超临界技术在印度电力领域的应用

文/印度电气电子制造商协会 发电系统部 P K Agarwal主席//中国电器工业协会 国际合作部 张爽 翻译

印度的能源需求在过去十年几乎翻倍，也没有迹象表明在今后十年印度的电能需求将会减弱。目前印度拥有世界第五大发电能力，同时又是世界上第六大能源消耗国家，约占全球能源总消耗的3.4%。

一、印度能源展望

采用先进技术提高燃煤机组的效率，实现节能减排，减少环境污染，一直是电力行业发展的最首要和紧迫的任务。在过去五年，印度成为全球发展最快的经济体之一，仅次于中国8%-9%的GDP发展速度。这也使印度有不断增长的电能需求，以维持其经济的快速增长势头。印度的能源需求在过去十年几乎翻倍，也没有迹象表明在今后十年印度的电能需求将会减弱。目前印度拥有世界第五大发电能力，同时又是世界上第六大能源消耗国家，约占全球能源总消耗的3.4%。

由于印度经济的快速发展，在过去30年，印度的能源需求量平均年增长率为3.6%。据最近报道，截止到2011年3月31日，印度总装机容量达173626 兆瓦。尽管印度总装机容量取得了令人瞩目的进展，但在总体需求上，我们仍然面临着10.3%的电力缺口，约7.5%的能源赤字。印度电力紧缺，电力需求的增长超过了发电量的增长。在许多城市停电事故仍然时有发生。印度农村甚至存在40%的电力缺口。随着农村电气化工作的深入开展，对电力的需求将进一步上升，印度需要更多的装机容量。随着印度8%至9%的高GDP增长，过快的城市化与日益繁荣对于电能需求已经大大超出现有的电能供应。对于发展中经济体来说，仅仅依靠降低能耗，不是可行的根本解决办法，尤其是当人均用电量已经低于世界平均水平的三分之一。因此，只有尽快增加现有的发电能力才能弥补这方面的需求，是填补电能供应缺口的唯一解决方案。

二、印度能源预测与印度装机容量增加计划

根据印度政府的能源政策，目前印度的总电力需求为173吉瓦（1吉瓦=10亿瓦特），2031-2032年需要增加到960吉瓦。印度政府不断努力，想要通过增加发电能力以满足经济飞速增长对电力的需求。每个五年计划预计都会实现一定水平装机容量的增加，这些目标是由中央、省以及私营电力部门的电源结构决定的。目前，煤炭仍然是印度占主导地位的燃料来源。中央电力部门为增加装机容量作了最大努力。印度政府在过去通常实现不了计划目标。“第十五计划”（2002-2007）目标是实现产能41000兆瓦，但实际只实现产能21000兆瓦。截至2012年3月31日，第十一五计划于2012年3月31日结束，但截至到2011年3月31日新增容量的目标78700兆瓦仅实现了34462兆瓦（44%）。因此，我们需要做得更多才能满足印度日益增长的电力缺口。

三、前进的道路

印度经济的快速增长需要越来越多的能源以满足国家的快速发展。因此，能源安全已经成为政府的一个核心焦点。虽然印度石油和天然气储量不是很丰富，但印度的煤炭储量很大，这也导致印度许多能源依赖进口。近年来，政府不断努力，力图使国家的能源结构多元化。然而，由于印度有限的能源储备以及对核电与水电项目带来环境问题的担忧而放缓。实际上，煤炭仍然是印度唯一丰富的能源来源，绝大多数人预计印度的能源储备还可以再支撑一个多世纪。煤炭仍然是印度在未来二十到三十年间的发电支柱。

印度发电行业一直被两大问题所困扰:发电能力增加步伐缓慢与发电机组的匮乏。首先是国家的设备制造能力不足以及无法确保燃料供应的问题；其次由于国内发电主要燃料来源-煤炭的灰分含量高，使用亚临界技术是相对低效的技术。发电容量的增加对印度的电力发展计划至关重要，印度政府只有克服一系列障碍，才能取得预期目标。发电机组的增加有助于实现发电规模、节约时间。使用更高效的技术如超临界技术来增加装机容量是唯一的出路。印度政府也清醒地认识到了这一点，正计划研发本土超临界技术及发展超大发电厂及超大超临界发电厂。

四、超临界技术

印度的燃煤发电占国内总装机容量的54%以上，占实际发电的80%以上，在印度电力行业起着举足轻重的作用。尽管煤炭是印度最为丰富的燃料来源，其储量也是有限的。最大化的利用此资源，减少导致全球气候变暖的二氧化碳排放量，实现更高的电能效率是非常必要的。超临界技术，就是这样一种技术。超临界技术正通过一系列超临界机组引入印度。2008年，印度政府决定由印度国家火电公司（NTPC）与印度拉古纳电厂（DVC）大幅招标超临界电厂，这些电厂单机容量通常是660兆瓦/800兆瓦。引进超大发电厂的主要目标之一是实现超临界技术的逐步本土化。有几家公司表示出兴趣想要在全国增加或设置超临界机组制造设施，包括BHEL（锅炉和汽轮发电机）、安萨尔多Caldie - GB（锅炉）、L&T-MHI（锅炉与汽轮发电机）、东芝-JSW（汽轮发电机）和阿尔斯通-巴拉特锻造公司（汽轮发电机）。

五、关于超临界技术

1、背景

1992年气候条约规定，发达国家对温室气体排放必须要承担责任，在应对气候变化中要起到带头作用，发展中国家在保护全球气候中也要发挥一定作用。1997年，“京都议定书”强制工业化国家承诺减少温室气体的排放量具有法律约束力。尽管发展中国家，包括印度和中国因为较低的人均排放以及不能承担转换清洁燃料的初始成本，没有承诺立即减排，但也面临这样的压力。中国与印度受到能源需求和燃煤发电来源的限制，预计两国将会成为世界主要的碳排放国。

2、什么是超临界？

“超临界”是热力学描述的一种物质状态，在超临界状态下，液态和气态没有明确区分。液、气两相呈平衡状态的点叫临界点，在临界点的温度和压力称为临界温度（Tc）和临界压力（Pc），当流体的温度和压力处于Tc和Pc之上时，流体就处于超临界状态（supercritical状态，简称SC 状态）。超临界流体的许多物理化学性质介于气体和液体之间，且具有两者的优点，如具有与液体相近的溶解能力和传热系数，具有与气体相近的黏度系数和扩散系数。超临界（SC）发电厂使温度和压力高于水的临界点，即温度（≈373摄氏度）以上，压力（≈221.4 kg/cm2），水的液态和气态共存，在这一临界点上水气和液态水没有差异，从而产生更高的效率。

燃煤发电厂热力过程中的“效率”描述的是循环中有多少热能被转化成为电能。一定能量输入，输出的电能越多，电能的效率就越高。如果周期能量输入保持不变，可通过升高水蒸汽循环压力与温度提高产能。由于超临界机组的设计、运行参数与煤原材料的不同，效率从37 - 45%不等，比亚临界机组的效率提高了约2-3个百分点。对典型的700兆瓦装置来说，30年内一个百分点效率的提高可以减少2.4%的燃料成本，从而有效减少使用量和二氧化碳排放量。印度现阶段燃煤发电技术主要以常规亚临界发电技术为主。据预测，通过建设超临界机组电厂，到2025年印度可明显减少二氧化碳排放量。

3、为什么要建超临界电站

超临界电厂运行会产生更高的效率，超临界电厂的发电效率高达45%，而且比传统的（亚临界）燃煤发电厂的碳排放量要低。超临界电厂使用锅炉/涡轮系统，运行温度为华氏560度以上，亚临界电厂的运行温度为535华氏度。超临界电厂的效率要远高于亚临界电厂的效率，会节省燃煤，降低碳排放。先进的超临界电厂的优势包括:降低燃料成本，提高工厂效率，显著减少二氧化碳排放量，电厂的成本比其他清洁燃煤技术要低。

可以大大减少氮氧化物、硫氧化物和微粒排放。可与生物质混烧，并且与二氧化碳捕捉技术相结合。拥有最佳污染控制技术的高效电厂将大大减少现有的污染水平，减少生产每兆瓦时的煤炭燃烧。印度现阶段最先进的超临界燃煤电厂的发电效率超过45%，除了提高发电效率，降低碳排放水平，超临界电厂还采用经过验证的碳排放控制技术减少氮氧化物排放量:通过结合使用低一氧化氮燃烧器和选择性催化还原技术，氮氧化物的排放量明显减少。减少氧化硫和二氧化硫排放:采用石膏湿法烟气脱硫（FGD）工艺流程捕捉硫氧化物和二氧化硫。石膏还可循环再利用为墙板、灰泥或化肥等产品。

4、超临界燃煤发电技术

想要大力发展新增发电装机容量，印度现有的国内发电能力就要得到提升和改善。基于上述原因，印度必须应用超临界技术。“十二五计划”中约60%的燃煤发电，“十三五计划”中100%燃煤发电将主要基于超临界燃煤发电技术。截至2012年初世界约有500多超临界机组已经得到应用。在印度，多数新的火力发电站都正计划实施560-590度超临界参数技术。截至2011年6月，印度660/700/800兆瓦超临界发电机组已获得50000兆瓦发电量订单。

六、超临界发电厂——更高效率、更可靠

1、运营问题

在欧洲、美国、日本、俄罗斯、中国、印度及其他一些国家，450多家电站中有超过600 超临界/超超临界（SC /USC）发电机组，功率从200兆瓦至1300兆瓦不等，而且正在规划建设大于330吉瓦的总装机容量。超临界/超超临界SC /USC因此也被视为是经过验证的、成熟的先进发电技术。

相比锅筒锅炉，直流锅炉并没有操作上的限制。事实上，直流锅炉比锅筒锅炉更适于负载的频繁变化，因为锅筒是壁厚的一个组成部分，需要控制加热，负荷变化率一般每分钟3%，而直流锅炉每分钟升压5%的负荷。这使得直流锅炉更适于快速启动及瞬变状态。

2、超临界燃煤电厂的生命周期费用

超临界电厂目前的安装成本设计只比亚临界电厂安装成本高出2%。但因为能提高效率、降低运营成本，而大大降低燃料成本。具体的每兆瓦（MW）安装成本费用随着工厂规模扩大而减小。印度政府提出把清洁煤（碳）技术作为应对气候变化的国家行动计划的第九项任务，发展电厂的超临界技术（ADV - USC）是其四项子任务之一，目标是印度本土发展和建设800兆瓦的ADV - USC示范电站。ADV - USC技术的主要优势是能效更高，每兆瓦时发电可以降低煤耗，并且减少碳二氧化物排放。

印度巴拉特重型电力设备有限公司（BHEL）正联合英迪拉甘地原子能研究中心（IGCAR）与印度国家火电公司（NTPC）共同开发800兆瓦超超临界电站项目，作为发展蒸汽参数300bar, 温度C /700度清洁煤（碳）技术的部分国家任务。该项目预计耗资约1000亿卢比。预计将超过目前超临界技术5%产能，将于2017年开发。通过这一行动，印度会加入发展此项技术的国家行列。

七、结论

新的煤粉燃烧系统利用超临界和超超临界技术，在更高的温度和压力下运行，比传统亚临界机组实现更高的效率，并显著减少二氧化碳排放。发电厂比以往任何时候都要更确保高效，并尽可能减少对环境的影响，这就需要实现蒸汽轮机及其他主要部件如锅炉、烟气净化设备的经济、有效以及水蒸气循环的优化。超临界发电厂可以满足平衡可靠电力供应、现有资源的可持续利用以及经济运行的所有需求。