超临界超超临界发电技术

周一工：超临界超超・晦界发电技术

超临界超超临界发电技术

周一工

（上海电气电站集团，上海２０１１００）

摘要：本文阐述了超临：界－／超超临界火力发电机组的技术特点和发展概况，以及我国超临界／超超临界机组

的国产化进程。

关键词：超临界；超超临界；燃煤发电；热效率

ＳｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌａｎｄＵｌｔｒａ－ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ＺＨＯＵＹｉ－ｇｏｎｇ

（ＳｈａｎｇｈａｉＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＧｒｏｕｐ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１１００，Ｃｈｉｎａ）

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Ｋｅｙｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ。ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｆｉｌｅｓａｎｄｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ／ｕｌｔｒａｓｕｐｅ陀ｒｉｔｉｃａｌｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｕｎｉｔｓｗｅｍｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ；ｕｌｔｒａ・－ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ；ｃｏａｌ—－ｆｉｒｅｄｐｏｗｅｒ；ｔｈｅｒｍａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ

我国一次能源结构多煤贫油少气，这些因素决定了煤炭是中国能源的基础。尽管水电、风电、太阳能等可再生能源以及核能发展迅速，但其总量还较少，要满足经济持续快速增长的需要，在相当长的一段时间内仍要依靠火电。我国的一次能源结构决定了发电以煤电为主的基本格局，这是短期难以改变的，也是我国和国际一次能源利用主流不同的显著特征。

能耗高和环境污染严重是目前我国火力发电行业需要解决的两大突出问题。我国火电机组的总体技术水平与世界先进水平相比仍有一定差距。２０１０年全国发电原煤消耗超过１７亿吨，发电机组平均供电煤耗为３３５ｇ／（ｋＷ・ｈ），仍高于３３０ｇ／（ｋＷ・ｈ）的国际平均水平。因此，进一步发展清洁高效的煤电设备有利于提高能源利用效率、减少一次能源的消耗。大力发展大容量、高参数超临界／超超临界发电技术是我国电力行业节能的重要技术举措，也是未来我国火电节能的重要发展方向。

ｌ超临界超超临界机组的概念

超临界机组是指主蒸汽压力大于水的临界压力（２２．１２ＭＰａ）的机组。习惯上又将超临界机组分为２个层次：①常规超临界参数机组，其主蒸汽压力一般为２４ＭＰａ左右，主蒸汽和再热蒸汽温度为５４０—５８０℃；②高效超临界机组，通常也称为超超临界机组或高参数超临界机组，其主蒸汽压力为２５—３５ＭＰａ及以上，主蒸汽和再热蒸汽温度为５８０℃及以上。

燃煤火电机组的热力系统是在朗肯循环的基础上采用了再热和回热的热力系统。提高蒸汽的初参数（压力和温度），采用再热系统和增加再热次数都能提高循环效率。例如，常规亚临界循环的典型参数为１７ＭＰａ／５４０℃／５４０℃，热效率为３８％，供电煤耗３２０ｇ／（ｋＷ・ｈ）；超临界机组参数２４ＭＰａ／５６６℃／５６６℃，热效率４ｌ％，供电煤耗３００ｅ，／（ｋＷ・ｈ）；超超临界机组参数２８ＭＰａ／６０００Ｃ／６０００Ｃ，热效率为４５％，供电煤耗２７６∥（ｋＷ・ｈ）。可见蒸汽参数由亚临界提高到超临界、超超临界可显著地提高循环热效率，降低供电煤耗。获得较大的经济效益。

进一步的热力循环分析表明，在超超临界机组参数范围的条件下，主蒸汽压力提高ｌＭＰａ，机组的热耗率就可下降０．１３％一０．１５％；主蒸汽温度每提高ｌＯ℃，机组的热耗率就可下降０．２５％一０．３０％；再热蒸汽温度每提高１０℃，机组的热耗率就可下降０．１５％一０．２０％。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ｌ。４％一１。６％。一２３—

±霉辜耄堑轰蒙摹叁第十一届学术年会论文集（电站专委会）

２国外超临界超超临界机组的发展状况与计划

大型超临界机组自２０世纪５０年代在美国和德国开始投入商业运行以来，随着冶金工业技术的发展，提供了发电设备用的碳素体钢、奥氏体钢及超合金钢。到今天超临界机组已大量投运，并取得了良好的运行业绩。近十几年来，发达国家积极开发应用高效超临界参数发电机组。美国（１６９台）和前苏联（２００多台）是超临界机组最多的国家，而发展超超临界技术领先的国家主要是日本、德国和丹麦。

德国是发展超超Ｉ临界技术最早的国家之一，在早期追求高参数，但后来蒸汽参数降低并长期稳定在２５ＭＰａ／５４５℃／５４５。Ｃ的水平上，其后蒸汽参数逐步提高。２００３年投产的Ｎｉｅｄｅｒａｕｓｓｅｎ电厂参数为

ＭＰａ／５８０℃／６００℃，设计热效率为４４．５％。９６５ＭＷ．２６

日本因能源短缺，燃料主要依赖进口，因此采用超临界发电机组占总装机容量的６０％以上。１９８９年和１９９０年，日本的川越（Ｋａｗａｇｏｅ）电厂先后投运两台参数为７００ＭＷ，３１ＭＰａ／５６６。Ｃ／５６６。Ｃ／５６６℃。这是日本发展超超临界发电技术的标志性机组。近年来一批百万千瓦级超超临界发电机组相继投入运行，除达到很高可靠性外，其循环效率可达到４５％左右。

丹麦亦十分重视高参数超临界机组的发展，在提高机组蒸汽参数的同时利用低温海水冷却大幅提高机组效率。１９９８年投运的Ｎｏｒｄｊｙｌｌａｎｄ电厂其机组参数为４００

上超超临界机组中运行效率最高的机组。ＭＷ，２８．５ＭＰａ／５８０℃／５８０℃／５８０℃，机组效率高达４７％。２００１年投运的ＡＶＶ２电厂一台超超Ｉ临界机组，其机组效率高达４９％，这是目前世界

从各国的发展来看，自２０世纪９０年代初开始发展超超临界机组。到９０年代末期其蒸汽温度基本都提高到了５８０—６００℃，并且都有相应的电厂成功地投入了商业运行。值得注意的是国外超超临界发电机组许多建在海边，利用低温海水冷却，使机组循环效率进一步提高。

欧盟为了发展超超临界发电技术先后制定了若干研究计划，正在执行的Ｔｈｅｒｍｉｅ计划（先进的７００℃燃煤电厂）（１９９８～２０１４），计划建设参数为３７．５ＭＰａ／７００℃／７２０℃／７２０℃的超超临界机组，主要目标是：①使电厂的净效率由４７％提高到５５％（对于低的海水冷却水温度）或５２％左右（对于内陆地区和冷却塔）；②降低燃煤电站的造价。

日本进行了目标分别为３１．４ＭＰａ／５９３℃／５９３℃／５９３℃、３１ＭＰａ／６３００Ｃ／６３０℃和３４．３ＭＰａ／６４９℃／５９３℃／５９３℃的超超临界机组研发计划。力争将发电机组设计效率提高到４５％以上。

美国也正在组织和支持一项发展更高参数超超临界发电机组的研究项目（“７６０。Ｃ”计划），目标是研制适合蒸汽参数为３８．５ＭＰａ／７６０。Ｃ的新合金材料，将超超临界机组的主蒸汽温度提高到７６０。Ｃ水平，从而大大提高超超临界机组的效率。

俄罗斯也设计了新一代的超超临界机组，蒸汽参数为３０～３２ＭＰａ／５８０—６００℃／５８０—６００℃，预计电站的效率可达４４％一４６％。可见上述各国都将高参数超超临界发电机组作为今后的发展方向。３国内超临界超超临界机组的发展状况

我国火力发电机组经过半个多世纪的发展，目前超临界／超超临界机组已经进入商业化运行阶段。截止２０１０年底，我国火电装机容量７．ｃｒ７亿千瓦，占全部装机容量的７３．４４％；全国已投运百万千瓦超超临界机组３３台，是世界上拥有百万千瓦超超临界机组最多的国家；３０万千瓦及以上火电机组占全部火电机组的比重已经从２０００年的４２．６７％提高到２０１０年的超过７０％，火电机组平均单机容量已经从２０００年的５．４万千瓦提高到２００９年的１１．３万千瓦。随着大容量、高参数超临界／超超临界发电机组占煤电比例的增加，２０１０年我国火电节能成效显著，全国发电生产煤耗持续大幅下降。２０１０年，全国６０００千瓦及以上发电厂供电标准煤耗３３５ｇ／ｋＷ・ｈ，比上年下降７ｒ，／ｋＷ・ｈ。按容量等级机组供电煤耗如下：１００万千形６０—１００（不含１００万）万千瓦容量等级机组平均供电煤耗分别为２９３／３１９ｇ／（ｋＷ．ｈ）；５一１０万千瓦（不含ｌＯ万）／０．６—５万千瓦（不含５万）容量等级机组供电煤耗分别高达３８３／３９２ｇ／（ｋＷ・ｈ）。由以上数据可知：采用更高参数超临界发电机组，对节约能源、减少污染具有十分重要的意义。一２４—

周一工：超临界超超临界发电技术

２００２年我国科技部把“超（超）临界燃煤发电技术”研究课题列入８６３计划，并由国内近２０个科研机构、大学、电力设计单位参与课题的各项研究任务。通过电力、机械制造等行业专家的共同努力，该课题取得了一批重要研究成果，形成了多项自主研发技术，我国发电设备制造企业与国外制造商合作，引进大型超超临界火电机组技术。２００６—２００７年，采用引进技术生产的ｌ０００ＭＷ超超临界火电机组分别在玉环电厂、邹县电厂和外高桥三期等成功投运，标志着我国电力设备的制造水平跨上了一个新的高度。经过技术的不断发展，目前超临界参数火力发电机组在可靠性和调峰灵活性等方面都可以得到保证。这对煤炭资源的节约利用、发电机组的经济性以及环境改善，都显示了相当的优越性。加快发展更高参数超超临界机组，优化火力发电机组结构，可以大大提高煤炭利用效率，提高发电企业的经济效益，降低国内煤炭用量的增长速度，减缓ＣＯ：排放量的增长，大幅度地减少污染物的排放量，以保证我国经济的可持续发展。因此可以预计，在我国中近期电力事业的发展中，在研究新型燃煤技术的同时，会以发展更高参数的超临界技术作为我国火电建设的主要方向。

４发展超超临界机组的若干技术问题

４．１材料问题

发展超超临界机组在设计和制造中有许多关键技术问题有待解决，其中开发热强度高、抗高温烟气氧化腐蚀和高温汽水介质腐蚀、可焊性和工艺性良好、价格低廉的材料是最关键的问题。目前，超超Ｉ临界机组根据采用的蒸汽温度的不同，主要采用了以下三类合金钢：①低铬耐热钢；②改良型（９—１２）％铁素体一马氏体钢；③新型奥氏体耐热钢。

正是由于上述低铬耐热钢和改良型（９—１２）％铁索体一马氏体钢的研制及使用成功，促进和保证了超超临界机组的发展。

４．２蒸汽参数

机组的蒸汽参数是决定机组热效率、提高热经济性的重要因素。提高蒸汽参数（蒸汽的初始压力和温度）、采用再热系统、增加再热次数，都是提高机组效率的有效方法。

从近年来国际上超超临界发电机组参数发展看，主流是走大幅度提高蒸汽温度（取值相对较高，６００℃左右）、小幅度提高蒸汽压力（取值多为２５ＭＰａ左右）的技术发展之路。我国目前超超临界机组的主汽压力取在２８～３１ＭＰａ的下限，这主要是考虑到提高设备的可靠性。根据早期超超临界机组的运行情况看，机组事故的产生多是由于高压段参数所引起。另一个考虑就是降低设备的造价。主汽参数的选择对造价影响非常大，特别是在锅炉受热面和汽轮机高压缸方面。

４．３机组容量

影响发电机组容量选择的因素有：电网（单机容量小于电网容量的１０％）；汽轮机背压；汽轮机末级排汽面积（叶片高度）；汽轮发电机组（单轴）转子长度；发电机的大容量化，即单轴串联布置或双轴并列布置。

一般而言，单机容量增大，单位容量的造价降低，也可提高效率。但根据国外多年分析研究得出，提高单机容量固然可以提高效率，但当容量增加到一定的限度（１０００ＭＷ）后，再增加单机容量对提高热效率不明显。目前已投运的超超临界机组单机容量大部分在６６０ＭＷ—ｌ０００ＭＷ之间。就锅炉而言。单机容量继续增大，受热面的布置更为复杂，后部烟道必须是双通道。还必须增加主蒸汽管壁厚或增加主蒸汽管道的数目。

４．４锅炉炉型

４．４．１锅炉布置型式

超超ｌ临界锅炉设计通常采用兀型炉和塔式炉，我国发展超超临界机组，选择锅炉的整体布置形式。必须根据具体电厂、燃煤条件、投资费用、运行可靠性等方面，进行全面技术经济分析比较，选定锅炉ｎ型或塔式的布置型式。选用时应重视煤质特性，特别是煤的灰分。燃用高灰分煤，从减轻受热面磨损方面考虑，采用塔式布置较为合适。一２５—

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４．４．２燃烧方式

直流燃烧器四角切圆燃烧和旋流燃烧器前后墙对冲燃烧是目前国内外应用最为广泛的煤粉燃烧方式。由于切圆燃烧中四角火焰的相互支持，一、二次风的混合便于控制等特点，其煤种适应性更强，目前我国设计制造的３００ＭＷ、６００ＭＷ机组锅炉大多数采用这种燃烧方式。对冲燃烧方式则具有锅炉沿炉膛宽度的烟温及速度分布较均匀，过热器与再热器的烟温和汽温偏差相对较小的特点。

大容量超超临界的锅炉布置型式和燃烧方式两者应合理搭配，根据国内外锅炉制造厂的设计方案，有以下四种燃烧方式与锅炉布置型式比较适应：①四角单切圆塔式布置；②墙式对冲塔式布置；③八角双切圆兀型布置；④墙式旋流ｎ型布置。

４．５汽机系统

在低负荷运行工况下难以达到汽轮机的设计效率，要发挥超超临界机组的高效率，就必须在较高负荷工况下运行。

提高汽轮机出力的途径主要有以下几点：提高新蒸汽参数，增大汽轮机总体理想焓降ＡＨｉ；采用给水回热系统，减小汽轮机低压缸排汽流量，增加进汽量，从而达到增加出力的目的；增加汽轮机低压缸末级通流面积，一种办法就是增加末级叶片高度，这是国内外大容量汽轮机的一个主要发展方向，另一种办法采用低转速（如半转速）；采用多排汽口，低压缸采用分流技术是增大单轴汽轮机很有效的措施，百万千瓦级超超临界单轴机组的低压缸排汽口数量已达６个以上（采用３个及以上双流低压缸）；提高汽轮机排汽背压，使汽轮机末级叶片出口蒸汽的密度增大，从而增加汽轮机出力。

５结束语

超超临界机组已经是较为成熟的技术，因此，在总结我国已引进的超临界机组制造技术和运行经验的基础上。发展我国的超超临界发电机组，技术上是切实可行的。要采用引进技术和消化吸收、相结合的发展之路，充分利用我国现有的设备制造、电站设计和运行能力，加快超超临界机组的发展进程。超超临界火电技术的发展，还将带动制造工业、材料工业、环保工业及其它相关产业的发展，创造新的经济增长点，是电力工业可持续发展的战略选择。

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作者简介：用一工（１９６５一）。１９８６年毕业于清华大学热能工程系，上海电气电站集团剐总工程师、教授级高级工程师．上

海理工大学客座教授。长期从事循环流化床锅炉的设计、研究及超临界压力锅妒锅内特性研究，发表论文７０余篇．６次入选国际动力会议，获国家科技成果完成者证书。一２６—

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作者：

作者单位：周一工上海电气电站集团，上海 201100

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