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我国700℃超超临界发电技术研发正待“破冰”

发布时间:2012-01-31    浏览次数:5226

20110809  互联网

 

国家能源局在北京组织召开了国家700超超临界燃煤发电技术创新联盟第一次理事会和技术委员会会议。国家发改委副主任、国家能源局局长刘铁男在会上表示:“有关各方要高度重视,将这项工作上升到关系国家能源安全的层面予以落实,尽快实现700℃超超临界发电技术(以下简称700℃发电技术)产业化”。

人们注意到,自日本福岛核事故发生以来,我国对火电的态度悄然发生着变化,过去备受冷落的火电,现在的“地位”明显提高。而此次能源局召开有关火电的最新技术——700℃发电技术的会议,是否意味着我国将重提火电?发展该技术又将面临哪些挑战?它对我国能源结构调整又将意味着什么?

 

启动700℃发电技术研发“正当时”

1993年我国开始研究超超临界发电技术,经历了18年的发展历程,成功开发了600℃和625℃两个温度等级的先进铁素体材料。与超临界相比,超超临界发电技术的热效率提高了2%,每千瓦时煤耗降低了16克。

“但是,由于先进铁素体材料性能的限制,超超临界燃煤发电技术只是洁净燃煤发电技术发展的初级阶段,尚不能达到与IGCC(整体煤气化联合循环发电系统)竞争的目标。因此,以奥氏体及镍合金材料为基础的700℃发电技术,才是洁净燃煤发电技术和装备的根本出路。”业内人士告诉记者。

由于700℃发电技术可以有效提高火电机组效率,降低发电煤耗和减少污染物排放,于是便成为优化调整以煤为主的电力结构的重要举措。举例来说,与600℃发电技术相比,700℃发电技术的供电效率将提高至46%(以上),每千瓦时煤耗可再降低70克(详情见表1),二氧化碳排放减少14%

这正呼应了国家能源局在上述会议上,提出应“下大力气推动科技创新和体制创新,实现能源生产和利用方式的变革,合理控制能源消费总量”的要求。

据悉,欧盟、日本和美国均制定了长期的700℃发电技术和设备的发展计划,使超超临界机组朝着更高参数的技术方向发展。目前国际上700℃燃煤发电机组研发计划主要有三个:欧洲AD70017年计划(19982014年);日本的A-USC9年计划(20082016年);美国的A-USC15年计划(20012015年)。

国外一家咨询机构的能源电力部门咨询经理表示,中国现在启动700℃发电技术研发是非常合适的,因为中国的600℃火电机组是全球最多的,中国的超超临界机组运行经验也是全世界最丰富的,中国是最应该启动该技术研发的国家。

然而我国启动这一技术的研发是否是我国能源结构调整的信号?

在采访中,业内人士告诉记者:“此次研发700℃发电技术,与日本福岛核事故有一定关系,但不可以说完全由日本福岛核事故引起的。因为这一技术的研发本来就被列入国家‘十二五’规划。因此,国家能源局此次开会基本上是按照预定计划行事。”

而目前,国内700℃发电技术仍存在诸多盲点。比如:高温材料的选择以及这些新材料长期使用的性能稳定问题;大口径高温材料管道的制造及加工工艺;高温材料大型铸、锻件的制造工艺;锅炉、汽轮机设计制造技术;高温部件焊接材料研发及焊接工艺;高温材料的检验技术;还有机组初参数选择、系统集成设计及减少高温管道用量的紧凑型布置设计等。

 

对关键材料尚“束手无策”

刘铁男在上述会议中强调:“要通过700℃发电技术的研发和示范,提高我国关键能源技术和装备的自主化水平。”其实,这正是我国700℃发电技术面临的最紧迫问题,在关键材料上的短板严重束缚了该技术的研发步伐,而这也再次凸显我国重大装备领域的“技术空心化”——国产化率较高,但关键设备全面依赖进口。

一位业内专家对记者说:“700℃需要采用超级镍基合金。这种材料不能称为合金钢,因为其中的主要成分不是铁,而是镍。在该技术条件下,温度是对材料最大的考验。比如说合金钢,在高温状态下,其强度将大幅下降,温度继续上升甚至会崩溃。此外,随着工件长期处于700℃高温的状态,在高温高压下,材料还会出现蠕变,变形越来越厉害,直至失效。”

据悉,目前即便是600℃的超超临界的关键设备也一直依赖进口,700℃发电技术面临的挑战便可想而知了。

材料研发是工业发展的基础。在历次的技术转让中,关键材料的性能数据始终是最高商业机密,被排除在转让范围之外。与欧盟、日本和美国等先进国家相比,我国缺乏自主产权的高温材料基础数据,这成为约束700℃发电技术发展的瓶颈。

据一位发电设备领域的人士透露,国外某一流电力设备制造商曾经尝试过用超级镍基合金造了两个汽缸,但是报废了,这说明其也未能掌握这种材料的属性。另外焊接也是考验,“欧洲本来计划2011年在德国开始建设一个55万千瓦级的采用700℃发电技术的电厂,但是去年宣布因为材料和造价问题无法解决,不得不推迟3年。”

相关资料显示,虽然近年来,在国内钢铁公司、锅炉制造企业以及相关科研院所的联合攻关下,在模拟国外高温材料的基础上,基本实现了锅炉用高温材料的国产化。但与欧盟、日本和美国等先进国家相比,材料研究的差距仍很大。主要体现在:没有成立专门统一的材料性能机构;没有组织有效的政府和企业的合作;没有长期不断的财力和人力投入;没有建立自主的材料高温性能数据库;没有统一的材料性能考核标准;没有系统的材料性能试验和研究规划等,不能为700℃发电技术的开发提供可靠的依据。

“从设计上来说,700℃发电技术对于我国来说难度并不大,但是如果关键材料掌握不了,这依旧等同于无法掌握这一技术。”上述人士表示。可见“技术空心化”的问题已经严重制约了这一技术的发展。

此外,国内有关产品的研发基本上采用几十年前按部套、局部、低参数和尺寸模拟的低水平试验方式,试验装置和测试方法落后,不能满足700℃发电技术的要求。

与此同时,我国还存在科研机构分散的问题。相对于国外由政府组织各制造公司、毛坯原材料制造厂和电力公司联合进行大规模高温部件(汽轮机的阀门、管道、转子及汽缸四大部件、锅炉高温部件材料)的工艺及材料性能试验研究模式,我国目前存在着各自分散研究、相互保密等问题。然而,没有联合攻关的方式,很难完成如此高端的700℃发电技术的研究。

 

研发步伐不宜过快

在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,中国的火电装机占电力装机总数的比例高达73.4%,而西方国家的比例大多在20%左右。

毫无疑问,燃煤电厂蒸汽参数达到700℃,则意味着煤耗与二氧化碳排放量的降低,但也有专家向记者表示对成本的忧虑:煤耗降低,电厂成本自然就降低了,但与之相对应的却是锅炉成本的上升,两者的成本优势目前仍很难对比。

据悉,目前业界有一种“超超临界还不如超临界”的说法。因为提高温度之后,原本为超临界的锅炉的许多材料都要提升,况且超临界和超超临界技术的许多材料都需要进口,从成本来说,这是一个极大的考验。

700℃发电技术也存在相同的问题。如果材料均采用进口,成本便会太高。如果成本不存在竞争优势,国内市场就基本不会采用了。”上述人士说。

据悉,近年来,国内企业和相关科研院所也开展了相关研究。例如材料制造方面已开展镍基合金转子材料的研究,现已完成原料采购和试验成分的选择,下一步开始冶炼小钢锭的研究。

记者了解到,根据700℃发电技术的难点及与国外的差距,目前有关机构已初步形成我国700℃发电技术发展路线图(20102015年)。路线图分为9个部分:综合设计、材料应用技术、高温材料和大型铸锻件开发、锅炉关键技术、汽轮机关键技术、部件验证试验、辅机开发、机组运行、示范电厂建设。

“‘十二五’期间,我国是否可以完全掌握该技术?”记者就这一问题征询多位发电设备领域的专家,他们的一致观点为,取决于国内对于新材料的掌握程度,“700℃发电技术搞研发是应该的,但步伐尚不宜迈得太快。”

 

信息来源:新闻中心www.cepee.com