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1、超超临界发电技术：我国火力发电发展的选择 郑善合，徐鸿 华北电力大学 Ultra-Supercritical Technology: the Electric Power Development Choice ZHENG Shan-he, XU Hong （North China Electric Power University） 摘 要： 我国的能源结构决定了以煤为主的格局，发电效率高、污染排放小是我国火力发电发展的主要方向。从 环境需求、技术支持分析了我国发展洁净煤发电技术的必要性和可行性，超超临（USC ）发电技术是火力发电发 展的最佳选择，是我国未来20-30 电力工业装机主要技术。
2、分析了超超临界技术的优点及新型耐高温金属材料 的性能，超超临界技术的自主研发，超超临界机组的建设，对我国电力发展起到极大的促进作用。 关键词： 火电厂；超超临界技术；洁净煤技术；热效率；耐高温材料 ABSRACT: Our energy source structure decided that the development of thermal power generator unitswith the virtues of high efficiency and low emission was the main direction. It is necessary and feasib
3、le todevelop clear coal technique based on the analysis of environment and technology. The ultra-supercritical(USC) technology was the preferential choice for China to develop thermal generator. The USC technology superior and typical heat-resistant steel properties commonly used were discussed.Self
4、-research of USCT will be to promote the electric power development greatly. KEYWORDS: fossil power plant; ultra-supercritical technology; clear coal technique; thermal efficiency;heat-resistant material 能源是人类社会发展的重要基础资源，世界能源需求量持续增大，环境污染加重和环保压力加大，世界能源 消费向清洁化、高效化发展1,2。目前我国电力工业结构性矛盾突出，装机中高效、清洁的火电机组比例偏
5、低， 常规小火电机组比例过大，单机容量偏小，125MW 以下机组占总装机容量的33.9%，100MW 以下机组占 26.4%，50MW 以下机组占17.1%，这些机组不仅降低了经济效益，同时也增加了污染物排放量。2004 年， 全国发电装机达到440700 兆瓦，其中，水电约占总容量24.57%，火电约占总容量73.72%，核电达到约占 总容量的1.59%，火电机组中30 万千瓦及以上机组394 台，占火电装机容量的43.76%，超临界机组只占 4.19%3，据统计，燃煤发电产生的灰渣约占全国灰渣的70% ，烟尘排放占工业排放的33% ，二氧化硫排放 占工业排放的56% 。我国一次能源以煤为主
6、的格局在很长时期内不会改变，能源供应将维持以煤为主，我国将 面临严峻的经济与资源、环境与发展的挑战，急需一种相对燃煤污染排放小、发电效率高的洁净煤发电技术，实 现可持续发展的重要任务。 1 超临界机组的发展 一般将 主蒸汽压力大于27MPa 、温度大于580 的机组称为超超临界机组(锅炉内工质的压力 ,锅炉内的工质都是 水,水的临界压力是:22.115MPA 347.15C 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,炉内工质压力大于这个压力 就是超临界锅炉,低于这个压力就叫亚临界锅炉.) ，国外超超临界技术4,5从上世纪50 年代就开始了。 美国于 1957 年 投运的第一台
7、125MW 超临界机组的参数为31MPa/621/566 /560 ， 1958 年投运的325MW 机组的 参数为34.4MPa/649/566 /566 ，由于蒸汽参数过高，当时的金属材料性能达不到要求，运行中出现了 很多问题，只能降低参数运行，以后美国的超临界机组多采用24.1MPa，主蒸汽温度为538 。到 80 年代初， 美国超临界机组达170 余台， 占燃煤机组的70% 以上，其中单机容量大于500MW 机组占的总装机的70% 以 上，最大单机容量为1300MW，也是迄今世界上最大单机容量机组，至1994 年共安装投运了9 台 1300MW 的超临界机组。前苏联是当时拥有超临界机组
8、最多的国家。1963 年，第一台300MW 超临界机组投入运行， 机组参数为23.5MPa/580/565 ，和美国一样在运行中出现了很多问题，后经改进和完善，机组的蒸汽温度 降为 540 /540 ，可靠性得到了提高。前苏联所有300MW 及以上容量的机组全部采用超临界参数，由于前 苏联大量采用超临界机组，火电机组的平均供电煤耗居世界前列，达到326g/KWh。前苏联发展超临界技术以 自我开发为主，经过长期的研究已具有比较完整的超临界技术和产品系列，目前俄罗斯研制的新一代超超临界机 组采用的参数为28 30MPa 、580 600 。德国是研究和制造超临界机组最早的国家之一，从上世纪60 年
9、 代开始发展超临界机组，初期容量较小。1972 年投运了一台430MW 的超临界机组，1979 年投运了一台 475MW 二次再热机组，1999年投运的900MW 机组蒸汽参数为，目前德国已投运和再建的超超临界机组近 20 台。日本发展超超临界技术比较晚，采用引进、仿制、创新的技术路线，先从国外引进成熟机组和制造技术， 组织力量进行技术消化和仿制，然后结合日本的技术特点进行设计、生产。日本在1967年第一台超临界的 600MW 机组系从美国引进，在长崎电厂投运。此后日本的超临界压力火力发电得到了迅速的发展。截止1989 年 3 月，日本各大电力公司的48 个主要火电厂的总装机容量75870 M
10、W 中，超临界压力的为49350MW， 占总装机量的65% 。日本从引进机组到自己研制机组只需1 2 年时间，从亚临界到超超临界，每上一个等级 只需 34 年时间。在24.1MPa/538/566 超临界机组成熟技术的基础上，结合美国EPRI 研究成果，成 功开发了超超临界机组，第一步将蒸汽参数提高到31MPa/566/566 ， 第二步提高到34MPa/595/595 。 日本最初的超超临界机组只提高了主蒸汽压力而没有提高其温度，由于主蒸汽压力和温度不匹配，故采用两次再 热技术， 1989 和 1990 年在川越电厂投运的两台700MW 机组参数是两次再热的31MPa/566/566 /56
11、6，1993 年之后把蒸汽温度提高到595 一次再热。在2002 年之前，日本1000MW 机组均采用双轴 形式，由东芝公司制造的单轴1000MW 机组在2002 年 11 月投运。丹麦在超超临界技术应用上也是很先进 的国家，在 1998年在 Skaebaek发电厂投产的400MW机组，两次中间再热， 蒸汽参数为29MPa/582/582 /582，以海水直接冷却，净效率高达49 ，是当今世界上效率最高的火电机组。1999年在 Nordjylands电 厂投产的400MW机组，使用同样的蒸汽初参数，效率也高达47% 。 2 超超临界发电技术的优点 2.1 热效率高 超超临界机组热效率高，可以达
12、到43% 以上，表 1 给出了超超临界机组供电效率。 表 1 超超临界机组供电效率 蒸汽参数供电热效率% 供电煤耗率g/KWh 24.1MPa 538/56640.94 300 31.0Mpa 566/566/56642.80 287 31.0Mpa 593/593/59343.143.3 284285 34.5Mpa 649/593/59343.744.0 279281 亚临界机组16.7Mpa/538/538 供电热效率约为38% ，超临界机组24.1Mpa/538/538 供电热效 率约为41% 。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
13、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% 。超临界机组的热效 率比亚临界高2% 3% ，超超临界机组的热效率比超临界机组的高约24% 左右。 据统计， 2002 年我国平均 供电煤耗为383g/KWh， 而国际先进水平为316g/KWh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
14、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。 2.2 单机容量大，运行可靠性好 超超临界机组的单机容量可以达到1000MW 以上，目前运行的最高容量为1300MW，相对于其他洁净煤 发电技术，很大程度上降低了机组的单位造价。从国外超超临界机组运行情况看，超超临界发电技术已经比较成 熟，相对于目前的洁净煤发电技术，超超临界机组运行可靠性最高。 2.3 污染排放小 超超临界机组烟气净化系统包括除尘、脱硝、脱硫过程，降低污染物的排放。烟气通过静电除尘器后，含尘 量小于50mg/m3(标准状态 )，除尘效率大于99.9
15、%。烟气通过SCR 脱硝反应装置，净化后NOx 含量小于 40mg/MJ，脱硝效率在80% 以上。脱硫系统通过石灰和生石灰，吸附大部分的硫的氧化物。 3 新型耐高温金属材料在超超临界机组中的应用 超超临界机组蒸汽压力和温度的提高对关键部件材料带来更高的要求，尤其是材料的高温强度性能、抗高温 腐蚀和氧化性能以及高温疲劳蠕变性能，表现在锅炉过热器、再热器、联箱、主蒸汽管道、水冷壁管材料高温持 久强度，烟气侧腐蚀将大幅度上升，蒸汽侧氧化加剧，机组厚壁部件在启停、负荷变动时引起的热应力等等。美 国、欧洲、日本等国对耐高温材料进行了大量的研究6-9。低合金钢 （1% 3% ）包括 P11 、P22 、1
16、2Cr1MoV 和汽轮机材料1CrMoV， 日本开发的T/P23在 T22 基础上添加Nb 、V 提高了蠕变强度。 欧洲开发了T/P24 通 过 V、Ti、B 多元微合金化提高蠕变性能。T23 和 T24 具有优异的焊接性能，适合超超临界机组的水冷壁材料。 9% 12%Cr 马氏体钢用于蒸汽管道、联箱、锅炉管、汽缸、转子等部件。T/P91 钢是美国在上世纪80 年代 开发的一种综合性能优异的9Cr 钢，在我国的亚临界和超临界机组上得到广泛应用。T/P92 和 E911 钢是在 P91 钢的基础上通过以W 取代部分Mo 获得的，与P122 钢都是目前超超临界机组的联箱和蒸汽管道的主要 材料。日本开发的12CrMoVNb 系列TMK1 和TMK2 已用于日本593 以上的超临界机组。欧洲开发 10.5CrMoVNbWN(COST E)和 10.2CrMoVNbN(COST F)等系列转子钢也已应用于超超临界机组。奥氏体耐 热钢主要用于过热器、再热器
