我國研發700攝氏度超超臨界發電技術與國外同步

劉入維

　　近年來，我國經濟持續高速增長，但由於產業結構不合理、增長方式單一，取得巨大經濟成就的同時，也出現了資源浪費、能源利用效率低下、環境汙染嚴重等社會問題。不時籠罩大中城市的霧霾讓人們對環境汙染有了切膚之痛。目前，國家已經將節能減排、環境治理列為經濟、社會可持續發展的重要內容。在此情形下，整個社會對資源利用及環保問題集中的電力行業提出了更高的發展要求。

　　目前，世界上最先進的超超臨界發電機組的主蒸汽溫度已經達到600攝氏度，發電效率達到46%，如果將主蒸汽溫度進一步提高到700攝氏度以上，那麼發電效率將接近甚至超過50%，這種技術就是電力行業廣泛關注的700攝氏度超超臨界發電技術。

　　溫度再提升100攝氏度需要相關技術支持

　　相對主蒸汽溫度600攝氏度的超超臨界燃煤發電技術，儘管只有100攝氏度的溫度提升，主蒸汽溫度700攝氏度的先進超超臨界燃煤發電技術卻需要巨大的技術跨越。隨著主蒸汽溫度超過700攝氏度，現有機組廣泛使用的鐵素體、馬氏體以及奧氏體等耐熱不鏽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、石化等行業的應用已有數十年，但由於服役條件不同、尺寸差異大等原因，將其應用到700攝氏度發電技術領域並不是一個簡單的技術轉移和擴大應用範圍的問題，必須針對700攝氏度電站研製成本可控、易於加工並能夠在電站服役條件下實現長周期安全穩定運行的新型鎳基高溫材料，並建立與之相匹配的整套製造技術體系。

　　具體而言，為建設700攝氏度超超臨界燃煤電站，需要解決４個關鍵技術問題。

　　一是高溫材料研製及篩選。二是鍋爐、汽機等關鍵高溫部件以及鎳基高溫閥門的加工製造工藝及焊接工藝等。三是關鍵高溫部件的長周期實爐掛片試驗。四是700攝氏度超超臨界示範電站的設計、建設及運行技術。其中，高溫部件的長周期實爐掛片試驗是700攝氏度機組建設前最後、也是最關鍵的一項研究工作。

　　歐美日爭先恐後發展700攝氏度發電技術

　　600攝氏度超超臨界發電技術基本成熟以來，世界各國一直在積極發展更高參數、更大容量火力發電技術。

　　歐洲於1998年啟動「AD700」先進超超臨界發電計劃，其目標是建立35兆帕、700攝氏度或35兆帕、720攝氏度等級的示範機組，使機組效率達到50%以上。歐洲項目研究的核心材料為「Alloy617」，屬於固溶強化鎳基合金。經過十餘年的不懈努力，歐洲基於「Alloy617」等建立了一套較為完備的700攝氏度電站高溫鎳基合金製造技術體系，完成了700攝氏度機組的可行性研究、風險和經濟性評估等。但遺憾的是，在進行長周期實爐掛片試驗時，試驗集箱、噴水減溫器等管道的焊接接口處發現裂紋。這導致歐洲建設700攝氏度示範機組的計劃被迫整體向後推遲3年。迄今為止，沒有公開文獻或信息表明上述問題已經完全得到解決。目前，由於缺乏經費支持，歐洲已經取消了後續掛片試驗平臺的建設計劃，700攝氏度研製計劃暫時擱置。

　　美國先進的超超臨界壓力發電項目（A—USC）的目標是將主蒸汽參數提高到35兆帕、760攝氏度。該項目計劃5年內建設一套規模較大的高溫材料掛片試驗平臺，7年內完成實爐掛片試件。項目選擇「Inconel740H」為核心材料，「Haynes282」等為輔助驗證材料。這兩種材料都屬於時效強化鎳基合金，迄今尚未進行過任何實爐試驗。考慮到美國迄今沒有600攝氏度及以上等級超超臨界機組投運，加之面臨著研製經費削減、預算不足的問題，其能否如期推動相關研究計劃受到質疑。

　　日本於2008年8月正式啟動 「先進的超超臨界壓力發電」項目的研究，目標是最終使蒸汽溫度達到700攝氏度以上，淨熱效率達到46%~48％。按計劃，日本將於2015年開始部件的實爐掛片試驗。整個項目預計於2016年底完成。此外，印度在2013年也提出了700攝氏度技術發展　  規劃，目前項目尚未實質開展。

　　我國研發700攝氏度發電技術與國外同步

　　基於能源結構及電源結構的特點，我國燃煤發電必須堅持走高效低碳之路。因此，700攝氏度發電技術必然是我國火力發電技術的重要發展方向。

　　2008年，華能集團公司所屬的西安熱工研究院對700攝氏度機組關鍵材料進行了預研。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電技術創新聯盟」，並依據《「十二五」國家能源發展規劃》和《「十二五」能源科技發展規劃》設立了國家能源領域重點項目《國家700攝氏度超超臨界燃煤發電關鍵技術與設備研發及應用示範》。該項目於2011年7月正式啟動。參與單位幾乎囊括了我國發電行業、動力裝備製造行業、材料行業以及研究院所等多個相關基礎行業的重點單位。作為國家能源煤炭清潔低碳發電技術研發（實驗）中心的依託單位，華能集團公司清潔能源技術研究院（以下簡稱清能院）受國家能源局委託成為項目組織單位，同時承擔了我國首個關鍵部件實爐掛片試驗平臺的建設及運行工作。

　　2011年，國家科技部發布《能源技術領域項目徵集指南》。其中，潔淨煤技術部分專項設立了 《700攝氏度超超臨界發電關鍵技術研究》項目。該項目由華能集團公司及上海電氣集團承擔，華能集團公司為項目牽頭組織單位。

　　目前，國內700攝氏度技術的研發正按照計劃穩步推進，部分領域已經取得階段性成果。

　　在掛片試驗平臺建設方面，相關研究工作由清能院牽頭進行，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、中南電力設計院、中科院瀋陽金屬所、太鋼等。該試驗平臺依託華能南京電廠建設，驗證部件包括水冷壁、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到700攝氏度，流量大於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化鎳基合金，如「Alloy617」；另一類是美國選用的時效強化鎳基合金，如「Inconel740H」等。綜合考慮兩類材料的研究狀況、技術基礎、發展前景及應用風險，項目組採用了以時效強化合金為主、固溶強化合金為輔的材料選擇方案。前者用於製作集箱管道、小管及部分閥門，後者主要用於製作小管。試驗材料分別從國內、國外採購，以國產材料為主。

　　到目前為止，項目組已經完成了試驗平臺的詳細設計及施工設計，正在進行材料及閥門等高溫部件的生產、製造及採購工作。按計劃，試驗平臺將於2014年下半年進行安裝，2015年6月前完成運行調試並開始進行材料及部件的長周期實爐掛片試驗。

　　在主機方案研究方面，清能院提出了「M」型及倒置型700攝氏度鍋爐布置方案，相較傳統布置方案，該方案可大大縮短700攝氏度機組主蒸汽管道長度，從而大幅降低電站建設成本，具有顯著的創新性和經濟性。該方案已經獲得國家專利，正在申請國際專利。在此基礎上，清能院聯合東鍋及西北電力設計院，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計。同時，清能院通過計算對700攝氏度電站熱力系統進行了優化分析，分別為700攝氏度溼冷機組和空冷機組制定了一套合理的關鍵參數，並給出了影響規律和取值依據，得到了許多具有創新性的、有價值的結論。

　　綜上所述，與發展600攝氏度技術不同，我國700攝氏度技術的發展與國外幾乎是同步的，沒有明顯差距。在立足自身發展的基礎上，通過吸收國外先進經驗，不斷創新進取，我國完全有能力在世界上率先掌握700攝氏度發電技術，從而大大推動我國的材料工業、電力工業及裝備製造業的發展。可以說，當前是我國自主研發700攝氏度超超臨界燃煤發電技術的最佳時期，但700攝氏度技術研究內容多、難度大，是一項複雜的系統工程，需要國家支持，產業協同，產學研用結合。實現700攝氏度超超臨界發電技術的工程示範應用，前途光明，任重道遠。

　　（作者系華能清潔能源技術研究院高級工程師）

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