陳碩翼1，朱衛(wèi)東1，張麗1，唐明生2，李建福3

　　(1.科技部高技術研究發(fā)展中心;2.中國科學院理化技術研究所;3.北京鑒衡認證中心有限公司)

　　火力發(fā)電技術一直以提升機組容量和蒸汽參數，進而提高機組熱效率、降低污染物排放為目標。先進超超臨界發(fā)電技術的核心優(yōu)勢就在于低碳、高效、清潔。本文對先進超超臨界發(fā)電技術國內外發(fā)展現狀與趨勢進行了梳理分析，并提出了我國進一步發(fā)展重點和對策建議。

　　一、關于先進超超臨界發(fā)電技術

　　超超臨界發(fā)電技術是指燃煤電廠將水蒸汽壓力、溫度提高到超臨界參數以上，實現大幅提高機組熱效率、降低煤耗和污染物排放的技術。

　　超超臨界發(fā)電機組是指蒸汽壓力25MPa、溫度580℃以上的超高參數燃煤火力發(fā)電機組，俗稱“超超臨界發(fā)電機組”，其發(fā)電效率在43.8%～45.4%之間，遠高于亞臨界機組的37.5%。

　　隨著發(fā)電技術相關材料的進步，更高參數的630℃、760℃等級超超臨界發(fā)電技術將成為下一代火力發(fā)電主力機組技術，其供電效率預計可達47%～53%，比目前最先進的600℃等級超超臨界機組煤耗約可再降低40克標煤/千瓦時。

　　先進超超臨界發(fā)電技術是在鎳鐵基、鎳基高溫材料研發(fā)突破的基礎上，進一步將蒸汽參數提高至630℃、760℃以上，供電效率可在50%以上，供電煤耗可達250克標煤/千瓦時以下，能夠大幅度提高機組發(fā)電效率，降低煤耗及污染物、CO2等溫室氣體的排放。一臺600MW等級的700℃先進超超臨界機組，可比同容量600℃超超臨界機組節(jié)約標準煤約14.3萬噸/年，大氣污染物減少14%左右(NOx、SOx)，CO2減排約30萬噸/年，具有十分顯著的經濟效益和生態(tài)效益。

　　先進超超臨界發(fā)電技術核心優(yōu)勢在于低碳、高效、清潔及技術的繼承性，研發(fā)先進超超臨界發(fā)電技術對能源結構以煤為主的我國來說，具有十分重要的現實意義和廣闊的應用前景。

　　二、國際發(fā)展現狀與趨勢

　　超臨界發(fā)電技術已走過近半個世紀的歷程，目前從事超超臨界技術研發(fā)的國家主要有美國、歐盟、日本、中國等。在材料工業(yè)發(fā)展的支持下，超超臨界發(fā)電技術正朝著更高參數的技術方向前進，從現在的600℃等級向參數更高的630℃、700℃、780℃等級超超臨界發(fā)電技術邁進。

　　1. 美國

　　美國是發(fā)展超臨界火電機組最早的國家，目前擁有9臺世界上最大的超臨界機組，單機容量為1300MW。

　　2001年，美國啟動先進超超臨界發(fā)電技術研發(fā)，目標是提高燃煤發(fā)電技術的清潔和競爭力，蒸汽參數比歐洲高，達到38.5MPa/760℃/760℃，機組凈效率達到50%以上;在超臨界循環(huán)流化床技術上，完成460MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐機組商業(yè)運行后，正在進行550MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電技術示范。

　　美國2014年頒布《全面能源戰(zhàn)略》等戰(zhàn)略計劃，將“科學與能源”確立為第一戰(zhàn)略主題。該戰(zhàn)略進一步強調提高能效和大力發(fā)展低碳技術作為美國能源創(chuàng)新的主題，提出形成從基礎研究到最終市場解決方案的完整能源科技創(chuàng)新鏈條。美國政府承諾投入近60億美元，研發(fā)提高新建電廠效率和CO2捕集能效，進而提升各類電廠能效以及降低CO2捕集能耗和投資成本。目前美國正在進行新一代(760℃)用于超超臨界參數機組的鍋爐材料研究計劃，以開發(fā)溫度和壓力更高的燃煤發(fā)電機組。

　　2. 歐盟

　　歐洲1998年啟動相關研究，研究內容比較系統、全面，目前約有60臺超臨界機組，其中具有代表性的超臨界機組是德國Hessler電廠投運的700MW機組(蒸汽參數為30MPa/580℃/600℃)，以及丹麥投運的2臺411MW二次再熱超超臨界機組(29MPa/582℃/580℃/580℃)，海水冷卻情況下其熱效率達到～47%。

　　歐盟2011年底發(fā)布的《2050能源技術路線圖》等戰(zhàn)略計劃中，突出可再生能源在能源供應中的主體地位，提出了智能電網、碳捕集與封存、核聚變以及能源效率等方向的發(fā)展思路。在高效燃煤發(fā)電技術方面，正積極開展700℃超超臨界發(fā)電、大容量超超臨界循環(huán)流化床發(fā)電等項目研究，已基本解決700℃超超臨界發(fā)電技術相關材料的研發(fā)，正開展高溫部件長周期驗證試驗，為工程示范提供驗證數據，預計2020年前后建成700℃超超臨界發(fā)電示范機組。

　　3. 日本

　　日本非常注重發(fā)電機組的效率，其超超臨界技術采用的是引進、仿制、創(chuàng)新的技術路線，截至目前已有60多臺超臨界以上火力發(fā)電機組運行。

　　日本超超臨界二次再熱機組以31MPa/538℃/552℃/566℃參數為主，1989年川越電站兩臺700MW機組(31MPa/566℃/566℃/566℃)投入運行，機組熱效率達41%。

　　2008年日本啟動“先進的超超臨界壓力發(fā)電(A-USC)”(2008—2016)項目研究計劃，計劃以600℃超超臨界機組為基礎，由政府組織材料研究、電力及制造廠聯合進行700℃超超臨界裝備研發(fā)，明確在2015年達到35MPa/700℃/720℃，2020年實現750℃/700℃超超臨界產品的開發(fā)目標，可實現全廠凈效率由42%提高到46～48%。日本雖然起步較晚，但以超超臨界機組可靠性高、經濟性好、技術發(fā)展快而躍居為超超臨界機組先進國家，在700℃超超臨界發(fā)電技術的高溫材料開發(fā)已取得突破性進展。

　　從國外先進國家以及我國的先進超超臨界發(fā)電技術研發(fā)和技術布局來看，研究開發(fā)更高參數、更低污染物排放、燃料適應性更強的超超臨界發(fā)電技術是火力發(fā)電技術的必然趨勢，其目的始終圍繞進一步提高運行發(fā)電效率、降低污染物排放。

　　三、我國發(fā)展現狀與水平

　　十余年來，我國超超臨界燃煤發(fā)電技術實現了跨越式發(fā)展，在600℃等級超超臨界機組設計、運行等方面積累了豐富經驗，整體上達到國際先進水平。

　　在科技部和能源局的支持下，我國“十二五”期間相繼開展了660MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐技術、1000MW等級超超臨界二次再熱發(fā)電技術、700℃超超臨界燃煤發(fā)電關鍵技術等研究，為進一步開發(fā)更高參數的630℃、700℃等級超超臨界一次/二次再熱發(fā)電技術奠定了良好基礎。

　　1. 總體技術水平

　　在國家科技項目持續(xù)支持下，經過十余年的引進、消化、再創(chuàng)新，我國實現了超超臨界燃煤發(fā)電技術的跨越式發(fā)展，整體上達到國際先進水平，很多技術已與國外同步，部分技術已經引領世界發(fā)展趨勢。

　　我國超超臨界機組技術水平、發(fā)展速度、裝機容量和機組數量均已躍居世界首位，600℃等級大容量超超臨界發(fā)電機組已成為我國火力發(fā)電主力機組。截至2014年底，超超臨界機組總裝機超過1億千瓦，是新建機組的主力機組，對優(yōu)化火電行業(yè)結構、全面提高燃煤發(fā)電效率、減少污染物排放有重大貢獻。

　　2. 關鍵技術進展

　　清華大學、中國科學院、西安熱工研究院、浙江大學等主要科研單位、煤炭燃燒相關重點實驗室和工程中心，以及大量企業(yè)進行了煤炭高效發(fā)電技術研發(fā)，代表性企業(yè)包括五大電力公司、神華集團和三大電氣集團等電力企業(yè)和制造企業(yè)，基本形成科研、技術開發(fā)示范及產業(yè)化應用的研發(fā)鏈和產業(yè)鏈，在600MW等級超超臨界循環(huán)流化床鍋爐技術、630℃超超臨界二次再熱發(fā)電技術、700℃超超臨界發(fā)電關鍵技術等先進超超臨界發(fā)電技術上開展了大量研究工作，為我國先進超超臨界發(fā)電技術發(fā)展提供了有力支撐。

　　國內企業(yè)、高校、科研院所共同攻關，開發(fā)成功了具有自主知識產權的600～1000MW等級超超臨界空冷機組發(fā)電技術，打破國外技術壟斷;自主研發(fā)成功600MW等級大型空冷機組，建成世界首座1000MW等級超超臨界空冷機組，目前空冷系統機組總裝機達6600萬千瓦，滿足了煤電布局要求，年節(jié)水達11億噸。

　　自主研發(fā)了600～1000MW等級超超臨界二次再熱發(fā)電技術，完成我國首臺套1000MW等級二次再熱超超臨界機組的工程示范，發(fā)電效率達47.82%，發(fā)電煤耗256.8克/千瓦時，發(fā)電效率和發(fā)電煤耗均達到世界領先水平，超超臨界二次再熱發(fā)電機組已成為我國新建600～1000MW等級火力發(fā)電機組的首選技術。

　　建成了我國第一套250MW IGCC示范電站，設計發(fā)電效率達到41%(LHV)，實現了我國IGCC發(fā)電技術零的突破。

　　循環(huán)流化床(CFB)鍋爐技術開發(fā)與工業(yè)應用已基本成熟，完成了300MW等級燃劣質燃料機組的自主研制和產業(yè)化應用，在此基礎上完成世界最大的600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐機組開發(fā)，并在四川白馬投入商業(yè)運行，達到世界領先水平。

　　開展了700℃超超臨界發(fā)電技術基礎性研究，成立了700℃發(fā)電產業(yè)聯盟，整合國內科研和生產力量，針對700℃超超臨界發(fā)電相關材料、設計、工藝制造等關鍵技術，開展了總體方案設計、關鍵材料、鍋爐關鍵技術、關鍵部件驗證試驗平臺與電站建設的工程可行性等研究。2016年我國首個700℃超超臨界發(fā)電關鍵部件驗證試驗平臺在華能南京熱電廠建成并投運，目前正開展相關材料和高溫熱部件的長時間驗證試驗。我國700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術研究開發(fā)工作已經取得重要階段性成果，但由于起步太晚，大量研究工作才剛剛開始，與國外相比仍存在較大差距。

　　四、我國進一步發(fā)展重點及對策建議

　　1. 發(fā)展重點

　　經過十余年的快速發(fā)展，我國超超臨界發(fā)電技術取得了一定成就，掌握了豐富的超超臨界鍋爐設計、制造、運行經驗，燃煤發(fā)電技術已大大縮短與國外發(fā)達國家的差距，整體達到世界先進水平，某些技術已達到國際領先水平，并已成為世界上超超臨界機組裝機容量最多的國家。

　　隨著我國經濟增速下降進入新常態(tài)和能源供給側調整，能源消費增長呈現減速換檔的趨勢，能源正從粗放型利用向精細化發(fā)展。我國以煤為主的能源結構決定了必須不斷發(fā)展更高效率、更高參數的超臨界燃煤發(fā)電技術。

　　在更高參數的超臨界燃煤發(fā)電技術上，我國起步較晚，在高溫熱部件、鍋爐設計與制造技術、汽輪機設計與制造技術、輔機技術和熱力系統優(yōu)化技術等方面還需進一步研究與優(yōu)化。

　　為此，我國應在現有技術基礎上，加快630℃超超臨界發(fā)電一/二次再熱技術、600MW等級大容量超超臨界循環(huán)流化床發(fā)電技術、700℃等級超超臨界發(fā)電技術等先進超超臨界發(fā)電技術的關鍵技術突破與工程示范，實現超高參數燃煤發(fā)電機組規(guī)?；a業(yè)化運行，大幅降低我國火電機組平均供電煤耗，實現煤炭的高效、清潔利用。

　　同時，考慮到我國電網可再生能源比例的增加，以及目前發(fā)電機組負荷變得較大的實際情況，應進一步開發(fā)適合調峰的高參數、靈活燃煤發(fā)電機組技術，如先進高效清潔靈活一次/二次再熱燃燒發(fā)電技術等。

　　另外，我國煤種多種多樣，動力用煤煤質特性參差不齊，提高燃煤發(fā)電機組的煤種適應性，也將成為我國未來燃煤發(fā)電技術的重要發(fā)展方向，如：適合燃用劣質煤種的大容量超臨界循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電技術、準東高堿煤發(fā)電技術等。

　　2. 對策建議

　　為保障我國超超臨界發(fā)電技術持續(xù)進步和領先，建議：

　　一是加強基礎材料研究，開發(fā)成套技術。在已有基礎上，加快組織各方力量，瞄準國際最先進目標開展聯合攻關，加快超超臨界發(fā)電技術高溫材料的研制，開發(fā)630℃超超臨界二次再熱技術、650℃/700℃超超臨界發(fā)電技術。

　　二是適應能源特性變化，開發(fā)針對性機組技術。結合我國具體國情，開發(fā)適合我國電網需求的大容量、高參數靈活調峰下一代超超臨界發(fā)電機組技術。結合我國動力用煤煤質特性，研究提高燃煤發(fā)電機組的煤種適應性技術。

　　三是推進污染物防治，強化機組潔凈化發(fā)電技術。開展現有機組NOx、SO2、汞、SO3等污染物生成與排放規(guī)律研究，分析不同污染物的影響因素，研究提出相應的污染物控制方案，通過改造現有機組和設計新建機組，實現燃煤發(fā)電的超低排放。

　　本報告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項項目“重點科技領域發(fā)展熱點跟蹤研究”(編號：ZLY2015072)研究成果之一。上海交通大學張忠孝教授、清華大學呂俊復教授參與了本研究。

　　本文特約編輯：姜念云