張勇甄靜

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

2011年美國(guó)能源情報(bào)署 （EIA）發(fā)布的 《2011年國(guó)際能源展望》中指出：到2035年，世界能源使用量將增長(zhǎng)53%，化石燃料仍將占據(jù)世界能源的78%[1]。我國(guó)的 “多煤缺油少氣”能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)表明，我國(guó)將在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)難以改變以煤為主的一次能源結(jié)構(gòu)。因此尋求高效、節(jié)能與環(huán)保的發(fā)電技術(shù)便成為電力行業(yè)的主要研究重點(diǎn)。實(shí)踐證明：超超臨界發(fā)電技術(shù)具有顯著的高效低排特點(diǎn)和巨大的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)。

1 國(guó)外的超超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展

美國(guó)是從事超超臨界發(fā)電技術(shù)研究與應(yīng)用最早的國(guó)家，在1957年就投入運(yùn)行了世界第一臺(tái)容量為125 MW的超超臨界機(jī)組，參數(shù)為31 MPa/621℃/566℃/560℃。1958年投運(yùn)了容量為325 MW、參數(shù)為34.4 MPa/649℃/566℃/566℃的機(jī)組，至今該機(jī)組仍在運(yùn)行，是世界上運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的超超臨界機(jī)組。到20世紀(jì)80年代初，超臨界和超超臨界機(jī)組增至170余臺(tái)，占燃煤機(jī)組的70%以上，占總裝機(jī)容量的25.22%，其中單機(jī)容量介于500 MW～800 MW者占60%～70%。至1994年美國(guó)共安裝和投運(yùn)了9臺(tái)1300 MW的超臨界大容量機(jī)組。

1967年日本從美國(guó)進(jìn)口了600 MW超臨界機(jī)組。1979～1981年，日本開(kāi)始啟動(dòng)了自己的超超臨界技術(shù)研究。日本最初投運(yùn)的兩臺(tái)高效超臨界機(jī)組，僅提高了主蒸汽壓力而未提高其溫度，采用兩次再熱以防汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽濕度過(guò)高。31 MPa、566℃兩次再熱機(jī)組與24.1 MPa、566℃一次再熱相比，熱效率提高了3%，但機(jī)組系統(tǒng)復(fù)雜，制造成本顯著提高，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。所以近年來(lái)各公司都轉(zhuǎn)為生產(chǎn)24.5 MPa、600℃/600℃等級(jí)的高效超臨界機(jī)組，其熱效率僅比31 MPa、566℃兩次再熱低0.5%，但制造成本大大降低。

歐洲在建中的高效超臨界機(jī)組都改為采用一次再熱。與日本不同的是其主蒸汽壓力和溫度都進(jìn)一步提高 （30.5 MPa、580℃/600℃），其熱效率與29 MPa、580℃兩次再熱機(jī)組基本相同。在提高機(jī)組蒸汽參數(shù)的同時(shí)，還利用低溫海水冷卻，大幅提高了機(jī)組效率。2001年投運(yùn)的AVV2電廠一臺(tái)超超臨界機(jī)組，其機(jī)組效率高達(dá)49%，是目前世界上運(yùn)行效率最高的超超臨界機(jī)組[2]。

2 我國(guó)的超超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展

我國(guó)自20世紀(jì)80年代開(kāi)始引進(jìn)超臨界機(jī)組。我國(guó)第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)600 MW超臨界機(jī)組于2004年12月在華能沁北電廠成功投運(yùn)。鍋爐為超臨界參數(shù)變壓直流本生型鍋爐，一次再熱，單爐膛、尾部雙煙道結(jié)構(gòu)。華能玉環(huán)電廠是國(guó)內(nèi)第一個(gè)國(guó)產(chǎn)百萬(wàn)千瓦超超臨界燃煤機(jī)組項(xiàng)目。該機(jī)組鍋爐是國(guó)內(nèi)單機(jī)容量最大、參數(shù)最高、技術(shù)最為先進(jìn)的百萬(wàn)千瓦超超臨界電站鍋爐。該機(jī)組鍋爐效率為93.88%，汽輪機(jī)熱耗為7295.8 kJ/(kW·h)，額定負(fù)荷下機(jī)組的發(fā)電煤耗為270.6 g/(kW·h)，機(jī)組熱效率高達(dá)45.5%，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[3]。至2012年底，我國(guó)已建成投運(yùn)百臺(tái)600℃超超臨界機(jī)組，裝機(jī)容量超過(guò)8000萬(wàn)千瓦，占國(guó)內(nèi)裝機(jī)總量的7.5%。全國(guó)在役火電機(jī)組中1000 MW超超臨界機(jī)組有39臺(tái)，600 MW超超臨界及超臨界機(jī)組超過(guò)200臺(tái)。目前國(guó)內(nèi)超超臨界機(jī)組參數(shù)初壓力25.0～26.5 MPa、主蒸汽/再熱蒸汽溫度600℃/600℃。

3 超超臨界火電機(jī)組技術(shù)因素

3.1 鍋爐方面

（1）超臨界參數(shù)鍋爐的受熱面工作條件比亞臨界參數(shù)鍋爐的差，因此對(duì)受熱面鋼種、管道規(guī)格等的選擇提出了較高的要求。尤其是在過(guò)熱器管的選擇時(shí)，更應(yīng)注意所用鋼材的抗腐蝕性和晶粒度指標(biāo)。晶粒度過(guò)大就容易形成氧化層，氧化層脫落后將引起汽輪機(jī) “硬粒沖蝕”的問(wèn)題。

（2）要保證鍋爐在各種工況下水動(dòng)力的可靠性。在各種負(fù)荷下，從亞臨界壓力到超臨界壓力廣泛的運(yùn)行工況范圍內(nèi)，水冷壁出口溫度上下波動(dòng)幅度必須限定在規(guī)定的范圍內(nèi)。尤其當(dāng)水冷壁懸吊管系中設(shè)有中間聯(lián)箱時(shí)，必須采取措施避免在啟動(dòng)分離器干濕轉(zhuǎn)換、工質(zhì)為兩相流時(shí)，聯(lián)箱中出現(xiàn)流量分配不均勻的問(wèn)題。因?yàn)椋髁糠峙洳痪鶆驅(qū)⑹箲业豕軠夭畛?，?dǎo)致懸吊管扭曲變形。

（3）超臨界變壓運(yùn)行鍋爐水冷壁對(duì)爐內(nèi)熱偏差的敏感性較強(qiáng)。當(dāng)采用四角切圓燃燒方式時(shí)，必須采取有效措施消除煙氣溫度偏差，鍋爐出口的兩側(cè)最大煙氣溫差不得大于50℃。

3.2 汽輪機(jī)方面

（1）超臨界壓力機(jī)組是由直流爐供汽的。通常，溶解于蒸汽中的雜質(zhì)較多。蒸汽在汽輪機(jī)的通流部分做功后壓力降低，原先溶解的物質(zhì)就會(huì)釋放出來(lái)，產(chǎn)生積鹽現(xiàn)象。另外，主蒸汽管道、過(guò)熱器和再熱器均會(huì)出現(xiàn)氧化皮脫落的問(wèn)題，導(dǎo)致固體“硬粒沖蝕”。

（2）超臨界參數(shù)汽輪機(jī)由于主蒸汽參數(shù)和再熱蒸汽參數(shù)的提高，尤其是溫度的增高，使其對(duì)材料的要求也有了相應(yīng)的提高，一些亞臨界機(jī)組使用的材料已不能適應(yīng)超臨界參數(shù)汽輪機(jī)的工作狀況，因此在選材時(shí)應(yīng)高度重視這一問(wèn)題。

（3）在氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)采取措施防止蒸汽漩渦振蕩。由于高壓缸入口壓力高、氣流密度大，會(huì)使調(diào)節(jié)級(jí)復(fù)環(huán)徑向間隙處發(fā)生蒸汽漩渦振蕩，引起軸承不穩(wěn)定振動(dòng)[4]，因此，必須采取預(yù)防蒸汽漩渦振蕩的措施。

3.3 水動(dòng)力學(xué)特性

（1）工質(zhì)比體積在擬臨界溫度附近的大比熱容區(qū)內(nèi)發(fā)生急劇變化，但工質(zhì)溫度變化不大。壓力越升高，擬臨界溫度越向高溫區(qū)推移，大比熱容特性則逐漸減弱。根據(jù)超臨界壓力下工質(zhì)的熱物理特性，控制輻射區(qū)水冷壁的吸熱量，使大比熱容區(qū)避開(kāi)受熱最強(qiáng)的區(qū)域，是超臨界鍋爐機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行的關(guān)鍵。

（2）超臨界壓力下水冷壁管內(nèi)發(fā)生膜態(tài)沸騰主要是由于管內(nèi)壁附近的流體黏度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度等物性參數(shù)發(fā)生顯著變化而引起的。這些物性參數(shù)隨溫度的升高而劇烈下降，管中心的物流黏度大，而壁面處的流體黏度降低，由此產(chǎn)生黏度梯度，引起流體邊界層的層流化。同時(shí)，邊界層中的流體密度降低，產(chǎn)生浮力，促使紊流傳熱層流化。邊界層中的流體導(dǎo)熱系數(shù)降低，又使導(dǎo)熱性差的流體與管壁接觸，且壁面處的流體速度遠(yuǎn)低于管中心的流體速度，在熱負(fù)荷較大時(shí)就可能導(dǎo)致傳熱惡化[5-6]。相關(guān)研究結(jié)果表明：超臨界壓力下的傳熱惡化，還與熱負(fù)荷及工質(zhì)的質(zhì)量流速有關(guān)，傳熱惡化首先發(fā)生在管子的入口處，因此在任何負(fù)荷下都需要維持較高的質(zhì)量流速。

4 超超臨界技術(shù)的最新發(fā)展

根據(jù)朗肯循環(huán)的基本原理，蒸汽參數(shù)的高低直接影響熱力循環(huán)效率的高低，700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)與600℃超超臨界發(fā)電技術(shù)相比，其熱效率可提高至50%左右，每千瓦時(shí)煤耗可降低近70 g，二氧化碳排放減少14%。為此，歐盟、日本和美國(guó)均已制定長(zhǎng)期的700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)和設(shè)備發(fā)展計(jì)劃。國(guó)外700℃計(jì)劃研究如表1所示。

表1 各國(guó)計(jì)劃主要研究?jī)?nèi)容匯總 [7]

歐洲已于1998年啟動(dòng)了700℃等級(jí)超超臨界參數(shù)的 “AD700計(jì)劃”，目標(biāo)是2015年建成參數(shù)為35 MPa、700℃、720℃，利用降低汽輪機(jī)背壓和管道阻力、煙氣余熱回收、提高給水溫度等方法，將熱效率提高至53%的超超臨界示范電廠。德國(guó)Scholven電站進(jìn)行了全尺寸部件現(xiàn)場(chǎng)掛爐試驗(yàn)，試驗(yàn)部件包括新材料爐膛管屏、過(guò)熱器、安全閥、汽輪機(jī)進(jìn)氣閥。德國(guó)最大的能源公司E.ON魯爾燃?xì)夤緦?duì)建設(shè)AD700示范電站進(jìn)行了可行性研究，計(jì)劃建設(shè)容量為500 MW、一次再熱、采用螺旋盤(pán)管技術(shù)的直流鍋爐。但由于后壁部件和蒸汽管道材料CCA617的掛爐試驗(yàn)結(jié)果未達(dá)到要求，材料和造價(jià)的問(wèn)題無(wú)法解決，因此公司推遲了示范電站的建設(shè)，目前該建設(shè)計(jì)劃處于暫停狀態(tài)。

美國(guó)將其先進(jìn)超超臨界計(jì)劃 （AD760）的目標(biāo)定位在主蒸汽溫度700～760℃，熱效率達(dá)到50%，實(shí)現(xiàn)污染氣體零排放。美國(guó)已于2006年完成鍋爐材料方面的測(cè)試及其部件的加工，現(xiàn)階段正在進(jìn)行鍋爐部件的測(cè)試以及研究如何將全氧技術(shù)運(yùn)用到超超臨界技術(shù)中。2009年汽輪機(jī)的材料測(cè)試已經(jīng)初步完成，現(xiàn)階段正對(duì)轉(zhuǎn)子、氣缸和閥門(mén)材料的各方面性能進(jìn)行評(píng)估。目前美國(guó)AD760計(jì)劃未進(jìn)行關(guān)鍵部件現(xiàn)場(chǎng)的掛爐運(yùn)行試驗(yàn)。

日本的A-USC項(xiàng)目的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)700℃的燃煤發(fā)電技術(shù)。該項(xiàng)目的大規(guī)模開(kāi)發(fā)工作從2008年8月啟動(dòng)，此項(xiàng)目以目前的600℃等級(jí)的超超臨界機(jī)組為基礎(chǔ)，把主蒸汽溫度進(jìn)一步提升，采用二次再熱，并計(jì)劃采用生物質(zhì)混合燃燒和二氧化碳回收技術(shù)，從而減少二氧化碳的排放，把主蒸汽溫度提高100℃，全廠凈效率從現(xiàn)在的42%提高到46%～48%。日本A-USC項(xiàng)目發(fā)展的技術(shù)路線是：（1）總的參數(shù)目標(biāo)為700℃/720℃、700℃/750℃和未來(lái)的800℃，采用二次再熱方案。 （2）改造現(xiàn)有的大量超臨界機(jī)組，25 MPa壓力不變，采用700℃的一次再熱USC+A-USC的方案。

我國(guó) 《國(guó)家能源科技 “十二五”規(guī)劃 （2011-2015）》提出要掌握700℃超超臨界發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)，使火電機(jī)組的供電效率達(dá)到50%。該規(guī)劃還提出： “在2015年至2018年，開(kāi)展700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)示范工程建設(shè)，對(duì)700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)前期研究成果進(jìn)行驗(yàn)證?！?從上面可以看出，AD700與A-USA兩個(gè)計(jì)劃都將新型耐熱合金材料作為研發(fā)的關(guān)鍵內(nèi)容。從目前我國(guó)700℃計(jì)劃的研究結(jié)果看，與600℃計(jì)劃相比，700℃在發(fā)電裝備的布局上差別不大，真正的考驗(yàn)是材料，需要耐受更高溫度、更大壓力，而材料科學(xué)正是我國(guó)的短板。我國(guó)700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的研發(fā)比發(fā)達(dá)國(guó)家起步晚了十年。明確短板，才能把握方向。我國(guó)700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的技術(shù)路線是：通過(guò)借鑒國(guó)外700℃超超臨界機(jī)組技術(shù)開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，在我國(guó)600℃超超臨界機(jī)組研發(fā)應(yīng)用基礎(chǔ)上，構(gòu)建我國(guó)700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)平臺(tái)，自主開(kāi)發(fā)700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)，并形成生產(chǎn)能力。大致可分為五個(gè)步驟：第一步，研究提出700℃超超臨界機(jī)組的整體技術(shù)方案和主要設(shè)備設(shè)計(jì)方案；第二步，對(duì)高溫部件所用的材料進(jìn)行篩選、開(kāi)發(fā)、評(píng)定和優(yōu)化，確定我國(guó)700℃機(jī)組耐熱材料系列；第三步，開(kāi)發(fā)關(guān)鍵耐熱材料的生產(chǎn)技術(shù)和關(guān)鍵部件的制造技術(shù)，形成生產(chǎn)制造能力；第四步，建設(shè)驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行性能驗(yàn)證；第五步，建設(shè)700℃超超臨界示范工程，全面掌握700℃超超臨界燃煤發(fā)電的核心技術(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，我國(guó)僅用幾年時(shí)間就走過(guò)了發(fā)達(dá)國(guó)家十幾年走過(guò)的路程，與世界先進(jìn)水平的差距正逐步縮小，我國(guó)已是世界上燃煤火電裝機(jī)容量最大的國(guó)家。700℃超超臨界機(jī)組的發(fā)展對(duì)我國(guó)節(jié)能減排具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)，相信通過(guò)借鑒已有的成果和經(jīng)驗(yàn)，努力實(shí)現(xiàn)各方面的突破創(chuàng)新，一定會(huì)在700℃先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)上實(shí)現(xiàn)跨越式進(jìn)展。

[1] 國(guó)家700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟.國(guó)際700℃燃煤超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)進(jìn)展綜合報(bào)告 [R].2012.

[2] Jorgen Buggea,Sven Kjaer,Rudolph Blum.High efficiency coalfired powerplants developmentand perspectives[J].Energy， 2006， 31 （10）： 1437-1445.

[3] 朱寶田，苗遁金，雷兆團(tuán)，等.我國(guó)超超臨界機(jī)組技術(shù)參數(shù)與結(jié)構(gòu)選型的研究[J].熱力發(fā)電，2005（7）：1-6.

[4] 趙毅，馬劍民，梁昌乾，等.超臨界、超超臨界機(jī)組運(yùn)行安全性、可靠性分析[J].熱力發(fā)電，2013（2）：1-5.

[5] Ibsais A， Ajjarapu V.The role of automatic code differentiation in power systems analysis[J].IEEE Trans on Power Systems， 1997， 12(2)： 592-597.

[6] 楊小華，羅必雄，霍沛強(qiáng)，等.超超臨界1000 MW火力發(fā)電廠熱機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù) [M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2008： 238-245.

[7] 史進(jìn)淵，楊宇，孫慶，等.超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)研究的新進(jìn)展 [J].動(dòng)力工程，2003（2）：2252-2257.