科技中国杂志

先进超超临界发电技术发展现状与趋势

来源:《科技中国》2018年第九期pp.14-17

日期:2018-09-19

  陈硕翼1,朱卫东1,张丽1,唐明生2,李建福3

  (1.科技部高技术研究发展中心;2.中国科学院理化技术研究所;3.北京鉴衡认证中心有限公司)

  火力发电技术一直以提升机组容量和蒸汽参数,进而提高机组热效率、降低污染物排放为目标。先进超超临界发电技术的核心优势就在于低碳、高效、清洁。本文对先进超超临界发电技术国内外发展现状与趋势进行了梳理分析,并提出了我国进一步发展重点和对策建议。

  一、关于先进超超临界发电技术

  超超临界发电技术是指燃煤电厂将水蒸汽压力、温度提高到超临界参数以上,实现大幅提高机组热效率、降低煤耗和污染物排放的技术。

  超超临界发电机组是指蒸汽压力25MPa、温度580℃以上的超高参数燃煤火力发电机组,俗称“超超临界发电机组”,其发电效率在43.8%~45.4%之间,远高于亚临界机组的37.5%。

  随着发电技术相关材料的进步,更高参数的630℃、760℃等级超超临界发电技术将成为下一代火力发电主力机组技术,其供电效率预计可达47%~53%,比目前最先进的600℃等级超超临界机组煤耗约可再降低40克标煤/千瓦时。

  先进超超临界发电技术是在镍铁基、镍基高温材料研发突破的基础上,进一步将蒸汽参数提高至630℃、760℃以上,供电效率可在50%以上,供电煤耗可达250克标煤/千瓦时以下,能够大幅度提高机组发电效率,降低煤耗及污染物、CO2等温室气体的排放。一台600MW等级的700℃先进超超临界机组,可比同容量600℃超超临界机组节约标准煤约14.3万吨/年,大气污染物减少14%左右(NOx、SOx),CO2减排约30万吨/年,具有十分显著的经济效益和生态效益。

  先进超超临界发电技术核心优势在于低碳、高效、清洁及技术的继承性,研发先进超超临界发电技术对能源结构以煤为主的我国来说,具有十分重要的现实意义和广阔的应用前景。

  二、国际发展现状与趋势

  超临界发电技术已走过近半个世纪的历程,目前从事超超临界技术研发的国家主要有美国、欧盟、日本、中国等。在材料工业发展的支持下,超超临界发电技术正朝着更高参数的技术方向前进,从现在的600℃等级向参数更高的630℃、700℃、780℃等级超超临界发电技术迈进。

  1. 美国

  美国是发展超临界火电机组最早的国家,目前拥有9台世界上最大的超临界机组,单机容量为1300MW。

  2001年,美国启动先进超超临界发电技术研发,目标是提高燃煤发电技术的清洁和竞争力,蒸汽参数比欧洲高,达到38.5MPa/760℃/760℃,机组净效率达到50%以上;在超临界循环流化床技术上,完成460MW超临界循环流化床锅炉机组商业运行后,正在进行550MW超临界循环流化床锅炉发电技术示范。

  美国2014年颁布《全面能源战略》等战略计划,将“科学与能源”确立为第一战略主题。该战略进一步强调提高能效和大力发展低碳技术作为美国能源创新的主题,提出形成从基础研究到最终市场解决方案的完整能源科技创新链条。美国政府承诺投入近60亿美元,研发提高新建电厂效率和CO2捕集能效,进而提升各类电厂能效以及降低CO2捕集能耗和投资成本。目前美国正在进行新一代(760℃)用于超超临界参数机组的锅炉材料研究计划,以开发温度和压力更高的燃煤发电机组。

  2. 欧盟

  欧洲1998年启动相关研究,研究内容比较系统、全面,目前约有60台超临界机组,其中具有代表性的超临界机组是德国Hessler电厂投运的700MW机组(蒸汽参数为30MPa/580℃/600℃),以及丹麦投运的2台411MW二次再热超超临界机组(29MPa/582℃/580℃/580℃),海水冷却情况下其热效率达到~47%。

  欧盟2011年底发布的《2050能源技术路线图》等战略计划中,突出可再生能源在能源供应中的主体地位,提出了智能电网、碳捕集与封存、核聚变以及能源效率等方向的发展思路。在高效燃煤发电技术方面,正积极开展700℃超超临界发电、大容量超超临界循环流化床发电等项目研究,已基本解决700℃超超临界发电技术相关材料的研发,正开展高温部件长周期验证试验,为工程示范提供验证数据,预计2020年前后建成700℃超超临界发电示范机组。

  3. 日本

  日本非常注重发电机组的效率,其超超临界技术采用的是引进、仿制、创新的技术路线,截至目前已有60多台超临界以上火力发电机组运行。

  日本超超临界二次再热机组以31MPa/538℃/552℃/566℃参数为主,1989年川越电站两台700MW机组(31MPa/566℃/566℃/566℃)投入运行,机组热效率达41%。

  2008年日本启动“先进的超超临界压力发电(A-USC)”(2008—2016)项目研究计划,计划以600℃超超临界机组为基础,由政府组织材料研究、电力及制造厂联合进行700℃超超临界装备研发,明确在2015年达到35MPa/700℃/720℃,2020年实现750℃/700℃超超临界产品的开发目标,可实现全厂净效率由42%提高到46~48%。日本虽然起步较晚,但以超超临界机组可靠性高、经济性好、技术发展快而跃居为超超临界机组先进国家,在700℃超超临界发电技术的高温材料开发已取得突破性进展。

  从国外先进国家以及我国的先进超超临界发电技术研发和技术布局来看,研究开发更高参数、更低污染物排放、燃料适应性更强的超超临界发电技术是火力发电技术的必然趋势,其目的始终围绕进一步提高运行发电效率、降低污染物排放。

  三、我国发展现状与水平

  十余年来,我国超超临界燃煤发电技术实现了跨越式发展,在600℃等级超超临界机组设计、运行等方面积累了丰富经验,整体上达到国际先进水平。

  在科技部和能源局的支持下,我国“十二五”期间相继开展了660MW超临界循环流化床锅炉技术、1000MW等级超超临界二次再热发电技术、700℃超超临界燃煤发电关键技术等研究,为进一步开发更高参数的630℃、700℃等级超超临界一次/二次再热发电技术奠定了良好基础。

  1. 总体技术水平

  在国家科技项目持续支持下,经过十余年的引进、消化、再创新,我国实现了超超临界燃煤发电技术的跨越式发展,整体上达到国际先进水平,很多技术已与国外同步,部分技术已经引领世界发展趋势。

  我国超超临界机组技术水平、发展速度、装机容量和机组数量均已跃居世界首位,600℃等级大容量超超临界发电机组已成为我国火力发电主力机组。截至2014年底,超超临界机组总装机超过1亿千瓦,是新建机组的主力机组,对优化火电行业结构、全面提高燃煤发电效率、减少污染物排放有重大贡献。

  2. 关键技术进展

  清华大学、中国科学院、西安热工研究院、浙江大学等主要科研单位、煤炭燃烧相关重点实验室和工程中心,以及大量企业进行了煤炭高效发电技术研发,代表性企业包括五大电力公司、神华集团和三大电气集团等电力企业和制造企业,基本形成科研、技术开发示范及产业化应用的研发链和产业链,在600MW等级超超临界循环流化床锅炉技术、630℃超超临界二次再热发电技术、700℃超超临界发电关键技术等先进超超临界发电技术上开展了大量研究工作,为我国先进超超临界发电技术发展提供了有力支撑。

  国内企业、高校、科研院所共同攻关,开发成功了具有自主知识产权的600~1000MW等级超超临界空冷机组发电技术,打破国外技术垄断;自主研发成功600MW等级大型空冷机组,建成世界首座1000MW等级超超临界空冷机组,目前空冷系统机组总装机达6600万千瓦,满足了煤电布局要求,年节水达11亿吨。

  自主研发了600~1000MW等级超超临界二次再热发电技术,完成我国首台套1000MW等级二次再热超超临界机组的工程示范,发电效率达47.82%,发电煤耗256.8克/千瓦时,发电效率和发电煤耗均达到世界领先水平,超超临界二次再热发电机组已成为我国新建600~1000MW等级火力发电机组的首选技术。

  建成了我国第一套250MW IGCC示范电站,设计发电效率达到41%(LHV),实现了我国IGCC发电技术零的突破。

  循环流化床(CFB)锅炉技术开发与工业应用已基本成熟,完成了300MW等级燃劣质燃料机组的自主研制和产业化应用,在此基础上完成世界最大的600MW超临界循环流化床锅炉机组开发,并在四川白马投入商业运行,达到世界领先水平。

  开展了700℃超超临界发电技术基础性研究,成立了700℃发电产业联盟,整合国内科研和生产力量,针对700℃超超临界发电相关材料、设计、工艺制造等关键技术,开展了总体方案设计、关键材料、锅炉关键技术、关键部件验证试验平台与电站建设的工程可行性等研究。2016年我国首个700℃超超临界发电关键部件验证试验平台在华能南京热电厂建成并投运,目前正开展相关材料和高温热部件的长时间验证试验。我国700℃超超临界燃煤发电技术研究开发工作已经取得重要阶段性成果,但由于起步太晚,大量研究工作才刚刚开始,与国外相比仍存在较大差距。

  四、我国进一步发展重点及对策建议

  1. 发展重点

  经过十余年的快速发展,我国超超临界发电技术取得了一定成就,掌握了丰富的超超临界锅炉设计、制造、运行经验,燃煤发电技术已大大缩短与国外发达国家的差距,整体达到世界先进水平,某些技术已达到国际领先水平,并已成为世界上超超临界机组装机容量最多的国家。

  随着我国经济增速下降进入新常态和能源供给侧调整,能源消费增长呈现减速换档的趋势,能源正从粗放型利用向精细化发展。我国以煤为主的能源结构决定了必须不断发展更高效率、更高参数的超临界燃煤发电技术。

  在更高参数的超临界燃煤发电技术上,我国起步较晚,在高温热部件、锅炉设计与制造技术、汽轮机设计与制造技术、辅机技术和热力系统优化技术等方面还需进一步研究与优化。

  为此,我国应在现有技术基础上,加快630℃超超临界发电一/二次再热技术、600MW等级大容量超超临界循环流化床发电技术、700℃等级超超临界发电技术等先进超超临界发电技术的关键技术突破与工程示范,实现超高参数燃煤发电机组规模化、产业化运行,大幅降低我国火电机组平均供电煤耗,实现煤炭的高效、清洁利用。

  同时,考虑到我国电网可再生能源比例的增加,以及目前发电机组负荷变得较大的实际情况,应进一步开发适合调峰的高参数、灵活燃煤发电机组技术,如先进高效清洁灵活一次/二次再热燃烧发电技术等。

  另外,我国煤种多种多样,动力用煤煤质特性参差不齐,提高燃煤发电机组的煤种适应性,也将成为我国未来燃煤发电技术的重要发展方向,如:适合燃用劣质煤种的大容量超临界循环流化床锅炉发电技术、准东高碱煤发电技术等。

  2. 对策建议

  为保障我国超超临界发电技术持续进步和领先,建议:

  一是加强基础材料研究,开发成套技术。在已有基础上,加快组织各方力量,瞄准国际最先进目标开展联合攻关,加快超超临界发电技术高温材料的研制,开发630℃超超临界二次再热技术、650℃/700℃超超临界发电技术。

  二是适应能源特性变化,开发针对性机组技术。结合我国具体国情,开发适合我国电网需求的大容量、高参数灵活调峰下一代超超临界发电机组技术。结合我国动力用煤煤质特性,研究提高燃煤发电机组的煤种适应性技术。

  三是推进污染物防治,强化机组洁净化发电技术。开展现有机组NOx、SO2、汞、SO3等污染物生成与排放规律研究,分析不同污染物的影响因素,研究提出相应的污染物控制方案,通过改造现有机组和设计新建机组,实现燃煤发电的超低排放。

  本报告为科技创新战略研究专项项目“重点科技领域发展热点跟踪研究”(编号:ZLY2015072)研究成果之一。上海交通大学张忠孝教授、清华大学吕俊复教授参与了本研究。

  本文特约编辑:姜念云