我國研發(fā)700攝氏度超超臨界發(fā)電技術(shù)與國外同步

近年來，我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長，但由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、增長方式單一，取得巨大經(jīng)濟(jì)成就的同時，也出現(xiàn)了資源浪費(fèi)、能源利用效率低下、環(huán)境污染嚴(yán)重等社會問題。不時籠罩大中城市的霧霾讓人們對環(huán)境污染有了切膚之痛。目前，國家已經(jīng)將節(jié)能減排、環(huán)境治理列為經(jīng)濟(jì)、社會可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。在此情形下，整個社會對資源利用及環(huán)保問題集中的電力行業(yè)提出了更高的發(fā)展要求。目前，世界上最先進(jìn)的超超臨界發(fā)電機(jī)組的主蒸汽溫度已經(jīng)達(dá)到600攝氏度，發(fā)電效率達(dá)到46%，如果將主蒸汽溫度進(jìn)一步提高到700攝氏度以上，那么發(fā)電效率將接近甚至超過50%，這種技術(shù)就是電力行業(yè)廣泛關(guān)注的700攝氏度超超臨界發(fā)電技術(shù)。溫度再提升100攝氏度需要相關(guān)技術(shù)支持相對主蒸汽溫度600攝氏度的超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)，盡管只有100攝氏度的溫度提升，主蒸汽溫度700攝氏度的先進(jìn)超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)卻需要巨大的技術(shù)跨越。隨著主蒸汽溫度超過700攝氏度，現(xiàn)有機(jī)組廣泛使用的鐵素體、馬氏體以及奧氏體等耐熱不銹鋼材料將不能滿足過熱器、再熱器等部件對材料使用性能的要求，這些部件必須大量使用強(qiáng)度更高、蠕變特性更好的鎳基高溫合金。雖然鎳基合金在航空、航天、石化等行業(yè)的應(yīng)用已有數(shù)十年，但由于服役條件不同、尺寸差異大等原因，將其應(yīng)用到700攝氏度發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域并不是一個簡單的技術(shù)轉(zhuǎn)移和擴(kuò)大應(yīng)用范圍的問題，必須針對700攝氏度電站研制成本可控、易于加工并能夠在電站服役條件下實(shí)現(xiàn)長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行的新型鎳基高溫材料，并建立與之相匹配的整套制造技術(shù)體系。具體而言，為建設(shè)700攝氏度超超臨界燃煤電站，需要解決４個關(guān)鍵技術(shù)問題。一是高溫材料研制及篩選。二是鍋爐、汽機(jī)等關(guān)鍵高溫部件以及鎳基高溫閥門的加工制造工藝及焊接工藝等。三是關(guān)鍵高溫部件的長周期實(shí)爐掛片試驗(yàn)。四是700攝氏度超超臨界示范電站的設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)行技術(shù)。其中，高溫部件的長周期實(shí)爐掛片試驗(yàn)是700攝氏度機(jī)組建設(shè)前最后、也是最關(guān)鍵的一項(xiàng)研究工作。歐美日爭先恐后發(fā)展700攝氏度發(fā)電技術(shù)600攝氏度超超臨界發(fā)電技術(shù)基本成熟以來，世界各國一直在積極發(fā)展更高參數(shù)、更大容量火力發(fā)電技術(shù)。歐洲于1998年啟動“AD700”先進(jìn)超超臨界發(fā)電計(jì)劃，其目標(biāo)是建立35兆帕、700攝氏度或35兆帕、720攝氏度等級的示范機(jī)組，使機(jī)組效率達(dá)到50%以上。歐洲項(xiàng)目研究的核心材料為“Alloy617”，屬于固溶強(qiáng)化鎳基合金。經(jīng)過十余年的不懈努力，歐洲基于“Alloy617”等建立了一套較為完備的700攝氏度電站高溫鎳基合金制造技術(shù)體系，完成了700攝氏度機(jī)組的可行性研究、風(fēng)險和經(jīng)濟(jì)性評估等。但遺憾的是，在進(jìn)行長周期實(shí)爐掛片試驗(yàn)時，試驗(yàn)集箱、噴水減溫器等管道的焊接接口處發(fā)現(xiàn)裂紋。這導(dǎo)致歐洲建設(shè)700攝氏度示范機(jī)組的計(jì)劃被迫整體向后推遲3年。迄今為止，沒有公開文獻(xiàn)或信息表明上述問題已經(jīng)完全得到解決。目前，由于缺乏經(jīng)費(fèi)支持，歐洲已經(jīng)取消了后續(xù)掛片試驗(yàn)平臺的建設(shè)計(jì)劃，700攝氏度研制計(jì)劃暫時擱置。美國先進(jìn)的超超臨界壓力發(fā)電項(xiàng)目（A—USC）的目標(biāo)是將主蒸汽參數(shù)提高到35兆帕、760攝氏度。該項(xiàng)目計(jì)劃5年內(nèi)建設(shè)一套規(guī)模較大的高溫材料掛片試驗(yàn)平臺，7年內(nèi)完成實(shí)爐掛片試件。項(xiàng)目選擇“Inconel740H”為核心材料，“Haynes282”等為輔助驗(yàn)證材料。這兩種材料都屬于時效強(qiáng)化鎳基合金，迄今尚未進(jìn)行過任何實(shí)爐試驗(yàn)?？紤]到美國迄今沒有600攝氏度及以上等級超超臨界機(jī)組投運(yùn)，加之面臨著研制經(jīng)費(fèi)削減、預(yù)算不足的問題，其能否如期推動相關(guān)研究計(jì)劃受到質(zhì)疑。日本于2008年8月正式啟動 “先進(jìn)的超超臨界壓力發(fā)電”項(xiàng)目的研究，目標(biāo)是最終使蒸汽溫度達(dá)到700攝氏度以上，凈熱效率達(dá)到46%~48％。按計(jì)劃，日本將于2015年開始部件的實(shí)爐掛片試驗(yàn)。整個項(xiàng)目預(yù)計(jì)于2016年底完成。此外，印度在2013年也提出了700攝氏度技術(shù)發(fā)展　 規(guī)劃，目前項(xiàng)目尚未實(shí)質(zhì)開展。我國研發(fā)700攝氏度發(fā)電技術(shù)與國外同步基于能源結(jié)構(gòu)及電源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，我國燃煤發(fā)電必須堅(jiān)持走高效低碳之路。因此，700攝氏度發(fā)電技術(shù)必然是我國火力發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展方向。2008年，華能集團(tuán)公司所屬的西安熱工研究院對700攝氏度機(jī)組關(guān)鍵材料進(jìn)行了預(yù)研。2010年，國家能源局組織成立了“國家700攝氏度超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，并依據(jù)《“十二五”國家能源發(fā)展規(guī)劃》和《“十二五”能源科技發(fā)展規(guī)劃》設(shè)立了國家能源領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目《國家700攝氏度超超臨界燃煤發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用示范》。該項(xiàng)目于2011年7月正式啟動。參與單位幾乎囊括了我國發(fā)電行業(yè)、動力裝備制造行業(yè)、材料行業(yè)以及研究院所等多個相關(guān)基礎(chǔ)行業(yè)的重點(diǎn)單位。作為國家能源煤炭清潔低碳發(fā)電技術(shù)研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心的依托單位，華能集團(tuán)公司清潔能源技術(shù)研究院（以下簡稱清能院）受國家能源局委托成為項(xiàng)目組織單位，同時承擔(dān)了我國首個關(guān)鍵部件實(shí)爐掛片試驗(yàn)平臺的建設(shè)及運(yùn)行工作。2011年，國家科技部發(fā)布《能源技術(shù)領(lǐng)域項(xiàng)目征集指南》。其中，潔凈煤技術(shù)部分專項(xiàng)設(shè)立了 《700攝氏度超超臨界發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究》項(xiàng)目。該項(xiàng)目由華能集團(tuán)公司及上海電氣集團(tuán)承擔(dān)，華能集團(tuán)公司為項(xiàng)目牽頭組織單位。目前，國內(nèi)700攝氏度技術(shù)的研發(fā)正按照計(jì)劃穩(wěn)步推進(jìn)，部分領(lǐng)域已經(jīng)取得階段性成果。在掛片試驗(yàn)平臺建設(shè)方面，相關(guān)研究工作由清能院牽頭進(jìn)行，參與單位主要包括華能國際電力股份公司、寶鋼、上鍋、東鍋、哈鍋、西安熱工院、中南電力設(shè)計(jì)院、中科院沈陽金屬所、太鋼等。該試驗(yàn)平臺依托華能南京電廠建設(shè)，驗(yàn)證部件包括水冷壁、過熱器、集箱、高溫管道及附件等不同單元，平臺最高蒸汽溫度達(dá)到700攝氏度，流量大于10噸/小時。正如前面介紹，國際上具有代表性的700攝氏度高溫鎳基材料主要有兩類，一類是歐洲選用的固溶強(qiáng)化鎳基合金，如“Alloy617”；另一類是美國選用的時效強(qiáng)化鎳基合金，如“Inconel740H”等。綜合考慮兩類材料的研究狀況、技術(shù)基礎(chǔ)、發(fā)展前景及應(yīng)用風(fēng)險，項(xiàng)目組采用了以時效強(qiáng)化合金為主、固溶強(qiáng)化合金為輔的材料選擇方案。前者用于制作集箱管道、小管及部分閥門，后者主要用于制作小管。試驗(yàn)材料分別從國內(nèi)、國外采購，以國產(chǎn)材料為主。到目前為止，項(xiàng)目組已經(jīng)完成了試驗(yàn)平臺的詳細(xì)設(shè)計(jì)及施工設(shè)計(jì)，正在進(jìn)行材料及閥門等高溫部件的生產(chǎn)、制造及采購工作。按計(jì)劃，試驗(yàn)平臺將于2014年下半年進(jìn)行安裝，2015年6月前完成運(yùn)行調(diào)試并開始進(jìn)行材料及部件的長周期實(shí)爐掛片試驗(yàn)。在主機(jī)方案研究方面，清能院提出了“M”型及倒置型700攝氏度鍋爐布置方案，相較傳統(tǒng)布置方案，該方案可大大縮短700攝氏度機(jī)組主蒸汽管道長度，從而大幅降低電站建設(shè)成本，具有顯著的創(chuàng)新性和經(jīng)濟(jì)性。該方案已經(jīng)獲得國家專利，正在申請國際專利。在此基礎(chǔ)上，清能院聯(lián)合東鍋及西北電力設(shè)計(jì)院，完成了我國第一個700攝氏度緊湊型超超臨界煤粉鍋爐的初步設(shè)計(jì)。同時，清能院通過計(jì)算對700攝氏度電站熱力系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化分析，分別為700攝氏度濕冷機(jī)組和空冷機(jī)組制定了一套合理的關(guān)鍵參數(shù)，并給出了影響規(guī)律和取值依據(jù)，得到了許多具有創(chuàng)新性的、有價值的結(jié)論。綜上所述，與發(fā)展600攝氏度技術(shù)不同，我國700攝氏度技術(shù)的發(fā)展與國外幾乎是同步的，沒有明顯差距。在立足自身發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過吸收國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，不斷創(chuàng)新進(jìn)取，我國完全有能力在世界上率先掌握700攝氏度發(fā)電技術(shù)，從而大大推動我國的材料工業(yè)、電力工業(yè)及裝備制造業(yè)的發(fā)展?？梢哉f，當(dāng)前是我國自主研發(fā)700攝氏度超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的最佳時期，但700攝氏度技術(shù)研究內(nèi)容多、難度大，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要國家支持，產(chǎn)業(yè)協(xié)同，產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合。實(shí)現(xiàn)700攝氏度超超臨界發(fā)電技術(shù)的工程示范應(yīng)用，前途光明，任重道遠(yuǎn)。（作者系華能清潔能源技術(shù)研究院高級工程師）