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高效燃煤發(fā)電技術(shù)一直是能源高效利用的先鋒。當(dāng)前主流的超（超）臨界燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了3個階段，技術(shù)在全球范圍內(nèi)逐漸成熟；在材料工業(yè)發(fā)展的支持下，朝著700 ℃等級先進(jìn)超超臨界技術(shù)的方向發(fā)展；并已逐步解決商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題，邁向第4個重要發(fā)展階段。受制于如鋼材和加工等基礎(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域的薄弱條件，中國在高效燃煤發(fā)電技術(shù)研發(fā)方面長期落后于發(fā)達(dá)國家；但經(jīng)過長期追趕，當(dāng)前已逐漸接近世界先進(jìn)水平，且在700 ℃等級先進(jìn)超超臨界技術(shù)研發(fā)方面，也取得了可喜成績。在高效燃煤發(fā)電技術(shù)應(yīng)用等方面，中國近四十年來發(fā)展迅猛，當(dāng)前中國的煤電機(jī)組煤耗水平已達(dá)到歐洲諸國的先進(jìn)水平。進(jìn)一步發(fā)展材料等基礎(chǔ)工業(yè)，從主機(jī)設(shè)備、系統(tǒng)布置等方面進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)新，仍然是高效燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

超（超）臨界燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展與展望

《熱力發(fā)電》

王 倩1，王衛(wèi)良1,2，劉 敏1，

呂俊復(fù)2，劉吉臻1，岳光溪2

（1.暨南大學(xué)能源電力研究中心，廣東 珠海 519070；

2.熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室，

清華大學(xué)能源與動力工程系，北京 100084）

［摘要］

高效燃煤發(fā)電技術(shù)一直是能源高效利用的先鋒。當(dāng)前主流的超（超）臨界燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了3個階段，技術(shù)在全球范圍內(nèi)逐漸成熟；在材料工業(yè)發(fā)展的支持下，朝著700 ℃等級先進(jìn)超超臨界技術(shù)的方向發(fā)展；并已逐步解決商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題，邁向第4個重要發(fā)展階段。受制于如鋼材和加工等基礎(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域的薄弱條件，中國在高效燃煤發(fā)電技術(shù)研發(fā)方面長期落后于發(fā)達(dá)國家；但經(jīng)過長期追趕，當(dāng)前已逐漸接近世界先進(jìn)水平，且在700 ℃等級先進(jìn)超超臨界技術(shù)研發(fā)方面，也取得了可喜成績。在高效燃煤發(fā)電技術(shù)應(yīng)用等方面，中國近四十年來發(fā)展迅猛，當(dāng)前中國的煤電機(jī)組煤耗水平已達(dá)到歐洲諸國的先進(jìn)水平。進(jìn)一步發(fā)展材料等基礎(chǔ)工業(yè)，從主機(jī)設(shè)備、系統(tǒng)布置等方面進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)新，仍然是高效燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

［關(guān)鍵詞］

燃煤發(fā)電；高效；超臨界；700 ℃；鋼材與加工業(yè)

能源安全是關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的全局性、戰(zhàn)略性問題。面對能源供需格局新變化、國際能源發(fā)展新趨勢，保障國家能源安全，必須推動能源生產(chǎn)和消費革命。作為中國最主要的一次能源消費和二次能源供應(yīng)者，燃煤發(fā)電的生產(chǎn)革命，對我國全局的能源生產(chǎn)革命具有決定性作用。燃煤發(fā)電的生產(chǎn)革命本質(zhì)上就是要提高燃煤發(fā)電效率，而更高參數(shù)的超超臨界發(fā)電技術(shù)無疑是高效燃煤發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向。

為了探索中國燃煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展道路，本文首先對當(dāng)前主流的超（超）臨界燃煤發(fā)電技術(shù)在世界范圍內(nèi)的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行梳理；其次對當(dāng)前世界上燃煤發(fā)電主要經(jīng)濟(jì)體的技術(shù)發(fā)展過程進(jìn)行系統(tǒng)分析，并將中國與世界主要經(jīng)濟(jì)體燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)的能耗水平進(jìn)行系統(tǒng)比較；最后提出燃煤發(fā)電行業(yè)超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向。

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超（超）臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展階段

世界上超（超）臨界發(fā)電技術(shù)的發(fā)展過程大致可以分成3個階段：

第1個階段，從20世紀(jì)50年代開始，以美國、德國和前蘇聯(lián)等為代表。1949年前蘇聯(lián)就安裝了第1臺超超臨界直流鍋爐試驗機(jī)組，機(jī)組參數(shù)為29.4 MPa/600 ℃ (12 t/h)。當(dāng)時的起步參數(shù)就是超超臨界參數(shù)，但隨后由于電廠可靠性的問題，在經(jīng)歷了初期超超臨界參數(shù)后，從60年代后期開始，美國超臨界機(jī)組大規(guī)模發(fā)展時期所采用的參數(shù)均降低到常規(guī)超臨界參數(shù)。直至80年代，美國超臨界機(jī)組的參數(shù)基本穩(wěn)定在這個水平。此時，美國投運(yùn)超臨界機(jī)組達(dá)166臺，前蘇聯(lián)投運(yùn)機(jī)組達(dá)187臺。

第2個階段，大約是從20世紀(jì)80年代初期開始。由于材料技術(shù)的發(fā)展，尤其是鍋爐和汽輪機(jī)材料性能的大幅度改進(jìn)，及對電廠水化學(xué)方面的認(rèn)識的深入，克服了早期超臨界機(jī)組所遇到的可靠性問題。同時，美國對已投運(yùn)的機(jī)組進(jìn)行了大規(guī)模的優(yōu)化及改造，可靠性和可用率指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到甚至超過了相應(yīng)的亞臨界機(jī)組。通過改造實踐，形成了新的結(jié)構(gòu)和新的設(shè)計方法，大大提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、運(yùn)行靈活性。其間，美國又將超臨界技術(shù)轉(zhuǎn)讓給日本（通用電氣（GE）向東芝（Toshiba）、日立，西屋向三菱），聯(lián)合進(jìn)行了一系列新超臨界電廠的開發(fā)設(shè)計。這樣，超臨界機(jī)組的市場逐步轉(zhuǎn)移到了歐洲及日本，涌現(xiàn)出了一批新的超臨界機(jī)組。

第3個階段，大約是從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)入了新一輪的發(fā)展階段。這也是世界上超超臨界機(jī)組快速發(fā)展的階段，即在保證機(jī)組高可靠性、高可用率的前提下采用更高的蒸汽溫度和壓力。其主要原因在于國際上環(huán)保要求日益嚴(yán)格，同時新材料的開發(fā)成功和常規(guī)超臨界技術(shù)的成熟也為超超臨界機(jī)組的發(fā)展提供了條件。主要以日本（三菱、東芝、日立）、歐洲（西門子、阿爾斯通）的技術(shù)為主。

截至2018年底，全世界（除中國外）已投入運(yùn)行的超臨界及以上參數(shù)發(fā)電機(jī)組大約有620多臺。其中美國有170多臺，日本和歐洲各約60臺，俄羅斯及原東歐國家280余臺。目前發(fā)展超超臨界技術(shù)領(lǐng)先的國家主要是日本、德國等。世界范圍內(nèi)（除中國外）屬于超超臨界參數(shù)的機(jī)組大約有70余臺。在中國，超超臨界技術(shù)的應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展速度迅猛。據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會（中電聯(lián)）統(tǒng)計，2018年底中國已投產(chǎn)的超超臨界機(jī)組已達(dá)160余臺，占中國火電機(jī)組裝機(jī)容量的45%，其中1 000 MW及以上機(jī)組超過100余臺。中國已是世界上1 000 MW超超臨界機(jī)組發(fā)展最快、數(shù)量最多、容量最大和運(yùn)行性能最先進(jìn)的國家。

為進(jìn)一步降低能耗和減少污染物排放，改善環(huán)境，在材料工業(yè)發(fā)展的支持下，各國的超（超）臨界機(jī)組都在朝著更高參數(shù)的技術(shù)方向發(fā)展。當(dāng)前世界主要經(jīng)濟(jì)體正在開展的700 ℃等級先進(jìn)超超臨界技術(shù)研發(fā)過程，可以認(rèn)為是超（超）臨界技術(shù)發(fā)展的第4個重要階段。

2

主要經(jīng)濟(jì)體燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展情況

歐洲高效燃煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

基于二戰(zhàn)后比利時、法國、西德、意大利、瑞士和盧森堡等于1951年簽訂的《巴黎協(xié)定》，1952年歐洲煤鋼聯(lián)盟（ECSC）成立。受歐洲煤鋼聯(lián)盟的資助，歐洲于20世紀(jì)50年代開始研發(fā)適用于超超臨界機(jī)組的鋼材。1983年歐洲鋼鐵聯(lián)盟在西德、英國和意大利啟動91級鋼鐵協(xié)作研發(fā)計劃，并最早應(yīng)用于法國科涅（Cogne）電廠。這些工作都為超超臨界機(jī)組的研制奠定基礎(chǔ)。作為歐洲煤鋼聯(lián)盟的繼任者，歐洲煤炭鋼鐵基金（RFCS）于2002年成立，進(jìn)而每年資助歐洲煤炭和鋼鐵行業(yè)涉及安全、高效、有競爭優(yōu)勢的研發(fā)項目。

針對超超臨界和先進(jìn)超超臨界（A-USC）的研發(fā)，歐洲科學(xué)技術(shù)合作組織（European Cooperation in Science and Technology,COST）計劃和Joule-Thermie AD700計劃啟動。其中COST計劃始于1971年，歷經(jīng)COST 50（1971年啟動）、COST 501（1980—1997年，I-III期）、COST 505（1982—1986年）、COST 522（1999—2003年）和COST 536（2004—2009年）等研發(fā)項目。通過這些工作的開展，使得合金材料耐高溫等特性逐步提高，從而實現(xiàn)燃煤/燃?xì)鈾C(jī)組的熱效率提高10%左右。

2011年以前，歐洲投運(yùn)的容量1 000 MW以上的超超臨界機(jī)組為NIEDERAUSSEM-#K機(jī)組。機(jī)組容量1 025 MW，主蒸汽壓力26.5 MPa，主/再熱蒸汽溫度576 ℃/599 ℃。此機(jī)組為德國實施火力發(fā)電深度節(jié)能優(yōu)化計劃（簡稱“BoA”計劃）第1期的依托工程。在總結(jié)吸收NIEDERAUSSEM-#K機(jī)組的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化，第2期“BoA”計劃的依托工程為Neurath #F、G機(jī)組，容量增加到1 100 MW，主蒸汽和再熱蒸汽參數(shù)提高到600 ℃和605 ℃，電廠供電效率達(dá)到43%，污染物排放更低。同時，新建機(jī)組開始實施在現(xiàn)有材料基礎(chǔ)上，主蒸汽壓力進(jìn)一步提高，再熱蒸汽溫度提升到620 ℃的方案。GE在德國卡爾斯魯厄投運(yùn)的RDK8燃煤電廠機(jī)組容量為919 MW，運(yùn)行效率達(dá)到47.5%（低位熱值，LHV）。另外丹麥的Nordjylland電廠3號機(jī)組雖然機(jī)組容量不大，但是采用了二次再熱、深海水冷卻等技術(shù)，是目前世界上機(jī)組效率最高的燃煤電廠之一。

在1997年歐洲許多國家都簽訂《京都議定書》的背景下，大幅減排CO2面臨巨大挑戰(zhàn)。為此，歐盟于1998年1月啟動AD700先進(jìn)超超臨界發(fā)電計劃，其主要目標(biāo)是研制適用于700 ℃鍋爐高溫段、主蒸汽管道和汽輪機(jī)的奧氏體鋼及鎳基合金材料，設(shè)計先進(jìn)的700 ℃超超臨界鍋爐及汽輪機(jī)，降低700 ℃機(jī)組的建造成本，最終建成35 MPa/705 ℃/720 ℃等級的示范電站，結(jié)合煙氣余熱利用、降低背壓、降低管道阻力、提高綜合給水溫度等技術(shù)措施，使機(jī)組效率達(dá)到50%（LHV）以上。原計劃通過示范電站的運(yùn)行和技術(shù)完善，在2011年左右實現(xiàn)機(jī)組商業(yè)化運(yùn)行。

AD700計劃主要包括概念設(shè)計與高溫材料研發(fā)（第1階段，1998—2004年）、鍋爐設(shè)計與高溫材料性能測試（第2階段，2002—2005年）、關(guān)鍵部件的中試實驗（第3階段，2004—2008年）、700 ℃超超臨界示范電站的建設(shè)（第4階段，2006—2011年）、示范電站的運(yùn)行（第5階段，2012—2014年）和技術(shù)反饋（第6階段，2012—2014年）。材料部分主要通過比選市場上已有或者研發(fā)新的鋼/合金材料以滿足相應(yīng)抗高溫蠕變斷裂特性。具體包括滿足在100 MPa/650 ℃條件下安全運(yùn)行10萬h的鐵素體鋼、滿足在100 MPa/700 ℃條件下安全運(yùn)行10萬h的奧氏體鋼和滿足在100 MPa/750 ℃條件下安全運(yùn)行10萬h的高溫合金鋼。

通過材料實驗研究發(fā)現(xiàn)，鍋爐部分涉及的昂貴的鎳基合金鋼（617、263和740合金）和奧氏體鋼（Sanicro25）都通過了實驗測試，然而所選用的幾種鐵素體鋼材（含12%鉻）在經(jīng)歷1萬~2萬h以后都存在微結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性而導(dǎo)致蠕變特性下降（也有報道稱鎳基管道在部件驗證實驗回路中出現(xiàn)了裂縫）。汽輪機(jī)部分關(guān)于閥門、高/中壓轉(zhuǎn)子、焊接等相關(guān)實驗研究都順利完成。其他關(guān)于鍋爐、汽輪機(jī)的整體設(shè)計和具體加工制造方案和關(guān)鍵部件的中試實驗等都已經(jīng)順利完成。

在熱力系統(tǒng)研究過程中，丹麥DONG能源公司提出了通過在給水泵汽輪機(jī)上打孔抽汽以降低再熱段（中、低壓缸）回?zé)?損失的MC系統(tǒng)。如果小汽輪機(jī)效率能提高到一定水平，可實現(xiàn)在同等材料基礎(chǔ)上將機(jī)組熱效率提高1.4%左右。通過與AD700原計劃的方案結(jié)合，并采用海水冷卻等措施，可進(jìn)一步將系統(tǒng)熱效率提高至55%。然而由于高溫合金鋼和奧氏體鋼價格昂貴，而相對便宜等級的鐵素體鋼性能還沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，整個項目的投資會大大增加，導(dǎo)致本計劃一再推遲。目前還沒有興建A-USC示范電廠的具體計劃。

日本高效燃煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

日本燃煤發(fā)電裝機(jī)容量在1960年之前非常少。受20世紀(jì)70年代石油危機(jī)的影響，日本開始大規(guī)模建造燃煤機(jī)組以保障能源安全。日本大部分燃煤機(jī)組在20世紀(jì)50年代末就已從538 ℃提高到566 ℃。而到1993年以后，新建的燃煤機(jī)組一般都采用超超臨界25 MPa/600 ℃/600 ℃等級的參數(shù)，機(jī)組熱效率達(dá)到42%（HHV）。到2004年，日本約四分之一的電力由燃煤機(jī)組供應(yīng)，其中有近一半的機(jī)組為超超臨界機(jī)組。2011年福島地震以后，幾乎所有的核能發(fā)電站都被關(guān)閉，直到2015年仙臺核能發(fā)電站經(jīng)過政府嚴(yán)格審查后才重新啟動。為此燃燃?xì)獍l(fā)電站、燃煤電站和燃油電站等幾乎全負(fù)荷工作以滿足電網(wǎng)需求。近幾年燃煤機(jī)組的發(fā)電量已占30%以上。

在超超臨界技術(shù)發(fā)展成熟以后，同時也受歐洲AD700計劃的影響，日本鍋爐制造廠、汽輪機(jī)制造廠、閥門制造廠、研究所、高校和相關(guān)事業(yè)單位在政府支持下于2008年聯(lián)合啟動700 ℃ A-USC研發(fā)計劃。A-USC計劃的目標(biāo)是在600 ℃等級超超臨界技術(shù)的基礎(chǔ)上將燃煤電站的參數(shù)提高到35 MPa/700 ℃/720 ℃/720 ℃等級（二次再熱），將機(jī)組熱效率提高到46%~48%（高位熱值，HHV）。研發(fā)計劃成立A-USC委員會，下設(shè)汽輪機(jī)、鍋爐、閥門和鍋爐部件測試等分委員會。

鍋爐部分的工作主要包括系統(tǒng)設(shè)計、材料特性研究、管/板焊接、關(guān)鍵部件成型、抗氧化/腐蝕/疲勞/蠕變實驗等研究工作。鍋爐材料部分重點對鎳基合金（HR6W、HR35、617合金、263合金、740合金和141合金）和鐵素體鋼（High-B-9Cr、Low-C-9Cr和SAVE12AD）等進(jìn)行了研究。再熱器、主管道、閥門和套管等都在2015—2016年通過了實爐試驗。 汽輪機(jī)部分的工作主要包括系統(tǒng)設(shè)計、轉(zhuǎn)子鍛造、轉(zhuǎn)子焊接與加工、閥門/內(nèi)缸/噴嘴室鑄造、材料的抗氧化/疲勞/蠕變等研究。

汽輪機(jī)部分重點研究了適用于700 ℃高溫段的鎳基（FENIX-700、LTES和TOS1X）等材料。鎳基FENIX-700是在706合金的基礎(chǔ)上減少了鈮的成分，并增加了鈦和鋁的成分，在700 ℃下具有最好的長期穩(wěn)定性。汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子實驗已于2016年在電加熱試驗臺上完成。另外相關(guān)高溫段的閥門采用如鎳基材料、鎢鉻鈷合金和表面涂層處理材料也通過了實驗測試。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，鎳基合金、先進(jìn)的9鉻合金鋼及其整個鑄造、加工等環(huán)境是本項目的關(guān)鍵。

美國高效燃煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

美國在超（超）臨界技術(shù)的研發(fā)起步較早，目前世界上多個技術(shù)流派都源自于美國。但受國內(nèi)資源稟賦等多種原因的影響，自20世紀(jì)90年代以來，美國高效燃煤發(fā)電機(jī)組的發(fā)展較為緩慢。目前美國擁有世界上單機(jī)容量最大的1 300 MW超臨界雙軸機(jī)組。但由于這些機(jī)組均為20世紀(jì)70年代至90年代初投入運(yùn)行的，雖然單機(jī)容量為目前世界最大，其技術(shù)水平與目前世界先進(jìn)的高效燃煤發(fā)電水平有較大差距。

2001年美國能源部（DOE）和俄亥俄煤炭發(fā)展辦公室（OCDO）聯(lián)合主要電站設(shè)備制造商、美國電力研究院（EPRI）等單位啟動先進(jìn)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組US DOE/OCDO A-USC研究項目，并成立US DOE/OCDO A-USC聯(lián)盟。該項目的最終目標(biāo)是開發(fā)蒸汽參數(shù)達(dá)到35 MPa/760 ℃/760 ℃的火力發(fā)電機(jī)組，效率達(dá)到45%（HHV）以上。計劃到2015年，完成先進(jìn)超超臨界機(jī)組所涉及的材料的所有方面性能研究工作，包括長期的機(jī)械性能變化情況測試，材料微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展過程的深入研究，氧化和脫落特性的研究，向火側(cè)腐蝕特性的實爐研究，各種焊接過程和焊接性能研究，涉及轉(zhuǎn)子加工過程的模具、鍛造和性能測試等研究，鑄造成型和表面處理等工作。

相關(guān)研究工作主要分為鍋爐和汽輪機(jī)2個部分。鍋爐部分從2001年啟動，并于2015年全部完成。主要包括概念設(shè)計和經(jīng)濟(jì)性分析、高溫合金的機(jī)械特性、蒸汽側(cè)的氧化和抗氧化特性、向火側(cè)的抗腐蝕特性、焊接性能、可加工特性、表面處理特性、設(shè)計數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。汽輪機(jī)部分分為2個階段。第1階段從2005—2009年。主要完成方案設(shè)計和經(jīng)濟(jì)性分析，非焊接轉(zhuǎn)子的材料研究，焊接轉(zhuǎn)子的材料研究，鑄造、氧化和固體顆粒侵蝕等工作。由于第1階段完成后，阿爾斯通（Alstom）和西門子（Siemens）終止參與，所以第2階段從2010年開始又根據(jù)第1階段研究的優(yōu)選材料針對GE開發(fā)的螺栓連接的轉(zhuǎn)子開展相關(guān)性能研究。第2階段的具體研究內(nèi)容包括轉(zhuǎn)子/壓力盤測試（全尺寸鍛造成型和示范）、葉片和螺栓的長時間測試、汽輪機(jī)缸體和閥體的鑄造、套管焊接和鑄造修復(fù)等工作。上述工作已全部于2015年完成。

通過上述研究，US DOE/OCDO A-USC聯(lián)盟完成了先進(jìn)超超臨界電廠基于鎳基合金的焊接和制造相關(guān)示范工作，完成了基于世界上第1臺760 ℃汽冷腐蝕測試實驗系統(tǒng)的高溫合金材料向火側(cè)腐蝕特性實爐研究，完成了高溫時效硬化合金、用于鍛造轉(zhuǎn)子的新型材料的鑄造技術(shù)研發(fā)，以及作為核心材料的耐760 ℃電廠用鉻鎳鐵合金740H的驗收標(biāo)準(zhǔn)?；谏鲜?4年研發(fā)工作的順利開展，目前美國US DOE/OCDO A-USC聯(lián)盟正在開展相關(guān)關(guān)鍵部件實驗平臺的建造工作。

中國高效燃煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

中國從1992年開始興建超臨界機(jī)組，直到21世紀(jì)初才開始引進(jìn)超臨界/超超臨界技術(shù)。2004年首臺國產(chǎn)超臨界機(jī)組投產(chǎn)后，國家科技部又將“超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)”列入“十五”863項目，極大促進(jìn)了我國600 ℃/600 ℃一次再熱超超臨界機(jī)組的引進(jìn)和消化吸收。國內(nèi)主機(jī)廠通過不同的合作方式引進(jìn)、消化并吸收國外技術(shù)，逐步實現(xiàn)了超超臨界機(jī)組的國產(chǎn)化。

最初東方電氣集團(tuán)、哈電集團(tuán)現(xiàn)有超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)進(jìn)口參數(shù)為25 MPa、600 ℃/600 ℃，相應(yīng)鍋爐的設(shè)計參數(shù)為26.25 MPa、605 ℃/603 ℃。上海電氣集團(tuán)超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)進(jìn)口參數(shù)選用26.25~27 MPa、600 ℃/600 ℃的方案，相配套的鍋爐其主蒸汽壓力約27.5~28.35 MPa。在引進(jìn)消化、吸收以后，三大制造廠在新項目中逐步開展了優(yōu)化設(shè)計研究，比如將主蒸汽壓力從25 MPa逐步提高到28、31 MPa，將再熱蒸汽溫度從600 ℃逐步提高到615、620 ℃等。如浙江長興電廠2014年投產(chǎn)的660 MW超超臨界機(jī)組將主蒸汽參數(shù)提高到28 MPa/600 ℃/620 ℃，泰州電廠2015年投產(chǎn)的1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組將主蒸汽參數(shù)提高到31 MPa/600 ℃/610 ℃/610 ℃，發(fā)電效率已達(dá)到47.8%。

目前中國已是世界上1 000 MW超超臨界機(jī)組發(fā)展最快、數(shù)量最多、容量最大和運(yùn)行性能最先進(jìn)的國家。我國25~31 MPa/600 ℃等級超超臨界發(fā)電技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，同時具備了630 ℃超超臨界機(jī)組的研發(fā)能力。大唐鄆城35 MPa/615 ℃/630 ℃/630 ℃超超臨界二次再熱國家電力示范項目已于2019年獲批。目前正在開展630~650 ℃材料的研制和開發(fā)，建設(shè)630~650 ℃機(jī)組已成為下一步電站建設(shè)的重要目標(biāo)。

我國超臨界和超超臨界發(fā)電技術(shù)比發(fā)達(dá)國家起步晚，但利用國內(nèi)市場提供的巨大舞臺，通過前期的技術(shù)轉(zhuǎn)讓以及后期的自主研發(fā)，目前具有先進(jìn)水平的設(shè)計制造平臺、全球600 ℃超超臨界機(jī)組最多的設(shè)計運(yùn)行經(jīng)驗，為我國700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。為此，我國從2010年7月23日在北京成立“國家700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，其組成單位包括五大發(fā)電集團(tuán)、三大動力集團(tuán)，以及重點電力設(shè)計和研究單位、材料研究和冶煉單位等。2011年6月24日國家能源局在北京組織召開了國家700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟第1次理事會議和技術(shù)委員會會議，正式啟動700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)研發(fā)計劃的工作。根據(jù)700 ℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)的難點及與國外差距，我國初步確定700 ℃計劃示范機(jī)組容量采用600 MW等級，壓力和溫度參數(shù)為35 MPa/700 ℃/720 ℃，機(jī)組采用緊湊型布置，再熱方式按照一次再熱和二次再熱2種方案開展研究，并制定了初步研發(fā)進(jìn)度。原計劃在“十二五”末建立660 MW，35 MPa/700 ℃/720 ℃的示范電站，但由于耐高溫材料等研制的影響，項目進(jìn)度一再推遲，目前尚未獲悉該示范機(jī)組建設(shè)的具體進(jìn)展。

根據(jù)700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的目標(biāo)要求，國家能源局設(shè)立了“700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用示范”重點研發(fā)項目。該項目內(nèi)容主要包括機(jī)組總體方案設(shè)計研究、關(guān)鍵材料技術(shù)研究、鍋爐關(guān)鍵技術(shù)研究、汽輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究、關(guān)鍵部件驗證試驗平臺的建立及運(yùn)行、示范電站建設(shè)的工程可行性研究等6個方面。從2012年開始，中國鋼鐵研究院、撫順特殊鋼廠、內(nèi)蒙古重工、寶鋼、中國一重、中國二重、中科院金屬所等聯(lián)合開發(fā)700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)所需的耐高溫材料。同時還引進(jìn)了740H、617B、Sanicro25、Haynes282、Nimonic80A等鎳基或鐵鎳基高溫合金材料，并組織西安熱工研究院、上海成套院、哈爾濱鍋爐廠等單位對其成分、力學(xué)及持久性能等開展詳細(xì)分析。目前，我國寶鋼集團(tuán)、太鋼集團(tuán)等冶金/制造企業(yè)已試制出了鎳基高溫材料的管材。中科院金屬研究所通過對984合金改進(jìn)得到984G合金。寶鋼集團(tuán)也試制出了984G管材，并正在進(jìn)行相關(guān)性能試驗。華能清能院聯(lián)合東鍋和西北電力設(shè)計院，完成了700 ℃緊湊型超超臨界煤粉鍋爐的初步設(shè)計。依托南京電廠的700 ℃實爐超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件驗證實驗平臺于2015年底建成投運(yùn)，并2017年10月通過專家鑒定。2018年2月科技部對“863”計劃項目“700 ℃超超臨界發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究”進(jìn)行了驗收，提出了一套自主設(shè)計的700 ℃超超臨界鍋爐、汽輪機(jī)、高溫蒸汽管道系統(tǒng)的關(guān)鍵部件選材方案，為進(jìn)一步開展700 ℃等級高效超超臨界發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

材料和制造技術(shù)是發(fā)展先進(jìn)機(jī)組的技術(shù)核心，而我國的高溫材料基礎(chǔ)研究薄弱。自主產(chǎn)權(quán)高溫材料數(shù)據(jù)庫的缺乏，成為制約700 ℃超超臨界發(fā)電技術(shù)的瓶頸。目前國內(nèi)外700 ℃材料都不太成熟，而且價格及其昂貴。從主機(jī)設(shè)備、系統(tǒng)布置等方面進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)新，努力減少高溫材料的使用，降低工程投資，是目前全世界共同研究的方向之一。

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世界主要國家燃煤機(jī)組發(fā)電煤耗對比分析

在電力行業(yè)，燃煤機(jī)組發(fā)電煤耗每下降10 g/(kW?h)，意味著技術(shù)領(lǐng)先一個時代。根據(jù)國際能源署（IEA）提供的燃煤機(jī)組煤炭消耗及發(fā)電量，選取中國、美國、澳大利亞、日本、韓國、印度、法國、德國、北歐（丹麥、瑞典、芬蘭、挪威）、英國和愛爾蘭等世界主要國家和地區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并參考日本MRI研究協(xié)會分析報告所提出的方法計算了各個國家燃煤機(jī)組的發(fā)電效率，整理得到上述國家燃煤機(jī)組的煤耗情況?？紤]到有些地區(qū)的電網(wǎng)交叉性很強(qiáng)，難以分割，如北歐四國地區(qū)，以及英國和愛爾蘭地區(qū)，本文分別將這些地區(qū)合并討論。并對所選擇國家的煤耗情況進(jìn)行直接代數(shù)平均和加權(quán)平均（即總量平均）作為2個參考指標(biāo)。根據(jù)IEA的統(tǒng)計數(shù)據(jù)（官網(wǎng)更新至2017年），本文所選擇的14個國家化石燃料的發(fā)電量占全世界化石燃料發(fā)電量的66%左右，具有較強(qiáng)的代表性。另外，由于缺乏各個國家燃煤機(jī)組廠用電率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本節(jié)主要對比的是發(fā)電煤耗的情況。

由于歐洲燃煤技術(shù)發(fā)展總體水平較高，為了方便討論，將中國燃煤發(fā)電的煤耗情況與歐洲主要國家和歐洲以外主要國家分別進(jìn)行對比分析。圖1為中國與美國、澳大利亞、日本、韓國和印度等非歐洲主要國家平均發(fā)電煤耗的對比情況。

(圖1 中國與美國、澳大利亞、日本、韓國和印度等非歐洲主要國家平均發(fā)電煤耗比較)

從圖1可以看出：

1）中國在20世紀(jì)90年代燃煤機(jī)組發(fā)電煤耗水平總體落后，只比韓國的低。但由于韓國當(dāng)時裝機(jī)容量基數(shù)很?。旰拿毫恐挥?00萬t，僅相當(dāng)于中國的4%，IEA數(shù)據(jù)），受當(dāng)時韓國經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的拉動，1995年比1990年新增裝機(jī)容量1.8倍左右（根據(jù)IEA提供燃煤發(fā)電消耗量和總效率估算）。大量高效新機(jī)組的投運(yùn)推動了燃煤機(jī)組整體效率的大幅提高，發(fā)電煤耗從1990、1991年的500 g/(kW?h)左右飛速降低至1995年的335 g/(kW?h)。以至于中國從1993年開始成為圖1中煤耗最高的國家。

2）自1995年以來中國發(fā)電煤耗總體上持續(xù)穩(wěn)定下降（圖中的幾個波動點疑似統(tǒng)計出入），分別在2006年后開始明顯低于印度，在2007年后開始明顯低于澳大利亞，在2011年后明顯低于美國，與韓國相近。雖然自2010年以后印度燃煤機(jī)組的發(fā)電煤耗也開始穩(wěn)定持續(xù)下降，但與中國仍有較大差距。然而，由于日本自20世紀(jì)80年代以后，燃煤機(jī)組已全部更新為超臨界機(jī)組，因而燃煤機(jī)組總體煤耗水平較低。自1993年以后日本開始大力發(fā)展大容量超超臨界機(jī)組（同時也建造了少量增壓流化床聯(lián)合循環(huán)亞臨界機(jī)組），使得日本燃煤機(jī)組的發(fā)電煤耗開始進(jìn)一步穩(wěn)定下降。雖然總體下降幅度不大，但由于其早期煤耗水平較低（1993年為311 g/(kW?h)），一直保持著世界領(lǐng)先的地位。截至2017年，日本燃煤機(jī)組的平均發(fā)電煤耗已經(jīng)下降至284 g/(kW?h)。

3）美國和澳大利亞等國家自20世紀(jì)90年代以來幾乎沒有新建火力發(fā)電機(jī)組。其中澳大利亞總體電力工業(yè)除了在可再生能源領(lǐng)域有所增長之外，總體電力裝機(jī)增長很?。欢绹?000年以后的電力增長點主要集中在燃?xì)鈾C(jī)組方面，從而導(dǎo)致這2個國家的發(fā)電煤耗水平基本維持不變，甚至澳大利亞燃煤機(jī)組因老化而導(dǎo)致煤耗一定程度升高。

圖2為中國與歐洲主要國家燃煤機(jī)組發(fā)電煤耗的對比情況。

(圖2 中國與歐洲主要國家燃煤機(jī)組發(fā)電煤耗的比較)

從圖2可以看出：

1）歐洲各國的發(fā)電煤耗總體較低。雖然德國在1990年發(fā)電煤耗相對較高，但經(jīng)過20世紀(jì)90年代開展的一些列深度節(jié)能降耗措施，如燃煤鍋爐余熱利用提效的“BoA”計劃等，使得德國燃煤機(jī)組的煤耗水平在裝機(jī)容量沒有明顯增加的情況下發(fā)電煤耗從356 g/(kW?h)大幅降低至318 g/(kW?h)左右。但由于燃煤機(jī)組的節(jié)能潛力已經(jīng)挖掘完，且又沒有大量新建先進(jìn)機(jī)組拉動，導(dǎo)致其發(fā)電煤耗近十幾年來沒有明顯變化。歐洲其他幾個國家由于燃煤機(jī)組近二十多年都沒有明顯變化，因而其發(fā)電煤耗也一直維持平穩(wěn)。其中法國燃煤機(jī)組容量太?。? GW量級），容易受負(fù)荷率、機(jī)組更新等變化影響波動較大。而北歐的裝機(jī)容量也只有法國的2倍左右，其煤耗總體最低。

2）中國的發(fā)電煤耗水平與歐洲國家相比長期處于大幅落后狀態(tài)。在2007年以后由于大量小機(jī)組的關(guān)停，導(dǎo)致煤耗直線下降。又隨著近幾年煤耗的穩(wěn)步下降，到2017年已經(jīng)與歐洲總體相當(dāng)。

圖3為中國發(fā)電煤耗與所選的10個國家和地區(qū)發(fā)電煤耗平均水平的比較情況。其中選取國家代數(shù)平均為基于IEA數(shù)據(jù)選取的美國、澳大利亞、中國、日本、韓國、印度、英國和愛爾蘭地區(qū)、法國、德國、北歐四國地區(qū)等14個國家和地區(qū)燃煤機(jī)組發(fā)電煤耗數(shù)據(jù)的代數(shù)平均情況，其主要反映了世界各國的技術(shù)水平分布情況，但不能反映世界燃煤發(fā)電的總體煤耗情況。而選取國家的加權(quán)平均考慮了各個國家燃煤發(fā)電量的權(quán)重，但易受如中國、美國等能源消耗大國的主導(dǎo)，從而難以體現(xiàn)日本等先進(jìn)國家對總體的影響。其中中國-IEA數(shù)據(jù)與其他國家的數(shù)據(jù)都是基于IEA提供能源平衡數(shù)據(jù)整理而得，而中國-中電聯(lián)數(shù)據(jù)是根據(jù)中電聯(lián)發(fā)布的歷年電力工業(yè)快報統(tǒng)計而出。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，中電聯(lián)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)與基于IEA數(shù)據(jù)整理的結(jié)果有較大誤差，但總體趨勢越來越接近，其中2017年的誤差約14 g/(kW?h)。結(jié)合項目組到國內(nèi)各家電廠調(diào)研的情況，綜合認(rèn)為中電聯(lián)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)存在10 g/(kW?h)以上的水分。而IEA的數(shù)據(jù)則可能因口徑統(tǒng)計偏差會存在一定的誤差，但總體上更為可靠。

先統(tǒng)一采用IEA的數(shù)據(jù)來源，將中國與所選取國家和地區(qū)發(fā)電煤耗的加權(quán)平均情況相比較?？梢钥闯觯?0世紀(jì)90年代，中國燃煤工業(yè)的發(fā)電煤耗水平與世界平均水平差距較大，相差約70 g/(kW·h)。隨著中國電力工業(yè)近三十年的飛速發(fā)展，燃煤工業(yè)的發(fā)電煤耗逐漸下降，也與世界所選國家和地區(qū)加權(quán)平均水平逐漸減小。特別是通過“十一五”期間大規(guī)模關(guān)停小火力發(fā)電機(jī)組，并新建大量大容量、高參數(shù)的高效燃煤機(jī)組，2010年中國燃煤工業(yè)的發(fā)電煤耗已經(jīng)開始低于世界加權(quán)平均水平。

(圖3 中國發(fā)電煤耗與世界主要國家平均水平的比較 )

對比世界所選國家和地區(qū)燃煤機(jī)組發(fā)電煤耗的加權(quán)平均與代數(shù)平均的情況可以看出，在20世紀(jì)90年代時二者并無明顯差別，但隨著中國、印度等國家裝機(jī)容量的大幅增長，而其他發(fā)電煤耗較低的國家裝機(jī)容量總體增長不明顯，導(dǎo)致發(fā)電煤耗的加權(quán)平均值受中國、印度煤耗較高的影響越來越明顯，高于代數(shù)平均值，在1995—2005年期間長期高20 g/(kW·h)左右。然而，隨著中國發(fā)電煤耗水平的大幅下降，所選國家燃煤機(jī)組發(fā)電煤耗的加權(quán)平均與代數(shù)平均差距在2005年以后越來越小。直至2013年，中國燃煤機(jī)組的發(fā)電煤耗開展降低至所選國家燃煤機(jī)組發(fā)電煤耗的加權(quán)平均水平，中國燃煤機(jī)組的發(fā)電煤耗水平開始對世界燃煤機(jī)組發(fā)電煤耗的加權(quán)平均值進(jìn)行反向拉動。預(yù)期再過幾年，選取國家燃煤機(jī)組發(fā)電煤耗加權(quán)平均水平有可能受中國發(fā)電煤耗持續(xù)下降的影響低于代數(shù)平均值。

根據(jù)IEA數(shù)據(jù)，2017年全世界發(fā)電量共約25 721 TW·h，其中燃煤機(jī)組的發(fā)電量約占38%，約9 863 TW·h。而2017年中國燃煤機(jī)組的發(fā)電量就達(dá)4 509 TW·h，約占全世界燃煤機(jī)組發(fā)電量的46%。中國燃煤機(jī)組的節(jié)能降耗情況直接影響全世界燃煤機(jī)組的總體能耗水平。根據(jù)中國燃煤機(jī)組發(fā)電煤耗水平與所選時間各國的對比情況來看，中國燃煤機(jī)組的發(fā)電煤耗已經(jīng)達(dá)到世界平均水平，明顯低于澳大利亞、印度等相對落后的國家，與歐洲主要國家接近，與日本等領(lǐng)先水平還存在25 g/(kW·h)左右的差距（2017年水平）。總體上看，中國燃煤機(jī)組的煤耗水平還有一定的下降空間。

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結(jié)論與展望

1）總體上看，美國是超（超）臨界技術(shù)發(fā)展最早的國家，但是受資源結(jié)構(gòu)的影響，美國燃煤發(fā)電裝機(jī)發(fā)展較為緩慢，且能耗水平早已被諸多國家趕超，但其超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)卻一直保持著世界領(lǐng)先水平。歐洲在超（超）臨界技術(shù)發(fā)展上同樣起步較早，基礎(chǔ)雄厚，且是700 ℃等級超超臨界技術(shù)的最早提出與踐行者；許多燃煤發(fā)電機(jī)組先進(jìn)的節(jié)能理念都源自于歐洲，其煤耗水平一直處于世界先進(jìn)行列。日本在19世紀(jì)80年代繼承了美國先進(jìn)的技術(shù)后，開展了燃煤發(fā)電機(jī)組的全面升級，其發(fā)電煤耗水平很快領(lǐng)跑國際；其先進(jìn)700 ℃等級超超臨界技術(shù)雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，已順利完成關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)，制造能力上已達(dá)到與美、歐三分天下的水平。中國的電力工業(yè)發(fā)展雖然不晚，但受近百年來的世界格局影響，整體工業(yè)水平長期落后于發(fā)達(dá)國家。超（超）臨界技術(shù)的早期發(fā)展也主要依賴于引進(jìn)國外技術(shù)及關(guān)鍵材料。然而，近四十年來，受我國整體經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的刺激，電力工業(yè)一直是我國工業(yè)發(fā)展的先鋒，裝機(jī)容量發(fā)展迅速，發(fā)電煤耗長期持續(xù)大幅下降，電力工業(yè)整體運(yùn)行狀況已達(dá)到世界先進(jìn)水平。

2）國家能源局“十四五”電力規(guī)劃啟動會指出，加速電力綠色轉(zhuǎn)型升級，重點在推動煤電清潔高效發(fā)展。提高機(jī)組參數(shù)是促進(jìn)超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)高效化的主要舉措。目前，中國是全球最大的已安裝發(fā)電基地，正在開展700 ℃等級先進(jìn)超（超）臨界技術(shù)研發(fā)。盡管示范機(jī)組建設(shè)項目已被推遲，但是提高蒸汽參數(shù)的技術(shù)研究仍在進(jìn)行中。受材料、加工制造等基礎(chǔ)工業(yè)的影響，高溫材料仍然是制約超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展的瓶頸。因此，從主機(jī)設(shè)備、系統(tǒng)布置等方面進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)新，努力減少高溫材料的使用，降低工程投資，是目前中國乃至全世界的研究方向之一。

3）超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)和其他技術(shù)耦合也是未來發(fā)展方向之一。四川白馬電廠600 MW超臨界循環(huán)流化床（USC-CFB）示范工程已投入商業(yè)運(yùn)行，是世界上容量最大的USC-CFB鍋爐，處于世界領(lǐng)先行列。耦合生物質(zhì)、垃圾發(fā)電技術(shù)與超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)，有望成為規(guī)?；鍧嵏咝Ю玫蜔嶂怠⒘淤|(zhì)燃料發(fā)電的主要技術(shù)手段。

4）整體而言，我國的燃煤發(fā)電技術(shù)與美、日、歐等世界先進(jìn)水平還有較大差距。推動我國基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展已成為我國電力工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，也是整個工業(yè)發(fā)展的瓶頸，應(yīng)作為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的重中之重。