700℃高效超超临界发电技术的研发现状及建议

王东雷

【摘 要】发展更大容量、更高参数和更高效率的发电机组，已经成为我国电力规划所明确的优先发展领域，具有明显的环保和经济效益，对我国节能减排和可持续发展具有重大意义。700℃高效超超临界发电技术即是新一代燃煤发电技术，为了推动700℃高效超超临界发电技术的发展，本文介绍了国外相关研发计划以供借鉴，分析了我国开展相关研究的优势，总结了我国700℃高效超超临界发电技术研发进展，并提出了3点建议：开发出具有自主知识产权的耐高温材料；对汽轮机和锅炉进行优化设计，尽量减少镍基高温材料用量和打破常规的电厂布置思路，使四大管道或六大管道的用量减到最少。

【关键词】700℃；超超临界；节能减排；研发现状

0 引言

近年来，随着国民经济的高速发展，社会用电量逐年稳步提升，全国发电装机数量平稳快速增长。截至2013年底，全国发电装机总量达12.47亿千瓦[1]，其中，火电装机量为8.6亿千瓦，占总装机量的69%，在电力生产中居于主导地位。尽管我国目前大力发展核电、水电、风电、太阳能发电等产业，但由于我国是以煤炭为主要一次能源的国家，在未来几十年的时期内，火电在我国电力生产中的主导地位依然无法改变。另一方面，由于SOx﹑NOx和CO2排放对人类及环境的损害与破坏不断加重，我国面临空前的环保压力。大力发展超超临界火电机组和对达不到节能标准的现役机组实施升级改造，已经成为我国电力管理部门及发电企业面临的重要课题。鉴于大型高参数机组，具有发电效率高，污染控制和技术推广容易，经济性和可靠性高等特点[2]，发展大规模、高效率、高参数发电机组，已经成为我国电力规划所明确的优先发展领域。 700℃高效超超临界发电技术即是新一代燃煤发电技术，其主要目标是将主蒸汽温度和再热蒸汽温度提高至700℃或更高，将主蒸汽压力提到至35MPa或以上，机组发电净效率提高至46%或以上，并减少CO2和其他污染物的排放[3-5]。根据黄瓯等人的经济得益计算，700℃高效超超临界发电技术的节能减排经济得益是现有600℃超超临界技术的6倍[6]，具有明显的环保和经济效益，对以煤炭为主要一次能源的我国来说具有特别重要的意义。

1 国外700℃高效超超临界发电技术研发计划

鉴于700℃高效超超临界发电技术在提高发电效率、减少污染物排放和提升装备制造水平方面的积极意义，世界主要国家开始采用政府协调的模式，组织电力用户、毛坯和原材料供应商和设备制造商共同研发700℃高效超超临界发电技术。目前，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，分别为欧盟AD700 17年计划（1998-2014）、日本A-USC 9年计划（2008-2016）和美国A-USC 15年计划（2001-2015）。

1.1 欧盟AD700 计划

AD700计划是欧盟于1998年启动的一项长达17年的计划，其主要目标是开发出蒸汽参数达37.5MPa/700℃/720℃左右的超超临界发电机组，将发电净效率提高至52%（内陆电厂，主要在欧洲南部和中部）～55%（沿海电厂，主要在欧洲北部），使CO2排放降低15%。该计划由丹麦ELSAM电力公司负责，组织欧盟45家公司共同完成。该计划要解决的主要问题是研发满足运行条件的成熟高温材料，并通过优化设计降低建造成本，并最终在欧洲建立一个参数为35MPa/700℃/720℃的示范电厂。

AD700计划分六个阶段实施，具体内容如下：

（1）第一阶段是可行性研究阶段，包括新材料开发和电厂设备改进设计两个方面。材料开发的目标是研发可以适用于700℃电厂运行的铁素体钢、奥氏体钢和镍基合金材料，材料的蠕变断裂应力目标为：铁素体管道材料为100MPa/650℃/105h、奥氏体管道材料为100MPa/700℃/105h和镍基合金管道材料为100MPa/750℃/105h。除考虑材料的蠕变性能外，还要使材料的抗氧化性能、抗腐蚀性能和加工焊接性能也满足相应部件的要求[7]。设备改进设计即是对锅炉、汽轮机和电厂布置进行优化设计，使整个电厂消耗的镍基合金材料量达到最少。

（2）第二阶段为准备阶段，包括以下研究内容：对第1阶段中开发的新材料进行示范和厂内试验、汽轮机部件原型制造和测试、初步部件设计、确定试验装置和所在电厂和制定商业计划。

（3）第三阶段为部件验证阶段， 也称COMTES700计划。主要任务是设计、制造并安装一套部件试验装置（CTF， Component Test Facility）。利用这套装置在实际电厂中对第1、2阶段开发的主要部件进行高温环境下的全尺寸示范试验，检验部件的材料耐高温性能及其加工制造质量。部件示范工作在德国E.ON公司Scholven电厂的F机组上进行，主要测试以下部件： 出口联箱、蒸发管、过热器、安全阀、旁路阀、汽轮机调节阀和高压管道。

（4）第四阶段、第五阶段和第六阶段分别为全尺寸电站示范、运行和反馈。2006年10月31日，德国E.ON公司宣布建造700℃的示范电厂，厂址选在德国北部的威廉港。2007年9月确定机组容量为508MW，2008年底完成设计，计划2010年开工建设，2014年投入运行。机组净效率为50%以上，发电煤耗小于246g/kW.h。但从2009年起未见有关该项目的官方报导，2010年的E.ON在建电厂列表也未见该项目。

在部件挂炉验证方面，欧洲除了实施COMTES700计划外，还实施了丹麦Esbjerg电厂的过热器试验项目、德国GKM电厂GKM HWT 725I项目、GKM HWT II项目、意大利ENCIO项目和NextGenPower项目[7-8]。

700℃高效超超临界发电技术在欧洲從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A617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原因，欧洲至少要在2018年以后才能开始工程示范[8]。

1.2 美国A-USC计划

美国高效超超临界研发计划选定参数为更为先进的732℃/760℃，主要分为3个阶段来实施：材料研发（2001年-2006年）、专题研究（2006年-2007年）和示范电厂（2008年-2015年）。该计划由美国政府和企业界合作开展，目标是开发蒸汽参数为35MPa /760℃的超超临界燃煤发电机组，发电效率达到46%～48%（HHV），SOx、NOx和CO2的排放减少约25%。目前，该计划也由于材料和经济性问题出现滞后，把高效超超临界样机的预期时刻表定在2017年左右[8]。

1.3 日本A-USC计划

2008年8月，日本的A-USC 9年计划正式启动，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3万小时试验研究；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。该计划开发目标是2016 年后A-USC 产品可达到650MW、35MPa/700℃/720℃/720℃、发电效率为46%的水平；2020年达到再热温度750℃（远期为800℃）、发电效率48%的水平[8]。日本高效超超临界发电技术研究进展较快，目前已经直追欧洲水平。

2 我国的700℃高效超超临界发电技术研发计划

2.1 我国开展700℃高效超超临界发电技术研发的优势

我国开展700℃高效超超临界发电技术研发的优势有以下3个方面。

第一方面，我国具备巨大的市场需求。截至2013年底，全国发电装机总量达12.47亿千瓦[1]，其中，火电装机量为8.6亿千瓦，占总装机量的69%，在电力生产中居于主导地位。未来一段时间，随着我国经济发展进入中高速的新常态阶段，电力需求会随着经济发展和人民生活水平的提高而稳步增长。由于我国是以煤炭为主要一次能源的国家，火电在我国电力生产中的主导地位无法改变，这就需要新建一批火电机组来满足电力需求。700℃高效超超临界发电技术具有很好环保和经济效益，在未来一定具有广阔的市场空间。

第二方面，我国具备雄厚的超超临界技术发展基础。近10年来，我国600MW和1000MW等级超超临界发电机组进入了快速发展时期，目前已是在建和投产超超临界机组最多的国家。上海外高桥第三发电厂1000MW机组2010年的实际供电煤耗降至279.39g/kW.h，成为世界上第一个冲破实际运行供电煤耗280 g/kW.h整数关口的电厂，达到世界最先进水平。目前超超临界机组除了少数材料和阀门需要进口外，已经完全实现国产化。通过超超临界机组的设计、制造、建设和运行，为我国培养了一批相关技术人才，为700℃高效超超临界发电技术的研发奠定了坚实的基础。

第三方面，我国具备良好的政策基础。近些年，随着经济快速发展，一些环境污染问题逐渐显现出来。我国政府为了调整产业结构和改善生态环境，对火电机组的要求越来越严格。目前，沿海地区新上火电机组全部要求达到“近零排放”。700℃高效超超临界发电技术由于提高了发电效率，可以从根本上降低污染物排放量，正是适应我国发展要求的新一代技术，必将得到政府的大力支持。

2.2 我国的700℃高效超超临界发电技术研发情况

2010年7月23日，国家能源局组织成立了“国家700℃超超临界燃煤发电技术创新联盟”，正式开展700℃高效超超临界发电技术研发工作。联盟设立理事会，下设秘书处和技术委员会。技术委员会下设置系统及工程方案组、锅炉组、汽轮机组和材料组，负责组织推进各项技术研发。目前，已经确定了我国700℃计划研发技术路线和总体研发计划，并细化形成总体方案设计、耐热合金研发、关键部件研制、试验验证平台建设和示范工程建设等五个分项计划，拟利用10年左右时间，全面掌握核心技术，建成我国700℃高效超超临界发电示范工程。初步确定我国700℃示范工程容量为600MW等级、35MPa/700℃/720℃、一次再热或者二次再热。最终方案和参数将根据研究进展和技术经济论证确定。

700℃高效超超临界发电技术研发的核心在于耐高温材料的研发。在材料开发方面，我国已经取得了一些进展。2012年6月1日，中国钢研科技集团有限公司（中国钢研）在北京组织召开了国家高技术研究发展计划（863计划）“先进超超临界火电机组关键锅炉管开发” 课题启动会。该课题的总体目标是研发600℃～700℃等级超超临界燃煤电站用P92、P122、G115/G112和CCA617等材料锅炉大口径管，新型奥氏体钢、GH2984等材料过热器和再热器小口径管，研究锅炉管焊接接头性能，形成上述关键锅炉管的自主化生产技术集成，为我国600℃～700℃等级超超临界燃煤电站示范工程建设奠定重要基础。G115/G112铁素体耐热钢是中国钢研研发的应用于650℃蒸汽参数的专利钢种，已开展了工业试制。GH2984耐热合金是中科院金属所自主研发的钢种，已在舰船锅炉上服役多年，表现出了良好的热强性。近年中科院金属所针对700℃等级超超临界燃煤电站应用环境，正在对其进行全面成分和工艺优化，并同时研发配套焊接材料，改进后的合金命名为GH2984G[9]。

耐高温材料是700℃高效超超临界发电技术的关键，其开发应用需要经过比较长的时间。为了稳步推进700℃高效超超临界发电技术的研发，可以在现有先进铁素体材料的基础上验证700℃机组的一些性能，例如增大机组容量、高效超超临界压力和二次再热。我国已经完成了世界上容量最大的高效超超临界机组（阳西5、6号机组）的初步设计工作，标志我国主辅机厂已经具备了相应的生产能力。其容量为1240MW，参数为28MPa/600℃/620℃。国电泰州二期1000MW機组是我国发展大容量高效超超临界技术的示范工程，目前，该工程已经获批并开工建设。机组容量为1000MW，参数为31MPa/600℃/610℃/610℃，发电效率将达47.94%，预计发电煤耗为256.2g/kW.h。

3 对我国700℃高效超超临界发电技术研发计划的建议

作为一名电力工业发展的参与人员，热切期盼我国700℃高效超超临界发电技术早日取得突破并应用于工程实践。为此，特提出以下几点建议，供相关研发人员参考。

（1）开发具有自主知识产权的耐高温材料，摆脱对国外技术的依赖。近些年，我国超超临界机组取得了长足发展，工程所需大部分设备和材料均可以实现国产化。但一些关键高温材料（如P91、P92、P22和15NiCuMoNb5-6-4等）和关键阀门（如重要调节阀和高温高压关断阀）还需要进口，其价格昂贵、生产周期长，严重影响我国超超临界机组的建设周期和经济性。因此，700℃高效超超临界发电技术研发一定要避免600℃超超临界机组的不足，开发出我国自己的材料系列。

（2）对汽轮机和锅炉进行优化设计，尽量减少镍基高温材料用量。对汽轮机中各部件进行优化计算，尽量减少相关部件尺寸和厚度，达到减少材料用量的目的。还可以通过开发新型冷却技术，使部件温度降低等级，即可以采用低等级的材料。对锅炉中各受热面进行合理布置，确定合理的工质流速，以减少高温材料的用量。

（3）打破常规的电厂布置思路，使四大管道或六大管道的用量减到最少。如可以考虑将汽轮发电机组和锅炉联箱出口尽量靠近，这样可以降低管道长度。汽轮发电机组和锅炉在水平靠近的同时，高度也需要抬高，这样对基座的设计也提出了新的要求。

4 结论

700℃高效超超临界发电技术是新一代燃煤发电技术，其主要目标是将主蒸汽温度和再热蒸汽温度提高至700℃或更高，将主蒸汽压力提到至35MPa或以上，机组发电净效率提高至46%或以上，并减少CO2和其他污染物的排放。

我国开展700℃高效超超临界发电技术研发具有3方面优势：巨大的市场需求、雄厚的超超临界技术发展基础和良好的政策基础。

我国已经在耐高温材料研究方面取得一些进展，G115/G112铁素体耐热钢是中国钢研研发的应用于650℃蒸汽参数的专利钢种，已开展了工业试制。GH2984耐热合金是中科院金属所自主研发的钢种，已在舰船锅炉上服役多年，表现出了良好的热强性。中科院金属所已经在GH2984的基础上开发适用于700℃机组的新材料GH2984G。我国已经在现有材料基础上将700℃示范机组的一些性能推向了工程应用，完成了1240MW、28MPa/600℃/620℃机组的初步设计，开工建设了1000MW、31MPa/600℃/610℃/610℃二次再热机组，发电效率将达47.94%，预计发电煤耗为256.2g/kW.h。这些工作的开展为700℃高效超超临界发电技术的研发奠定了良好的基础。

建议我国700℃计划要开发出具有自主知识产权的耐高温材料；对汽轮机和锅炉进行优化设计，尽量减少镍基高温材料用量；打破常规的电厂布置思路，使四大管道或六大管道的用量减到最少。

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[7]毛健雄.700℃超超临界机组高温材料研发的最新进展[J].电力建设，2013，34（8）：69-76.

[8]徐炯，周一工.700℃高效超超临界火力发电技术发展的概述[J].上海电气技术，2012，5（2）：50-54.

[9]中國钢研科技集团有限公司.700℃燃煤电站关键锅炉管开发课题正式启动[R].2012-07-27.

[责任编辑：杨玉洁]