超超临界燃煤发电技术的研发和应用

2007年度国家科学技术进步奖一等奖。 2100433B

主要完成人：张晓鲁，金浪川，杨仲明，王为民，董建勋，刘国跃，李光华，苗迺金，王建录，朱宝田，陈仁杰，纪世东，陈力华，黄 瓯，于遂影

主要完成单位：中国华能集团公司，中国电力投资集团公司，哈尔滨锅炉厂有限责任公司，东方电气集团东方汽轮机有限公司，上海电气集团总公司，华能国际电力股份有限公司，国家电站燃烧工程技术研究中心，西安热工研究院有限公司，中国电力工程顾问集团华东电力设计院

超超临界发电技术从热力学的角度上讲其本质还是超临界技术，只是日本人将蒸汽压力在26MPa以上的机组均划分为超超临界机组，由此得名。

1 我国发展超超临界机组的必要性

按照国家制订的2020年电力发展规划，我国发电装机容量将从目前的4亿千瓦增加到2020年9亿千瓦，其中燃煤机组将达到5.8亿千瓦。

2003年，全国二氧化硫排放总量达到2100多万吨，其中燃煤电厂二氧化硫排放约占全国排放总量的46%。我国酸雨pH值小于5.6的城市面积占全国的70.6%。随着燃煤装机总量的增加，我国将面临严峻的经济与资源、环境与发展的挑战。提高燃煤机组的效率、减少总用煤量、降低污染物排放是当前我国火电结构调整，实现可持续发展的重要任务。

目前我国电力工业装机中高效、清洁的火电机组比例偏低，结构性矛盾突出。2002年，火电机组中30万千瓦及以上机组占41.7%，20万千瓦以下机组占42.5%，超临界机组只占2.38%。洁净煤发电、核电、大型超（超）临界机组、大型燃气轮机技术开发、设备生产刚刚起步。全国火电平均供电煤耗383g/kWh，比世界先进水平高出60g/kWh。因此迫切需要在近期研制出新一代燃煤发电设备来装备电力工业。

新一代发电设备应具备可靠、大型、高效、清洁、投资低等性能；能够替代现有的300MW和600MW亚临界机组，成为装备电力工业的主流机型；同时国内设备制造企业经过努力后能够具备生产能力，能够形成规模生产和市场竞争局面。

分析国际上燃煤发电技术的发展趋势，将采用两种技术路线来提高效率和降低排放。其一是利用煤化工中已经成熟的煤气化技术，集成蒸汽燃气联合循环技术实现高效清洁发电，其代表技术为IGCC。此技术提高能效的前景很好，但因系统相对复杂而造成投资偏高的问题需要解决。目前正在烟台电厂建设一台300或400MW等级的IGCC示范机组，为今后的发展作好技术储备。另一个发展方向是通过提高常规发电机组的蒸汽参数来提高效率，即超临界机组和超超临界机组。超超临界机组在发达国家已经实现了大容量、大批量生产。通过努力我国可以较快实现国产化能力，降低设备成本。

如果我国600MW等级的燃煤机组采用超超临界技术，供电煤耗278g/kWh，比同容量亚临界机组的煤耗减少30克/kWh，按年运行5500小时计算，一台600MW超超临界机组可比同容量亚临界机组节约标煤6万吨/年，同时SO2、氮氧化物、粉尘等污染物以及CO2排放将大大减少。采用超超临界燃煤发电技术对于节约资源消耗、保护环境、实现可持续发展具有重要意义。

2 国外超超临界机组的技术指标

超超临界机组蒸汽参数愈高，热效率也随之提高。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1MPa，机组的热耗率就可下降0.13%～0.15%；主蒸汽温度每提高10℃，机组的热耗率就可下降0.25～0.30%；再热蒸汽温度每提高10℃，机组的热耗率就可下降0.15%～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1.4%～1.6%。

亚临界机组的典型参数为16.7MPa/538℃/538℃，其发电效率约为38%。超临界机组的主蒸汽压力通常为24MPa左右，主蒸汽和再热蒸汽温度为538～560℃；超临界机组的典型参数为24.1MPa/538℃/538℃，对应的发电效率约为41%。超超临界机组的主蒸汽压力为25～31MPa，主蒸汽和再热蒸汽温度为580～610℃。

超临界机组的热效率比亚临界机组的高2%～3%左右，而超超临界机组的热效率比超临界机组的高4%左右。

目前，美国投运的超临界机组大约为170台，其中燃煤机组占70%以上。前苏联300MW及以上容量机组全部采用超临界参数。至1988年已有近200台超临界机组投入运行，全国35%电力由超临界机组供给。

日本的超临界机组共有100多台，总容量为超过5760万千瓦，占火电机组容量的61%，45万千瓦及以上的机组全部采用超临界参数，而且在提高参数方面做了很多工作，最高压力为31MPa，最高温度已达到600/600°C。

丹麦史密斯公司研究开发的前2台超超临界机组，容量为400MW，过热蒸汽出口压力为29MPa，二次中间再热、过热蒸汽和再热汽温为582/580/580℃，机组效率为47%，机组净效率达45%（采用海水冷却，汽轮机的背压为26kPa）；后开发了参数为30.5MPa，582/600℃、容量为400MW的超超临界机组，该机组采用一次中间再热，机组设计效率为49%。

德国西门子公司20世纪末设计的超超临界机组，容量在400～1000MW范围内，蒸汽参数为27.5MPa, 589/600℃，机组净效率在45%以上。

欧洲正在执行“先进煤粉电厂（700℃）”的计划，即在未来的15年内开发出蒸汽温度高达700℃的超超临界机组，主要目标有两个： 使煤粉电厂净效率由47%提高到55%（采用低温海水冷却）或52%（对内陆地区和冷却塔）；降低燃煤电厂的投资价格。美国和日本也将蒸汽温度为700℃的超超临界机组作为进一步的发展目标。

可见，国际上超超临界机组的参数已经达到27～32Mpa左右，蒸汽温度为566～600℃，热效率可以达到42～45%。国外机组的可靠性数据，表明了超超临界机组可以同样实现高的可靠性。我国石洞口二厂两台60万千瓦超临界机组的可用率就高达90%以上，高于其它一些同容量亚临界机组。从环保措施看，国外的超超临界机组都加装了锅炉尾部烟气脱硫、脱硝和高效除尘装置，可以实现较低的排放，满足严格的排放标准。例如日本的超超临界机组的排放指标可以达到SO2 70 mg/Nm3；NOx 30 mg/Nm3；粉尘5 mg/Nm3。可见，超超临界燃煤机组甚至可以与燃用天然气、石油等机组一样实现清洁的发电。 目前中国有玉环电厂、外高桥三厂、宁海国华二期、北仑电厂三期、嘉兴电厂三期，以及漕泾电厂等多个2*1000MW超超临界燃煤机组已建成或在建。600MW和1000MW超临界机组将成为我国今后10年内带电网基本负荷的主力发电机组。

蒸汽温度的提高使P91、S304H、P122、HR3C等许多高温合金钢被大量使用。

与其余几种洁净煤发电技术相比，超超临界机组技术具有继承性好，容易实现大型化的特点，在机组的可靠性、可用率、热机动性、机组寿命等方面已经可以和亚临界机组媲美，已经有了较多的商业运行经验。2100433B

中文名称：超临界燃煤发电技术

定义：燃煤电厂在高温运作时，采用先进的蒸汽循环以实现更高的热效率和比传统燃煤电厂更少的气体排放

超超临界机组的技术继承性和可行性最高，同时高效超超临界发电具有最高的效率和最低的建设成本，具有最优性价比。除了20世纪五六十年代投运的几台超超临界机组外， 从90年代初到全世界已经新建超超临界机组超过100台，其参数还在不断提高。提高参数，进一步提高经济性，降低价格性能比，降低单位能量的排放是现今火电汽轮机的发展方向。

日本、欧洲及美国正在政府和各大公司的支持下进行下一步更高参数超超临界技术的研发，将燃煤电厂的蒸汽初参数提高到700℃以上，同步采取大幅提高蒸汽初压力以及二次再热循环技术，大幅度地提高电厂热能利用率。

煤炭仍然是我国能源结构的基础，在整个电网中燃煤火力发电占70%以上，电力工业以燃煤发电为主的格局在相当长一段时期内难以改变。

燃煤发电在创造优质电力的同时，也造成了大量的排放污染。因而在我国发展700℃高效超超临界燃煤发电技术具有更为重要的战略意义。科技部已经把“700℃以上高参数超超临界发电”列入新技术发展及产业化领域2012年度国家科技计划，国家能源局已经成立“700℃超超临界发电”联盟，计划2015年建立示范电厂 。