我國研發(fā)700攝氏度超超臨界發(fā)電技術(shù)與國外同步

　　近年來，我國經(jīng)濟持續(xù)高速增長，但由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、增長方式單一，取得巨大經(jīng)濟成就的同時，也出現(xiàn)了資源浪費、能源利用效率低下、環(huán)境污染嚴重等社會問題。不時籠罩大中城市的霧霾讓人們對環(huán)境污染有了切膚之痛。目前，國家已經(jīng)將節(jié)能減排、環(huán)境治理列為經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。在此情形下，整個社會對資源利用及環(huán)保問題集中的電力行業(yè)提出了更高的發(fā)展要求。

　　目前，世界上最先進的超超臨界發(fā)電機組的主蒸汽溫度已經(jīng)達到600攝氏度，發(fā)電效率達到46%，如果將主蒸汽溫度進一步提高到700攝氏度以上，那么發(fā)電效率將接近甚至超過50%，這種技術(shù)就是電力行業(yè)廣泛關(guān)注的700攝氏度超超臨界發(fā)電技術(shù)。

　　溫度再提升100攝氏度需要相關(guān)技術(shù)支持

　　相對主蒸汽溫度600攝氏度的超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)，盡管只有100攝氏度的溫度提升，主蒸汽溫度700攝氏度的先進超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)卻需要巨大的技術(shù)跨越。隨著主蒸汽溫度超過700攝氏度，現(xiàn)有機組廣泛使用的鐵素體、馬氏體以及奧氏體等耐熱不銹鋼材料將不能滿足過熱器、再熱器等部件對材料使用性能的要求，這些部件必須大量使用強度更高、蠕變特性更好的鎳基高溫合金。雖然鎳基合金在航空、航天、石化等行業(yè)的應(yīng)用已有數(shù)十年，但由于服役條件不同、尺寸差異大等原因，將其應(yīng)用到700攝氏度發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域并不是一個簡單的技術(shù)轉(zhuǎn)移和擴大應(yīng)用范圍的問題，必須針對700攝氏度電站研制成本可控、易于加工并能夠在電站服役條件下實現(xiàn)長周期安全穩(wěn)定運行的新型鎳基高溫材料，并建立與之相匹配的整套制造技術(shù)體系。

　　具體而言，為建設(shè)700攝氏度超超臨界燃煤電站，需要解決４個關(guān)鍵技術(shù)問題。

　　一是高溫材料研制及篩選。二是鍋爐、汽機等關(guān)鍵高溫部件以及鎳基高溫閥門的加工制造工藝及焊接工藝等。三是關(guān)鍵高溫部件的長周期實爐掛片試驗。四是700攝氏度超超臨界示范電站的設(shè)計、建設(shè)及運行技術(shù)。其中，高溫部件的長周期實爐掛片試驗是700攝氏度機組建設(shè)前最后、也是最關(guān)鍵的一項研究工作。

　　歐美日爭先恐后發(fā)展700攝氏度發(fā)電技術(shù)

　　600攝氏度超超臨界發(fā)電技術(shù)基本成熟以來，世界各國一直在積極發(fā)展更高參數(shù)、更大容量火力發(fā)電技術(shù)。

　　歐洲于1998年啟動“AD700”先進超超臨界發(fā)電計劃，其目標是建立35兆帕、700攝氏度或35兆帕、720攝氏度等級的示范機組，使機組效率達到50%以上。歐洲項目研究的核心材料為“Alloy617”，屬于固溶強化鎳基合金。經(jīng)過十余年的不懈努力，歐洲基于“Alloy617”等建立了一套較為完備的700攝氏度電站高溫鎳基合金制造技術(shù)體系，完成了700攝氏度機組的可行性研究、風(fēng)險和經(jīng)濟性評估等。但遺憾的是，在進行長周期實爐掛片試驗時，試驗集箱、噴水減溫器等管道的焊接接口處發(fā)現(xiàn)裂紋。這導(dǎo)致歐洲建設(shè)700攝氏度示范機組的計劃被迫整體向后推遲3年。迄今為止，沒有公開文獻或信息表明上述問題已經(jīng)完全得到解決。目前，由于缺乏經(jīng)費支持，歐洲已經(jīng)取消了后續(xù)掛片試驗平臺的建設(shè)計劃，700攝氏度研制計劃暫時擱置。

　　美國先進的超超臨界壓力發(fā)電項目（A—USC）的目標是將主蒸汽參數(shù)提高到35兆帕、760攝氏度。該項目計劃5年內(nèi)建設(shè)一套規(guī)模較大的高溫材料掛片試驗平臺，7年內(nèi)完成實爐掛片試件。項目選擇“Inconel740H”為核心材料，“Haynes282”等為輔助驗證材料。這兩種材料都屬于時效強化鎳基合金，迄今尚未進行過任何實爐試驗?？紤]到美國迄今沒有600攝氏度及以上等級超超臨界機組投運，加之面臨著研制經(jīng)費削減、預(yù)算不足的問題，其能否如期推動相關(guān)研究計劃受到質(zhì)疑。

　　日本于2008年8月正式啟動 “先進的超超臨界壓力發(fā)電”項目的研究，目標是最終使蒸汽溫度達到700攝氏度以上，凈熱效率達到46%~48％。按計劃，日本將于2015年開始部件的實爐掛片試驗。整個項目預(yù)計于2016年底完成。此外，印度在2013年也提出了700攝氏度技術(shù)發(fā)展　 規(guī)劃，目前項目尚未實質(zhì)開展。

　　我國研發(fā)700攝氏度發(fā)電技術(shù)與國外同步

　　基于能源結(jié)構(gòu)及電源結(jié)構(gòu)的特點，我國燃煤發(fā)電必須堅持走高效低碳之路。因此，700攝氏度發(fā)電技術(shù)必然是我國火力發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展方向。

　　2008年，華能集團公司所屬的西安熱工研究院對700攝氏度機組關(guān)鍵材料進行了預(yù)研。2010年，國家能源局組織成立了“國家700攝氏度超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，并依據(jù)《“十二五”國家能源發(fā)展規(guī)劃》和《“十二五”能源科技發(fā)展規(guī)劃》設(shè)立了國家能源領(lǐng)域重點項目《國家700攝氏度超超臨界燃煤發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用示范》。該項目于2011年7月正式啟動。參與單位幾乎囊括了我國發(fā)電行業(yè)、動力裝備制造行業(yè)、材料行業(yè)以及研究院所等多個相關(guān)基礎(chǔ)行業(yè)的重點單位。作為國家能源煤炭清潔低碳發(fā)電技術(shù)研發(fā)（實驗）中心的依托單位，華能集團公司清潔能源技術(shù)研究院（以下簡稱清能院）受國家能源局委托成為項目組織單位，同時承擔了我國首個關(guān)鍵部件實爐掛片試驗平臺的建設(shè)及運行工作。

　　2011年，國家科技部發(fā)布《能源技術(shù)領(lǐng)域項目征集指南》。其中，潔凈煤技術(shù)部分專項設(shè)立了 《700攝氏度超超臨界發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究》項目。該項目由華能集團公司及上海電氣集團承擔，華能集團公司為項目牽頭組織單位。

　　目前，國內(nèi)700攝氏度技術(shù)的研發(fā)正按照計劃穩(wěn)步推進，部分領(lǐng)域已經(jīng)取得階段性成果。

　　在掛片試驗平臺建設(shè)方面，相關(guān)研究工作由清能院牽頭進行，參與單位主要包括華能國際電力股份公司、寶鋼、上鍋、東鍋、哈鍋、西安熱工院、中南電力設(shè)計院、中科院沈陽金屬所、太鋼等。該試驗平臺依托華能南京電廠建設(shè)，驗證部件包括水冷壁、過熱器、集箱、高溫管道及附件等不同單元，平臺最高蒸汽溫度達到700攝氏度，流量大于10噸/小時。

　　正如前面介紹，國際上具有代表性的700攝氏度高溫鎳基材料主要有兩類，一類是歐洲選用的固溶強化鎳基合金，如“Alloy617”；另一類是美國選用的時效強化鎳基合金，如“Inconel740H”等。綜合考慮兩類材料的研究狀況、技術(shù)基礎(chǔ)、發(fā)展前景及應(yīng)用風(fēng)險，項目組采用了以時效強化合金為主、固溶強化合金為輔的材料選擇方案。前者用于制作集箱管道、小管及部分閥門，后者主要用于制作小管。試驗材料分別從國內(nèi)、國外采購，以國產(chǎn)材料為主。

　　到目前為止，項目組已經(jīng)完成了試驗平臺的詳細設(shè)計及施工設(shè)計，正在進行材料及閥門等高溫部件的生產(chǎn)、制造及采購工作。按計劃，試驗平臺將于2014年下半年進行安裝，2015年6月前完成運行調(diào)試并開始進行材料及部件的長周期實爐掛片試驗。

　　在主機方案研究方面，清能院提出了“M”型及倒置型700攝氏度鍋爐布置方案，相較傳統(tǒng)布置方案，該方案可大大縮短700攝氏度機組主蒸汽管道長度，從而大幅降低電站建設(shè)成本，具有顯著的創(chuàng)新性和經(jīng)濟性。該方案已經(jīng)獲得國家專利，正在申請國際專利。在此基礎(chǔ)上，清能院聯(lián)合東鍋及西北電力設(shè)計院，完成了我國第一個700攝氏度緊湊型超超臨界煤粉鍋爐的初步設(shè)計。同時，清能院通過計算對700攝氏度電站熱力系統(tǒng)進行了優(yōu)化分析，分別為700攝氏度濕冷機組和空冷機組制定了一套合理的關(guān)鍵參數(shù)，并給出了影響規(guī)律和取值依據(jù)，得到了許多具有創(chuàng)新性的、有價值的結(jié)論。

　　綜上所述，與發(fā)展600攝氏度技術(shù)不同，我國700攝氏度技術(shù)的發(fā)展與國外幾乎是同步的，沒有明顯差距。在立足自身發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過吸收國外先進經(jīng)驗，不斷創(chuàng)新進取，我國完全有能力在世界上率先掌握700攝氏度發(fā)電技術(shù)，從而大大推動我國的材料工業(yè)、電力工業(yè)及裝備制造業(yè)的發(fā)展?？梢哉f，當前是我國自主研發(fā)700攝氏度超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的最佳時期，但700攝氏度技術(shù)研究內(nèi)容多、難度大，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要國家支持，產(chǎn)業(yè)協(xié)同，產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合。實現(xiàn)700攝氏度超超臨界發(fā)電技術(shù)的工程示范應(yīng)用，前途光明，任重道遠。

來源：中國電力新聞網(wǎng) 　 作者： 劉入維

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