陳碩翼1，朱衛(wèi)東1，張麗1，唐明生2，李建福3

　　(1.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所;3.北京鑒衡認(rèn)證中心有限公司)

　　火力發(fā)電技術(shù)一直以提升機(jī)組容量和蒸汽參數(shù)，進(jìn)而提高機(jī)組熱效率、降低污染物排放為目標(biāo)。先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)就在于低碳、高效、清潔。本文對(duì)先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)進(jìn)行了梳理分析，并提出了我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展重點(diǎn)和對(duì)策建議。

　　一、關(guān)于先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)

　　超超臨界發(fā)電技術(shù)是指燃煤電廠將水蒸汽壓力、溫度提高到超臨界參數(shù)以上，實(shí)現(xiàn)大幅提高機(jī)組熱效率、降低煤耗和污染物排放的技術(shù)。

　　超超臨界發(fā)電機(jī)組是指蒸汽壓力25MPa、溫度580℃以上的超高參數(shù)燃煤火力發(fā)電機(jī)組，俗稱(chēng)“超超臨界發(fā)電機(jī)組”，其發(fā)電效率在43.8%～45.4%之間，遠(yuǎn)高于亞臨界機(jī)組的37.5%。

　　隨著發(fā)電技術(shù)相關(guān)材料的進(jìn)步，更高參數(shù)的630℃、760℃等級(jí)超超臨界發(fā)電技術(shù)將成為下一代火力發(fā)電主力機(jī)組技術(shù)，其供電效率預(yù)計(jì)可達(dá)47%～53%，比目前最先進(jìn)的600℃等級(jí)超超臨界機(jī)組煤耗約可再降低40克標(biāo)煤/千瓦時(shí)。

　　先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)是在鎳鐵基、鎳基高溫材料研發(fā)突破的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將蒸汽參數(shù)提高至630℃、760℃以上，供電效率可在50%以上，供電煤耗可達(dá)250克標(biāo)煤/千瓦時(shí)以下，能夠大幅度提高機(jī)組發(fā)電效率，降低煤耗及污染物、CO2等溫室氣體的排放。一臺(tái)600MW等級(jí)的700℃先進(jìn)超超臨界機(jī)組，可比同容量600℃超超臨界機(jī)組節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約14.3萬(wàn)噸/年，大氣污染物減少14%左右(NOx、SOx)，CO2減排約30萬(wàn)噸/年，具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

　　先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)核心優(yōu)勢(shì)在于低碳、高效、清潔及技術(shù)的繼承性，研發(fā)先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)對(duì)能源結(jié)構(gòu)以煤為主的我國(guó)來(lái)說(shuō)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

　　二、國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

　　超臨界發(fā)電技術(shù)已走過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的歷程，目前從事超超臨界技術(shù)研發(fā)的國(guó)家主要有美國(guó)、歐盟、日本、中國(guó)等。在材料工業(yè)發(fā)展的支持下，超超臨界發(fā)電技術(shù)正朝著更高參數(shù)的技術(shù)方向前進(jìn)，從現(xiàn)在的600℃等級(jí)向參數(shù)更高的630℃、700℃、780℃等級(jí)超超臨界發(fā)電技術(shù)邁進(jìn)。

　　1. 美國(guó)

　　美國(guó)是發(fā)展超臨界火電機(jī)組最早的國(guó)家，目前擁有9臺(tái)世界上最大的超臨界機(jī)組，單機(jī)容量為1300MW。

　　2001年，美國(guó)啟動(dòng)先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)，目標(biāo)是提高燃煤發(fā)電技術(shù)的清潔和競(jìng)爭(zhēng)力，蒸汽參數(shù)比歐洲高，達(dá)到38.5MPa/760℃/760℃，機(jī)組凈效率達(dá)到50%以上;在超臨界循環(huán)流化床技術(shù)上，完成460MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組商業(yè)運(yùn)行后，正在進(jìn)行550MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電技術(shù)示范。

　　美國(guó)2014年頒布《全面能源戰(zhàn)略》等戰(zhàn)略計(jì)劃，將“科學(xué)與能源”確立為第一戰(zhàn)略主題。該戰(zhàn)略進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)提高能效和大力發(fā)展低碳技術(shù)作為美國(guó)能源創(chuàng)新的主題，提出形成從基礎(chǔ)研究到最終市場(chǎng)解決方案的完整能源科技創(chuàng)新鏈條。美國(guó)政府承諾投入近60億美元，研發(fā)提高新建電廠效率和CO2捕集能效，進(jìn)而提升各類(lèi)電廠能效以及降低CO2捕集能耗和投資成本。目前美國(guó)正在進(jìn)行新一代(760℃)用于超超臨界參數(shù)機(jī)組的鍋爐材料研究計(jì)劃，以開(kāi)發(fā)溫度和壓力更高的燃煤發(fā)電機(jī)組。

　　2. 歐盟

　　歐洲1998年啟動(dòng)相關(guān)研究，研究?jī)?nèi)容比較系統(tǒng)、全面，目前約有60臺(tái)超臨界機(jī)組，其中具有代表性的超臨界機(jī)組是德國(guó)Hessler電廠投運(yùn)的700MW機(jī)組(蒸汽參數(shù)為30MPa/580℃/600℃)，以及丹麥投運(yùn)的2臺(tái)411MW二次再熱超超臨界機(jī)組(29MPa/582℃/580℃/580℃)，海水冷卻情況下其熱效率達(dá)到～47%。

　　歐盟2011年底發(fā)布的《2050能源技術(shù)路線圖》等戰(zhàn)略計(jì)劃中，突出可再生能源在能源供應(yīng)中的主體地位，提出了智能電網(wǎng)、碳捕集與封存、核聚變以及能源效率等方向的發(fā)展思路。在高效燃煤發(fā)電技術(shù)方面，正積極開(kāi)展700℃超超臨界發(fā)電、大容量超超臨界循環(huán)流化床發(fā)電等項(xiàng)目研究，已基本解決700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)相關(guān)材料的研發(fā)，正開(kāi)展高溫部件長(zhǎng)周期驗(yàn)證試驗(yàn)，為工程示范提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2020年前后建成700℃超超臨界發(fā)電示范機(jī)組。

　　3. 日本

　　日本非常注重發(fā)電機(jī)組的效率，其超超臨界技術(shù)采用的是引進(jìn)、仿制、創(chuàng)新的技術(shù)路線，截至目前已有60多臺(tái)超臨界以上火力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行。

　　日本超超臨界二次再熱機(jī)組以31MPa/538℃/552℃/566℃參數(shù)為主，1989年川越電站兩臺(tái)700MW機(jī)組(31MPa/566℃/566℃/566℃)投入運(yùn)行，機(jī)組熱效率達(dá)41%。

　　2008年日本啟動(dòng)“先進(jìn)的超超臨界壓力發(fā)電(A-USC)”(2008—2016)項(xiàng)目研究計(jì)劃，計(jì)劃以600℃超超臨界機(jī)組為基礎(chǔ)，由政府組織材料研究、電力及制造廠聯(lián)合進(jìn)行700℃超超臨界裝備研發(fā)，明確在2015年達(dá)到35MPa/700℃/720℃，2020年實(shí)現(xiàn)750℃/700℃超超臨界產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)全廠凈效率由42%提高到46～48%。日本雖然起步較晚，但以超超臨界機(jī)組可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好、技術(shù)發(fā)展快而躍居為超超臨界機(jī)組先進(jìn)國(guó)家，在700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)的高溫材料開(kāi)發(fā)已取得突破性進(jìn)展。

　　從國(guó)外先進(jìn)國(guó)家以及我國(guó)的先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)研發(fā)和技術(shù)布局來(lái)看，研究開(kāi)發(fā)更高參數(shù)、更低污染物排放、燃料適應(yīng)性更強(qiáng)的超超臨界發(fā)電技術(shù)是火力發(fā)電技術(shù)的必然趨勢(shì)，其目的始終圍繞進(jìn)一步提高運(yùn)行發(fā)電效率、降低污染物排放。

　　三、我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀與水平

　　十余年來(lái)，我國(guó)超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，在600℃等級(jí)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)、運(yùn)行等方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，整體上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

　　在科技部和能源局的支持下，我國(guó)“十二五”期間相繼開(kāi)展了660MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)、1000MW等級(jí)超超臨界二次再熱發(fā)電技術(shù)、700℃超超臨界燃煤發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)等研究，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更高參數(shù)的630℃、700℃等級(jí)超超臨界一次/二次再熱發(fā)電技術(shù)奠定了良好基礎(chǔ)。

　　1. 總體技術(shù)水平

　　在國(guó)家科技項(xiàng)目持續(xù)支持下，經(jīng)過(guò)十余年的引進(jìn)、消化、再創(chuàng)新，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的跨越式發(fā)展，整體上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，很多技術(shù)已與國(guó)外同步，部分技術(shù)已經(jīng)引領(lǐng)世界發(fā)展趨勢(shì)。

　　我國(guó)超超臨界機(jī)組技術(shù)水平、發(fā)展速度、裝機(jī)容量和機(jī)組數(shù)量均已躍居世界首位，600℃等級(jí)大容量超超臨界發(fā)電機(jī)組已成為我國(guó)火力發(fā)電主力機(jī)組。截至2014年底，超超臨界機(jī)組總裝機(jī)超過(guò)1億千瓦，是新建機(jī)組的主力機(jī)組，對(duì)優(yōu)化火電行業(yè)結(jié)構(gòu)、全面提高燃煤發(fā)電效率、減少污染物排放有重大貢獻(xiàn)。

　　2. 關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

　　清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、西安熱工研究院、浙江大學(xué)等主要科研單位、煤炭燃燒相關(guān)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和工程中心，以及大量企業(yè)進(jìn)行了煤炭高效發(fā)電技術(shù)研發(fā)，代表性企業(yè)包括五大電力公司、神華集團(tuán)和三大電氣集團(tuán)等電力企業(yè)和制造企業(yè)，基本形成科研、技術(shù)開(kāi)發(fā)示范及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的研發(fā)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，在600MW等級(jí)超超臨界循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)、630℃超超臨界二次再熱發(fā)電技術(shù)、700℃超超臨界發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)等先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)上開(kāi)展了大量研究工作，為我國(guó)先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展提供了有力支撐。

　　國(guó)內(nèi)企業(yè)、高校、科研院所共同攻關(guān)，開(kāi)發(fā)成功了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的600～1000MW等級(jí)超超臨界空冷機(jī)組發(fā)電技術(shù)，打破國(guó)外技術(shù)壟斷;自主研發(fā)成功600MW等級(jí)大型空冷機(jī)組，建成世界首座1000MW等級(jí)超超臨界空冷機(jī)組，目前空冷系統(tǒng)機(jī)組總裝機(jī)達(dá)6600萬(wàn)千瓦，滿足了煤電布局要求，年節(jié)水達(dá)11億噸。

　　自主研發(fā)了600～1000MW等級(jí)超超臨界二次再熱發(fā)電技術(shù)，完成我國(guó)首臺(tái)套1000MW等級(jí)二次再熱超超臨界機(jī)組的工程示范，發(fā)電效率達(dá)47.82%，發(fā)電煤耗256.8克/千瓦時(shí)，發(fā)電效率和發(fā)電煤耗均達(dá)到世界領(lǐng)先水平，超超臨界二次再熱發(fā)電機(jī)組已成為我國(guó)新建600～1000MW等級(jí)火力發(fā)電機(jī)組的首選技術(shù)。

　　建成了我國(guó)第一套250MW IGCC示范電站，設(shè)計(jì)發(fā)電效率達(dá)到41%(LHV)，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)IGCC發(fā)電技術(shù)零的突破。

　　循環(huán)流化床(CFB)鍋爐技術(shù)開(kāi)發(fā)與工業(yè)應(yīng)用已基本成熟，完成了300MW等級(jí)燃劣質(zhì)燃料機(jī)組的自主研制和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上完成世界最大的600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組開(kāi)發(fā)，并在四川白馬投入商業(yè)運(yùn)行，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

　　開(kāi)展了700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)基礎(chǔ)性研究，成立了700℃發(fā)電產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，整合國(guó)內(nèi)科研和生產(chǎn)力量，針對(duì)700℃超超臨界發(fā)電相關(guān)材料、設(shè)計(jì)、工藝制造等關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展了總體方案設(shè)計(jì)、關(guān)鍵材料、鍋爐關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵部件驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)與電站建設(shè)的工程可行性等研究。2016年我國(guó)首個(gè)700℃超超臨界發(fā)電關(guān)鍵部件驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)在華能南京熱電廠建成并投運(yùn)，目前正開(kāi)展相關(guān)材料和高溫?zé)岵考拈L(zhǎng)時(shí)間驗(yàn)證試驗(yàn)。我國(guó)700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)研究開(kāi)發(fā)工作已經(jīng)取得重要階段性成果，但由于起步太晚，大量研究工作才剛剛開(kāi)始，與國(guó)外相比仍存在較大差距。

　　四、我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展重點(diǎn)及對(duì)策建議

　　1. 發(fā)展重點(diǎn)

　　經(jīng)過(guò)十余年的快速發(fā)展，我國(guó)超超臨界發(fā)電技術(shù)取得了一定成就，掌握了豐富的超超臨界鍋爐設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，燃煤發(fā)電技術(shù)已大大縮短與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，整體達(dá)到世界先進(jìn)水平，某些技術(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，并已成為世界上超超臨界機(jī)組裝機(jī)容量最多的國(guó)家。

　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)增速下降進(jìn)入新常態(tài)和能源供給側(cè)調(diào)整，能源消費(fèi)增長(zhǎng)呈現(xiàn)減速換檔的趨勢(shì)，能源正從粗放型利用向精細(xì)化發(fā)展。我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)決定了必須不斷發(fā)展更高效率、更高參數(shù)的超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)。

　　在更高參數(shù)的超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)上，我國(guó)起步較晚，在高溫?zé)岵考?、鍋爐設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、汽輪機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、輔機(jī)技術(shù)和熱力系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)等方面還需進(jìn)一步研究與優(yōu)化。

　　為此，我國(guó)應(yīng)在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，加快630℃超超臨界發(fā)電一/二次再熱技術(shù)、600MW等級(jí)大容量超超臨界循環(huán)流化床發(fā)電技術(shù)、700℃等級(jí)超超臨界發(fā)電技術(shù)等先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)突破與工程示范，實(shí)現(xiàn)超高參數(shù)燃煤發(fā)電機(jī)組規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化運(yùn)行，大幅降低我國(guó)火電機(jī)組平均供電煤耗，實(shí)現(xiàn)煤炭的高效、清潔利用。

　　同時(shí)，考慮到我國(guó)電網(wǎng)可再生能源比例的增加，以及目前發(fā)電機(jī)組負(fù)荷變得較大的實(shí)際情況，應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)適合調(diào)峰的高參數(shù)、靈活燃煤發(fā)電機(jī)組技術(shù)，如先進(jìn)高效清潔靈活一次/二次再熱燃燒發(fā)電技術(shù)等。

　　另外，我國(guó)煤種多種多樣，動(dòng)力用煤煤質(zhì)特性參差不齊，提高燃煤發(fā)電機(jī)組的煤種適應(yīng)性，也將成為我國(guó)未來(lái)燃煤發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展方向，如：適合燃用劣質(zhì)煤種的大容量超臨界循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電技術(shù)、準(zhǔn)東高堿煤發(fā)電技術(shù)等。

　　2. 對(duì)策建議

　　為保障我國(guó)超超臨界發(fā)電技術(shù)持續(xù)進(jìn)步和領(lǐng)先，建議：

　　一是加強(qiáng)基礎(chǔ)材料研究，開(kāi)發(fā)成套技術(shù)。在已有基礎(chǔ)上，加快組織各方力量，瞄準(zhǔn)國(guó)際最先進(jìn)目標(biāo)開(kāi)展聯(lián)合攻關(guān)，加快超超臨界發(fā)電技術(shù)高溫材料的研制，開(kāi)發(fā)630℃超超臨界二次再熱技術(shù)、650℃/700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)。

　　二是適應(yīng)能源特性變化，開(kāi)發(fā)針對(duì)性機(jī)組技術(shù)。結(jié)合我國(guó)具體國(guó)情，開(kāi)發(fā)適合我國(guó)電網(wǎng)需求的大容量、高參數(shù)靈活調(diào)峰下一代超超臨界發(fā)電機(jī)組技術(shù)。結(jié)合我國(guó)動(dòng)力用煤煤質(zhì)特性，研究提高燃煤發(fā)電機(jī)組的煤種適應(yīng)性技術(shù)。

　　三是推進(jìn)污染物防治，強(qiáng)化機(jī)組潔凈化發(fā)電技術(shù)。開(kāi)展現(xiàn)有機(jī)組NOx、SO2、汞、SO3等污染物生成與排放規(guī)律研究，分析不同污染物的影響因素，研究提出相應(yīng)的污染物控制方案，通過(guò)改造現(xiàn)有機(jī)組和設(shè)計(jì)新建機(jī)組，實(shí)現(xiàn)燃煤發(fā)電的超低排放。

　　本報(bào)告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“重點(diǎn)科技領(lǐng)域發(fā)展熱點(diǎn)跟蹤研究”(編號(hào)：ZLY2015072)研究成果之一。上海交通大學(xué)張忠孝教授、清華大學(xué)呂俊復(fù)教授參與了本研究。

　　本文特約編輯：姜念云