超超临界燃煤发电技术的研究.pdf

中国 海南 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术年会论文集 1 超超临界燃煤发电技术的研究 张晓鲁 （ 中国电力投资集团公司，北京 100053 ） RESEARCH ON ULTRA-SUPERCRITICAL PRESSURE COAL-FIRED POWER GENERATION TECHNOLOGY ZHANG Xiao-lu （China Power Investment Corporation，Beijing 100053，China） ABSTRACT The ultra-supercritical pressure coal-fired power generation technology USCT is a mature, advanced and efficient power generation technology in the world. From the viewpoint of Chinese power industry development, this paper analyzes the necessity and feasibility of ultra-supercritical units in China, and introduces the qualification of ultra-supercritical units abroad. Based on the above, the technical course of ultra-supercritical units’ development in China is expatiated and the prospect of USCT application is analyzed. KEY WORDS Ultra-supercritical pressure coal-fired power generation; Clean coal power-generation technology; Necessity, Feasibility 摘要超超临界燃煤发电技术是目前世界上成熟、先进、高 效的发电技术。 本文从国家电力发展的角度出发， 分析了我 国发展超超临界机组的必要性， 介绍了国外超超临界机组的 技术指标， 在此基础上阐述了我国发展超超临界机组的技术 路线，并对超超临界发电技术的应用前景做了展望。 关键词超超临界燃煤发电；洁净煤发电技术；必要性；可 行性 1 我国发展超超临界机组的必要性 按照国家制订的 2020 年电力发展规划， 我国 发电装机容量将从目前的 4 亿千瓦增加到 2020 年 9 亿千瓦，其中燃煤机组将达到 5.8 亿千瓦。 2003 年，全国二氧化硫排放总量达到 2100 多万吨，其中燃煤电厂二氧化硫排放约占全国排 放总量的 46。我国酸雨 pH 值小于 5.6 的城市 面积占全国的 70.6。 随着燃煤装机总量的增加， 我国将面临严峻的经济与资源、环境与发展的挑 战。提高燃煤机组的效率、减少总用煤量、降低 污染物排放是当前我国火电结构调整，实现可持 续发展的重要任务。 目前我国电力工业装机中高效、清洁的火电 机组比例偏低，结构性矛盾突出。2002 年，火电 机组中 30 万千瓦及以上机组占 41.7，20 万千 瓦以下机组占 42.5，超临界机组只占 2.38。 洁净煤发电、核电、大型超（超）临界机组、大 型燃气轮机技术开发、设备生产刚刚起步。全国 火电平均供电煤耗 383g/kWh， 比世界先进水平高 出 60g/kWh。因此迫切需要在近期研制出新一代 燃煤发电设备来装备电力工业。 新一代发电设备应具备可靠、大型、高效、 清洁、投资低等性能；能够替代现有的 300MW 和 600MW 亚临界机组，成为装备电力工业的主 流机型；同时国内设备制造企业经过努力后能够 具备生产能力，能够形成规模生产和市场竞争局 面。 分析国际上燃煤发电技术的发展趋势， 将采 用两种技术路线来提高效率和降低排放。其一是 利用煤化工中已经成熟的煤气化技术，集成蒸汽 燃气联合循环技术实现高效清洁发电，其代表技 术为 IGCC。此技术提高能效的前景很好，但因 系统相对复杂而造成投资偏高的问题需要解决。 目前正在烟台电厂建设一台 300 或 400MW 等级 的 IGCC 示范机组， 为今后的发展作好技术储备。 另一个发展方向是通过提高常规发电机组的蒸汽 参数来提高效率， 即超临界机组和超超临界机组。 超超临界机组在发达国家已经实现了大容量、大 批量生产。通过努力我国可以较快实现国产化能 力，降低设备成本。 如果我国 600MW 等级的燃煤机组采用超超 临界技术， 供电煤耗 278g/kWh， 比同容量亚临界 机组的煤耗减少 30 克/kWh， 按年运行 5500 小时 2 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术年会论文集 中国 海南 计算，一台 600MW 超超临界机组可比同容量亚 临界机组节约标煤 6 万吨/年，同时 SO2、氮氧化 物、粉尘等污染物以及 CO2排放将大大减少。采 用超超临界燃煤发电技术对于节约资源消耗、保 护环境、实现可持续发展具有重要意义。 2 国外超超临界机组的技术指标 超超临界机组蒸汽参数愈高，热效率也随之 提高。热力循环分析表明，在超超临界机组参数 范围的条件下，主蒸汽压力提高 1MPa，机组的 热耗率就可下降 0.13～0.15； 主蒸汽温度每提 高 10℃，机组的热耗率就可下降 0.25～0.30； 再热蒸汽温度每提高 10℃， 机组的热耗率就可下 降 0.15～0.20。 在一定的范围内， 如果采用二 次再热，则其热耗率可较采用一次再热的机组下 降 1.4～1.6。 亚临界机组的典型参数为 16.7MPa/538℃ /538℃，其发电效率约为 38％。超临界机组的主 蒸汽压力通常为 24MPa 左右， 主蒸汽和再热蒸汽 温度为 538～560℃；超临界机组的典型参数为 24.1MPa/538℃/538℃，对应的发电效率约为 41 ％。超超临界机组的主蒸汽压力为 25～31MPa， 主蒸汽和再热蒸汽温度为 580～610℃。 超临界机组的热效率比亚临界机组的高 2～3左右，而超超临界机组的热效率比超临 界机组的高 4左右。 目前， 美国投运的超临界机组大约为 170 台， 其中燃煤机组占 70以上。前苏联 300MW 及以 上容量机组全部采用超临界参数。 至 1988 年已有 近 200 台超临界机组投入运行，全国 35电力由 超临界机组供给。 日本的超临界机组共有 100 多台，总容量为 超过 5760 万千瓦，占火电机组容量的 61，45 万千瓦及以上的机组全部采用超临界参数，而且 在提高参数方面做了很多工作，最高压力为 31MPa，最高温度已达到 600/600C。 丹麦史密斯公司研究开发的前 2 台超超临界 机组，容量为 400MW，过热蒸汽出口压力为 29MPa，二次中间再热、过热蒸汽和再热汽温为 582/580/580℃，机组效率为 47，机组净效率达 45（采用海水冷却，汽轮机的背压为 26kPa） ； 后开发了参数为 30.5MPa，582/600℃、容量为 400MW 的超超临界机组，该机组采用一次中间 再热，机组设计效率为 49。 德国西门子公司 20 世纪末设计的超超临界 机组，容量在 400～1000MW 范围内，蒸汽参数 为 27.5MPa, 589/600℃， 机组净效率在 45以上。 欧洲正在执行“先进煤粉电厂（700℃） ”的 计划，即在未来的 15 年内开发出蒸汽温度高达 700℃的超超临界机组，主要目标有两个 使煤 粉电厂净效率由 47提高到 55（采用低温海水 冷却）或 52（对内陆地区和冷却塔） ；降低燃 煤电厂的投资价格。美国和日本也将蒸汽温度为 700℃的超超临界机组作为进一步的发展目标。 可见，国际上超超临界机组的参数已经达到 27～32Mpa 左右，蒸汽温度为 566～600℃，热效 率可以达到 42～45。国外机组的可靠性数据， 表明了超超临界机组可以同样实现高的可靠性。 我国石洞口二厂两台 60 万千瓦超临界机组的可 用率就高达 90以上，高于其它一些同容量亚临 界机组。从环保措施看，国外的超超临界机组都 加装了锅炉尾部烟气脱硫、 脱硝和高效除尘装置， 可以实现较低的排放，满足严格的排放标准。例 如日本的超超临界机组的排放指标可以达到 SO2 70 mg/Nm3；NOx 30 mg/Nm3；粉尘 5 mg/Nm3。 可见， 超超临界燃煤机组甚至可以与燃用天然气、 石油等机组一样实现清洁的发电。 与其余几种洁净煤发电技术相比，超超临界 机组技术具有继承性好， 容易实现大型化的特点， 在机组的可靠性、可用率、热机动性、机组寿命 等方面已经可以和亚临界机组媲美，已经有了较 多的商业运行经验。 3 我国发展超超临界机组的技术路线 2000 年开始， 原国家电力公司启动了超超临 界发电技术可行性的研究工作。 2002 年该研究获 得国家科技部支持，列入“十五”863 研究计划。 该项目由国内制造企业、电力公司以及科研院所 等 19 个单位组成的课题组， 围绕我国开展超超临 界机组的应用技术问题开展专题研究，分为 5 个 子课题，其中子课题一为“超超临界机组的技术 选型研究” ； 子课题二为 “超超临界锅炉关键技术 研究” ； 子课题三为 “超超临界汽轮机关键技术研 究” ； 子课题四为 “大型燃煤电站烟气净化技术研 究” ； 子课题五为 “超超临界机组电站设计与运行 技术研究” 。 2003 年 11 月 7 日，子课题一通过国家科技 中国 海南 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术年会论文集 3 部组织的专家验收。该子课题全面、深入地调研 了国外超超临界燃煤机组的现状和技术发展趋 势，并根据我国的具体国情，全面分析了超超临 界机组用钢的现状，在选用国际成熟的耐热钢材 的前提下，分析研究了有关超超临界参数、机组 容量、机组的结构型式、热力系统、重要辅机配 套、机炉参数匹配及机组运行性能等问题。明确 提出了我国近期发展超超临界机组的有关技术选 型结论，提出了烟气净化技术的选型建议。研究 结论既考虑了国际上超超临界机组发展的先进成 熟水平，又充分考虑了我国当前设计和制造企业 通过与国外合作迅速实现本地化的可能性。 在此研究过程中，在通过国际市场采购已商 业化的耐热金属材料的条件下，用科学抽象的典 型化、层次化方法，从技术可行性、设计制造模 式、业绩和与国外合作、经济性分析四个重要方 面分析，抓住本质，对繁多因素进行归类、分层 处理，得到如下技术选型论证的结论 1、我国发展超超临界机组的技术参数 蒸汽参数 25MPa/600℃/600℃（发电效率约 44.63，发电煤耗率 275g/kWh） ；同时，不排除 蒸汽参数 28MPa/600℃/600℃（发电效率约 44.99，发电煤耗率 273g/kWh）的可能，提高 压力后，其热效率提高约 0.4 个百分点，其技术 经济性根据实际工程而定。 2、我国发展超超临界机组的参数等级 ⑴ 推荐 1000MW 容量等级机组方案和 600MW 容量等级机组采用超超临界参数方案， 其中 600MW 容量等级超超临界机组应做为我国 电网中的主力机组。经研究分析，为保证机组的 技术经济合理性，超超临界机组的单机容量应在 350MW 以上，超临界机组的单机容量应在 300MW 以上。 ⑵ 1000MW 级超超临界机组推荐采用单轴 布置。对常规背压（4.9kPa）条件，1000MW 级 汽轮机可采用 43～48″（1092.2～1219.2mm）末 级叶片四缸四排汽结构，其排汽损失在设计规范 内； 600MW 级汽轮机采用～1000mm 末级叶片四 缸四排汽结构是合适的， 同时可采用 48″末级长 叶片的两排汽结构。 大型超临界煤粉锅炉的整体布置主要采用∏ 型布置和塔式布置。锅炉水冷壁型式中的螺旋管 圈和垂直管屏二种型式均有运行业绩，均是可行 的，但在数量上以前者为多。 ⑶ 采用二次再热可使机组的热效率提高 1％～2，但也造成了调温方式、受热面布置、 结构等的复杂性，成本明显提高。因此，推荐 一次再热。 总的来看，这种技术选型方案具有创新性和 世界先进水平。我国超超临界机组的推荐参数 25MPa/600℃/600℃是日本目前所采用的方案， 压 力比欧洲低，温度比欧洲高；目前世界上还没有 该参数的 1000MW 单轴超超临界机组。 这个方案 适合我国经济和电力发展需要。 28MPa/600℃/600℃参数超超临界机组方案 的技术水平略高于 25MPa/600℃/600℃参数方 案，但仍属同一等级的。这个方案采用的压力比 目前日本高、温度比目前欧洲高，该参数与 1000MW 级容量的组合方案具有世界先进水平。 按照上述技术路线，哈尔滨、上海、东方等 三大动力设备厂与日立、三菱、东芝、西门子、 阿尔斯通等公司进行了技术引进工作。 子课题二、三的研究针对已确定的机组选型 参数，以制造企业为中心开展锅炉、汽轮机、发 电机和重要辅机的研究工作。哈尔滨锅炉厂负责 组织三家锅炉厂、研究单位，重点研究水冷壁水 动力工况和奥氏体钢的加工和焊接工艺，提出超 超临界锅炉的方案和设计软件。东方汽轮机厂负 责组织三家汽轮机厂、研究单位重点研究高温、 高压部件动叶材料、汽轮机总体结构及可靠性、 高温材料冷、热加工工艺和末级长叶片技术，提 出超超临界汽轮机的方案和设计软件。子课题四 由国家电站燃烧技术中心正在研究大机组的脱硝 技术，为今后自主发展烟气脱硝技术作好准备。 子课题五由华能国际电力公司正组织西安热工院 和华东电力设计院研究超超临界运行和设计技 术。这些技术将为建设国产超超临界机组提供具 体的方案。 4 超超临界发电技术的应用前景 根据我国现实及未来可能的资源条件和各种 能源技术发展水平及其经济性，燃煤发电仍然在 电力结构中占据不可替代的地位。 大力发展先进、 高效、清洁的燃煤发电技术是电力工业可持续发 展的重要手段。最近国家发改委明确要求，在缺 乏煤炭资源的东部沿海地区，优先规划建设发电 4 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术年会论文集 中国 海南 煤耗不高于 275 克标准煤/千瓦时的燃煤电站， 这 是超超临界机组的发展政策要求。因此，超超临 界机组将会在东部得到快速发展。 今年煤炭价格大幅度上涨，从长远看，煤炭 价格将会持续上涨。就目前的煤价水平，在坑口 建设的超超临界机组的电价已经低于亚临界机组 的电价，随着煤价上涨，超超临界机组将会更加 经济。随着国家建设大型坑口煤电基地战略的实 施，坑口地区的电厂装机规模会迅速增加，需要 超超临界机组提高煤炭利用效率、减少排放。 随着超临界火电机组的国产化，我国在今后 新增的火电装机结构中必将大力发展超临界和超 超临界机组。根据现已完成的研究结果表明今 后电网新增超临界与超超临界机组的需求和数量 都将大幅度增加。其中超超临界机组由于与超临 界机组相比效率将有较大幅度的提高，从而具有 更高的竞争优势。 预计 2020 年超超临界机组在燃 煤机组装机总量中达到 25以上。 因此，加快建设和发展超超临界火电机组是 解决电力短缺、能源利用率低和环境污染严重的 最现实、最有效的途径。超超临界发电技术是我 国电力工业升级换代，缩小与发达国家技术与装 备差距的新一代技术，在未来 2030 年是我国电 力工业装机主要技术。 超超临界火电技术的发展， 还将带动制造工业、材料工业、环保工业及其它 相关产业的发展，创造新的经济增长点，是电力 工业可持续发展的战略选择。