不久前，科技部部長王志剛在“中國這十年”系列主題新聞發(fā)布會上，多次提到超超臨界發(fā)電，他表示，我國連續(xù)15年布局研發(fā)了百萬千瓦級超超臨界高效發(fā)電技術(shù)，目前供電煤耗最低可達到每千瓦時264克，大大低于全國平均值，也處于全球先進水平。目前，超超臨界高效發(fā)電技術(shù)和示范工程已經(jīng)在全國推廣，占煤電總裝機容量的26%，今后還要進一步大力推廣。
“超超臨界發(fā)電”一時成為熱門詞匯，甚至在股票市場也成了熱門概念。那么，這個聽上去有些拗口的熱詞，意味著什么樣的科學(xué)“超能力”呢?我們邀請暨南大學(xué)教授、國際能源學(xué)院副院長、能源與動力工程研究所所長王衛(wèi)良來做些詳細解讀。
2020年11月11日，大唐東營發(fā)電有限公司的百萬千瓦超超臨界燃煤發(fā)電機組投產(chǎn)
“超超臨界”重點在“臨界”
用煤來發(fā)電，我們大家都知道?？墒鞘裁词?ldquo;超超臨界”呢?這就要先來說說什么是“臨界”。
基于物理常識，一般液態(tài)純凈物經(jīng)過加熱或者降壓到一定程度，會發(fā)生汽化;而氣態(tài)純凈物在經(jīng)過降溫或者加壓到一定程度，會發(fā)生凝結(jié)。
但任何純凈物都存在一個臨界點，當(dāng)壓力高于臨界壓力時，無論如何加熱，液體都不會發(fā)生汽化;當(dāng)溫度高于臨界溫度時，無論如何加壓，都不會發(fā)生凝結(jié)。
比如，在常壓下，水加熱到100℃后繼續(xù)加熱會汽化成為水蒸氣;而當(dāng)水的壓力高于22.13兆帕(約大氣壓的221倍)，或者溫度高于374.15℃溫度時，就不再發(fā)生汽化與冷凝過程。
在臨界壓力或臨界溫度時，純凈物就處于“臨界”狀態(tài);低于臨界壓力或臨界溫度，就處于“亞臨界”狀態(tài);而高于臨界壓力或臨界溫度，就是“超臨界”狀態(tài)了。
常規(guī)火力發(fā)電機組(包括燃煤發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等，不包括燃氣發(fā)電)是利用煤炭等燃料在鍋爐內(nèi)燃燒，將水加熱升壓成高溫高壓的水蒸氣，推動汽輪機高速旋轉(zhuǎn)，再帶動發(fā)電機發(fā)電。
根據(jù)熱力學(xué)定律，熱力發(fā)電過程熱能轉(zhuǎn)化為電能的效率隨鍋爐出口蒸汽溫度的增加而增加，實際過程需同步提高蒸汽壓力、機組容量等以全面提高系統(tǒng)效率。
經(jīng)過上百年的發(fā)展，火力發(fā)電機組大體經(jīng)歷了低溫低壓(低于2.45兆帕、400℃)、中溫中壓(3.9兆帕、450℃)、高溫高壓(9.9兆帕、540℃)、超高壓(13.8兆帕、540℃)、亞臨界(16.7兆帕、540℃)、超臨界(22.4兆帕、570℃)、超超臨界(25至31兆帕、580℃至620℃)等參數(shù)等級，正在研制先進超超臨界(35兆帕、700℃至760℃)等級發(fā)電技術(shù)。
其中，超臨界、超超臨界，以及正在研制的先進超超臨界等級機組的初始參數(shù)都處于超臨界狀態(tài)，其余等級機組的初始參數(shù)都處于亞臨界狀態(tài)。
嚴格來說，純凈物只有“臨界”“亞臨界”“超臨界”三種狀態(tài)，并不存在什么“超超臨界”。超超臨界參數(shù)本質(zhì)上就是比之前超臨界參數(shù)高一個等級的參數(shù)，屬于行業(yè)約定的范圍。所謂“超超臨界發(fā)電技術(shù)”，就是指利用給水泵將水升壓至超超臨界壓力，再通過鍋爐內(nèi)燃料燃燒將水加熱至超超臨界溫度后，通過汽輪發(fā)電機組進行發(fā)電的高效發(fā)電技術(shù)。
超超臨界發(fā)電技術(shù)是當(dāng)前世界最先進的火力發(fā)電技術(shù)，可在同步實現(xiàn)污染物超低排放的同時，將供電煤耗率降低至每千瓦時265克以下;正在積極研制的先進超超臨界發(fā)電技術(shù)，更是有可能將供電煤耗率進一步降低至每千瓦時225克以下。
超超臨界發(fā)電技術(shù)是在我國富煤、貧油、少氣的基本國情下，實現(xiàn)能源電力高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。
火電機組技術(shù)進步與供電煤耗下降情況
曲折發(fā)展走過70余年
超超臨界發(fā)電的概念在技術(shù)領(lǐng)域并不新鮮，從最初提出開始，目前已在全球范圍內(nèi)發(fā)展了70余年，大體可分為三個階段。
第一階段，從20世紀50年代開始，以美國、德國和前蘇聯(lián)等為代表，在未經(jīng)歷超臨界參數(shù)過渡的情況下，直接研制超超臨界發(fā)電技術(shù)。但隨后由于諸多超超臨界機組頻繁發(fā)生故障，從20世紀60年代后期開始，這些國家普遍將新建機組的蒸汽參數(shù)降低到超臨界范圍。
第二階段，大約是從20世紀80年代初開始，超臨界技術(shù)得到鞏固發(fā)展。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，特別是鍋爐和汽輪機材料性能的大幅提升，以及對電廠水化學(xué)方面的深入認識，早期超臨界機組遇到的系列故障問題被逐一攻克。
第三階段，大約是從20世紀90年代開始，超超臨界發(fā)電技術(shù)重獲新生。隨著國際上環(huán)保要求日益嚴格，以及新材料的成功開發(fā)和常規(guī)超臨界技術(shù)的成熟，超超臨界技術(shù)的發(fā)展擁有了更好的條件。以日本(三菱、東芝、日立)、歐洲(西門子、阿爾斯通)的技術(shù)為代表，在保證機組高可靠性、高可用率的前提下，采用更高的蒸汽溫度和壓力成為火電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢。
在中國，超超臨界技術(shù)的應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展速度迅猛，走過了前期技術(shù)轉(zhuǎn)讓以及后期自主研發(fā)的整個過程。2003年下半年，科技部將超超臨界機組參數(shù)與容量的選擇列入“863”科技攻關(guān)課題，開始了超超臨界火電機組的研制。隨后哈爾濱電氣集團、上海電氣集團和東方電氣集團分別從日本三菱、法國阿爾斯通和德國西門子、日本日立等公司引進1000兆瓦超超臨界技術(shù)，開始建造1000兆瓦級超超臨界機組。目前，超超臨界高效發(fā)電技術(shù)和示范工程已經(jīng)在全國推廣，占煤電總裝機容量的26%。中國已是世界上1000兆瓦超超臨界機組發(fā)展最快、數(shù)量最多、容量最大和運行性能最先進的國家。
材料創(chuàng)新研發(fā)期待突破
為進一步降低能耗和減少污染物排放，改善環(huán)境，在材料工業(yè)發(fā)展的支持下，各國的超超臨界機組都在朝著更高參數(shù)的技術(shù)方向發(fā)展。這就要求進一步提升鍋爐出口蒸汽的溫度和壓力。當(dāng)前的超臨界合金材料，最多可以承受630℃以下的溫度范圍。進一步提升鍋爐出口蒸汽溫度，則需要研發(fā)更先進的耐更高溫度的合金材料，并通過配套焊接、制造工藝等系統(tǒng)研發(fā)，在保障安全的基礎(chǔ)上盡量減少價格高昂的耐高溫合金材料的使用。因此，材料成本和關(guān)鍵設(shè)備制造工藝是目前影響700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)的最大障礙。
當(dāng)前世界主要經(jīng)濟體正在開展的700℃等級先進超超臨界技術(shù)研發(fā)，可以認為是超超臨界技術(shù)發(fā)展的重要方向。對此，歐盟起步最早，于1998年1月正式啟動AD700先進超超臨界發(fā)電計劃。原計劃通過示范電站的運行和技術(shù)完善，在2011年左右實現(xiàn)機組商業(yè)化運行。然而由于高溫合金鋼和奧氏體鋼價格昂貴，而相對便宜的鐵素體鋼性能還沒有達到預(yù)期目標，整個項目的投資會大大增加，導(dǎo)致本計劃一再推遲。目前歐盟還沒有興建示范電廠的具體計劃。
美國、日本等國家在發(fā)展先進超超臨界技術(shù)方面也有自己的計劃，目前都還沒有進入商業(yè)化的相關(guān)報道。
我國于2010年7月23日在北京成立“國家700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”。根據(jù)700℃高效超超臨界發(fā)電技術(shù)的難點，我國初步確定700℃計劃示范機組容量采用600兆瓦等級，壓力和溫度參數(shù)為35兆帕/700℃/720℃，機組采用緊湊型布置，并制定了初步研發(fā)進度。原計劃在“十二五”末建立660兆瓦、35兆帕/700℃/720℃的示范電站，由于耐高溫材料等研制的影響，項目進度也在推遲。
2009年10月4日，觀眾在北京展覽館觀看具有世界先進水平的百萬千瓦超超臨界發(fā)電機組中的金屬葉片。
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