国外关于超超临界技术现状和进展趋势 宋明蔚， 郝志信 （华能营口电厂，辽宁 营口 115007）
摘 摘
要：文中简述国外进展超超临界火电机组的现状、进展趋势，超超临界机组与超临界机组、亚临界机组运行经济性效益比较，及我国进展超超临界机组的必要性。
关键词：超临界；超超临界；（USC）
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概述 首先我们要先了解一下超超临界的概念。火力发电厂的工质是水蒸汽，在常规条件下水经加热温度达到给定压力下的饱和温度时，将产生相变，水开头从液态变成汽态，毁灭一个饱和水和饱和蒸汽两相共存的区域。当蒸汽压力达到 22.129MPa 时，汽化潜热等于零，汽水比重差也等于零，该压力称为临界压力。水在该压力下加热至 374.15℃时即被全部汽化，该温度称为临界温度。水在临界压力及超过临界压力时没有蒸发觉象，即变成蒸汽，并且由水变成蒸汽是连续的，以单相形式进行。蒸汽压力大于临界压力的范围称超临界区，小于临界压力的范围称亚临界区。从水的物理性能来讲，只有超临界和亚临界之分，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。目前超超临界与超临界的划分界限尚无国际统一的标准，一般认为蒸汽压力大于 25MPa 蒸汽温度 高于 580℃称为超超临界。
超超临界燃煤发电技术(USC) 由于超超临界燃煤发电技术(USC)仍是基于常规发电系统的渐进技术，所以进展 USC 技术是最具有现实意义的，而且和其它技术相比极具竞争力，由于超超临界机组与常规火电机组相比，超临界机组的可用率与亚临界机组相当，效率比亚临界机组约提高 2%。超超临界机组效率可比超临界机组再提高约 2%～3%，若再提高其主汽压力到 28MPa 以上，效率还可再提高约 2 个百分点。因此它具有明显的高效、节能和环保优势，已成为当今世界发达国家竞相接受和进展的新技术，目前一些经济发达国家都开头接受 USC 发电机组。
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超超临界火电机组国外现状 1.1 美国
美国是进展超临界机组最早的国家，世界上第一台超临界机组 1957 年在 Philo 电厂（6#）投运，容量为 125MW，参数为 31MPa/621℃／566℃／560℃，该机组由 B&W 和 GE 公司设计制造；1958 年，其次台超临界机组在 Eddystone 电厂（1#）投运，容量为 325MW，机组的参数为 34.4MPa／649℃／566℃／566℃，该机组由 CE 和 WH 公司设计制造；迄今为止，它们是最高参数的超超临界机组。这二台机组为美国超临界机组的设计、制造、运行取得了贵重阅历。
到 60 年月中期，新增机组中有一半接受超临界参数，但到 70 年月订货台数急剧下降。依据 EPRI 的一份调查报告认为，这一下降的缘由是多方面的，当时美国缺乏超临界机组调峰运行的阅历，最重要的是核电站担负起了基本负荷，因而对带基荷的超临界机组的需求量毁灭了下降，在接受超临界参数方面毁灭了反复。尽管如此，美国在 1967 年-1976 年的 10 年期间，共安装 118 台超临界机组，单机最大容量为 1300MW，到 80 年月初，超临界机组仍增至
170 余台，（其中多数为超超临界机组）占燃煤机组的 70％以上，占总装机容量的 25.22％，其中单机容量介于 500-800MW 者占 60％-70％，至 1994 年共安装和投运了 9 台 1300MW 的超临界机组。
1.2 日本
日本进展超临界机组起步较晚，但进展速度很快，收效显著。自日立公司向美国 B&W 公司引进第一台超临界的 600MW 机组于 1967 年在沛崎电厂投运后，日本其他公司也分别引进了美国和德国的超临界技术，同时建立了自己的试验台。
日本进展超临界技术接受的是引进、仿制、创新的技术路线。先从国外引进成熟的机组和制造技术，然后马上组织力气进行技术消化和仿制，然后，在消化引进技术的基础上，进一步投入开发争辩，形成本国的技术特点，再进行细心设计、制造和批量生产。从引进技术到自制机组只需 2～3 年时间，容量从 600MW 到 1000MW 等级，只需 3～5 年时间。
20 世纪 70 年月以来，由于电网负荷峰谷差增大，加之适合带基本负荷的核电站的兴起，日本的超超临界机组不仅高效，而且具有亚临界机组同样的牢靠性与运行机敏性，能自如地适应变压运行带周期性调峰负荷的要求。目前，日本已跃居为进展超超临界机组的先进国家。
日本在对提高蒸汽压力和温度参数能提高多少机组效率分别进行了比较，证明接受 31MPa主蒸汽压力和二次中间再热，由于压力的提高和系统简洁，机组制造成本明显提高，缺乏市场竞争力。所以在上世纪 90 年月后，日本各公司都转向生产高温参数的超超临界机组。2000年在橘湾电厂（2#）投运的容量为 1050MW、蒸汽参数为 25.5MPa/600℃/610℃的超超临界机组是目前日本蒸汽温度参数最高的机组。
截止到 1989 年 3 月，日本各大电力公司的 48 个主要火电厂的总装机容量 75870 MW 中，超临界压力的为 49350MW，占总装机量的 65％，比重很大，致使火电机组全国供电煤耗由 1963年的 366g／kWh 降低到 1987 年 335g／kWh [1]。1989 和 1990 年在川越电厂投运的两台 700MW机组的参数是两次再过热的 31MPa /566℃/566℃/ 566℃，在满负荷下的热效率达 41.9％，投运以来状况很好。目前在日本，450MW 以上的机组全部接受超临界参数。从 1993 年以后已把蒸汽温度提高到 566℃/593℃和 593℃/593℃，一次再过热，即全部接受了我们所说的超超临界技术。
1.3 俄罗斯
前苏联是进展超临界机组最坚决的国家，也是拥有超临界机组最多的国家。全部 300MW及以上容量机组全部接受超临界参数，因此，共有超临界机组 224 台，占总装机容量的 50%以上，且大多数为 300MW 机组。由于大量接受超临界机组，前苏联火电机组的平均供电煤耗位居世界水平的前列，达到 326g/kWh。
前苏联进展超临界技术主要依靠本国力气，以自我开发为主，初期也走过不少弯路，毁灭过各种各样的问题，但经过长期的试验争辩已具有一套比较完整的超临界技术和产品系列，超临界机组成为国内火力发电厂的主力机组。但是，由于 300MW 机组容量偏小，不适合电网进展，500MW 燃煤机组由于可用率低及热耗高而没有大量接受，800MW 和 1200MW 机组只用于燃油与燃气，且 1200MW 机组的可用率也较低。由于不能吸取别国先进技术，前苏联超临界技术进展不快，总体技术水平不高。
目前，俄罗斯研制的新一代大型超超临界机组接受的参数为
28MPa～30MPa/580℃～600℃。
1.4 欧洲
德国是争辩、制造超临界机组最早的国家之一，在 1956 年投运了一台容量为 88MW 的超超临界机组，因容量较小，未获得很大的进展。70 年月由于燃料价格上涨，政府对环保要求日益严格和加强对排放量的把握，需要建筑以煤为燃料的高效率电厂，便开头进展大功率超临界机组。1972 年投运了一台 430MW 的超临界机组，1979 年投入了一台 475MW 二次再过热的机组。德国 VEAG 电力公司在 1999 和 2000 年于 Lippendorf 电厂投产的两台 900MW 褐煤机组，蒸汽参数为 26.8MPa/ 554℃/ 583℃，净效率为 42％；目前，德国已投运和在建的超临界和超超临界机组近 20 台，其中具有代表性的机组是：2000 年在 Niederanbem 电厂投运的 965MW超超临界机组（蒸汽参数为 26.9MPa/580℃/600℃）；2000 年在 Hessler 电厂投运的 700MW超超临界机组（蒸汽参数为 30MPa/580℃/600℃）。由于接受了以超超临界参数为主的多项提高效率的措施，净效率高达 45.2％，机组滑压运行，可超负荷 5 ％。最低负荷为 50％，电厂大修期最少为 4 年。
丹麦是热能动力方面很先进的国家，在火电机组上也处于领先地位。在1998年在Skaebaek发电厂投产的 400MW 机组，两次中间再过热，蒸汽参数为 29MPa/582℃/582℃/582℃，加以海水直接冷却，额定背压为 2.2 kPa，净效率高达 49％，是当今世界上效率最高的火电机组。1999 年在 Nordjylands 电厂投产的 400MW 机组，使用同样的蒸汽初参数，效率也高达 47％。丹麦方案 2001 年在 Avedore 电厂投产的 375MW 机组，接受的参数为 30MPa/580/600℃，其净效率也是高达 48％。
其他如意大利、荷兰、芬兰等国在接受超临界机组方面也都有成功的阅历[2]。目前世界上已有 600 多台超临界机组在运行。
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超超临界火电机组的进展趋势 为了进一步提超群超临界机组的热效率，美国、日本、欧洲等世界先进工业国家都相继提出了下一阶段的开发方案，并正在进行实施。
1999 年美国能源部（DOE）提出了火电新技术进展的 Vision 方案，美国方案开发蒸汽参数为 35MPa/760℃/760℃/760℃的大功率超超临界火电机组，热效率将高于 55%（比蒸汽温度600℃的超超临界机组热效率提高 8%～10%），CO2 和其他污染物的排放约削减 30%。美国能源部开发超超临界技术的目的有二个：一是选择先进的材料使得超超临界机组的成本具有竞争性、环保可接受并能够燃用高硫煤；二是提高美国发电设备制造商生产的高效燃煤超超临界火电机组在世界范围内的竞争力。
日本是能源消费大国，正在加大力度推动节能工作，在电力方面对超高性能的火力发电方式进行开发；对传统的燃煤火力发电设备也在提高蒸汽参数，使之超高温、高压（超超临界蒸汽参数 USC）以得到更高的效率；电能开发公司在 1979 年开头进行有关 USC 技术开发可行性调查，从 1981 年开头与锅炉和汽轮机制造厂家协作进行各种验证明验（并且从 1982 年开头从通产省嫩关停得到争辩经费，从而推动了争辩开发工作）。
本技术是把传统的火力超临界蒸汽参数 246kgf/cm2、538/566℃提高到 320~350kgf/cm2、595-650℃,以提高发电效率。
电能开发公司将本技术开发分为两个阶段进行。USC 开发目标列于表 1
表 1
电能开发公司 USC 开发目标
日 本超超临界技术开发争辩工作的完成，为日本发电设备制造企业研制和生产超超临界火电机组供应了科学的依据。
欧洲国家从 20 世纪 90 年月开头实施 COST501 方案，实现了蒸汽温度为 580℃/600℃超超临界机组的研制。1998 年开头实施 COST522 方案，实现了蒸汽温度为 600℃/620℃超超临界机组的研制。欧盟从 1998 年 1 月 1 日启动了“AD-700℃方案”，其目标有二个：一是供电热效率由目前的 47%提高到 55%（深海海水冷却）或 52%（内陆电厂）；二是厂房结构更加紧凑，以降低燃煤电厂的投资。欧盟“AD-700℃方案”的战略意义是使欧盟成员国的燃煤火电机组的技术水平始终处于世界的领先水平，显著提高欧盟成员国燃煤火电机组的竞争力。接受700℃/720℃超超临界机组可以使 CO2 的排放量削减 30%，可以使 CO2 的排放满足“京都议定书”的要求。
我国国家电力公司也准时提出了进展超超临界并建立示范电厂的 863 高技术进展方案，目前该方案的第一子课题“超超临界发电机组技术选型”已经完成，经过专家论证，并结合我国动力制造业进展的前提条件，认为我国进展容量为 700～1000MW，蒸汽参数为：25MPa，593/593C(或 600/600C)的超超临界发电机组是合适的。
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超超临界火电机组研发的关键技术 600MW 级超超临界火电机组研制的技术难点和关键技术集中在锅炉、汽轮机、汽轮发电机部件强度争辩以及机组高参数、大型化后各大主机、辅机的结构设计；高温材料和铸锻件的技术开发等方面。
3.1 超超临界锅炉
锅炉参数提高、容量增大后，为获得良好的炉内空气动力场和稳定的燃烧特性，着重要进行的开发争辩是：锅炉设计技术、大炉膛燃烧技术争辩、锅炉压力管内水动力与传热特性、过热器与再热器的热力偏差、旁路启动系统、主蒸汽温度的调整手段、关键受压部件的结构强度与制造工艺等。
现 状 开发目标 第 1 阶段 第 2 阶段 蒸汽参数 压力，kgf/cm2 246 320 350 温度，℃ 538/538 595/595/595 650/595/595 发电设备设计效率，% 41．5 44．0 44．8 年平均发电效率，% 39．8 42．2 43．0 提高的效率（相对值）% 以现状为基础 6．0 8．0 年节省煤量 t 以现状为基础 约 130000 约 170000
3.2 超超临界汽轮机
汽轮机参数提高、容量增大后，为获得高效率、高牢靠性的汽轮机，着重要进行的开发争辩是：汽轮机结构配置、关键部件的结构设计、高温部件冷却、叶片抗固体颗粒的侵蚀与叶片喷涂技术、汽轮发电机组转子动力学特性等。
3 3.3 百万千瓦级汽轮发电机
百万级汽轮发电机的难点技术主要是机组大型化后产生的技术问题，其中包括：额定电压提高到 27KV 的发电机绝缘设计制造技术、发电机定子线棒绕组电晕结构的争辩、防止定子绕组端部松动和结构件发热问题的争辩、转子护环与转子本体的协作结构及槽楔材料和结构的分析争辩、防止转子绕组匝间短路的分析争辩、通风冷却系统的优化设计、发电机或电网发生两相或三相短路故障时汽轮发电机轴系扭振问题的分析争辩、绝缘材料国产化争辩等。
4 3.4 高温材料和铸锻件
目前，国外依据超临界和超超临界火电机组的不同蒸汽温度，接受的合金钢有低铬耐热钢、9-12% Cr 钢、改良型 9%--12% Cr 铁素体----马氏体钢、新型奥氏体耐热钢。
超超临界机组材料的开发应着重争辩高温部件所用的 9-12%Cr 钢组织成分和性能变化规律，使材料的各种应用性能均达到国际标准的要求。实现汽轮机转子锻件和汽缸铸件、汽轮机高温叶片、螺栓，锅炉过热器、再热器用的各类 9-12%Cr 钢国产化，批量化，并且价格合理。
5 3.5 其他设备
机组参数的提高，特殊要对高温高压的阀门国产化进行攻关。要对全厂自动化系统的设计和设备的配置要进行分析争辩。
4
华能营口电厂超超临界机组的主要指标 1 额定功率（在发电机端）：
MW
600 2
汽轮机型式：超超临界、一次中间再热、单轴、两缸两排汽、凝汽式。
3
参数
主汽门前额定压力：
MPa（a）
25
主汽门前额定温度：
℃ 600
再热主汽阀前额定温度：
℃ 600 4
回热加热级数：
8 5
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