超超臨界燃煤發(fā)電機組

1、超超臨界燃煤發(fā)電技術：燃煤發(fā)電是通過產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。比這還高的參數叫做超臨界參數。溫度和氣壓升高到600攝氏度、2528兆帕這樣的區(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 外文名Ultra supercritical power generation 縮寫USPG 目的更高的熱效率 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

2、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前我國火電結構調整，實現可持續(xù)發(fā)展的重要任務。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，結構性矛盾突出。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、大型燃氣輪機技術開

3、發(fā)、設備生產剛剛起步。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)電設備來裝備電力工業(yè)。新一代發(fā)電設備應具備可靠、大型、高效、清潔、投資低等性能；能夠替代現有的300MW和600MW亞臨界機組，成為裝備電力工業(yè)的主流機型；同時國內設備制造企業(yè)經過努力后能夠具備生產能力，能夠形成規(guī)模生產和市場競爭局面。分析國際上燃煤發(fā)電技術的發(fā)展趨勢，將采用兩種技術路線來提高效率和降低排放。其一是利用煤化工中已經成熟的煤氣化技術，集成蒸汽燃氣聯合循環(huán)技術實現高效清潔發(fā)電，其代表技術為IGCC。此技術提高能效的前景很好，但因系統(tǒng)相對復雜而造成投資偏高

4、的問題需要解決。目前正在煙臺電廠建設一臺300或400MW等級的IGCC示范機組，為今后的發(fā)展作好技術儲備。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)達國家已經實現了大容量、大批量生產。通過努力我國可以較快實現國產化能力，降低設備成本。如果我國600MW等級的燃煤機組采用超超臨界技術，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)電技術對于節(jié)約

5、資源消耗、保護環(huán)境、實現可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。2 國外超超臨界機組的技術指標超超臨界機組蒸汽參數愈高，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0.250.30%；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，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53

6、8560；超臨界機組的典型參數為24.1MPa/538/538，對應的發(fā)電效率約為41%。超超臨界機組的主蒸汽壓力為2531MPa，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為580610。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300MW及以上容量機組全部采用超臨界參數。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，總容量為超過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，而且在提高參數

7、方面做了很多工作，最高壓力為31MPa，最高溫度已達到600/600C。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，機組設計效率為49%。德國西門子公司20世紀末設計的超超臨界機組，容量在4001000MW范圍內，蒸汽參數為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（7

8、00）”的計劃，即在未來的15年內開發(fā)出蒸汽溫度高達700的超超臨界機組，主要目標有兩個： 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?？梢?，國際上超超臨界機組的參數已經達到2732Mpa左右，蒸汽溫度為566600，熱效率可以達到4245%。國外機組的可靠性數據，表明了超超臨界機組可以同樣實現高的可靠性。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

9、高效除塵裝置，可以實現較低的排放，滿足嚴格的排放標準。例如日本的超超臨界機組的排放指標可以達到SO2 70 mg/Nm3；NOx 30 mg/Nm3；粉塵5 mg/Nm3?？梢?，超超臨界燃煤機組甚至可以與燃用天然氣、石油等機組一樣實現清潔的發(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年內帶電網基本負荷的主力發(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)電技術相比，超超臨界機組技術

10、具有繼承性好，容易實現大型化的特點，在機組的可靠性、可用率、熱機動性、機組壽命等方面已經可以和亞臨界機組媲美，已經有了較多的商業(yè)運行經驗。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工質的壓力。鍋爐內的工質都是水，水的臨界參數是:22.129MPa、374.151 ；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，爐內工質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，爐內蒸汽溫度不低于593或蒸汽壓力不低于31 MPa被稱為超超臨界。從國際及國內已建成及在建的超臨界或超超臨界機組的參數選擇情況來說，只要鍋爐參數在臨界點以上，都是超臨界機組。但對超臨界和超

11、超臨界機組并無嚴格的界限，只是參數高了多少的一個問題，目前國內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)質煤。未來火電建設將主要是發(fā)展高效率高參數的超臨界（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用。超超臨界機組發(fā)電技術編輯超超臨界燃煤發(fā)電技術是一種先進、高效的發(fā)電技術，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?，2002年，“超超臨界燃煤發(fā)電技術的研發(fā)和應用”項目立

12、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，國際上也僅有德國、丹麥、日本的5個電廠投產。是等待國內超臨界機組示范成功、國際上超超臨界技術成熟后再來考慮我國下一代的電力技術，還是超前進行研究，以技術為先導，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)保部主任的張曉魯等人爭取到了科技部的支持，決定對國際上的先進技術進行論證，基于我們能采購到的、成熟商業(yè)應用的高溫合金材料，研究在中國發(fā)展超超臨界的技術類型和技術路線，希望以此指導我國電力裝備業(yè)新一代設備的研發(fā)，為我國電力行業(yè)的產業(yè)升級提供技術儲備。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

13、司、國家電站燃燒工程技術研究中心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、汽輪機的設計開發(fā)、制造軟件包研制和材料加工性能研究，自主設計了超超臨界電站，自主調試成功了100萬千瓦和60萬千瓦機組，申請了17項國家技術專利，形成了我國完整的超超臨界電站開發(fā)基礎。技術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60萬千瓦超超臨界機組的訂貨量

14、達到90多臺，100萬千瓦的訂貨數也有將近50臺。預計到2010年，我國投產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理的張曉魯，說現在看來，要減少燃煤發(fā)電溫室氣體和污染物排放，最有效的技術就是超超臨界技術，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，我們已經跨過了這個階段?！?008年1月8日，中共中央、國務院隆重舉行國家科學技術獎勵大會，由中國華能集團公司承接，聯合有關設計、制造、應用單位共同研發(fā)和應用的超超臨界燃煤發(fā)電技術獲得2007年度國家科學技術進步一等獎。該技術的節(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

15、目，于2007年11月全部建成投產，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26.25MPa、600/600）是當今國際上參數最高、容量最大、同比效率最高的超超臨界機組，經實際運行，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)經濟效益和社會環(huán)境效益前景巨大?，F在發(fā)電供熱用煤占全國煤炭生產總量的50%左右，而且污染物排放量

16、也很大。據統(tǒng)計，全國二氧化硫的排放量中，90%是由煤電產生的。百萬千瓦超超臨界機組的研發(fā)和應用對實現我國火電結構調整、節(jié)能降耗，建設資源節(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31 MPa被稱為超超臨界。在19851990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，其中第一步目標是主蒸汽參數為30 MPa，593；第二步目標是主蒸汽參數為34.5 MPa，649。第二步目標比目前常規(guī)的蒸汽參數為24.1MPa，538/566的超臨界機組（國內機組）凈效率提高8.

17、8%。美國是發(fā)展超臨界發(fā)電技術最早的國家。世界第一臺超超臨界參數機組（125MW，31.03MPa 621/565/538）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5080萬千瓦為主。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計和制造，后經過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，超超臨界火電機組逐漸得以推廣應用。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（費城電力公司EDDY-STONE電廠的#1機組，蒸汽參數為34.5MPa，649/566/566）。近年來，美國GE公司還為日本設計制造了蒸汽

18、參數分別為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，前蘇聯第一臺30萬千瓦超臨界機組投入運行，機組參數為23.5MPa/580/565。現在共有超臨界機組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。目前，俄羅斯研制的新一代大型超超臨界機組采用參數為2830Mpa/580600。前蘇聯發(fā)展超臨界技術主要依靠本國力量，以自主開發(fā)為主，初期也走過不少彎路，但經過長期試驗研究已具有一套比較完整的超臨界技術和產品系列。日本采用引進、仿制、創(chuàng)新的技術發(fā)展路線。日本的超臨界機組占常規(guī)火電機組

19、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，最初投運的兩套超超臨界機組由三菱公司設計，裝機容量70萬千瓦、蒸汽參數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月投產于上海石洞口二廠（2600MW，25.4MPa，541/569）。從引進到完全消化吸收，用了近20年時間。國產超臨界發(fā)電技術從新世紀元年起步，到投入商業(yè)化運行，只用了3年時間。而

20、國產百萬千瓦超超臨界技術從項目研發(fā)到2006年玉環(huán)電廠首臺機組投運，僅用了4年時間。應當說，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)展的必然結果。在“超超臨界燃煤發(fā)電技術”的研發(fā)和應用下，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。超超臨界機組技術攻關編輯百萬千瓦超超臨界汽輪發(fā)電機組件 超超臨界機組的關鍵大型部件，如汽輪機轉子、葉片、鍋爐管等，是制約現代重大裝備制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，盡早攻克電站關鍵用材和大型鑄鍛件制造技術成為國家和上海中長期科學技術發(fā)展規(guī)劃綱要的重要內容。為此，上海市科委組織專家開展了上?，F代裝備用關鍵材料技術現狀與發(fā)展方向的調研，并在此基礎上，于20

21、05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項目，由上海發(fā)電設備成套設計研究院牽頭，組織上海多家企業(yè)，聯手上海交通大學和上海大學等高校，開展產學研合作攻關。聯合攻關團隊解決了高溫持久蠕變等多道技術難題，取得了系列成果。由上海重型機器廠有限公司等負責的高中壓缸體試制，形成了冶煉、鑄造、熱處理、焊補等成套生產工藝，產品已用于600MW汽輪機。高壓轉子的研制工作經歷了多次失敗，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，成功試制出高壓轉子一根、在制產品轉子兩根。 由寶山鋼鐵股份有限公司特殊鋼分公司負責，上海鍋爐廠有限公司參與開發(fā)的奧氏體不銹鋼管，國產管的

22、冶金質量已相當于進口材料的水平，在650的高溫下持久強度可達99MPa。 由上海汽輪機有限公司等負責開發(fā)的葉片和螺栓用高溫高強度材料已實現產業(yè)化，年產約600噸。安裝有該部件的山東黃島和安徽宿縣等電廠發(fā)電機組已投入正常運行。由上海新閔重型鍛造有限公司等負責開發(fā)的汽輪發(fā)電機用高強度穿心螺桿材料，已成功用于1000MW級發(fā)電機。據專家估算，待該項目全部完成后，超超臨界機組的造價可下降一半。 我國“十一五”規(guī)劃綱要提出，要“以大型高效環(huán)保機組為重點優(yōu)化發(fā)展火電，建設大型超超臨界電站和大型空冷電站?！本V要還將超超臨界火電機組列為“裝備制造業(yè)振興的重點”之一。而國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃明確將能源列為優(yōu)先發(fā)展的領