超超临界

超超临界发电技术的发展至今已有半个多世纪的历史。从20世纪50年代起,以英国、德国和日本为代表,就开始了对超超临界发电技术的开发和研究,而且起步就是超越临界参数。

美国是世界上最早从事超超临界发电技术研究和应用的国家。1957年世界上第一台超超临界机组在美国Philo电站建成投产。机组容量125MW,蒸汽参数为31MPa、621℃/566℃/566℃。

随着全球温室效应的日益加剧以及煤炭等化石燃料的日渐紧缺,如何进一步提高燃煤发电效率和减少CO2排放成为亟待解决的问题。

火力发电行业面临着两方面的压力,一方面市场竞争的加剧需要降低成本,提高发电效率;另一方面社会对环境问题日益关注,要求电厂降低SO2、NOx、CO2等的排放,满足严格的环保要求。发展洁净煤发电技术是解决这些问题的关键,其一是开发利用新的高效发电技术,如整体煤气化联合循环(IGCC)发电等;其二是基于常规发电系统,提高机组的蒸汽参数,即机组的超超临界化(USC),发展高经济性、高效率的高参数、大容量机组。提高机组参数成为常规燃煤电厂增效减排的重要途径,也是燃煤发电技术创新和产业升级的主要方向 。

水的临界参数为:tc=374.15℃,Pc=22.129MPa。在临界点以及超临界状态时,将看不见蒸发现象,水在保持单相的情况下从液态直接变成汽态。一般将压力大于临界点Pc的范围称为超临界区,压力小于Pc的范围称为亚临界区。

从物理意义上讲,水的状态只有超临界和亚临界之分;而超超临界一般是应用在火电厂方面的概念,在物理学中没有这个分界点,只表示超临界技术发展的更高阶段,是常规蒸汽动力火电机组的自然发展和延伸。由于超超临界参数机组在我国投运的数量最多,超超临界是我国人为的一种区分,也称为优化的或高效的超临界参数。

超超临界与超临界的划分界限尚无国际统一的标准。我国电力百科全书认为主蒸汽压力≥27MPa为超超临界机组。2003年,我国“国家高技术研究发展计划('863'计划)”项目“超超临界燃煤发电技术”中,定义超超临界参数为蒸汽压力≥25MPa,蒸汽温度≥580℃。

超超临界机组的技术继承性和可行性最高,同时高效超超临界发电具有最高的效率和最低的建设成本,具有最优性价比。除了20世纪五六十年代投运的几台超超临界机组外, 从90年代初到全世界已经新建超超临界机组超过100台,其参数还在不断提高。提高参数,进一步提高经济性,降低价格性能比,降低单位能量的排放是现今火电汽轮机的发展方向。

日本、欧洲及美国正在政府和各大公司的支持下进行下一步更高参数超超临界技术的研发,将燃煤电厂的蒸汽初参数提高到700℃以上,同步采取大幅提高蒸汽初压力以及二次再热循环技术,大幅度地提高电厂热能利用率。

煤炭仍然是我国能源结构的基础,在整个电网中燃煤火力发电占70%以上,电力工业以燃煤发电为主的格局在相当长一段时期内难以改变。

燃煤发电在创造优质电力的同时,也造成了大量的排放污染。因而在我国发展700℃高效超超临界燃煤发电技术具有更为重要的战略意义。科技部已经把“700℃以上高参数超超临界发电”列入新技术发展及产业化领域2012年度国家科技计划,国家能源局已经成立“700℃超超临界发电”联盟,计划2015年建立示范电厂 。

中国一次能源结构中煤炭占到约70%,在整个电力结构中, 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,中国的火电装机比例高达73.4%,而西方国家的比例大多在20%左右。并且中国是全球600℃超超临界燃煤发电机组运用最多的国家。

我国已经投运近80台600℃、压力超过25MPa 的超超临界机组。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以外,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,已建立起完整的设计体系,拥有了相应的先进制造设备及加工工艺。

我国超临界和超超临界发电技术比发达国家起步晚,但凭借国内巨大的市场,通过前期的技术转让和后期的自主开发, 600℃超超临界发电建成机组居世界首位。拥有了先进的设计制造技术平台、全球最多的600℃超超临界燃煤发电机组设计运行经验,这些为我国发展700℃高效超超临界燃煤发电机组奠定了良好的基础。

根据700℃高效超超临界发电技术的难点以及与国外的差距,我国已初步拟定了其技术发展路线(2010~2015),确定的目标参数为:压力≥35MPa、温度≥700℃、机组容量≥60×104kW,并初步制定了研发进度,争取在“十二五”末建立示范电厂 。

高效超超临界机组相对于超超临界机组,蒸汽温度和压力参数的提高,对关键部件材料带来了更高和更新的要求,尤其是材料的热强性能、抗高温腐蚀和氧化能力、冷加工和热加工性能等,因此材料和制造技术成为发展先进机组的关键。

已经运营或处于设计建设阶段的超超临界机组, 温度参数大多在566~610℃,压力则分为25MPa、27MPa 和30~31MPa 三个级别。新高温铁素体-马氏体9%~12%铬材料已成功应用于31MPa、600℃/610℃参数。经过各高温高压部件近10多年的应用,该材料系列已相当成熟,并形成了标准的市场采购规范。高效超超临界技术采用更高的蒸汽温度700℃以及更高的蒸汽初压力,对材料提出了更苛刻的要求。

发达国家对于先进发电技术所需的材料均有相应的研究战略,对电厂材料的蠕变、疲劳等长时性能研究也有长期规划,并建立了数据共享平台,积累了大量的材料性能数据。如欧洲蠕变合作委员会(ECCC)和日本材料所的数据共享平台,多数常用材料的持久强度试验时间均超过100000h,最长的达到20~30年。这些数据为机组的合理设计和安全可靠运行提供了有力的技术支持。

我国的高温材料基础研究较为薄弱,缺乏自主知识产权的高温材料数据库,这成为制约700℃高效超超临界发电技术发展的瓶颈。在材料方面有两大问题:第一,如何按照汽轮机使用间隔长的要求选择现有的镍材料,包括在补充长期高温性能试验的基础上对材料进行调整和优化;第二,汽轮机部件大型化,要求对铸锻、焊接、热处理等工艺性能进行研究,例如单个锻件的尺寸加大,质量达到8~10t。

可选择的材料有转子及阀门汽缸的617、625;高温管道的617、740、263;螺栓的M252等。根据汽轮机的强度要求,材料的长期高温性能以达到100MPa 为目标,长期性能试验(从20000h、30000h到100000h)的代价非常大。上述材料在长期性能以及锻件大型化的基础上是否要进行成分的优化调整(例如日本对用于转子的617 材料、用于螺栓的M252 材料都进行了微量元素的调整),调整必将增加研究的周期及资金和人力投入。大型化铸锻件(阀门、转子锻件、汽缸)工艺、热处理规范的研究投入以及实物的运行试验研究周期长、投入大,根据AD700 的报道,仅这方面的投入费用就达到近6000万欧元。同时,镍基高温合金的机械加工切削性能比较差,而汽轮机转子和汽缸的结构型式复杂,必须经过大量的切削加工过程,因此必须针对加工制造工艺进行相应的试验研究,建立合适的加工方法和加工参数,选择合适的加工制造设备厂,设计合适的加工切削刀具、切削工艺参数,设计制造装夹工具、质量检验工具等。

由于电厂耐热材料与影响国计民生的能源和环境两大问题均关系密切,有必要制定相应的研究和开发战略,通过加大材料研发的力度,加大试验研究装置的建设和研究力量的投入。同时不放弃向国外吸取经验的机会,通过参与国际研发项目掌握新型耐热钢的特性,通过建立材料性能数据库和共享机制,并与国际数据平台合作,形成完整的材料技术支撑体系,促进高效超超临界等先进火力发电技术在我国的发展。

开发700℃高效超超临界火力发电技术对我国电力事业、环境保护具有十分重要的意义。机组的蒸汽参数是决定机组热经济性的重要因素,亚临界机组的供电效率一般为36%~38%,设计供电煤耗为340~320g/(kW·h)左右;超临界机组的供电效率为41%~43%,设计供电煤耗为300~286g/(kW·h)左右;采用先进的700℃高效超超临界火力发电机组,通过提高参数、优化系统可使供电效率达到46%以上,供电煤耗可进一步降至250g/(kW·h)以下。可见,700℃高效超超临界火力发电机组的节能效果显著,同时由于煤耗下降,还大大降低了粉尘、SO2、NOx及CO2等的排放量。

700℃高效超超临界火力发电技术对节约煤炭资源、提高发电机组的经济性以及改善环境都显示出相当的优越性。发展700℃高效超超临界发电技术,可以满足新增机组、替换低效机组的需求,有效节约能源,改善环境,降低CO2排放,实现高层次的产业升级 。

相关词汇

超超临界机组
蒸汽参数
临界点
超临界状态
临界区
超临界技术
超超临界机组
超临界技术
超超临界燃煤发电技术
超临界燃煤发电机组
超超临界机组
高温材料
超临界燃煤发电机组
超超临界机组
镍基高温合金
切削刀具
超临界机组
电脑版