基本介紹
- 中文名：超超臨界
- 外文名：Ultra Super-Critical
- 具體參數：蒸汽壓力提高到25MPa
- 套用特點：要嚴格的控制機組的物料平衡關係
- 起源：20世紀50年代
- 代表國家：美國
簡介,基本概念,發展700℃高效超超臨界技術的戰略意義,我國高效超超臨界計畫,我國發展700℃高效超超臨界的技術瓶頸,總結,
簡介
隨著全球溫室效應的日益加劇以及煤炭等化石燃料的日漸緊缺，如何進一步提高燃煤發電效率和減少CO2排放成為亟待解決的問題。
火力發電行業面臨著兩方面的壓力，一方面市場競爭的加劇需要降低成本，提高發電效率；另一方面社會對環境問題日益關注，要求電廠降低SO2、NOx、CO2等的排放，滿足嚴格的環保要求。發展潔淨煤發電技術是解決這些問題的關鍵，其一是開發利用新的高效發電技術，如整體煤氣化聯合循環(IGCC)發電等；其二是基於常規發電系統，提高機組的蒸汽參數，即機組的超超臨界化(USC)，發展高經濟性、高效率的高參數、大容量機組。提高機組參數成為常規燃煤電廠增效減排的重要途徑，也是燃煤發電技術創新和產業升級的主要方向。
基本概念
水的臨界參數為：tc=374.15℃，Pc=22.129MPa。在臨界點以及超臨界狀態時，將看不見蒸發現象，水在保持單相的情況下從液態直接變成汽態。一般將壓力大於臨界點Pc的範圍稱為超臨界區，壓力小於Pc的範圍稱為亞臨界區。
從物理意義上講，水的狀態只有超臨界和亞臨界之分；而超超臨界一般是套用在火電廠方面的概念，在物理學中沒有這個分界點，只表示超臨界技術發展的更高階段，是常規蒸汽動力火電機組的自然發展和延伸。由於超超臨界參數機組在我國投運的數量最多，超超臨界是我國人為的一種區分，也稱為最佳化的或高效的超臨界參數。
超超臨界與超臨界的劃分界限尚無國際統一的標準。我國電力百科全書認為主蒸汽壓力≥27MPa為超超臨界機組。2003年，我國“國家高技術研究發展計畫（'863'計畫）”項目“超超臨界燃煤發電技術”中，定義超超臨界參數為蒸汽壓力≥25MPa，蒸汽溫度≥580℃。
發展700℃高效超超臨界技術的戰略意義
超超臨界機組的技術繼承性和可行性最高，同時高效超超臨界發電具有最高的效率和最低的建設成本，具有最優性價比。除了20世紀五六十年代投運的幾台超超臨界機組外， 從90年代初到全世界已經新建超超臨界機組超過100台，其參數還在不斷提高。提高參數，進一步提高經濟性，降低價格性能比，降低單位能量的排放是現今火電汽輪機的發展方向。
日本、歐洲及美國正在政府和各大公司的支持下進行下一步更高參數超超臨界技術的研發，將燃煤電廠的蒸汽初參數提高到700℃以上，同步採取大幅提高蒸汽初壓力以及二次再熱循環技術，大幅度地提高電廠熱能利用率。
煤炭仍然是我國能源結構的基礎，在整個電網中燃煤火力發電占70%以上，電力工業以燃煤發電為主的格局在相當長一段時期內難以改變。
燃煤發電在創造優質電力的同時，也造成了大量的排放污染。因而在我國發展700℃高效超超臨界燃煤發電技術具有更為重要的戰略意義。科技部已經把“700℃以上高參數超超臨界發電”列入新技術發展及產業化領域2012年度國家科技計畫，國家能源局已經成立“700℃超超臨界發電”聯盟，計畫2015年建立示範電廠。
我國高效超超臨界計畫
中國一次能源結構中煤炭占到約70%，在整個電力結構中， 火電占到了絕對多數。根據中電聯2011 年公布的數據，截至2010 年底，中國的火電裝機比例高達73.4%，而西方國家的比例大多在20%左右。並且中國是全球600℃超超臨界燃煤發電機組運用最多的國家。
我國已經投運近80台600℃、壓力超過25MPa 的超超臨界機組。通過600℃超超臨界機組的技術研發及工程實踐，除鍋爐、汽輪機部分高溫材料及部分泵和閥門尚未實現國產化以外，其他已基本形成了600℃超超臨界機組整體設計、製造和運行能力，已建立起完整的設計體系，擁有了相應的先進制造設備及加工工藝。
我國超臨界和超超臨界發電技術比已開發國家起步晚，但憑藉國內巨大的市場，通過前期的技術轉讓和後期的自主開發， 600℃超超臨界發電建成機組居世界首位。擁有了先進的設計製造技術平台、全球最多的600℃超超臨界燃煤發電機組設計運行經驗，這些為我國發展700℃高效超超臨界燃煤發電機組奠定了良好的基礎。
根據700℃高效超超臨界發電技術的難點以及與國外的差距，我國已初步擬定了其技術發展路線(2010～2015)，確定的目標參數為：壓力≥35MPa、溫度≥700℃、機組容量≥60×104kW，並初步制定了研發進度，爭取在“十二五”末建立示範電廠。
我國發展700℃高效超超臨界的技術瓶頸
高效超超臨界機組相對於超超臨界機組，蒸汽溫度和壓力參數的提高，對關鍵部件材料帶來了更高和更新的要求，尤其是材料的熱強性能、抗高溫腐蝕和氧化能力、冷加工和熱加工性能等，因此材料和製造技術成為發展先進機組的關鍵。
已經運營或處於設計建設階段的超超臨界機組， 溫度參數大多在566～610℃，壓力則分為25MPa、27MPa 和30～31MPa 三個級別。新高溫鐵素體-馬氏體9%~12%鉻材料已成功套用於31MPa、600℃/610℃參數。經過各高溫高壓部件近10多年的套用，該材料系列已相當成熟，並形成了標準的市場採購規範。高效超超臨界技術採用更高的蒸汽溫度700℃以及更高的蒸汽初壓力，對材料提出了更苛刻的要求。
已開發國家對於先進發電技術所需的材料均有相應的研究戰略，對電廠材料的蠕變、疲勞等長時性能研究也有長期規劃，並建立了數據共享平台，積累了大量的材料性能數據。如歐洲蠕變合作委員會(ECCC)和日本材料所的數據共享平台，多數常用材料的持久強度試驗時間均超過100000h，最長的達到20～30年。這些數據為機組的合理設計和安全可靠運行提供了有力的技術支持。
我國的高溫材料基礎研究較為薄弱，缺乏自主智慧財產權的高溫材料資料庫，這成為制約700℃高效超超臨界發電技術發展的瓶頸。在材料方面有兩大問題：第一，如何按照汽輪機使用間隔長的要求選擇現有的鎳材料，包括在補充長期高溫性能試驗的基礎上對材料進行調整和最佳化；第二，汽輪機部件大型化，要求對鑄鍛、焊接、熱處理等工藝性能進行研究，例如單個鍛件的尺寸加大，質量達到8～10t。
可選擇的材料有轉子及閥門汽缸的617、625；高溫管道的617、740、263；螺栓的M252等。根據汽輪機的強度要求，材料的長期高溫性能以達到100MPa 為目標，長期性能試驗(從20000h、30000h到100000h)的代價非常大。上述材料在長期性能以及鍛件大型化的基礎上是否要進行成分的最佳化調整(例如日本對用於轉子的617 材料、用於螺栓的M252 材料都進行了微量元素的調整)，調整必將增加研究的周期及資金和人力投入。大型化鑄鍛件(閥門、轉子鍛件、汽缸)工藝、熱處理規範的研究投入以及實物的運行試驗研究周期長、投入大，根據AD700 的報導，僅這方面的投入費用就達到近6000萬歐元。同時，鎳基高溫合金的機械加工切削性能比較差，而汽輪機轉子和汽缸的結構型式複雜，必須經過大量的切削加工過程，因此必須針對加工製造工藝進行相應的試驗研究，建立合適的加工方法和加工參數，選擇合適的加工製造設備廠，設計合適的加工切削刀具、切削工藝參數，設計製造裝夾工具、質量檢驗工具等。
由於電廠耐熱材料與影響國計民生的能源和環境兩大問題均關係密切，有必要制定相應的研究和開發戰略，通過加大材料研發的力度，加大試驗研究裝置的建設和研究力量的投入。同時不放棄向國外吸取經驗的機會，通過參與國際研發項目掌握新型耐熱鋼的特性，通過建立材料性能資料庫和共享機制，並與國際數據平台合作，形成完整的材料技術支撐體系，促進高效超超臨界等先進火力發電技術在我國的發展。
總結
開發700℃高效超超臨界火力發電技術對我國電力事業、環境保護具有十分重要的意義。機組的蒸汽參數是決定機組熱經濟性的重要因素，亞臨界機組的供電效率一般為36%～38%，設計供電煤耗為340～320g/(kW·h)左右；超臨界機組的供電效率為41%～43%，設計供電煤耗為300～286g/(kW·h)左右；採用先進的700℃高效超超臨界火力發電機組，通過提高參數、最佳化系統可使供電效率達到46%以上，供電煤耗可進一步降至250g/(kW·h)以下。可見，700℃高效超超臨界火力發電機組的節能效果顯著，同時由於煤耗下降，還大大降低了粉塵、SO2、NOx及CO2等的排放量。
700℃高效超超臨界火力發電技術對節約煤炭資源、提高發電機組的經濟性以及改善環境都顯示出相當的優越性。發展700℃高效超超臨界發電技術，可以滿足新增機組、替換低效機組的需求，有效節約能源，改善環境，降低CO2排放，實現高層次的產業升級。
