超（超）临界发电技术综述

摘要

随着”十三五”规划的出台，电力行业在经济效益与节能环保双重标准下经受着严峻的考验。超（超）临界机组作为主要的清洁煤电技术之一，具有着比之前更广阔的应用前景。本文主要介绍了：1）大力发展超超临界机组的背景，更为严苛的环保和排放要求；2）它的发展历程，从国外国内两个角度展开，国外从欧、美、日三个国家介绍，国内从主要以华能近年投产的机组展开介绍；3）与亚临界机组相比在煤耗、碳排放、初投资、动态特征、负荷调节方面的优势；4）未来该技术主要的发展方向，大容量化、二次再热、更高的蒸汽参数。

关键词 超（超）临界发电技术 发展历程 主要优势 发展方向

1.背景

电力是关系国计民生的基础产业，电力供应和安全事关国家安全战略，事关经济社会发展全局，面临重要的发展机遇和挑战。国家提出了“节约、清洁、安全”的能源发展方针，为电力工业持续健康发展提供了根本遵循。

在“十三五”规划中，国家明确提出了在2015-2020年我国电力行业发展的主要目标。预期2020年全社会用电量6.8-7.2万亿千瓦时，年均增长3.6-4.8%，全国发电装机容量20亿千瓦，年均增长5.5%。人均装机突破1.4千瓦，人均用电量5000千瓦时左右，接近中等发达国家水平。城乡电气化水平明显提高，电能占终端能源消费比重达到27%。按照非化石能源消费比重达到15%的要求，到2020年，非化石能源发电装机达到7.7亿千瓦左右，比2015年增加2.5亿千瓦左右，占比约39%，提高4个百分点，发电量占比提高到31%；气电装机增加5000万千瓦，达到1.1亿千瓦以上，占比超过5%；煤电装机力争控制在11亿千瓦以内， 占比降至约55%。力争淘汰火电落后产能2000万千瓦以上。新建燃煤发电机组平均供电煤耗低于300克标煤/千瓦时，现役燃煤发电机组经改造平均供电煤耗低于310克标煤/千瓦时。火电机组二氧化硫和氮氧化物年排放总量均力争下降50%以上。30万千瓦级以上具备条件的燃煤机组全部实现超低排放，煤电机组二氧化碳排放强度下降到 865克/千瓦时左右。火电 厂废水排放达标率实现100%。电网综合线损率控制在6.5%以内^[1]。

另外国家积极促进煤电转型升级，加快新技术研发和推广应用，提高煤电发电效率及节能环保水平。全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造“提速扩围”工程，加大能耗高、污染重煤电机组改造和淘汰力度。

2.超（超）临界机组发展历程

由于我国新能源发电行业处于起步阶段，短时间内大幅度提高能效水平不太容易实现，因此为满足“十三五”规划电力行业发展目标，我国应大力发展洁净煤发电技术：超（超）临界机组、燃气-蒸汽联合循环、IGCC、增压流化床等。其中超（超）临界发电技术继承了常规蒸汽循环机组的特点，与其他几种先进燃煤发电技术相比，在技术成熟性、初投资、和大型化方面具有明显的优势。因此，超（超）临界发电技术已成为我国当前煤电技术发展的主流技术之一，它是实现超低排放和节能环保最为可靠的一个途径。

2.1 国外发展

上个世纪50年代开始，美国和德国是最早起步开始研究和应用的国家。当时的起步参数就是超超临界参数，但随后由于当时材料技术的问题，导致机组运行事故增多，从60年代后期开始美国超临界机组大规模发展时期所采用的参数均降低到常规超临界参数。直至80年代，美国超临界机组的参数基本稳定在这个水平。

经历初期超超临界参数后，从上个世纪80年代初期开始。由于材料技术的发展，尤其是锅炉和汽轮机材料性能的大幅度改进，及对电厂水化学方面的认识的深入，克服了早期超临界机组所遇到的可靠性问题。同时，美国对已投运的机组进行了大规模的优化及改造，可靠性和可用率指标已经达到甚至超过了相应的亚临界机组。通过改造实践，形成了新的结构和新的设计方法，大大提高了机组的经济性、可靠性、运行灵活性。其间,美国又将超临界技术转让给日本（GE向东芝、日立，西屋向三菱），联合进行了一系列新超临界电厂的开发设计。这样，超临界机组的市场逐步转移到了欧洲及日本，涌现出了一批新的超临界机组。

大约是从20世纪90年代开始进入了新一轮的发展阶段。这也是世界上超超临界机组快速发展的阶段，即在保证机组高可靠性、高可用率的前提下采用更高的蒸汽温度和压力。其主要原因在于国际上环保要求日益严格，同时新材料的开发成功和和常规超临界技术的成熟也为超超临界机组的发展提供了条件。主要以日本（三菱、东芝、日立）、欧洲（西门子、阿尔斯通）的技术为主。

2.2 国内发展

我国超（超）临界发电技术的研究和发展起始于20世纪80年代，电力部门采取与日本发展先进煤电技术相同的技术路线——引进、仿制、创新，先后进口了近20套300MW、500 MW、600 MW、800 MW和900 MW的超临界机组，在这里不一一赘述。我们可以通过研究华能集团的主要投产的大型机组大致反映我国超（超）临界机组技术发展历程。如表1所示，

表1 华能集团投产的主要超（超）临界机组

由华能集团近几年投产的超（超）临界机组，大概可以看出我国超（超）临界机组发展迅速，已经基本上实现了逐步国产化，蒸汽参数越来越高，单机容量也越来越大，尤其是安源电厂的机组采用二次再热技术，充分利用现有成熟材料，采用创新技术综合提效，在使机组效率明显提高的同时，显著降低温室气体和污染物排放，是目前世界上综合参数最高、热效率最好、应用新技术最多的火力发电科技创新成果。

3.超（超）临界机组与亚临界机组相比的优势

1）超（超）临界机组比亚临界机组二氧化碳排放量更少，能耗率更低。蒸汽参数很大程度上会影响火电厂的热效率，超临界机组相比同容量的亚临界机组在二氧化碳排放量方面会减少7%，煤耗降低3.8%；超超临界机组相比同容量的亚临界机组在二氧化碳排放量方面会减少10%，煤耗降低5.9%。其中，600 MW 的超超临界机组发电煤耗为285 g/kW·h，供电煤耗为299 g/kW·h；600 MW的超临界机组发电煤耗为292 g/kW·h，供电煤耗为306 g/kW·h；而 600 MW的亚临界机组发电煤耗达到每度301 g，供电煤耗达到318g/kW·h。节能减排方面，超（超）临界机组比亚临界机组具有很大优势。

2）超（超）临界机组比亚临界机组需要更高等级的金属材料，根据目前的市场价格，超（超）临界机组的锅炉造价比亚临界机组的锅炉造价会高出5%，加上一些汽轮机的价格变动，建设一个超（超）临界机组的投资费用大概会上涨2%左右。综合考虑电煤价格和超（超）临界机组供电效率高的因素，超（超）临界机组综合经济效益还是高于投资亚临界机组。

3）超（超）临界机组的动态特征相比亚临界机组的动态特征要复杂的多。超（超）临界机组蓄质量、蓄热量相对较小，在外界存在较大的扰动影响时，会引起超（超）临界机组内部的温度波动，严重时会出现爆管现象；超（超）临界机组一般采用变压运行，使得该机组具有很强的变参数和非线性特性，较亚临界机组难以控制；超（超）临界机组一般采用直流锅炉，因为缺少汽包的缓和，像负载控制回路、气温以及给水之间都存在很强的非线性耦合。由于上述特点，目前一些超（超）临界机组采取了更多的高性能的自动控制系统。

4）超（超）临界机组具有较好的负载调节能力。因为超（超）临界机组锅炉无汽包，因此变负荷性能较好，具有复合变压运行能力，可以适应电网调峰的要求。在低负荷时蒸汽比容大，运行良好，但要防止因为压力过低引起的流动不稳现象；在中间负荷范围内采取变压运行，可以保证较小的汽机热应力和较高的汽机内效率；在高负载运行时采用额定压力，这样就可以使机组具有良好的循环效率。因此超（超）临界机组就能无论在高负荷状态还是低负荷状态都能保持较高的效率。当然，若亚临界机组配备热工自动控制系统，也会具有较好的负载调节能力^[2]。

4.超（超）临界机组发展趋势

根据表1相关数据可以分析，超（超）临界机组发展趋势可以大概分为以下三个方向：大容量化、二次再热、更高的蒸汽参数。

4.1 机组单机容量大型化

增大单机容量是最有效地提高能效水平，降低煤耗的措施，由电厂已投产项目可以看出单机容量已经从350MW逐步提高到1036 MW，火电厂效率大幅度提高，并且在之后几年内，单机容量依然会继续提高，目前已经能达到1300 MW级别。

4.2 二次再热机组

二次再热技术是在一次再热基础上再增加一套再热系统，该技术也是提高机组效率的有效方法之一。在结构上，锅炉相应需要增加二次再热受热面，汽轮机相应增加超高压缸，设备相对复杂。其启动方式、调节方式等与一次再热相比均有较大变化^[3]。

华能莱芜电厂和华能安源电厂超超临界二次再热机组属国内首批建设的100万千瓦和66万千瓦级超超临界二次再热机组，且机组再热蒸汽参数将达到620℃的世界先进水平，在此之前，我国没有此类型机组的任何设计、调试、运行经验。为保证机组建成以及投运后的安全、可靠、环保、经济运行，充分发挥”二次再热”的节能效益，华能集团公司于2013年成立了二次再热机组应用技术研究领导小组，相继设立了10个课题进行研究，解决了二次再热机组安装、调试、运行等一系列关键技术难题，为机组的顺利建设和安全稳定运行提供了强有力的技术支撑。

二次再热机组在国内无现成设计和设备，缺乏施工和运行经验，华能集团公司为此开展了大量工作，破解了汽温调节、超厚壁合金钢焊接、机组启停及甩负荷、精细化运行等大量难题，安源电厂66万千瓦机组设计发电净效率达到45%，设计供电煤耗达到271克/千瓦时；莱芜电厂100万千瓦机组设计发电效率47.95%，供电煤耗256.2g克/千瓦时。在相同蒸汽参数条件下，二次再热机组的热效率比一次再热机组提高2%左右。

因此，发展二次再热机组效率提高显著，经济效益巨大，完全符合“十三五”电力行业发展要求，具有更好的发展势头。

4.3 700℃超（超）临界发电技术

目前超超临界机组最大发展瓶颈在于材料的限制。欧洲、美国和日本已经先后开始研究适用于大容量、高参数机组的材料。

欧盟于1998年开始研究700 ℃超超临界发电技术，其中包括AD700、COORETEC-TD1、MARCKO等一系列项目，已经基本解决了材料研发和性能考核等关键技术。预计2018年以后在德国Wilhelmshafen电厂建造1台蒸汽参数为35.0 MPa/700 ℃/720 ℃/720 ℃容量为500 MW的示范机组，该超超临界燃煤电站的净效率将大于50%，将于2020年投入运行。

美国研发超超临界机组高温材料的目标是开发出耐热温度为760～870 ℃的材料，研究基于A-USC电厂，该电厂的容量为750 MW，蒸汽参数为35 MPa/760 ℃/760 ℃。

日本政府2008年提出Cool Earth Program计划，其计划研究时间为9年，从2008年至2016年，其目标是使日本的A-USC能够达到实际应用的水平。A-USC的发展技术路线是:(1)总的参数目标为700 ℃/720 ℃、700 ℃/750 ℃以及将来800℃，采用二次再热方案；(2)改造现有的大量超临界机组，提出压力25MPa不变，仅仅采取700 ℃的一次再热USC+A-USC方案；(3)日本700 ℃ 超超临界机组的计划目标为发电效率48%，净效率46%^[4]。

5. 结语

由于我国一次能源结构和电力结构，煤电行业在最近几十年依然处于主导地位。为满足“十三五”超低排放和节能环保要求，发展超超临界发电机组是最有效的途径之一，该机组加上完善、先进的环保措施，是当代清洁发电技术的主要出路之一。因此，该发电技术具有着广阔的应用前景。

参考文献

[1] 国家发展改革委.电力发展“十三五”规划[EB/OL]. http://www.in-en.com/article/html/energy-2258461.shtml，2016.

[2] 于连海.超（超）临界机组节能减排技术分析[J].企业技术开发，2013,32（5）：120-121.

[3] 高昊天，范浩杰，董建聪,张忠孝.超超临界二次再热机组的发展[J].锅炉技术，2014,45（4）：3.

[4] 毛健雄.700℃超超临界机组高温材料研发的最新进展[J].电力建设，2013,34（8）：69-76.