超超臨界燃煤發電技術

燃煤發電是通過產生高溫高壓的水蒸氣來推動汽輪機發電的，蒸汽的溫度和壓力越高，發電的效率就越高。在374.15攝氏度、22.115兆帕壓力下，水蒸氣的密度會增大到與液態水一樣，這個條件叫做水的臨界參數。比這還高的參數叫做超臨界參數。溫度和氣壓升高到600攝氏度、25―28兆帕這樣的區間，就進入了超超臨界的“境界”。

基本介紹

• 中文名：超超臨界燃煤發電技術
• 外文名：Ultra supercritical power generation 
• 縮寫：USPG
• 目的：更高的熱效率

科技名詞定義

中文名稱：超臨界燃煤發電技術

定義：燃煤電廠在高溫運作時，採用先進的蒸汽循環以實現更高的熱效率和比傳統燃煤電廠更少的氣體排放

簡介

超超臨界發電技術從熱力學的角度上講其本質還是超臨界技術，只是日本人將蒸汽壓力在26MPa以上的機組均劃分為超超臨界機組，由此得名。

1 我國發展超超臨界機組的必要性

按照國家制訂的2020年電力發展規劃，我國發電裝機容量將從目前的4億千瓦增加到2020年9億千瓦，其中燃煤機組將達到5.8億千瓦。

2003年，全國二氧化硫排放總量達到2100多萬噸，其中燃煤電廠二氧化硫排放約占全國排放總量的46%。我國酸雨pH值小於5.6的城市面積占全國的70.6%。隨著燃煤裝機總量的增加，我國將面臨嚴峻的經濟與資源、環境與發展的挑戰。提高燃煤機組的效率、減少總用煤量、降低污染物排放是當前我國火電結構調整，實現可持續發展的重要任務。

目前我國電力工業裝機中高效、清潔的火電機組比例偏低，結構性矛盾突出。2002年，火電機組中30萬千瓦及以上機組占41.7%，20萬千瓦以下機組占42.5%，超臨界機組只占2.38%。潔淨煤發電、核電、大型超（超）臨界機組、大型燃氣輪機技術開發、設備生產剛剛起步。全國火電平均供電煤耗383g/kWh，比世界先進水平高出60g/kWh。因此迫切需要在近期研製出新一代燃煤發電設備來裝備電力工業。

新一代發電設備應具備可靠、大型、高效、清潔、投資低等性能；能夠替代現有的300MW和600MW亞臨界機組，成為裝備電力工業的主流機型；同時國內設備製造企業經過努力後能夠具備生產能力，能夠形成規模生產和市場競爭局面。

分析國際上燃煤發電技術的發展趨勢，將採用兩種技術路線來提高效率和降低排放。其一是利用煤化工中已經成熟的煤氣化技術，集成蒸汽燃氣聯合循環技術實現高效清潔發電，其代表技術為IGCC。此技術提高能效的前景很好，但因系統相對複雜而造成投資偏高的問題需要解決。目前正在煙臺電廠建設一台300或400MW等級的IGCC示範機組，為今後的發展作好技術儲備。另一個發展方向是通過提高常規發電機組的蒸汽參數來提高效率，即超臨界機組和超超臨界機組。超超臨界機組在已開發國家已經實現了大容量、大批量生產。通過努力我國可以較快實現國產化能力，降低設備成本。

如果我國600MW等級的燃煤機組採用超超臨界技術，供電煤耗278g/kWh，比同容量亞臨界機組的煤耗減少30克/kWh，按年運行5500小時計算，一台600MW超超臨界機組可比同容量亞臨界機組節約標煤6萬噸/年，同時SO2、氮氧化物、粉塵等污染物以及CO2排放將大大減少。採用超超臨界燃煤發電技術對於節約資源消耗、保護環境、實現可持續發展具有重要意義。

2 國外超超臨界機組的技術指標

超超臨界機組蒸汽參數愈高，熱效率也隨之提高。熱力循環分析表明，在超超臨界機組參數範圍的條件下，主蒸汽壓力提高1MPa，機組的熱耗率就可下降0.13%～0.15%；主蒸汽溫度每提高10℃，機組的熱耗率就可下降0.25～0.30%；再熱蒸汽溫度每提高10℃，機組的熱耗率就可下降0.15%～0.20%。在一定的範圍內，如果採用二次再熱，則其熱耗率可較採用一次再熱的機組下降1.4%～1.6%。

亞臨界機組的典型參數為16.7MPa/538℃/538℃，其發電效率約為38%。超臨界機組的主蒸汽壓力通常為24MPa左右，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為538～560℃；超臨界機組的典型參數為24.1MPa/538℃/538℃，對應的發電效率約為41%。超超臨界機組的主蒸汽壓力為25～31MPa，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為580～610℃。

超臨界機組的熱效率比亞臨界機組的高2%～3%左右，而超超臨界機組的熱效率比超臨界機組的高4%左右。

目前，美國投運的超臨界機組大約為170台，其中燃煤機組占70%以上。前蘇聯300MW及以上容量機組全部採用超臨界參數。至1988年已有近200台超臨界機組投入運行，全國35%電力由超臨界機組供給。

日本的超臨界機組共有100多台，總容量為超過5760萬千瓦，占火電機組容量的61%，45萬千瓦及以上的機組全部採用超臨界參數，而且在提高參數方面做了很多工作，最高壓力為31MPa，最高溫度已達到600/600°C。

丹麥史密斯公司研究開發的前2台超超臨界機組，容量為400MW，過熱蒸汽出口壓力為29MPa，二次中間再熱、過熱蒸汽和再熱汽溫為582/580/580℃，機組效率為47%，機組淨效率達45%（採用海水冷卻，汽輪機的背壓為26kPa）；後開發了參數為30.5MPa，582/600℃、容量為400MW的超超臨界機組，該機組採用一次中間再熱，機組設計效率為49%。

德國西門子公司20世紀末設計的超超臨界機組，容量在400～1000MW範圍內，蒸汽參數為27.5MPa, 589/600℃，機組淨效率在45%以上。

歐洲正在執行“先進煤粉電廠（700℃）”的計畫，即在未來的15年內開發出蒸汽溫度高達700℃的超超臨界機組，主要目標有兩個： 使煤粉電廠淨效率由47%提高到55%（採用低溫海水冷卻）或52%（對內陸地區和冷卻塔）；降低燃煤電廠的投資價格。美國和日本也將蒸汽溫度為700℃的超超臨界機組作為進一步的發展目標。

可見，國際上超超臨界機組的參數已經達到27～32Mpa左右，蒸汽溫度為566～600℃，熱效率可以達到42～45%。國外機組的可靠性數據，表明了超超臨界機組可以同樣實現高的可靠性。我國石洞口二廠兩台60萬千瓦超臨界機組的可用率就高達90%以上，高於其它一些同容量亞臨界機組。從環保措施看，國外的超超臨界機組都加裝了鍋爐尾部煙氣脫硫、脫硝和高效除塵裝置，可以實現較低的排放，滿足嚴格的排放標準。例如日本的超超臨界機組的排放指標可以達到SO2 70 mg/Nm3；NOx 30 mg/Nm3；粉塵5 mg/Nm3。可見，超超臨界燃煤機組甚至可以與燃用天然氣、石油等機組一樣實現清潔的發電。 目前中國有玉環電廠、外高橋三廠、寧海國華二期、北侖電廠三期、嘉興電廠三期，以及漕涇電廠等多個2*1000MW超超臨界燃煤機組已建成或在建。600MW和1000MW超臨界機組將成為我國今後10年內帶電網基本負荷的主力發電機組。

蒸汽溫度的提高使P91、S304H、P122、HR3C等許多高溫合金鋼被大量使用。

與其餘幾種潔淨煤發電技術相比，超超臨界機組技術具有繼承性好，容易實現大型化的特點，在機組的可靠性、可用率、熱機動性、機組壽命等方面已經可以和亞臨界機組媲美，已經有了較多的商業運行經驗。