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700℃超超临界燃煤发电机组发展情况概述

发布时间:2012-02-02    浏览次数:7550

国家能源局能源节约和科技装备司

 
一、概念

燃煤发电机组是将煤燃烧产生的热能通过发电动力装置(电厂锅炉、汽轮机和发电机及其辅助装置等)转换成电能。燃煤发电机组主要由燃烧系统(以锅炉为核心)、汽水系统(主要由各类泵、给水加热器、凝汽器、管道、水冷壁等组成)、发电系统(汽轮机、汽轮发电机)和控制系统等组成。燃烧系统和汽水系统产生高温高压蒸汽,发电系统实现由热能、机械能到电能的转变,控制系统保证各系统安全、合理、经济运行。

燃煤发电机组运行过程中,锅炉内工质都是水,水的临界点压力为22.12兆帕,温度374.15℃;在这个压力和温度时,水和蒸汽的密度是相同的,就叫水的临界点。超临界机组是指主蒸汽压力大于水的临界压力22.12兆帕的机组,而亚临界机组是指主蒸汽压力低于这个临界压力的机组,通常出口压力在15.719.6兆帕。习惯上,又将超临界机组分为两个类型:一是常规超临界燃煤发电机组,其主蒸汽压力一般为24兆帕左右,主蒸汽和再热蒸汽温度为566593℃;二是超超临界燃煤发电机组,其主蒸汽压力为2535 兆帕及以上,主蒸汽和再热蒸汽温度一般600℃以上,700℃超超临界燃煤发电机组是超超临界发电技术发展前沿。在超临界与超超临界状态,水由液态直接成为汽态,即由湿蒸汽直接成为过热蒸汽、饱和蒸汽,热效率较高,因此,超超临界机组具有煤耗低、环保性能好和技术含量高的特点,且温度越高,热效率越高,煤耗越少。例如,与600℃超超临界发电技术相比,700℃超超临界燃煤发电技术的供电效率将提高至50%,每千瓦时煤耗可再降低近70克,二氧化碳排放减少14%

 

二、700℃超超临界燃煤发电技术发展情况

1. 发展方向

我国自1993年开始研究超超临界发电技术,目前经历了17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。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竞争的目标。因此,以奥氏体及镍合金材料为基础的700℃超超临界燃煤发电技术是洁净燃煤发电技术和装备的根本出路。

2. 所用材料

按照参数和材料划分,燃煤发电技术和产品百年发展可划分为三个里程碑:①常规铁素体材料经历了近百年的发展历程,达到超临界参数——压力24.2兆帕,温度566℃;② 1993年以先进铁素体材料为基础的洁净燃煤技术发展起来,被视为600℃超超临界的发展阶段;③今后将迎来洁净燃煤发电技术发展最为关键的第三阶段,即奥氏体及镍合金材料为基础的700℃超超临界燃煤发电设备的产业化,起步参数压力≥35兆帕,温度≥700℃。

3. 参数选择

700℃超超临界燃煤发电机组三个国际研发计划中,设定的最低起步参数为压力≥35兆帕,温度≥700/720℃。以欧盟AD70017年计划为例,其发展目标为37.5兆帕/705/700,西门子样板示范机组的参数为35兆帕/700/720℃;日本2008年开始的九年发展700℃超超临界计划中确定2016年完成35兆帕/700/720/720℃产品的设计,2020年达到750℃,及进一步800℃的目标;美国AD760计划确定的起步参数更高,为37.9兆帕/732/760℃。我国确定的起步压力参数为3537.5兆帕,温度为700/720℃。

4. 机组容量

由于汽缸排气能力等因素,700℃超超临界机组的单机容量将受到限制。例如,日本确立的机组容量为650兆瓦,欧洲超临界机组采用单轴承支撑,可采用更多汽缸,机组的容量在4001000兆瓦。

5. 技术难点

燃煤电厂蒸汽参数达到700℃需要解决一系列的技术问题:高温材料的研发及长期使用的性能;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;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。

 

三、700℃超超临界燃煤发电机组国际研发计划

700℃超超临界燃煤发电技术将全面提升燃煤发电设备的设计和制造水平,为制造厂和电厂换来巨大的经济效益。为此,欧盟、日本和美国均采取由政府组织电力用户、毛坯和原材料的供应商及设备制造公司联合开发的方式,制定了长期的700℃超超临界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℃超超临界燃煤发电机组研发计划主要有三个:欧洲AD70017年计划(19982014);日本的A-USC9年计划(20082016);美国的A-USC15年计划(20012015)。

1. 欧盟AD700计划

欧盟在确定洁净燃煤发电节能减排的发展战略中,偏重于燃煤火力发电,因此,早在1998年就开始执行由丹麦ELSAM电力公司负责,组织欧盟45家公司参加的700℃超超临界AD700发展计划,计划2013年完成。关键部件将采用镍基合金,热效率由目前最好水平的47%提高到预期的52%55%CO2排放降低15%。项目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。2014年将在欧洲建立第一个参数为35兆帕,700/720℃的示范电厂。AD700发展计划是目前世界上进展最快,并唯一有示范电厂的700℃超超临界发电计划,AD700项目分六个阶段实施,具体内容如下:(1)第一阶段是可行性研究和材料基本性能研究(19982002)。内容包括新材料开发、设备部件设计和研究AD700计划的技术经济可行性三个方面,取得成果如下:确定了所需材料;开始材料性能试验且多数已完成;热力计算结果取得了一致;可行性研究证明了项目竞争力;完成了新的锅炉设计,减少了镍基合金的使用量。(2)第二阶段是材料验证和初步设计(20022004)。取得成果如下:关键部件的设计和测试;对设计进行优化,进一步减少镍基合金用量;完成第三阶段所需试验台的概念设计;一家商业运营电厂的策划。(3)第三阶段是建造试验装置(20042009)。为此,九家主要欧洲发电企业组成了Emax集团,决定和有关委员会分担建造试验装置的成本。试验装置的第一个方案是,计划对炉壁、过热器、带高压旁路和安全阀的蒸汽管道进行全尺寸示范,并由SiemensAlston两家汽轮机制造商分别制造一台高压汽轮机。这一试验装置原本将对汽/水循环的所有主要部件进行全尺寸示范,并可使AD700技术的商业化时间缩短五年左右。项目计划在E.ONScholven电厂F机组上安装一个规模较小的部件试验装置(CTF)。除汽轮机之外,CTF包含的部件和全尺寸试验装置相同,但尺寸较小。CTF的运行温度将达到700℃。汽轮机阀门由SiemensAlston联合制造。(4)第四阶段、第五阶段和第六阶段是全尺寸电厂示范(E.ON电力公司,20092014)。20061031日,德国E.ON公司宣布建造700℃的示范电厂。20079月确定机组容量为500兆瓦左右,2008年底完成设计,2010年开始建设,2014年投入运行。机组净效率为50%以上,投资10亿欧元。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。

2. 日本A-USC计划

日本在2008G8会议之后,针对2050CO2减排50%的目标,提出了“冷地球计划”,列出重点发展的21个技术领域,洁净燃煤发电技术列为六个能源供给技术中的一个。随后于2008年推出了日本700℃超超临界发电技术和装备的九年发展计划“先进的超超临界压力发电(A-USC)”(20082016年)项目。由日本政府组织材料研究、电力及制造厂联合进行700℃超超临界装备的研发工作,明确在2015年达到35兆帕/700/720℃以及2020年实现750/700℃超超临界产品的开发目标。项目内容包括系统设计,锅炉、汽轮机、阀门技术开发、材料长时性能试验和部件的验证等。为了实现CO2减排要求,对现有大量超临界机组,日本提出25兆帕不变,采取700℃的一次再热USC+AUSC改造方案,实现整个日本燃煤电厂的升级换代。此计划没有样机,其技术路线是在反动式的实验透平完成所有产品必须的材料部套试验后,直接推广到具体产品。目前项目处于初期阶段。计划分工及进度情况:(20082012)主要部件及工艺实验;(20122016)锅炉部套及小汽轮机制造及实验。阀门工作参与研制单位有日立、三菱、东芝和福士等;锅炉参与研制单位有BabcockIHI、三菱、国家材料研究中心等;汽轮机参与研制单位有日立、三菱和东芝等。

3. 美国AD760计划

美国2001年启动700℃超超临界机组研究项目——AD760。为了与IGCC竞争,美国AD760计划采取的起步参数比欧洲和日本更高,定为37.9兆帕/732/760℃,热效率将达到47%左右。其设定的蒸汽参数目标显著高于欧洲的700℃,其原因是该参数更适合美国的高硫煤种。AD760研究内容:包括概念设计与经济性分析、先进合金的力学性能、蒸汽侧氧化腐蚀性能、焊接性能、制造工艺性能、涂层、设计数据和方法等。目前,美国已完成732/760/35兆帕/7.5兆帕的750兆瓦机组的可行性分析,效率为46%HHV),两次再热机组为48%HHV),如果按照欧洲的LHV计算为52%左右。但该项目的研究内容仅局限于锅炉材料研究,因此,没有汽机行业的机构和企业参与,美国700℃超超临界发电技术和设备的研发时间表定为:2015年完成各项研究项目,2017年建设示范电厂。

 

四、我国现状及与国外差距

1. 现状

目前,我国已投运近60600℃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,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。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。设备制造方面已开展“更高参数1000兆瓦等级超超临界锅炉设计技术研究”课题,主要研究31.5兆帕,703/703℃等级超超临界锅炉的初步方案设计,计划于2010年底完成。一些企业也派出团队对AD700等计划进行了调研。在此基础上,我国于2010年提出了“700℃超超临界发电技术开发路线”。

2. 差距

一是高温材料的基础研究薄弱。材料研发是工业发展的基础,需要长时间、巨大的人力和物力的投入,在历次的技术转让中,材料的性能数据始终是作为机密,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,成为约束700℃超超临界发电技术发展的瓶颈。虽然近年来,在国内钢铁生产公司、锅炉制造企业及相关研究院所的联合攻关下,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,不能为新一代700℃超超临界产品开发提供可靠的依据。二是试验研究装置和技术落后。国内有关产品开发基本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℃超超临界高端产品的要求。三是研究机构分散。相对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,但目前存在着各自分散研究、相互保密等问题,无相关组织联合的方式很难完成如此大规模700℃超超临界技术研究。

 

五、我国700℃超超临界发电技术开发路线

根据700℃超超临界发电技术的难点及与国外差距,目前,已初步形成我国700℃超超临界发电技术发展路线图(20102015)。路线图分9个部分进行: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、机组运行和示范电厂建设。路线图目标参数:压力≥35兆帕、温度≥700℃、机组容量≥60万千瓦。

 

信息来源:国家能源局能源节约和科技装备司