700℃高效超超临界火力发电技术发展的概述

徐 炯， 周一工

（上海电气电站集团，上海201199）

随着全球温室效应的日益加剧以及煤炭等化石燃料的日渐紧缺，如何进一步提高燃煤电站效率，减少二氧化碳（CO2）排放成为全社会越来越关注且亟待解决的问题。

火力发电行业目前面临两方面的压力，一方面市场竞争的加剧需要降低发电成本，提高发电效率；另一方面社会对全球环境问题日益关注，要求电厂降低二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、CO2等的排放，满足环保要求。发展洁净煤发电技术是解决这些问题的关键，主要可以通过两个方法得以实现：其一是开发利用新的高效发电技术，如整体煤气化联合循环（Integrated Gasification Combined Cycle，IGCC）发电等；其二是基于常规的发电系统，提高机组的蒸汽参数，使机组达到超超临界（Ultra Supercritical，USC），发展高经济性、高效率的高参数大容量机组，到目前为止超超临界机组在国际上已相当普及。提高机组参数成为常规燃煤电站增效减排的重要途径，也是燃煤发电技术创新和产业升级换代的主要方向[1]。

目前以及将来一段时间内，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50、60年代投运的几台超超临界机组外，从20世纪90年代初到2011年为止全世界已新建超超临界机组超过100台，其参数还在不断地提高。现今超超临界百万等级汽轮机主要集中在中国、日本和欧洲市场。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。

从20世纪90年代起，日本、欧洲、美国在政府、各大公司的支持下已开始进行下一步更高参数超超临界技术的研发工作，将燃煤电厂的蒸汽初参数提高到700℃以上，同步采取大幅度提高初蒸汽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。

在我国，煤炭仍然是能源结构的基础，在我国整个电网中，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很长一段时期内难以改变，燃煤发电在创造优质清洁电力的同时，又产生大量的排放污染。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，2011年，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[2－3]。

1 700℃超高温技术在高效超超临界火力发电中的应用前景

截至2011年底，超超临界百万等级机组主要集中在中国、日本和欧洲市场，其参数状况如下。

进汽温度：我国已投运的百万等级超超临界汽轮机主汽温度以及再热温度均为600℃，日本主汽温度均达到600℃，再热温度最高为610℃；欧洲电厂主汽温度最高为600℃，再热温度为610℃。根据日本电厂的统计，这些高温机组的实际年均运行时间均达到8 200 h左右，我国百万等级超超临界汽轮机（西门子高中低模块）的强迫停机率仅有0.36%，可靠性高，表明超超临界电厂的整体技术已相当成熟，不论功率大小，所有机组均已采用580～600℃参数。

进汽压力：除东芝1989年有2台31 MPa，二次再热700 MW机组外，日本三家（东芝、日立、三菱）1990年以来所有机组均在25 MPa左右。欧洲在20世纪90年代有2台29 MPa压力，二次再热415 MW机组，西门子1998年后也有较高压力的业绩，但目前投运的大功率（包括1 025 MW）机组的进汽压力均不大于26.5 MPa。我国机组进汽压力为25～27 MPa，2008年投运的外高桥Ⅲ期汽机主蒸汽压力达到27 MPa。

采用先进铁素体材料的一次再热，25 MPa／600℃／600℃超超临界机组的热耗相比超临界参数24.2 MPa／566℃／566℃，降低幅度约为1.7%。高效超超临界700℃，35 MPa参数汽轮机机组的热耗将比在运行的超超临界的水平下降8.1%～10.7%，经济性提高的幅度是超超临界技术的5～6倍。

按我国燃煤超超临界电厂的平均供电煤耗297 g／k Wh为基准，高效超超临界机型替代最先进的超超临界机组，以燃煤发电量约3万亿度计算，预计年节约标准煤7 200～9 600万t，减小CO2排放约2～2.6亿t。700℃，35 MPa汽轮发电机组是保证我国国民经济持续发展，极具竞争力的新一代装备，具有巨大的节能减排效益及市场前景[4]。

2 国外高效超超临界计划

700℃高效超超临界燃煤发电技术的研发有助于提升火力发电主设备的设计和制造水平，提高发电效率，减少温室气体排放，带来巨大的经济和社会效益。国际社会均采用由政府协调的模式，组织电力用户、原材料供应商及设备制造公司联合开发，制定了长期的700℃高效超超临界发电技术发展计划。

截至2011年底，国际上正在进行的700℃高效超超临界研发计划主要集中在欧洲、日本和美国，分别为：

（1）欧洲700℃系列计划；

（2）日本的A—USC的9年计划（2008—2016年）；

（3）美国的 A—USC的15年计划（2001—2015年）。

欧洲700℃系列计划起始于1998年，是当时世界上第一个高效超超临界发展计划，以丹麦Elsam电力公司为主，联合了欧洲约45家研发单位参加，预计2015年完成示范电厂。日本的700℃计划起始于2008年，该计划名为A—USC9年计划，由日本国家材料研究所联合日本的电站设备、电力系统的制造厂，以及一些研究单位共同进行，预计2016年后完成产品设计开发。美国的700℃计划起始于2001年，由美国电力研究院和企业联合计划，预计2016年实现商业化目标。

各国的研发计划较为相似，均着重在材料研究，且提高蒸汽参数至700℃以上，以期大大提高电厂的热效率。材料方面的研究则主要以镍基耐热合金和奥氏体钢的铸、锻、焊接工艺等作为重点。

2.1 欧洲700℃高参数计划

欧洲的700℃发电技术研发始于1998年，发展过程如表1所示，大致可以分为3个阶段。

（1）基础研究阶段。主要包括机组概念设计、材料开发、材料性能测试、材料加工与检测技术等关键技术的研究。

（2）部件验证阶段。欧洲历来重视高温部件的现场验证研究，在700℃发电技术的研发过程中，已经建立了3个高温部件验证试验台，包括建立在丹麦Esbjerg电厂的过热器试验台、德国Scholven电厂机组的COMTES 700以及德国GKM的725℃试验台GKM HWT 725 I。

表1 欧洲700℃技术的发展过程

（3）在2012年与2013年分别在德国和意大利开展GKM HWTⅡ、ENCIO部件验证试验台，继续进行高温热部件验证；E.ON项目预计2018年以后在威廉港电厂建造一台700℃示范机组，容量为500 MW示范工程，2020年投入运行。

欧洲700℃技术最近几年的研究项目主要如下。

（1）COMTES 700研究项目

COMTES 700是建立在德国E.ON电力公司Scholven电厂F机组的高温部件试验台，主要验证水冷壁、过热器管、高压联箱、带高压旁路的蒸汽管道，与此同时还有一个COMTES 700 Turbine Valve的项目，主要验证高温阀门，两个项目最终同时在COMTES 700试验台进行，试验台的蒸汽流量为12 kg／s，出口蒸汽温度为700℃。

COMTES 700原计划是在示范电厂建设前的最后一次试验，主要目的是对实际电厂相应尺寸部件的制造、弯管、焊接工艺进行验证，积累所有部件特别是镍基合金锅炉管、管道和阀门的运行经验、材料的烟气腐蚀和蒸汽氧化行为、在线监测和在役检验技术。

（2）GKM HWT 725 I试验台项目

GKM HWT 725 I是欧洲第3个高温部件试验台，由德国独立资助，斯图加特大学材料试验所（MPA）设计和组织，主要目的是考核700℃电厂锅炉管的长期服役行为，包括母材、焊接接头以及弯头。参与单位包括 GKM 电厂、MPA、Alstom、VGB、En Eb等材料试验机构、检测机构、制造厂和电力企业，该研究项目于2008年开始启动，2010年10月开始正式运行。试验台蒸汽流量为0.33 kg／s，入口蒸汽为 16.65 MPa／530 ℃，出口蒸汽为15.6 MPa／725℃。

在安装前进行了大量的材料性能和工艺试验，如焊接工艺、蠕变试验、组织分析、滑动磨损试验等。试验台已经运行5 700 h。

（3）ENCIO项目

ENCIO项目是欧洲拟在意大利Enel电力公司Fusina电厂建立的高温部件验证平台。试验台试验材料包括617 B、617 B OCC、625、263、HIP 625、HIP 617 B、OCC（新材料以及COMTES 700中运行过的材料）。部件壁厚最大为150 mm，运行条件为静态载荷，采用不同的制造方法。

（4）NextGenPower项目

项目总体目标是开发、验证涂层和新材料在超超临界蒸汽参数下（对新电厂包括掺烧生物质）的适用性。对涂层还包括在现有电厂掺烧生物质的验证。该项目于2010年启动，项目周期为48个月。

700℃高效超超临界发电技术在欧洲从1998年开始，经过多年研究开发已经取得了较大进展，高温镍基合金材料A 617可用于锅炉小口径管，大口径管发现了焊缝开裂等技术问题，仍需进一步研发。由于技术和经济两方面的原因，欧洲至少要在2018年以后进行工程示范。

2.2 日本A—USC计划

2008年8 月，日本的 A—USC 9年（2008—2016年）发展计划正式启动，分为2008—2012年的锅炉管材、汽轮机转子汽缸及阀门工艺制造及3万h的试验研究；2010—2012年电厂设计；2013—2014年锅炉部件和小汽轮机的设计制造；2014—2016年锅炉部套及小汽轮机试验等4个阶段。开发的目标是2016年后A—USC产品可达到650 MW、35 MPa，700℃／720℃／720℃，发电效率46%的水平；2020年达到再热温度750℃（远期为800℃），发电效率目标48%的水平。

2.3 美国A—USC计划

美国也制定了一个高效超超临界开发计划。考虑到目前日本及欧洲的700℃，选定了更为先进的732℃／760℃参数。主要研究也分为2001—2006年的材料、2006—2007年的专题以及2008—2015年的示范电厂等3个阶段。其参数目标为37.9 MPa／732℃／760℃，发电效率目标为45%～47%。

高效超超临界正在加快密切结合工程的产业化步伐，争取尽快完成产品的技术准备，建立示范电厂。欧洲从1998年开始，经过多年研究开发已经取得较大进展，虽由于技术和经济两方面的原因，至少要在2018年以后才可能进行工程示范，但其已先后建立3个高温部件验证试验台，预计在接下来的两三年内，还将再建立两个试验台，继续对材料的加工工艺、老化机理分析、寿命评估等进行考核和积累经验。日本虽然起步比欧洲晚了10年，但其9年（2008—2016年）计划不仅要建成小容量的试验汽轮机，尽早推广应用，而且政府积极支持，在推广700℃高效超超临界发电技术上直追欧洲。美国也将700℃高效超超临界样机的预期时刻表定在2017年左右。

3 我国高效超超临界计划

中国一次能源的构成中煤炭占了近90%，在整个中国的电力结构中，火电占到了绝对多数。根据中电联2011年公布的数据，截至2010年底，中国的火电装机比例高达73.4%，而西方国家的比例大多在20%左右。并且中国是全球600℃超超临界燃煤发电机组运用最多的国家。

目前，我国已投运近80台600℃，压力超过25 MPa的超超临界机组。通过600℃超超临界机组的技术研发及工程实践，除锅炉、汽轮机部分高温材料及部分泵和阀门尚未实现国产化外，其他已基本形成了600℃超超临界机组整体设计、制造和运行能力，建立起了完整的设计体系，拥有了相应的先进制造设备及加工工艺。

我国超临界和超超临界发电技术比发达国家起步晚，但利用国内市场提供的巨大舞台，通过前期的技术转让以及后期立足自主开发，目前600℃超超临界发电建成机组占世界首位。拥有了先进水平的设计制造技术平台、全球600℃超超临界燃煤发电机组最多的设计运行经验，这些为我国700℃超超临界燃煤发电机组的发展奠定了良好的基础[5－6]。

4 我国发展700℃高效超超临界的技术瓶颈

根据700℃高效超超临界发电技术的难点及与国外差距，我国已初步拟定其技术发展路线（2010—2015年）。路线确定了目标参数：压力≥35 MPa、温度≥700℃、机组容量≥60万k W，并具体制定了研发初步进度，争取在“十二五”末建立示范电站。

高效超超临界机组相对超超临界机组蒸汽温度、压力参数的提高对电站关键部件材料带来了更高和更新的要求，尤其是材料的热强性能、抗高温腐蚀和氧化能力、冷加工和热加工性能等；因此，材料和制造技术成为发展先进机组的技术核心。

截至2011年底，已经在运营或在设计建设阶段的超超临界机组温度参数大多在566～610℃，压力则分为25 MPa、27 MPa和30～31 MPa 3个级别。新高温铁素体—马氏体9%～12%Cr材料已成功用于31 MPa，600℃／610℃参数。经过各高温高压部件近十多年的应用，该材料系列已相当成熟，并形成了标准的市场采购规范。对于高效超超临界技术，采用更高的蒸汽温度700℃以及更高的初蒸汽压力对材料提出了更苛刻的要求。

发达国家对先进的发电技术所需的材料均有相应的研究战略，对电站材料的蠕变、疲劳等长时性能研究也有长期规划，并建立了数据共享平台，积累了大量的材料性能数据，如在欧洲蠕变合作委员会（ECCC）和日本材料所的数据共享平台，多数常用材料的持久强度试验时间超过了10万h，最长的数据达到了20～30年。这些数据对机组的合理设计和安全可靠运行提供了坚实的材料技术支持。

我国的高温材料基础研究薄弱，缺乏自主产权的高温材料数据库，成为制约700℃超超临界发电技术发展的瓶颈。

材料的2大问题：① 如何按汽轮机使用间隔长的要求，选择现有的镍材料，包括补充长期高温性能试验基础上对材料的调整和优化工作；② 汽轮机部件大型化，对铸锻、焊接、热处理等工艺性能的研究，例如单个锻件的尺寸和重量达到8～10 t。根据汽轮机的强度要求，材料的长期高温性能以达到100 MPa为目标。长期性能试验（2万、3万到10万h）的代价非常大；上述材料在长期性能，以及锻件大型化基础上是否要进行成分的优化调整，例如日本对用于转子的617材料、螺栓的M 252材料都进行了微量元素的调整。调整必将增加了研究的周期及资金和人力投入；大型化铸锻件（阀门、转子锻件、汽缸）工艺、热处理规范的研究投入，以及实物的运行试验研究周期长、投入大。根据AD 700的报道仅这方面的投入费用达到近6 000万欧元。同时镍基高温合金的机械加工切削性能比较差，而汽轮机的转子和汽缸的结构形式复杂，必须经过大量的切削加工过程；因此，必须针对加工制造工艺进行相应的试验研究，建立合适的加工方法和加工参数，选择合适的加工制造设备厂，设计合适的加工切削刀具、切削工艺参数，设计制造装夹工具、质量检验工具等[7－9]。

由于电站耐热材料与影响国计民生的能源、环境两大重大问题均关系密切，有必要建立相应的研究和开发战略，通过加大材料研发的力度，加大试验研究装置的建设和研究力量的投入，同时不放弃向国外技术吸取经验的机会，通过参与国际研发项目，掌握新型耐热钢的特性，建立电站材料性能数据库与共享机制，并与国际数据平台合作，形成完整的材料技术支撑体系，促进高效超超临界等先进的火力发电技术在我国的发展。

5 结 语

开发700℃的高效超超临界火力发电技术对我国电力事业、环境保护具有十分重要的意义。机组的蒸汽参数是决定机组热经济性的重要因素，亚临界机组的供电效率一般在36%～38%，设计供电煤耗在340～320 g／k Wh左右；超临界机组供电效率为41%～43%；设计供电煤耗在300～286 g／k Wh左右；采用先进的700℃的高效超超临界火力发电机组，通过提高参数、优化系统可使供电效率达到46%以上，供电煤耗可进一步降低在250 g／k Wh以下；因此，700℃的高效超超临界火力发电机组对煤炭资源的节约具有相当的优越性。由于煤耗的降低，还大大降低粉尘、SO2、NOx及CO2等的排放量。

700℃的高效超超临界火力发电技术作为先进的超临界发电技术对煤炭资源的节约、发电机组的经济性以及环境改善都显示了相当的优越性。发展700℃的高效超超临界火力发电技术，可以满足新增机组、替换低效机组需求，有效地节约资源，改善环境污染，降低CO2排放，实现高层次的产业升级。

[1] 周荣灿.超超临界火电厂材料技术研究综述[C]／／林方略.中国科协2004年学术年会论文集.博鳌：中国科协2004年学术年会大会执委会，2004：19－25.

[2] 乌若思.超超临界发电技术研究与应用[J].中国电力，2006，39（6）：34－37.

[3] 陈听宽.超临界与超超临界锅炉技术的发展与研究[J].世界科技研究与发展，2005，27（12）：42－47.

[4] 赵 毓.超超临界机组在我国发展的必要性与可行性[J].锅炉制造，2005，198（12）：75－76.

[5] 孙 锐，赵 敏，秦 丰，等.推广应用600 MW超超临界机组的必要性和可行性研究[J].中国电力，2005，38（8）：37－40.

[6] 纪世东.发展超超临界发电机组若干技术问题探讨[J].电力设备，2003，4（6）：27－31.

[7] 陈仁杰.上海外高桥第三发电厂工程设计特点[J].电力勘测设计，2010，77（3）：34－38.

[8] 代百乾，张忠孝，王 婧.我国火力发电节煤和CO2／SO2减排潜力的探讨[J].节能技术，2008，26（2）：163－167.

[9] 姚豫龙.从外高桥电厂群的建设看燃煤电厂的节能减排之路[J].上海节能，2007，12（6）：1－3.