大型超超临界火电机组现状和发展趋势
摘要：本文简述了上海发展超超临界火电机组的战略意义、国内外现状、关键技术和经济效益。
一、超超临界的概念
火力发电厂的工质是水，在常规条件下水经加热温度达到给定压力下的饱和温度时，将产生相变，水开始从液态变成汽态，出现一个饱和水和饱和蒸汽两相共存的区域。当蒸汽压力达到22.129MPa时，汽化潜热等于零，汽水比重差也等于零，该压力称为临界压力。水在该压力下加热至374.15℃时即被全部汽化，该温度称为临界温度。水在临界压力及超过临界压力时没有蒸发现象，即变成蒸汽，并且由水变成蒸汽是连续的，以单相形式进行。蒸汽压力大于临界压力的范围称超临界区，小于临界压力的范围称亚临界区。从水的物性来讲，只有超临界和亚临界之分，超超临界是人为的一种区分，也称为优化的或高效的超临界参数。目前超超临界与超临界的划分界限尚无国际统一的标准，一般认为蒸汽压力大于25MPa蒸汽温度高于580℃称为超超临界。
二、发展超超临界火电机组的战略意义
2003年7月中国机械联合会根据对我国能源结构、国家能源政策和未来发电用能源供应状况的分析，在充分考虑水电、天然气、核电和新能源资源的开发基础上，再考虑煤电的开发，经过分析、测算，推荐的全国发电能源需求预测方案见表1。
可以看出，虽然煤电所占比重从2000年到2020年在逐年下降（从72.7%下降到64.4%），但煤电在电源结构中的主导地位没有改变。
由于超超临界机组与常规火电机组相比，超临界机组的可用率与亚临界机组相当，效率比亚临界机组约提高2%。超超临界机组效率可比超临界机组再提高约2%～3%，若再提高其主汽压力到28MPa以上，效率还可再提高约2个百分点。因此它具有明显的高效、节能和环保优势，已成为当今世界发达国家竞相采用和发展的新技术。我国的能源装备政策是要发展大容量高参数的火电机组，国家计委明确新建600MW及以上容量燃煤机组原则上采用超临界或超超临界参数的火电机组。
鉴于国外先进工业国家中超超临界机组已经大量投入商业运行，我们选择研制百万千瓦级超超临界机组，是以高的起点，瞄准当前国际水平，跨越式的发展，缩短我国从超临界参数到超超临界参数的时间，减小与世界发达国家的差距。
三、超超临界火电机组国内外现状
1、国外发展现状与趋势
（1）美国
美国是发展超临界机组最早的国家，世界上第一台超临界机组1957年在Philo电厂（6#）投运，该机组由B&W和GE公司设计制造，1958年，第二台超临界机组在Eddystone电厂（1#）投运，该机组由CE和WH公司设计制造，是世界上参数最高的机组，这二台机组为美国超临界机组的设计、制造、运行取得了宝贵经验。
据统计，到1986年为止，美国已投运的超临界机组有166台，其中多数为超超临界机组，平均每台机组容量为669MW，而到1992年为止，美国在役的117台800MW及以上火电机组均为超临界和超超临界机组，最大单机容量为1300MW。
（2）俄罗斯
前苏联是发展超临界机组最坚决的国家，也是拥有超临界机组最多的国家。所有300MW及以上容量机组全部采用超临界参数，因此，共有超临界机组224台，占总装机容量的50%以上，且大多数为300MW机组。由于大量采用超临界机组，前苏联火电机组的平均供电煤耗位居世界水平的前列，达到326g/kWh。
前苏联发展超临界技术主要依靠本国力量，以自我开发为主，初期也走过不少弯路，出现过各种各样的问题，但经过长期的试验研究已具有一套比较完整的超临界技术和产品系列，超临界机组成为国内火力发电厂的主力机组。但是，由于300MW机组容量偏小，不适合电网发展，500MW燃煤机组由于可用率低及热耗高而没有大量采用，800MW和1200MW机组只用于燃油与燃气，且1200MW机组的可用率也较低。由于不能吸收别国先进技术，前苏联超临界技术发展不快，总体技术水平不高。
目前，俄罗斯研制的新一代大型超超临界机组采用的参数为
28MPa～30MPa/580℃～600℃。
（3）日本
日本发展超临界机组起步较晚，但发展速度很快，收效显著。自日立公司向美国B&W公司引进第一台超临界机组于1967年在沛崎电厂投运后，日本其他公司也分别引进了美国和德国的超临界技术，同时建立了自己的试验台。
日本发展超临界技术采用的是引进、仿制、创新的技术路线。先从国外引进成熟的机组和制造技术，然后立即组织力量进行技术消化和仿制，然后，在消化引进技术的基础上，进一步投入开发研究，形成本国的技术特点，再进行精心设计、制造和批量生产。从引进技术到自制机组只需2～3年时间，容量从600MW到1000MW等级，只需3～5年时间。
20世纪70年代以来，由于电网负荷峰谷差增大，加之适合带基本负荷的核电站的兴起，日本的超超临界机组不仅高效，而且具有亚临界机组同样的可靠性与运行灵活性，能自如地适应变压运行带周期性调峰负荷的要求。目前，日本已跃居为发展超超临界机组的先进国家。
日本在对提高蒸汽压力和温度参数能提高多少机组效率分别进行了比较，证明采用31MPa主蒸汽压力和二次中间再热，由于压力的提高和系统复杂，机组制造成本明显提高，缺乏市场竞争力。所以在上世纪90年代后，日本各公司都转向生产高温参数的超超临界机组。2000年在橘湾电厂（2#）投运的容量为1050MW、蒸汽参数为25.5MPa/600℃/610℃的超超临界机组是目前日本蒸汽温度参数最高的机组。
（4）欧洲
德国是研究、制造超临界机组最早的国家之一，在1956年投运了一台容量为88MW的超超临界机组，因容量较小，未获得很大的发展。70年代由于燃料价格上涨，政府对环保要求日益严格和加强对排放量的控制，需要建造以煤为燃料的高效率电厂，便开始发展大功率超临界机组。目前，德国已投运和在建的超临界和超超临界机组近20台，其中具有代表性的机组是：2000年在Niederanbem 电厂投运的965MW超超临界机组（蒸汽参数为26.9MPa/580℃/600℃）；2000年在Hessler 电厂投运的700MW超超临界机组（蒸汽参数为30MPa/580℃/600℃）。
丹麦在1998年和2001年投运了二台400MW蒸汽参数为29MPa/582℃/580℃/580℃的超超临界机组，分别安装于Nordjyllandsvaerket和Avedore电厂，前者燃煤，后者燃气，在海水冷却的情况下其热效率达到～47%，从而成为迄今为止世界上报导的热效率最高的火电机组。
欧洲超超临界机组除丹麦两台机组采用二次中间再热外，都采用一次中间再热。与日本不同的是主蒸汽压力和温度同时提高，热效率相应的又提高了。
（5）国外的发展趋势
为了进一步提高超超临界机组的热效率，美国、日本、欧洲等世界先进工业国家都相继提出了下一阶段的开发计划，并正在进行实施。
1999年美国能源部（DOE）提出了火电新技术发展的Vision计划，美国计划开发蒸汽参数为
35MPa/760℃/760℃/760℃的大功率超超临界火电机组，热效率将高于55%（比蒸汽温度600℃的超超临界机组热效率提高8%～10%），CO2和其他污染物的排放约减少30%。美国能源部开发超超临界技术的目的有二个：一是选择先进的材料使得超超临界机组的成本具有竞争性、环保可接受并能够燃用高硫煤；二是提高美国发电设备制造商生产的高效燃煤超超临界火电机组在世界范围内的竞争力。
在日本通产省的资助下，日本电源开发公司（EPDC）的超超临界技术开发计划分二个阶段实施。第一阶段从1981年开始，1994年结束。第一阶段开发的目标是在原来蒸汽参数24.2/538℃/538℃的基础上提高蒸汽温度到593℃/593℃，使热效率提高2.2个百分点。第二阶段从1995年开始，2001年结束。第二阶段开发的目标是从原来蒸汽参数24.2/538℃/538℃的基础上提高蒸汽温度到630℃/630℃，使热效率提高4.8个百分点。日本超超临界技术开发研究工作的完成，为日本发电设备制造企业研制和生产超超临界火电机组提供了科学的依据。
欧洲国家从20世纪90年代开始实施COST501计划，实现了蒸汽温度为580℃/600℃超超临界机组的研制。1998年开始实施COST522计划，实现了蒸汽温度为600℃/620℃超超临界机组的研制。欧盟从1998年1月1日启动了“AD-700℃计划”，其目标有二个：一是供电热效率由目前的47%提高到55%（深海海水冷却）或52%（内陆电厂）；二是厂房结构更加紧凑，以降低燃煤电厂的投资。欧盟“AD-700℃计划”的战略意义是使欧盟成员国的燃煤火电机组的技术水平始终处于世界的领先水平，显著提高欧盟成员国燃煤火电机组的竞争力。采用700℃/720℃超超临界机组可以使CO2的排放量减少30%，可以使CO2的排放满足“京都议定书”的要求。
2、国内发展现状与趋势
我国在80年代末期开始从国外进口了16台大容量超临界机组，通过进口、分包、调试、运行
