高效燃煤发电技术的发展趋势

高效燃煤发电技术的发展趋势

上海电气集团股份有限公司首席技术官　黄　瓯

一、现状与发展空间

随着我国经济的高速增长，我国能源和资源短缺、环境不断恶化等方面的制约因素逐步体现出来。为了应对全球气候变化，我国提出了2020年非化石能源消费比重达到15%左右及2020年单位GDP的二氧化碳排放强度比2005年下降40%—45%的目标，以发展低碳经济，实现经济的可持续发展。

煤炭是我国的主要能源，我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。我国的能源结构中，煤炭作为我国的能源消费的主力在今后几十年中不会产生大的变化。2011年，我国共消费33亿吨原煤，其中50%以上用于火力发电。

为进一步降低能耗和减少污染物排放，改善环境，在材料工业发展的支持下，常规火电技术中的超超临界机组正朝着更高参数的超超临界的技术方向发展。提高火电厂的发电效率，减少发电煤耗，是从源头上降低烟气污染物和二氧化碳排放的有效手段，是世界上高效清洁燃煤发电的发展方向。

面对地球有限资源和环境污染的挑战，能源安全、环境保护、经济增长“3Es（Energy Security，Environment Protection，Economical Growth）”成为人类社会发展必须考虑的3个基本原则。以节能减排技术为核心，开发更高效率的燃煤火电站发电设备是制造业不可推卸的历史使命。

分解整个能源工业的构成状况表明，虽然核能、太阳能、风力、水力、再生生物等低污染排放发电技术产生的电量迅速增长，但其总量远不能满足人类社会的需要，在今后很长一段时期内，高效清洁的燃煤发电仍然是电力工业最主要的供给方式。2011年，我国电力工业的总装机容量已达到10.56亿kW，超过美国，成为世界第一，而其中的燃煤火电发电量占总电量的70%以上。每年燃煤发电的CO₂年排放量约33亿吨，相当于全国每人每天分担6 kg的CO₂。2011年全国平均供电煤耗为330 kg/kWh，相当每kWh电的CO₂为0.9 kg，而超超临界机组统计的平均供电煤耗为292 g/kWh；其中最先进的上海外高桥III厂两台超超临界1 000 MW机组的平均供电煤耗则达到279 g/kWh的世界先进水平，每kWh电的CO₂排放仅为0.77 kg，分别比全国平均水平低13.4%和18.3%。全国电力工业节能减排尚有很大的潜力。

全国火电供电煤耗每下降1 g/kWh，节能减排效果相当于增加500万千瓦的风电装机。所以说，我国燃煤电站仍具有广泛的发展前景。

二、提高燃煤发电效率的技术路径

大量的600℃660 MW和1 000 MW超超临界机组先后投运的事实证明，600℃超超临界参数已经得到了成功应用，但同时也揭示了一个现实：在目前的材料结构下（以HR3C、超级304H、P91和P92为材料核心），大幅提高蒸汽参数基本已不可能。如果要进一步提高参数，需要引入镍基合金材料来满足高温对材料的要求，但目前发展更高参数所需要的镍基合金材料并不具备商业化的能力。

在目前的材料结构下如何进一步提高燃煤机组的循环效率，已经成为当今火电机组发展的最重要的课题之一。

经过对比，在目前材料的基础上，火力发电机组大型化，更高参数一次再热和二次再热的发展将具有很好的发展前景，节能减排效果明显。

通常为了提高大型发电机组循环热效率，广泛采用中间再热循环。从锅炉过热器出来的主蒸汽在汽轮机高压缸作功后，送到再热器中再加热以提高温度，然后送入汽轮机中压缸继续膨胀作功，称为一次中间再热循环，可相对提高循环效率4%～5%。

有些大型机组，在中压缸后再次将排汽送回锅炉加热，称为两次中间再热循环，可再相对提高循环效率2%～3%左右。

增加再热循环可以提高循环效率，但若再热次数增加，在热效率提高的同时，也会带来系统设计的复杂性，同时使投资增加，运行复杂。因此在国际目前运行的机组实际再热次数很少超过两次，超临界参数采用二次再热。

在超临界日益成熟的今天，系统的设计能力已经相当成熟，材料的限制迫使我们重新考虑二次再热的可能性以获得更高的循环效率。

2006年12月，我国第一台参数为26.25 MPa/600℃/600℃的超超临界机组在华能玉环电厂投运，以超临界10年时间24.2 MPa/566℃/566℃为基准，该机组因参数提高的热耗下降幅度为1.7%。随着高温材料研发以及一系列先进技术的应用，提高参数的热耗下降空间在10%以上。

从火力发电技术进步的角度，经济性1%的改进就是“重大技术发展”。为此，通常将蒸汽参数作为火力发电技术和产品等级的标志。超超临界以600℃温度为标志；下一轮新的高超超临界则以压力提高到35 MPa、和/或温度≥700℃等级为标志。

在目前材料未取得工业化应用突破之前，700度计划将成为更高燃煤发展技术的探索与准备。

三、上海电气火力装备发展

上海电气火力发电装备制造拥有近60年的发展史，这60年大致可划分为三个阶段：第一阶段，改革开放前的30年，是我们从无到有、艰难起步的30年，通过这一阶段的摸索和实践，我们获得了十分宝贵的第一手实践经验，树立了信心；第二阶段，1981年到2001年间的20年，1981年前国家机械工业部、电力工业部两部联合引进了美国Westinghouse公司和CE公司的300 MW、600 MW亚临界机组技术，经过20年的消化吸收和持续优化，我们顺利完成了石横电厂300 MW考核机组和吴泾电厂600 MW亚临界机组的开发、研制，并通过了一批同类型机组的实践，做好了基本建设、技术储备的各项准备，为今天的超超临界全面发展做好了人才储备，奠定了坚实基础；第三阶段，2002年起至今的10年，是我们高歌猛进跨越式发展的全新阶段，这一阶段我们完成了600 MW超临界和超超临界，百万等级超超临界机组的投运，取得了良好的业绩。可以说，经过后30年的努力，我们已经掌握了世界先进水平的火电主机设备的技术。

针对下一步节能减排的目标，通过对引进技术的消化吸收，国内外研究机构和高等专业院校的“产学研”重点项目的联合技术攻关，我们开启了新一代高效发电设备主机设计平台的建设，在成功实现技术和产品结构转型的基础上，制定了一个洁净燃煤发电技术可持续发展的计划；代表世界最高技术水平，效率和能耗下降幅度达到5%～10%的新一代高效发电设备主机的研制工作正在全面进行。

洁净燃煤发电技术发展的核心是大力推进提高机组性价比的技术，开发具有市场竞争力、高性价比的发电装备。一个高水平的设计平台和技术体系涉及到高蒸汽参数、通流部分自动优化设计技术、结构优化、冷端优化、热力循环及系统优化、先进制造工艺等6个技术领域。这些领域技术发展的深度和水平决定了新一代发电设备主机产品性能水平的高低及市场竞争力。

为此，提高技术研发水平，打造具有自主知识产权的技术体系，是我们工作的发展重点：

1.形成具有国际竞争力的现代设计开发平台

（1）技术研发平台：多学科虚拟仿真技术平台（CAD、CFD、FEA、CAM），技术试验平台，汽轮机、锅炉、发电机技术设计平台；

（2）应用技术平台：先进的整体通流叶片优化技术（AIBT）平台。

2.坚持“五个一代”发展战略

具体是指：改造一代、设计一代、开发一代、预研一代、长远发展一代。

3.推进高新技术产业化项目，抢占技术制高点

上海市有关此领域的高新技术产业化项目是：1 200 MW超超临界火电机组、1 000 MW超超临界抽汽机组、660 MW、1 000 MW空冷机组。

4.国家科技支撑计划

1 000 MW二次再热机组已列入国家科技部国家科技支撑计划，并列为我国下一阶段燃煤火力发电的示范项目。

四、关键技术突破

提升火电机组的压力和温度，特别是提升再热汽温度，涉及到材料，材料是一个关键的技术，主要涉及到锅炉和汽轮机。

已经投运的一次再热超超临界机组，其蒸汽温度均选择了600/600℃，在目前的材料结构体系下，运行的实例表明，600℃的温度选择是合理的、安全的。在没有新的更高等级的材料投入商业化之前，为了进一步降低煤耗和减少污染物和CO₂的排放，需要我们寻找一切切实可行的提高机组的经济性方法和手段，适当提高蒸汽温度也成为其中一个构想。

对于提高过热蒸汽侧的温度，我们持否定态度。因为相对而言，过热蒸汽由于温度和压力均比较高，使得材料的工作环境更差（相对再热蒸汽），如果提高过热蒸汽温度将使材料的壁厚急剧上升，也无法获得足够的安全裕度。虽然在已经投运的超超临界机组中超级304H和HR3C材料得到了成功的应用，其使用温度在650℃以上，但考虑到运行中必然存在一定的偏差，且目前集箱上管接头材料尚未有选择不锈钢材料的成功经验，因此不建议大幅提高蒸汽温度。蒸汽温度的选择必须要满足集箱材料SA335- P92材料和管接头材料SA213-T92材料的使用温度限制，且从国际上已有的超超临界机组的参数选型来看，其温度均选择在了600℃以下。

对于使再热蒸汽侧的温度提高到620℃，应该是可行的。由于其压力相对较低，适当提高其出口温度，同时通过控制偏差的手段降低再热器出口壁温的变化幅度，应该可以满足在目前的材料结构下将再热蒸汽出口温度提高至620℃的要求，且国际上已经有再热蒸汽温度为620℃的超超临界机组的运行业绩。

随着再热温度提高至620℃，现有超超临界600℃的材料已不能满足强度方面的要求，在高温区域的相关部件，如一次再热中压缸和中压缸的转子、阀门、内缸、叶片等材料需要升级为9% Cr钢。

对于主机的技术来讲，主要体现在两个方面：

汽轮机是通过技术改进提高效率；

锅炉则主要体现在低排放和设备的可靠性。

五、减少二氧化碳排放的努力

气候变化问题已经成为全世界关注的重要问题，气候变化导致的损失每年高达数千亿美元，其对世界环境、粮食生产、地表景观等产生的影响极为深远。

关于气候变暖的原因，目前存在很多不同的解释和争论。有的认为是地球气候循环的正常表现，也有的认为是太阳耀斑等自然原因造成的，与人类活动关系不大，但绝大多数人认为全球气候变暖和人类活动有关，尤其是和人类活动产生的温室气体浓度升高有关。

面对大气中二氧化碳浓度不断升高的事实，随着对气候变化的认识逐渐深入，联合国环境规划署世界气象组织于1988年建立了政府间气候变化专门委员会，以研究气候变化的相关科学问题，为各国政府应对气候变化提供相关建议，为气候变化方面的国际合作与谈判提供基础数据，并分别于1990年、1995年、2001年和2007年共完成了4次全球气候变化科学评估报告。

根据1990年的评估报告，联合国大会于当年建立了政府间谈判委员会，开始进行气候变化框架公约的谈判，1992年5月22日达成了《联合国气候变化框架公约》，1992年6月4日在巴西里约热内卢举行的地球首脑会议上获得通过，1994年3月21日正式生效。以该框架为基础，各国通过后续谈判形成了一系列法律、政策和技术协议。我国政府于1992年6月11日正式签署《联合国气候变化框架公约》，成为公约缔约方之一。

公约规定每年举行一次缔约方大会，首届于1995年在柏林举行，其在日本京都举行的第三次会议通过了《京都议定书》，规定了各国在2012年之前温室气体的减排义务。

随着《京都议定书》规定的第一期减排日期的临近，各缔约国开始就2012年以后的减排义务进行磋商。2007年在维也纳举行的联合国气候变化会议达成一致，将温室气体排放控制在1990年基础上降低25%～40%，作为后《京都议定书》时代工业化国家不具约束力的减排目标的起点。2009年在哥本哈根举行的新一届气候大会前期，各国政府或国家集团纷纷发布气候减排计划，有望使哥本哈根会议达成突破性进展。

目前，化石燃料仍然是，并且会在较长的一段时间内是世界能源的主要组成部分。化石能源产生的二氧化碳产量巨大，而以化石燃料为原料的电站在化石燃料使用中占有重要的地位，是比较集中的二氧化碳排放的源头，要取得未来二氧化碳控制的目标，火力发电厂二氧化碳的处理十分关键。

二氧化碳捕集与封存技术（CCS）是针对火力发电厂二氧化碳排放的重要战略选择，也是当前世界许多国家正在开发的技术。该技术将能源使用过程中产生的二氧化碳捕集后进行封存，避免其排入大气引起气候变化。

目前国际上对于燃煤电厂产生的二氧化碳捕捉主要有以下两种方法：

1.烟气吸收。通过特定的吸附剂，实现对烟气的吸附或吸收，从而实现二氧化碳的分离，其中又可以分为物理吸附、化学吸收、生物吸收等几种类型，烟气吸收方法设备庞大、成本高，适合部分烟气的二氧化碳捕捉和回收利用。

2.富氧燃烧。富氧燃烧技术是利用空气分离技术制得纯氧，将纯氧和部分循环烟气通入锅炉燃烧，以获得高浓度的二氧化碳，易于捕捉。其捕捉的成本较低，设备改造也较少，适合现有锅炉改造和新锅炉设计，一些著名的国际企业，对此都开展了广泛的试验研究和数值模拟，认为富氧燃烧是将来二氧化碳捕捉的一个重要选择。

为积极应对未来低碳经济形势的迫切需要，提高上海电气自主CCS技术的研发实力和产品核心竞争力，我国经过前期充分调研和技术经济分析，在借鉴国外新技术的成功研发模式基础上，有效结合自身现有技术产品现状，提出以上海电气为牵头单位，联合发电公司或上海市其他大型企业（自备电厂），在上海搭建一座25～30 MW等级新型半工业化零排放绿色能源岛示范电站实验基地的计划。该示范电站实验基地采用试验模式与运行模式相结合的运行方式：即实验基地平时为厂区或社区提供清洁绿色能源（热、电、冷），试验时则可用于对上海电气研发的新产品技术或现有锅炉改造技术进行商业推广前所必须的示范研究与验证性实验研究。通过25～30 MW等级半工业化零排放绿色能源岛示范电站实验基地建立，不仅能加速上海电气新型自主绿色CCS技术与升级技术产品的孵化与商业推广，而且还可大幅度提高上海电气在新型绿色环保煤基发电CCS技术上的国际地位和品牌形象。

为早日实现这一计划，目前已开展3 MW等级小试热态实验平台的设计与搭建工作，并进行了相关自主研发团队的培养与招聘。