一臺(tái)。 目前，西屋 公司正在 研究 31MPa，593℃ /566℃ /566℃ 新一代的超超臨界參數(shù)機(jī)組。 至 80 年代中期超臨界機(jī)組容量占總裝機(jī)容量 50%左 右 ， 最大單機(jī)容量為 1000MW。由于容量 450MW以上的機(jī)組全部 采用超臨界參數(shù)，超臨界機(jī)組占總裝機(jī)容量的絕大多數(shù)，使其供電煤耗居世界最低水平，總體技術(shù)水平已居世界領(lǐng)先地位。 前蘇聯(lián)在 20 世紀(jì) 40 年代末就建立了小容量超臨界試驗(yàn)機(jī)組，取得一定的經(jīng)驗(yàn)后便開始生產(chǎn) 300MW 機(jī)組。列寧格勒金屬工廠（ LMZ） 1978 年生產(chǎn)了一臺(tái) 1200MW 的 6 超 臨界 機(jī)組， 1981 年 投 入運(yùn) 行， 蒸汽 參數(shù)為℃ ，已經(jīng)運(yùn)行二十多年，仍是當(dāng)前世界上火電廠 容量 最大的單軸汽輪發(fā)電機(jī)組，但是至今只生產(chǎn)了一臺(tái)。 俄羅斯的超 臨界與超超 臨界機(jī)組在設(shè)計(jì)上采用了一些有別于其它國(guó)家的 特有 技術(shù)，在燃用低質(zhì)高灰 分 煤、區(qū)域供熱、汽輪機(jī)末級(jí)設(shè)計(jì) 、給水加熱 等方面有其自己的特點(diǎn)。 20 世紀(jì) 60 年代德國(guó)發(fā)展過(guò)小功率超臨界機(jī)組， 后來(lái)一段時(shí)期 未有進(jìn)展 。同時(shí)德 7 國(guó)開發(fā)了螺圈管 圈 水冷壁的鍋爐 技術(shù) ，實(shí)現(xiàn)了鍋爐的滑壓運(yùn)行，這類 技術(shù) 目前在日本和歐洲的全滑壓運(yùn)行超臨界 和超超臨界 機(jī)組中被 廣泛采用。 丹麥 是歐洲最早應(yīng)用超臨界發(fā)電技術(shù)的國(guó)家，為超臨界機(jī)組在歐洲的發(fā)展起到了示范作用。 4. 主要發(fā)達(dá)國(guó)家超超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 1) 參數(shù)選擇 目前，國(guó)外超超臨界機(jī)組在參數(shù)選擇上表現(xiàn)出二種趨勢(shì)：一種是蒸汽壓力并不太高，多為 25MPa 左右，而蒸汽溫度相對(duì)較高（ 600℃ 左右）的方案，主要以日本的技術(shù)發(fā)展為代表。 另外，世界上先進(jìn)的超超臨界機(jī)組的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，機(jī)組效率的提高除了由于參數(shù)提高的 原因 外，還可能來(lái)源于 其它 許多方面的因素，如：鍋爐較低的排煙溫度 和較高的燃燒效率 ；高效率的主 、輔機(jī)設(shè)備；較低的凝汽器壓力；較低的系統(tǒng) 壓力損失 ；蒸汽再熱級(jí)數(shù)的選擇等等。對(duì)于超超臨界機(jī)組而言， 蒸汽 參數(shù)的提高，將涉及鍋爐和汽輪機(jī)高 、 中壓部分有關(guān)部件 ， 如高壓蒸汽管道和聯(lián)箱、高溫過(guò)熱器 /再熱器管和水冷壁 管 、汽缸、主調(diào) 節(jié) 門閥殼、再熱主調(diào) 節(jié) 門閥殼、噴嘴、轉(zhuǎn)子及調(diào)節(jié)級(jí)葉片等 部件的材料 ，必須按溫度壓力選擇相應(yīng)的材料 ， 進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。 3) 機(jī)組容量的 選擇 分析 表 1 12 中發(fā)達(dá)國(guó)家超臨界及超 超 臨界機(jī)組的應(yīng)用業(yè)績(jī)可見，日本 90 年代以后投產(chǎn)的超臨界和超超臨界機(jī)組多在 600MW以上， 1000MW 等級(jí)的機(jī)組 居多。隨著材料技術(shù)的不斷完善，后來(lái)出現(xiàn)的機(jī)組多為提高 蒸汽參數(shù)， 采用一次再熱循環(huán) 。由于單機(jī)功 率的增長(zhǎng)發(fā)展很快 ， 并受當(dāng)時(shí)末級(jí)葉片長(zhǎng)度 和材料、 機(jī)組軸系不宜 過(guò)長(zhǎng)和 汽缸數(shù) 不宜 過(guò)多 的限制， 在 1000MW 等級(jí)大功率機(jī)組上有采用雙軸布置的應(yīng)用實(shí)踐 。單軸汽輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊 ，設(shè)備總重輕，價(jià)格低，廠房投資小，設(shè)備零部件少，可靠性好。 10 6) 總結(jié) 新近投運(yùn)的超超臨界機(jī)組主要集中在日本和歐洲，并且主要以日本的三菱、東芝、日立和德國(guó)的西門子公司為代表。 機(jī)組的 可靠性好，整體技術(shù)已相當(dāng)成熟。隨著參數(shù)的進(jìn)一步提高，二次再熱將成為再熱系統(tǒng)型式選擇方案之一。為進(jìn)一步降低能耗和減少 CO2 排放，改善環(huán)境，在材料工業(yè)發(fā)展的支持下，超超臨界機(jī)組正朝著更高參數(shù)的技術(shù)方向發(fā)展。 1) 美國(guó) 美國(guó)能源部 于 2020年啟動(dòng) 了一個(gè)開發(fā)主蒸汽溫度為 760℃ 的燃煤電廠超 超 臨界機(jī)組的研究項(xiàng)目 ，政府資助的資金 比例 為 30%。作為新材料研究開發(fā)工作的一部分，將對(duì)新型鍋爐和汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)及其對(duì)電廠性能和造價(jià)的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，目前已經(jīng)在超超臨界汽輪機(jī)和輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)改進(jìn)方面進(jìn)行了研究。第二階段目標(biāo)是用新型鐵素體鋼達(dá)到630℃ ，相應(yīng)的蒸汽壓力達(dá)到 31MPa～ 35MPa。 3) 歐洲 歐洲于 80 年代開始實(shí)施 “ COST 研究計(jì)劃 501” ，由電站設(shè)備和鋼鐵制造商合作分工開發(fā) 采用 奧氏體鋼 的 超 超 臨界機(jī)組，其目標(biāo)是研制可與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)相競(jìng)爭(zhēng)的新一代化石燃料電站新材料和超 超 臨界機(jī)組，其研究成果已應(yīng)用于高參數(shù)化石燃料電站，應(yīng)用溫度高達(dá) 610℃ ～ 625℃ 。 Thermie 700 計(jì)劃的戰(zhàn)略意義是使歐洲火電廠的技術(shù)水平始終處于世界領(lǐng)先，所以又被歐洲稱為先進(jìn)的超超臨界發(fā)電項(xiàng)目。該項(xiàng)目從1998 年開始，分為 8 個(gè)階段，預(yù)期在 2020 年 達(dá)到研發(fā)目標(biāo) ，屆時(shí)示范電站建成運(yùn)行。 6. 小結(jié) 國(guó)外主要發(fā)達(dá)國(guó)家早期投運(yùn)的機(jī)組為超臨界和超超臨界機(jī)組并存，但近期歐洲和日本新投運(yùn)的機(jī)組都是超超臨界機(jī)組，主蒸汽溫度普遍達(dá)到 600℃、 進(jìn)汽壓力均不大于 、機(jī)組容量為700MW 和 1000MW 等級(jí)，并且機(jī)組參數(shù)朝著更高的方向發(fā)展 。調(diào)查分析 主要發(fā)達(dá)國(guó)家 超臨界及 超超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展 過(guò)程、發(fā)展現(xiàn)狀 及 發(fā)展 趨勢(shì) ，分析其中主要的技術(shù)問題，學(xué)習(xí)并借鑒國(guó)外超臨界及超超臨界技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于發(fā)展我國(guó)的超臨界及超超 臨界發(fā)電技術(shù)無(wú)疑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。進(jìn)入“ 十五”以來(lái)，電力工業(yè)繼續(xù)保持快速發(fā)展勢(shì)頭，火力發(fā)電、水力發(fā)電和核電的裝機(jī)容量都有大幅度增長(zhǎng)。 在電力工業(yè)發(fā)展過(guò)程中，我國(guó)非常重視環(huán)境保護(hù)工作，制定了一系列有利于電力與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的方針，確定了“預(yù)防為主