700℃超超临界燃煤发电机组发展情况概述

700℃超超临界燃煤发电机组发展情况概述（一）目前，在整个电网中，燃煤火力发电占70%左右，电力工业以燃煤发电为主的格局在很长一段时期内难以改变。

但是，燃煤发电在创造优质清洁电力的同时，又产生大量的排放污染。

为实现2008年G8（八国首脑高峰会议）确定的2050年CO2排放降低50%的目标，提高效率和降低排放的发电技术成为欧盟、日本和美国重点关注的领域。

洁净燃煤发电技有几种方法，如整体煤气化联合循环（IGCC）、增压流化床联合循环（PFBC）及超超临界技术（USC）。

目前，超超临界燃煤发电技术比较容易实现大规模产业化。

超超临界燃煤发电技术经过几十年的发展，目前已经是世界上先进、成熟达到商业化规模应用的洁净煤发电技术，在不少国家推广应用并取得了显著的节能和改善环境的效果。

据统计，目前全世界已投入运行的超临界及以上参数的发电机组大约有600余台，其中美国约有170台，日本和欧洲各约60台，俄罗斯及原东欧国家280余台。

目前发展700℃超超临界发电技术领先的国家主要是欧盟、日本和美国等。

700℃超超临界机组作为超超临界机组未来发展方向，本文对其发展情况进行概述，供参考。

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22.12MPa，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 MPa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15.7～19.6 MPa。

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566～593℃；二是超超临界燃煤发电机组，其主蒸汽压力为25～35 MPa 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%。

不同参数燃煤发电机组的热效率和煤耗参数名称蒸汽温度（℃）蒸汽压力（MPa）热效率（%）煤耗（g/kWh）中温中压435 35 24 480高温高压500 90 33 390超高压535 13 35 360亚临界545 17 38 324超临界566 24 41 300超超临界600 27 43 284700℃超超临界700 35 46以上210二、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24.2MPa，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≥35MPa，温度≥700℃。

各类别燃煤发电技术指标发电技术超临界超超临界700℃超超临界汽轮机材料常规铁素体钢先进铁素体钢9%～10%Cr 奥氏体及镍合金材料锅炉材料9%～18%Cr 18%～25%Cr参数24.2MPa 25～30MPa≥35 MPa ≥700℃/720℃降低热耗和CO2排放基准 1.8%～4.2% ≥10%电厂热效率41% 43% 46%以上经济效益（元）基准 1.6～3.8亿9～13.5亿3.参数选择。

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 MPa，温度≥700℃/720℃。

以欧盟AD700的17年计划为例，其发展目标为37.5MPa/705℃/700℃,西门子样板示范机组的参数为35 MPa/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35MPa/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37.9MPa/732℃/760℃。

我国确定的起步压力参数为35～37.5 MPa，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650MW，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400～1000MW。

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AD700的17年计划（1998～2014）；日本的A-USC的9年计划（2008～2016）；美国的A-USC的15年计划（2001～2015）。

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35MPa，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（1998～2002）。

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（2002～2004）。

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（2004～2009）。

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Siemens和Alston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.ON的Scholven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Siemens和Alston 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，2009～2014）。

2006年10月31日，德国E.ON公司宣布建造700℃的示范电厂。

2007年9月确定机组容量为500MW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2008年G8会议之后，针对2050年CO2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）”（2008～2016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35MPa/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25MPa 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：（2008～2012）主要部件及工艺实验；（2012～2016）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Babcock、IHI、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。