我国超临界发电技术发展前景分析
第19卷第2期
2005年6月
文章编号t1001—9006(2005)02—0084—06
东方电气评论
DONGFANGDIANQIPINGLUN
V01.19No.2
Jun.2005
我国超临界发电技术发展前景分析
刘建成
(东方锅炉(集团)股份有限公司,四川自贡643001)
摘要:回顾超临界机组发展历史。分析其发展的现实意义、经济效益和环境效益,指出我国发展超临界机组需解决的关键问题,分析我国超临界发电技术的发展前景。超(超)临界发电技术的普遍采用,必将为我国经济发展和环境保护带来巨大的收益,成为我国经济、社会和环境持续、健康、协调发展的重要保障之一。这是一项极其重要的工业发展政策,必须及时加以确立,长期加以坚持。表2参6
关键词i超临界机组;经济效益:环境效益;发展前景中图分类号i
TM61l
文献标识码:A
我国的一次能源结构决定了我国发电以煤电为
1
前言
从1996年开始,中国电力供应充足,人们对电
主的基本格局。这是短期难以改变的,也是我国和国际一次能源利用的主流不同的显著特征。2003年底我国燃煤火力发电装机容量占全国总装机容量的74%,发电量占全国总发电量的82.6%;到2020年全国总装机容量将达到950GW左右,发电量将达到4.2×10sGW・h左右,其中火电装机比重仍然占70%。按此估算,到2020年将净增380GW左右的火电机组,占到当时火电总装机容量的近57%,成为中国火电的主体;此外,在这段期间,我国还将更新60多GW单机容量为100MW以下的小型机组及部分更新200MW和125MW的超高压机组,因此可以预计,在这期间,我国每年将新增火电机
组25—26GW,总计450GW左右,这将使我国成
力紧张时的拉闸限电已经淡薄。然而,2002年人夏以来,电力负荷迅猛增长,华北、华中、华东、西北、广东等地区的发电出力均已接近可调出力,许多地区出现了高峰时段拉闸限电的现象。2002年中国GDP增长了8.1%,电力消费却增长了11.6%,高峰时段电力短缺给人们敲响了警钟;2003年电力供需形势更加严峻,GDP增长了9.1%,电力消费却增长了15.4%,全国有22个省(市、自治区)拉闸限电,部分地区由缺少电力扩展到全面缺电,成为经济发展的瓶颈Ill。
2003年底,全国电站装机容量380GW左右。到2020年,需要的电站装机还很大,发改委提出的数字是900—950GW,中国工程院的规划数字是
l000
为电力建设增长最快的国家。
2000年,我国6MW以上机组的平均供电煤耗
为394g/(kW・h),比先进工业国家高60~80
g/
GW,就是说中国电力装机容量需要增加1.5(kW・h)。如以609/(kW.h)计算,一年多耗煤达60多Gt,不仅浪费能源,还造成环境污染严重,使烟尘、SO。、NO,及CO:的排放量大大增加。2003年我国人均GDP突破1ooo¥,标志着我国经济由温饱型向小康迈进,从此进入了一个新的快速增长时期。这对电力供应的增长提出了特殊的要求:为保证国民经济持续健康发展,到2020年我国发电设备装机容量必须达到950GW左右。在这样的形势下,我国在电力建设中加速采用国际上最先进的供倍。根据胡兆光的分析…,2004~2020年期间,即使在经济发展的低谷年,我国每年也需要增加
30
GW的电力供应能力;而在经济发展的高峰年,
每年也不应增加超过38GW的电力供应能力。若按中值每年平均增加34GW的电力供应能力计算,这17年间,我国电力供应能力将增加580GW,2020年底全国装机容量将达到960GW左右。那么,认为到2020年全国装机容量达到950GW左右是比较
第2期刘建成中国超临界发电技术发展前景分析
对节约能源、减少污染无疑具有非常重要的意义。2
超临界机组技术发展回顾
2.1
超临界机组的概念
工程热力学将水的临界状态点参数定义为:压
力22.115MPa,温度374.15℃。当水的状态参数达到临界点时,在饱和水与饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的两相区存在。与较低参数的状态不同,这时水的传热和流动特性等会存在显著的变化。当蒸汽参数值大于上述临界状态点的压力和温度值时,则称其为超临界参数。
对于火力发电机组,当机组作功介质蒸汽的工作压力大于水的临界状态点压力时,称之为超临界机组。超临界机组一般可分为两个层次:一个是常规超临界机组(ConventionalSupercritical),其主蒸汽压力一般为24.2MPa,主蒸汽和再热蒸汽温度为540~560℃;另一个是高效超临界机组(High
Effi.
ciencySupercritical
Cycle),通常也称为超超临界机
组(UltraSupercritical)或者高参数超临界机组(AdvancedSupercritical),其主蒸汽压力为28.5~
30.5
MPa,主蒸汽和再热蒸汽温度为580~600℃。实际上,超超临界参数的概念只是一种商业性
的称谓,以表示发电机组具有更高的蒸汽压力和温度,因此各国甚至各公司对超超临界参数的开始点定义也有所不同。例如:日本定义为压力大于
24.2
MPa,或温度达到593℃;丹麦定义为压力大
于27.5MPa;西门子公司的观点是应从材料的等级
来区分超临界和超超临界机组等等。我国电力百科全书则将超超临界定义为:蒸汽参数高于27
MPa。
国家“‘八六三’超超临界燃煤发电技术”课题研究将超超临界机组的研究范围设定为:蒸汽压力大于25MPa,蒸汽温度高于580℃。
2.2
世界超临界机组技术发展过程
世界上超临界机组技术的发展过程大致可以分
为3个阶段。
第1阶段:20世纪50。70年代,主要以美国、德国和前苏联为技术代表
超临界技术初期起步时就采用了超超临界参数。例如。1957年投运的世界上最早的超超临界机组之一——美国Philo电厂6’机组,容量为125MW,蒸汽压力为3lMPa,蒸汽温度为621℃/
500
oC/560℃,二次中间再热;1956年,参数为
29.3MPa、600
oC(无再热)的117MW超临界机组在
然而,由于所采用的过高的蒸汽参数超越了当时材料技术的实际发展水平,导致了诸如机组运行可靠性和运行灵活性较差等问题的发生。在经历了初期过高的超临界参数后,从20世纪60年代后期开始美国超临界机组大规模发展时期所采用的参数,均降低到常规超临界参数:压力24.2MPa、温度538℃/566℃,直到80年代,美国超临界机组的参数基本稳定在这个水平。
第2阶段:从20世纪80年代起的超临界机组优化及新技术发展阶段
从20世纪70年代开始,美国的一些公司如GE及西屋公司分别将超临界技术转让给日本和欧洲,超临界机组的市场从80年代起也逐步转移到了日本及欧洲,同时,由于材料技术的进步和发展、滑压运行方式和计算机控制技术的采用,以及对电厂水化学方面认识的深入,美国早期超临界机组发生的可靠性问题得到了彻底解决。到1985年,美国超临界机组的运行可靠性和可用率指标已经达到甚至超过了相应的亚临界机组水平。从80年代开始,GE和西屋公司对已投运的170余台超临界机组进行了大规模的优化及改造。通过改造实践,形成了一批经过验证的新设计、新结构,大大提高了机组的经济性、可靠性、运行灵活性。
第3阶段:20世纪90年代新一轮超超临界参数的发展阶段
随着常规超临界机组技术的成熟及新型马氏体、奥氏体合金钢的开发,在环保及提高经济性目标的驱动下,从90年代开始j世界又进入了以日本和欧洲为中心的新一轮超超临界机组的发展阶段。在保证机组高可靠性、高可用率条件下,采用更高蒸汽压力和温度、更大机组容量是该发展阶段的主要特点。例如:日本的超超临界机组容量大都在
700~1000MW,欧洲近年来的机组容量也大都在
900
MW以E。
3
我国发展超临界机组的现实意义
3.1
发展超临界机组的必要性
据有关资料,我国已探明的煤炭储量约为l000
Gt,人均拥有煤储量在世界上属中等水平。但
可采量及开采能力受一定条件的限制,我国的煤炭供需矛盾仍很突出,并将随火电的发展而进一步扩大。此外,煤炭产地与高用电负荷地区相分隔,导致煤炭的运输一直是制约电力工业发展的重要因素。
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结构进行改造,势在必行。我国电力工业总体水平与国外先进水平相比有较大差距,能耗高和环境污染严重是目前我国火电中存在的两大突出问题,并成为制约我国电力工业乃至整个国民经济发展的重要因素。因此,在增产煤炭的同时,必须更加重视节约发电用煤工作,提高机组的热效率以实现节能降耗及降低污染排放,这已成为我国电力工业发展中的一项紧迫任务。为迅速扭转我国火电机组煤耗长期居高不下的局面,缩小我国火电技术与国外先的情况(17.67MPa)比较起来,达到540℃所需的锅炉热输入比超临界的情况低100kJ/kg,从而导致蒸汽热容量较低,而在汽轮机中,较高动能水平的蒸汽将对这一影响进行一定补偿。
3.2.2
超临界发电的经济效益
与亚临界机组比较起来,超临界机组的电厂成本基本相当。然而,由于可以获得循环效率的显著提高,超临界机组的经济性要优越得多。在典型情况下,燃煤发电厂中燃料成本约占总运行成本的进水平的差距,发展国产大容量的超临界火电机组60%。80%。那么在上述的实例中,当循环效率从是十分必要的。
38%提高到46%时,每年可节约燃煤300kt超超临界发电技术是我国电力工业升级换代、(17.6%)。以标煤成本300元/t计算,将节约~9000缩小与发达国家技术与装备差距的新一代技术,超万元/年。一般说来,这一节约除了抵销超临界技超临界发电机组将是未来二三十年我国电力工业生术稍高的资本成本以外,还会有一定的节余。
产的主要机组形式。发展超超临界发电技术是目前根据分析,从现在到2020年,我国每年将新增在较短时间内形成我国电力工业提供新一代主体装火电机组25~26GW,折算为600MW机组,每年备的能力、规范化地实现洁净煤发电的最现实最快新增42—44台,那么,如果全部采用循环效率捷的途径。随着我国国民经济的不断迅速发展,对46%的超超临界机组,按以上数据计算,每年可节电力市场的需求愈来愈大,同时对环保和控制污染约燃煤12
600~13200
kt,节约发电成本37.8—
排放的要求也愈来愈高,因此,积极发展高效、节39.6亿元(1994年价),这样,总计节约燃煤214~能、环保的超超临界火力发电机组势在必行。
224Mt,节约发电成本640~670亿元(1994年价)。3.2发展超临界机组的经济效益和环境效益
在此期间,我国还将更新60多GW单机容量为
3.2.1
实例
100
MW以下的小型机组。这些小型机组的平均煤耗
燃煤发电的实践表明,人们总是在想方设法采按4509/kW・h计算,每年发电6000h,如果全部取各种措施,提高发电效率、改进环境效益、提高更新为超超临界机组,平均煤耗按270g/kW・h计可用率、降低发电成本。超临界锅炉技术的采用正算,每年发电8000h,那么,在全部更新完成后,是达到这些目的的主要措施之一。与典型的亚临界每年可节约燃煤约65
000
kt,节约发电成本195亿
电厂比较起来,目前的超临界电厂可以达到相当高元(1994年价)。如果这些小型机组更新的速度每年的循环效率,从而导致燃料成本的节约和CO:及其基本相同,那么可以计算出,到2020年,总计节约它排放物的减少。表1所示为一个具有典型的电厂燃煤520Gt,节约发电成本1560亿元(1994年
可用率——85%的600Mw当量发电厂采用超临界价)。
技术可以获得的潜在收益。实例中,假设亚临界电从现在到2020年,我国火电新装机容量将达到
厂的循环效率为38%(LHV)(现代亚临界电厂的典450
GW左右。如果这些新增机组全部采用循环效率
型设计效率),而超临界电厂的效率为46%(LHV)46%以上的超超临界机组,那么与亚临界机组比较(目前比较先进的超临界电厂的效率)。
起来,按本文实例的数据计算,每年可节约燃煤
超临界发电的效率受变负荷运行的影响也会更225
Gt,节约发电成本675亿元(1994年价)。小一些,一般来说小于亚临界电厂的一半。例如,机组的经济效益还受到其它因素,包括电厂可
可以获得的数据表明,在75%负荷下运行时超临界用率、运行灵活性和辅助设备电力消耗等的影响。机组的电厂效率降低约2%,而在类似情况下,亚超临界机组的运行灵活性是其受人欢迎的另一个因临界电厂的效率会降低4%O这是因为,与亚临界
素,由于采用较少的厚壁部件而允许较高的负荷变
表1
超临界发电技术的收益(计算值)…t/y
第2期刘建成中国超临界发电技术发展前景分析
化率,直流锅炉设计在某些方面比汽包锅炉设计具有更多内在的灵活性。典型的可用率是约85%,然而,采用适当的设计和材料,电厂可用率可以达到90%以上。例如,从1993—1995年,丹麦超临界电厂的可用率是约89%;而从1998—2000年,荷兰Hemweg电厂8’机组的可用率是92%。3.2.3超临界发电的环境效益
超临界发电的主要环境收益来自于产生单位电量煤耗的减少,从而导致C02和其它排放物水平的下降。在这里的实例中,超临界电厂的CO:排放水平比典型的亚临界电厂低17.6%。同样的,其它排放物(如NO,和SO:)将会随煤耗的下降按一定比例减少。然而,为了获得最优的环境效益,超临界发电技术可以采用先进的排放物控制技术,以尽量降低有害排放物的水平。这些技术包括烟气脱硫技术(FGD)、低NO,燃烧技术、选择性催化还原技术(SCR)、选择性非催化还原技术(SNCR)、空气分段输送和再燃技术。
也可以采取很多措施来减少燃煤电厂产生的固体和液体残留物。对于固体残留物(如飞灰、炉灰或FGD残留物等),其目的是将它们尽可能地用于各种对环境友好的用途中,以充分发挥其作用。
3.3
超临界机组的可用率
典型的亚临界机组的可用率是85%左右,而超
临界机组的可用率已不低于亚临界机组。据相关资料,日本的超临界机组可用率在90%以上,事故率在l%以下;德国超临界机组在1975~1978年之间的可用率也在85%以上;美国1300MW超临界机组整机平均可用率92.3%;原苏联的300MW超临界机组平均可用率也在87.8%以上;我国石洞口电厂的两台超临界机组投运第二年可用系数也分别达
到90.8%和93.9%。
4
我国发展超临界机组需解决的关键技术
4.1
概述
根据我国目前电力工业的实际情况和国民经济
发展的需要,
“十五”期间或至2010年将是一个很
好的结构调整时期,应以攻克关键技术、发展大型超临界机组为重点来发展我国发电装备工业。考虑我国电力工业的现状和今后发展的需要,有关专家通过多次论证研究,对超临界机组的容量系列已形成明确意见,其系列为600MW级、900MW级、l
选择600MW机组为起步容量,主要是国内已有2台进口机组投入运行,有运行及维护经验可借鉴,可靠性较高;另一方面与亚临界600MW机组的容量类同,在主机制造上较为有利;同时,可采用现有的辅机配套,有利于减少其成套设备的研制。900MW和1200MW大型超临界机组作为中、长期即2005年后发展的目标,在600MW大型超临界机组取得成功经验,并批量生产、形成主力机组后再予以发展,避免低水平的重复。目前,我国正在进行有关技术准备工作,重点研究900MW"机组采用单轴、单炉膛问题,同时对l200
MW机组采用
双轴技术方案作综合分析,以便与单轴的900MW
机组进行比较。
大型超临界机组的发展对辅机提出了更高的要求,在引进600MW超临界机组过程中,国内已承担过部分辅机的制造任务。超临界机组辅机国产化重点是解决给水泵、高压阀门、水处理设备等研制问题和仪表与自控系统软件的开发,选择最佳的控制系统与方式。
国内对亚临界机组钢材国产化已进行过许多工作,为超临界机组材料国产化打下了基础。目前正在进行超临界机组有关材料的国产化工作。这些材料包括:过热器、再热器、主汽管和高温集箱用钢管,高、中压缸用钢铸件,转子锻件,“超纯”低压转子钢锻件和钛合金长叶片等。
4.2关键技术研究
对照国外超临界技术发展的经验,结合我国目前的实际情况,可以列出我国发展超临界机组亟待解决的关键技术如下:
(1)超临界机组系列选型及系统配置的研究:包括超临界机组锅炉、汽轮机、发电机、主要辅机等系列选型,超临界机组热力系统优化设计,超临界机组汽机旁路系统选型;
(2)大型超临界锅炉关键技术研究:包括超临界锅炉炉型及燃烧系统配置方式,关键受压部件结构优化设计和寿命管理;
(3)大型超临界汽轮机关键技术研究:包括超临界机组转子动力特性,固体颗粒冲蚀特性和防护措施,末级长叶片振动应力和疲劳寿命,高温高压部件温度场、应力场和蠕变疲劳寿命;
(4)大型超临界单轴900MW(百万千瓦级)机组汽轮发电机关键技术研究:包括发电机转子装配结构件应力水平、配合要求及材料选择,发电机转子通风选择,励磁方式,轴系、振动及汽轮机一发电
88
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(5)超l插界机组材料的国产化研究:包括超临界汽轮机高温材料和锻件材料,超临界锅炉过热器、再热器材料,国产P91钢管性能试验及管件开发;
(6)超临界机组自动控制关键技术研究:包括超临界机组仪表和自动控制系统。超临界机组关键仪表;
(7)超临界机组主要辅机设备研制:包括超临界机组锅炉给水泵组,超临界机组锅炉再循环水泵,超临界机组高压阀门国产化;
(8)超临界机组运行技术研究:包括超临界机组合理运行方式,超临界机组动态特性,超临界机组安全经济在线监测诊断技术,超临界汽轮机末级长叶片变负荷时的流场和动应力及调峰性能,超临界机组汽水品质控制和停机保养技术。5
5.1
利通过168h试运行,并正式投入商业运行,标志着我国在引进国外先进技术基础上设计制造的国产首台600MW超临界机组正式成功投运。该项目填补了600MW超临界机组国产化空白,使我国在
600MW超临界发电机组这一重大技术装备国产化方
面实现了“零”的突破。其中,DGl900/25.4一HI型锅炉为东方电气集团所属核心企业之一——东方锅炉(集团)股份有限公司与日本巴布科克一日立公司及东方日立锅炉有限公司合作设计、联合制造的
600
MW超临界本生直流锅炉。168h试运期间。锅我国超临界机组发展前景预测
经过技术的成熟和发展,目前超临界参数火力
炉主要运行参数与设计值基本一致并保持稳定。
5.2
发电机组在可靠性和调峰灵活性等方面都可以得到保证,发电效率可达43%一47%,最高可到49%,这对煤炭资源的节约、发电机组的经济性以及环境改善,都显示了相当的优越性。国际上超临界机组的发展已经历了40余年,无论从理论上还是从实际应用来讲,都有了相当的基础,有较为成熟的设计、制造、建设和运行经验。为了紧跟世界上较为先进的净效率在45%~47%的超临界机组,我国将在超临界和超超临界机组的研究、设计和制造能力的形成和提高上加大投入,引进国外成熟先进技术,发挥国内生产制造能力,以降低电厂造价,并通过引进技术的消化、吸收,缩小我国与先进国家的差距。
优化火电结构是个战略性的大问题,它与技术环境、经济环境和体制、机制间有着相互的作用和反作用关系,不同的发展道路就会铸造出不同的发展结果,直接影响今后一个相当长时期内我国电网中火电主力机组的构成。超临界技术在优化火电结构方面有着特殊的作用,可以断言,采用超(超)临界参数和机组容量的大型化将是新世纪我国火力发电厂的主要发展方向。此外,超(超)临界技术与循
我国超临界机组发展前景
我国超临界机组发展现状
到目前为止,我国发电量的75%是由小于
300
MW的机组提供的,其电厂效率在27%~
29%,远低于发达国家的35%~40%。我国自20世纪80年代开始陆续引进并投运了一批超临界机组,如已投运的华能石洞口二厂2×600MW、华能南京热电厂2×300MW、华能营口电厂2×300MW、绥中电厂2×800MW、外高桥电厂二期2×900MW等发电厂。经过一段时间的运行之后,我国已积累了常规超临界机组较好的运行经验。根据我国1994年可靠性管理中心报告资料,我国当时6台600MW机组中,石洞口二厂1’、2m机组的等效可用率分别为89.7%和79.15%,强迫停机率为2.20%和0.84%,为国内600MW机组的第一、第二名。我国已引进或在建的超临界电厂主要参数统计见表
20
2004年11月23日,华能沁北电厂l’号机组顺
表2
我国已引进/在建的超临界电厂主要参数统计
第2期
刘建成中国超临界发电技术发展前景分析
环流化床(CFB)燃烧技术的结合,也将同时成为这一主要发展方向的一支重要力量。
【2】韩燕,张长浩.电力工业必须树立科学的发展观——访全国政协委员陆延昌【N1.中国电力报,2004—03—
10.
6
结论
超(超)临界发电技术在电厂净效率方面的特殊
【3】陈听宽.超临界锅炉技术的发展fJ】.<电力设备)光盘
期刊,2002。(3).【4】
国电热工研究院.超临界火电机组研究资料汇编【z】.
2003:2—8.
优势,决定了它必将成为以燃煤发电为主的中国能源工业的首选技术。新世纪中,超(超)临界发电技术的普遍采用,必将为我国经济发展和环境保护带来巨大的收益,成为我国经济、社会和环境持续、健康、协调发展的重要保障之一。这是一项极其重要的工业发展政策,必须及时加以确立,长期加以坚持。参考文献:
【I】
胡兆光.电力可持续发展的基准限研究【J】.中国电力。2004。(4):I一4.
【5】华东电力设计院.机组参数匹配研究与四大管道选材研
究【z】.2003.【6】Department
nology
at
of
TradeandIndustry:SupercriticalBoilerTech・
PowerStation.BestPractice
Brochure
Hemweg
003.2001.
作者简介:
刘建成(1966一),男。工商管理硕士,东方锅炉(集团)股份有限公司综合技术处高级工程师,主要从事技术情报研究工作。
(收稿口期:2004—12—06)
PerspectiveAnalysisofSupercriticalPower
GenerationTechnologyinChina
LIU批n—cheng
(DongfangBoilerGroupCo.,Ltd.,Zigong,Siehuan,643001)
Abstract:Thespecificadvantageoftheultrasupereriticalpowergenerationtechnologyintheplant’snetefficiency
makes
itto
bethefirstchoiceofChineseenergyindustry.Andreviewssupercritiealunit’Sdeveloping
sense
history,analyzingitsdevelopingand(economic
and
environmental)benefits,andpustforwordsome
keyproblemsandanalyzesthesupercritiealpowergenerationtechnologydevelopingprospect.
Keywords:Supercriticalunits;Economicbenefits;Environmentalbenefits;Developingperspective