我国研发700摄氏度超超临界发电技术与国外同步

近年来，我国经济持续高速增长，但由于产业结构不合理、增长方式单一，取得巨大经济成就的同时，也出现了资源浪费、能源利用效率低下、环境污染严重等社会问题。不时笼罩大中城市的雾霾让人们对环境污染有了切肤之痛。目前，国家已经将节能减排、环境治理列为经济、社会可持续发展的重要内容。在此情形下，整个社会对资源利用及环保问题集中的电力行业提出了更高的发展要求。目前，世界上最先进的超超临界发电机组的主蒸汽温度已经达到600摄氏度，发电效率达到46%，如果将主蒸汽温度进一步提高到700摄氏度以上，那么发电效率将接近甚至超过50%，这种技术就是电力行业广泛关注的700摄氏度超超临界发电技术。温度再提升100摄氏度需要相关技术支持相对主蒸汽温度600摄氏度的超超临界燃煤发电技术，尽管只有100摄氏度的温度提升，主蒸汽温度700摄氏度的先进超超临界燃煤发电技术却需要巨大的技术跨越。随着主蒸汽温度超过700摄氏度，现有机组广泛使用的铁素体、马氏体以及奥氏体等耐热不锈钢材料将不能满足过热器、再热器等部件对材料使用性能的要求，这些部件必须大量使用强度更高、蠕变特性更好的镍基高温合金。虽然镍基合金在航空、航天、石化等行业的应用已有数十年，但由于服役条件不同、尺寸差异大等原因，将其应用到700摄氏度发电技术领域并不是一个简单的技术转移和扩大应用范围的问题，必须针对700摄氏度电站研制成本可控、易于加工并能够在电站服役条件下实现长周期安全稳定运行的新型镍基高温材料，并建立与之相匹配的整套制造技术体系。具体而言，为建设700摄氏度超超临界燃煤电站，需要解决４个关键技术问题。一是高温材料研制及筛选。二是锅炉、汽机等关键高温部件以及镍基高温阀门的加工制造工艺及焊接工艺等。三是关键高温部件的长周期实炉挂片试验。四是700摄氏度超超临界示范电站的设计、建设及运行技术。其中，高温部件的长周期实炉挂片试验是700摄氏度机组建设前最后、也是最关键的一项研究工作。欧美日争先恐后发展700摄氏度发电技术600摄氏度超超临界发电技术基本成熟以来，世界各国一直在积极发展更高参数、更大容量火力发电技术。欧洲于1998年启动“AD700”先进超超临界发电计划，其目标是建立35兆帕、700摄氏度或35兆帕、720摄氏度等级的示范机组，使机组效率达到50%以上。欧洲项目研究的核心材料为“Alloy617”，属于固溶强化镍基合金。经过十余年的不懈努力，欧洲基于“Alloy617”等建立了一套较为完备的700摄氏度电站高温镍基合金制造技术体系，完成了700摄氏度机组的可行性研究、风险和经济性评估等。但遗憾的是，在进行长周期实炉挂片试验时，试验集箱、喷水减温器等管道的焊接接口处发现裂纹。这导致欧洲建设700摄氏度示范机组的计划被迫整体向后推迟3年。迄今为止，没有公开文献或信息表明上述问题已经完全得到解决。目前，由于缺乏经费支持，欧洲已经取消了后续挂片试验平台的建设计划，700摄氏度研制计划暂时搁置。美国先进的超超临界压力发电项目（A—USC）的目标是将主蒸汽参数提高到35兆帕、760摄氏度。该项目计划5年内建设一套规模较大的高温材料挂片试验平台，7年内完成实炉挂片试件。项目选择“Inconel740H”为核心材料，“Haynes282”等为辅助验证材料。这两种材料都属于时效强化镍基合金，迄今尚未进行过任何实炉试验。考虑到美国迄今没有600摄氏度及以上等级超超临界机组投运，加之面临着研制经费削减、预算不足的问题，其能否如期推动相关研究计划受到质疑。日本于2008年8月正式启动 “先进的超超临界压力发电”项目的研究，目标是最终使蒸汽温度达到700摄氏度以上，净热效率达到46%~48％。按计划，日本将于2015年开始部件的实炉挂片试验。整个项目预计于2016年底完成。此外，印度在2013年也提出了700摄氏度技术发展　 规划，目前项目尚未实质开展。我国研发700摄氏度发电技术与国外同步基于能源结构及电源结构的特点，我国燃煤发电必须坚持走高效低碳之路。因此，700摄氏度发电技术必然是我国火力发电技术的重要发展方向。2008年，华能集团公司所属的西安热工研究院对700摄氏度机组关键材料进行了预研。2010年，国家能源局组织成立了“国家700摄氏度超超临界燃煤发电技术创新联盟”，并依据《“十二五”国家能源发展规划》和《“十二五”能源科技发展规划》设立了国家能源领域重点项目《国家700摄氏度超超临界燃煤发电关键技术与设备研发及应用示范》。该项目于2011年7月正式启动。参与单位几乎囊括了我国发电行业、动力装备制造行业、材料行业以及研究院所等多个相关基础行业的重点单位。作为国家能源煤炭清洁低碳发电技术研发（实验）中心的依托单位，华能集团公司清洁能源技术研究院（以下简称清能院）受国家能源局委托成为项目组织单位，同时承担了我国首个关键部件实炉挂片试验平台的建设及运行工作。2011年，国家科技部发布《能源技术领域项目征集指南》。其中，洁净煤技术部分专项设立了 《700摄氏度超超临界发电关键技术研究》项目。该项目由华能集团公司及上海电气集团承担，华能集团公司为项目牵头组织单位。目前，国内700摄氏度技术的研发正按照计划稳步推进，部分领域已经取得阶段性成果。在挂片试验平台建设方面，相关研究工作由清能院牵头进行，参与单位主要包括华能国际电力股份公司、宝钢、上锅、东锅、哈锅、西安热工院、中南电力设计院、中科院沈阳金属所、太钢等。该试验平台依托华能南京电厂建设，验证部件包括水冷壁、过热器、集箱、高温管道及附件等不同单元，平台最高蒸汽温度达到700摄氏度，流量大于10吨/小时。正如前面介绍，国际上具有代表性的700摄氏度高温镍基材料主要有两类，一类是欧洲选用的固溶强化镍基合金，如“Alloy617”；另一类是美国选用的时效强化镍基合金，如“Inconel740H”等。综合考虑两类材料的研究状况、技术基础、发展前景及应用风险，项目组采用了以时效强化合金为主、固溶强化合金为辅的材料选择方案。前者用于制作集箱管道、小管及部分阀门，后者主要用于制作小管。试验材料分别从国内、国外采购，以国产材料为主。到目前为止，项目组已经完成了试验平台的详细设计及施工设计，正在进行材料及阀门等高温部件的生产、制造及采购工作。按计划，试验平台将于2014年下半年进行安装，2015年6月前完成运行调试并开始进行材料及部件的长周期实炉挂片试验。在主机方案研究方面，清能院提出了“M”型及倒置型700摄氏度锅炉布置方案，相较传统布置方案，该方案可大大缩短700摄氏度机组主蒸汽管道长度，从而大幅降低电站建设成本，具有显著的创新性和经济性。该方案已经获得国家专利，正在申请国际专利。在此基础上，清能院联合东锅及西北电力设计院，完成了我国第一个700摄氏度紧凑型超超临界煤粉锅炉的初步设计。同时，清能院通过计算对700摄氏度电站热力系统进行了优化分析，分别为700摄氏度湿冷机组和空冷机组制定了一套合理的关键参数，并给出了影响规律和取值依据，得到了许多具有创新性的、有价值的结论。综上所述，与发展600摄氏度技术不同，我国700摄氏度技术的发展与国外几乎是同步的，没有明显差距。在立足自身发展的基础上，通过吸收国外先进经验，不断创新进取，我国完全有能力在世界上率先掌握700摄氏度发电技术，从而大大推动我国的材料工业、电力工业及装备制造业的发展。可以说，当前是我国自主研发700摄氏度超超临界燃煤发电技术的最佳时期，但700摄氏度技术研究内容多、难度大，是一项复杂的系统工程，需要国家支持，产业协同，产学研用结合。实现700摄氏度超超临界发电技术的工程示范应用，前途光明，任重道远。（作者系华能清洁能源技术研究院高级工程师）