700℃超超临界燃煤发电机组发展情况概述

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/27 13:57:17
      目前,在整个电网中,燃煤火力发电占70%左右,电力工业以燃煤发电为主的格局在很长一段时期内难以改变。但是,燃煤发电在创造优质清洁电力的同时,又产生大量的排放污染。为实现2008年G8(八国首脑高峰会议)确定的2050年CO2排放降低50%的目标,提高效率和降低排放的发电技术成为欧盟、日本和美国重点关注的领域。洁净燃煤发电技有几种方法,如整体煤气化联合循环(IGCC)、增压流化床联合循环(PFBC)及超超临界技术(USC)。目前,超超临界燃煤发电技术比较容易实现大规模产业化。      超超临界燃煤发电技术经过几十年的发展,目前已经是世界上先进、成熟达到商业化规模应用的洁净煤发电技术,在不少国家推广应用并取得了显著的节能和改善环境的效果。据统计,目前全世界已投入运行的超临界及以上参数的发电机组大约有600余台,其中美国约有170台,日本和欧洲各约60台,俄罗斯及原东欧国家280余台。目前发展700℃超超临界发电技术领先的国家主要是欧盟、日本和美国等。700℃超超临界机组作为超超临界机组未来发展方向,本文对其发展情况进行概述,供参考。     一、概念      燃煤发电机组是将煤燃烧产生的热能通过发电动力装置(电厂锅炉、汽轮机和发电机及其辅助装置等)转换成电能。燃煤发电机组主要由燃烧系统(以锅炉为核心)、汽水系统(主要由各类泵、给水加热器、凝汽器、管道、水冷壁等组成)、发电系统(汽轮机、汽轮发电机)和控制系统等组成。燃烧系统和汽水系统产生高温高压蒸汽,发电系统实现由热能、机械能到电能的转变,控制系统保证各系统安全、合理、经济运行。     燃煤发电机组运行过程中,锅炉内工质都是水,水的临界点压力为22.12MPa,温度374.15℃;在这个压力和温度时,水和蒸汽的密度是相同的,就叫水的临界点。超临界机组是指主蒸汽压力大于水的临界压力22.12 MPa的机组,而亚临界机组是指主蒸汽压力低于这个临界压力的机组,通常出口压力在15.7~19.6 MPa。习惯上,又将超临界机组分为两个类型:一是常规超临界燃煤发电机组,其主蒸汽压力一般为24兆帕左右,主蒸汽和再热蒸汽温度为566~593℃;二是超超临界燃煤发电机组,其主蒸汽压力为25~35 MPa及以上,主蒸汽和再热蒸汽温度一般600℃以上,700℃超超临界燃煤发电机组是超超临界发电技术发展前沿。在超临界与超超临界状态,水由液态直接成为汽态,即由湿蒸汽直接成为过热蒸汽、饱和蒸汽,热效率较高,因此,超超临界机组具有煤耗低、环保性能好和技术含量高的特点,且温度越高,热效率越高,煤耗越少。例如,与600℃超超临界发电技术相比,700℃超超临界燃煤发电技术的供电效率将提高至50%,每千瓦时煤耗可再降低近70克,二氧化碳排放减少14%。        目前,在整个电网中,燃煤火力发电占70%左右,电力工业以燃煤发电为主的格局在很长一段时期内难以改变。但是,燃煤发电在创造优质清洁电力的同时,又产生大量的排放污染。为实现2008年G8(八国首脑高峰会议)确定的2050年CO2排放降低50%的目标,提高效率和降低排放的发电技术成为欧盟、日本和美国重点关注的领域。洁净燃煤发电技有几种方法,如整体煤气化联合循环(IGCC)、增压流化床联合循环(PFBC)及超超临界技术(USC)。目前,超超临界燃煤发电技术比较容易实现大规模产业化。      超超临界燃煤发电技术经过几十年的发展,目前已经是世界上先进、成熟达到商业化规模应用的洁净煤发电技术,在不少国家推广应用并取得了显著的节能和改善环境的效果。据统计,目前全世界已投入运行的超临界及以上参数的发电机组大约有600余台,其中美国约有170台,日本和欧洲各约60台,俄罗斯及原东欧国家280余台。目前发展700℃超超临界发电技术领先的国家主要是欧盟、日本和美国等。700℃超超临界机组作为超超临界机组未来发展方向,本文对其发展情况进行概述,供参考。     一、概念      燃煤发电机组是将煤燃烧产生的热能通过发电动力装置(电厂锅炉、汽轮机和发电机及其辅助装置等)转换成电能。燃煤发电机组主要由燃烧系统(以锅炉为核心)、汽水系统(主要由各类泵、给水加热器、凝汽器、管道、水冷壁等组成)、发电系统(汽轮机、汽轮发电机)和控制系统等组成。燃烧系统和汽水系统产生高温高压蒸汽,发电系统实现由热能、机械能到电能的转变,控制系统保证各系统安全、合理、经济运行。     燃煤发电机组运行过程中,锅炉内工质都是水,水的临界点压力为22.12MPa,温度374.15℃;在这个压力和温度时,水和蒸汽的密度是相同的,就叫水的临界点。超临界机组是指主蒸汽压力大于水的临界压力22.12 MPa的机组,而亚临界机组是指主蒸汽压力低于这个临界压力的机组,通常出口压力在15.7~19.6 MPa。习惯上,又将超临界机组分为两个类型:一是常规超临界燃煤发电机组,其主蒸汽压力一般为24兆帕左右,主蒸汽和再热蒸汽温度为566~593℃;二是超超临界燃煤发电机组,其主蒸汽压力为25~35 MPa及以上,主蒸汽和再热蒸汽温度一般600℃以上,700℃超超临界燃煤发电机组是超超临界发电技术发展前沿。在超临界与超超临界状态,水由液态直接成为汽态,即由湿蒸汽直接成为过热蒸汽、饱和蒸汽,热效率较高,因此,超超临界机组具有煤耗低、环保性能好和技术含量高的特点,且温度越高,热效率越高,煤耗越少。例如,与600℃超超临界发电技术相比,700℃超超临界燃煤发电技术的供电效率将提高至50%,每千瓦时煤耗可再降低近70克,二氧化碳排放减少14%。  


700℃超超临界燃煤发电机组国际研发计划  
700℃超超临界燃煤发电技术将全面提升燃煤发电设备的设计和制造水平,为制造厂和电厂换来巨大的经济效益。为此,欧盟、日本和美国均采取由政府组织电力用户、毛坯和原材料的供应商及设备制造公司联合开发的方式,制定了长期的700℃超超临界发电技术和设备的发展计划,使超超临界机组朝着更高参数的技术方向发展。目前,国际上700℃超超临界燃煤发电机组研发计划主要有三个:

欧洲AD700的17年计划(1998~2014);日本的A-USC的9年计划(2008~2016);美国的A-USC的15年计划(2001~2015)。  1.欧盟AD700计划  欧盟在确定洁净燃煤发电节能减排的发展战略中,偏重于燃煤火力发电,因此,早在1998年就开始执行由丹麦ELSAM电力公司负责,组织欧盟45家公司参加的700℃超超临界AD700发展计划,计划2013年完成。关键部件将采用镍基合金,热效率由目前最好水平的47%提高到预期的52%~55%,CO2排放降低15%。项目要解决的主要问题是研发满足运行条件的成熟高温材料,并通过优化设计降低建造成本。2014年将在欧洲建立第一个参数为35MPa,700℃/720℃的示范电厂。AD700发展计划是目前世界上进展最快,并唯一有示范电厂的700℃超超临界发电计划,AD700项目分六个阶段实施,具体内容如下:  1)第一阶段是可行性研究和材料基本性能研究(1998~2002)。内容包括新材料开发、设备部件设计和研究AD700计划的技术经济可行性三个方面,取得成果如下:确定了所需材料;开始材料性能试验且多数已完成;热力计算结果取得了一致;可行性研究证明了项目竞争力;完成了新的锅炉设计,减少了镍基合金的使用量。  2)第二阶段是材料验证和初步设计(2002~2004)。取得成果如下:关键部件的设计和测试;对设计进行优化,进一步减少镍基合金用量;完成第三阶段所需试验台的概念设计;一家商业运营电厂的策划。  3)第三阶段是建造试验装置(2004~2009)。为此,九家主要欧洲发电企业组成了Emax集团,决定和有关委员会分担建造试验装置的成本。试验装置的第一个方案是,计划对炉壁、过热器、带高压旁路和安全阀的蒸汽管道进行全尺寸示范,并由Siemens和Alston两家汽轮机制造商分别制造一台高压汽轮机。这一试验装置原本将对汽/水循环的所有主要部件进行全尺寸示范,并可使AD700技术的商业化时间缩短五年左右。项目计划在E.ON的Scholven电厂F机组上安装一个规模较小的部件试验装置(CTF)。除汽轮机之外,CTF包含的部件和全尺寸试验装置相同,但尺寸较小。CTF的运行温度将达到700℃。汽轮机阀门由Siemens和Alston联合制造。  4)第四阶段、第五阶段和第六阶段是全尺寸电厂示范(E.ON电力公司,2009~2014)。2006年10月31日,德国E.ON公司宣布建造700℃的示范电厂。2007年9月确定机组容量为500MW左右,2008年底完成设计,2010年开始建设,2014年投入运行。机组净效率为50%以上,投资10亿欧元。但从2009年起未见有关该项目的官方报导,2010年的E.ON在建电厂列表也未见该项目。

2.日本A-USC计划  日本在2008年G8会议之后,针对2050年CO2减排50%的目标,提出了“冷地球计划”,列出重点发展的21个技术领域,洁净燃煤发电技术列为六个能源供给技术中的一个。随后于2008年推出了日本700℃超超临界发电技术和装备的九年发展计划“先进的超超临界压力发电(A-USC)”(2008~2016年)项目。由日本政府组织材料研究、电力及制造厂联合进行700℃超超临界装备的研发工作,明确在2015年达到35MPa/700℃/720℃以及2020年实现750℃/700℃超超临界产品的开发目标。项目内容包括系统设计,锅炉、汽轮机、阀门技术开发、材料长时性能试验和部件的验证等。为了实现CO2减排要求,对现有大量超临界机组,日本提出25MPa不变,采取700℃的一次再热USC+AUSC改造方案,实现整个日本燃煤电厂的升级换代。此计划没有样机,其技术路线是在反动式的实验透平完成所有产品必须的材料部套试验后,直接推广到具体产品。目前项目处于初期阶段。  计划分工及进度情况:(2008~2012)主要部件及工艺实验;(2012~2016)锅炉部套及小汽轮机制造及实验。阀门工作参与研制单位有日立、三菱、东芝和福士等;锅炉参与研制单位有Babcock、IHI、三菱、国家材料研究中心等;汽轮机参与研制单位有日立、三菱和东芝等。

3.美国AD760计划  美国2001年启动700℃超超临界机组研究项目——AD760。为了与IGCC竞争,美国AD760计划采取的起步参数比欧洲和日本更高,定为37.9MPa/732℃/760℃,热效率将达到47%左右。其设定的蒸汽参数目标显著高于欧洲的700℃,其原因是该参数更适合美国的高硫煤种。AD760研究内容:包括概念设计与经济型分析、先进合金的力学性能、蒸汽侧氧化腐蚀性能、焊接性能、制造工艺性能、涂层、设计数据和方法等。  目前,美国已完成732℃/760℃/35MPa/7.5MPa的750MW机组的可行性分析,效率为46%(HHV),两次再热机组为48%(HHV),如果按照欧洲的LHV计算为52%左右。但该项目的研究内容仅局限于锅炉材料研究,因此,没有汽机行业的机构和企业参与,美国700℃超超临界发电技术和设备的研发时间表定为:2015年完成各项研究项目,2017年建设示范电厂。

700℃超超临界燃煤发电机组国际研发计划  
700℃超超临界燃煤发电技术将全面提升燃煤发电设备的设计和制造水平,为制造厂和电厂换来巨大的经济效益。为此,欧盟、日本和美国均采取由政府组织电力用户、毛坯和原材料的供应商及设备制造公司联合开发的方式,制定了长期的700℃超超临界发电技术和设备的发展计划,使超超临界机组朝着更高参数的技术方向发展。目前,国际上700℃超超临界燃煤发电机组研发计划主要有三个:

欧洲AD700的17年计划(1998~2014);日本的A-USC的9年计划(2008~2016);美国的A-USC的15年计划(2001~2015)。  1.欧盟AD700计划  欧盟在确定洁净燃煤发电节能减排的发展战略中,偏重于燃煤火力发电,因此,早在1998年就开始执行由丹麦ELSAM电力公司负责,组织欧盟45家公司参加的700℃超超临界AD700发展计划,计划2013年完成。关键部件将采用镍基合金,热效率由目前最好水平的47%提高到预期的52%~55%,CO2排放降低15%。项目要解决的主要问题是研发满足运行条件的成熟高温材料,并通过优化设计降低建造成本。2014年将在欧洲建立第一个参数为35MPa,700℃/720℃的示范电厂。AD700发展计划是目前世界上进展最快,并唯一有示范电厂的700℃超超临界发电计划,AD700项目分六个阶段实施,具体内容如下:  1)第一阶段是可行性研究和材料基本性能研究(1998~2002)。内容包括新材料开发、设备部件设计和研究AD700计划的技术经济可行性三个方面,取得成果如下:确定了所需材料;开始材料性能试验且多数已完成;热力计算结果取得了一致;可行性研究证明了项目竞争力;完成了新的锅炉设计,减少了镍基合金的使用量。  2)第二阶段是材料验证和初步设计(2002~2004)。取得成果如下:关键部件的设计和测试;对设计进行优化,进一步减少镍基合金用量;完成第三阶段所需试验台的概念设计;一家商业运营电厂的策划。  3)第三阶段是建造试验装置(2004~2009)。为此,九家主要欧洲发电企业组成了Emax集团,决定和有关委员会分担建造试验装置的成本。试验装置的第一个方案是,计划对炉壁、过热器、带高压旁路和安全阀的蒸汽管道进行全尺寸示范,并由Siemens和Alston两家汽轮机制造商分别制造一台高压汽轮机。这一试验装置原本将对汽/水循环的所有主要部件进行全尺寸示范,并可使AD700技术的商业化时间缩短五年左右。项目计划在E.ON的Scholven电厂F机组上安装一个规模较小的部件试验装置(CTF)。除汽轮机之外,CTF包含的部件和全尺寸试验装置相同,但尺寸较小。CTF的运行温度将达到700℃。汽轮机阀门由Siemens和Alston联合制造。  4)第四阶段、第五阶段和第六阶段是全尺寸电厂示范(E.ON电力公司,2009~2014)。2006年10月31日,德国E.ON公司宣布建造700℃的示范电厂。2007年9月确定机组容量为500MW左右,2008年底完成设计,2010年开始建设,2014年投入运行。机组净效率为50%以上,投资10亿欧元。但从2009年起未见有关该项目的官方报导,2010年的E.ON在建电厂列表也未见该项目。

2.日本A-USC计划  日本在2008年G8会议之后,针对2050年CO2减排50%的目标,提出了“冷地球计划”,列出重点发展的21个技术领域,洁净燃煤发电技术列为六个能源供给技术中的一个。随后于2008年推出了日本700℃超超临界发电技术和装备的九年发展计划“先进的超超临界压力发电(A-USC)”(2008~2016年)项目。由日本政府组织材料研究、电力及制造厂联合进行700℃超超临界装备的研发工作,明确在2015年达到35MPa/700℃/720℃以及2020年实现750℃/700℃超超临界产品的开发目标。项目内容包括系统设计,锅炉、汽轮机、阀门技术开发、材料长时性能试验和部件的验证等。为了实现CO2减排要求,对现有大量超临界机组,日本提出25MPa不变,采取700℃的一次再热USC+AUSC改造方案,实现整个日本燃煤电厂的升级换代。此计划没有样机,其技术路线是在反动式的实验透平完成所有产品必须的材料部套试验后,直接推广到具体产品。目前项目处于初期阶段。  计划分工及进度情况:(2008~2012)主要部件及工艺实验;(2012~2016)锅炉部套及小汽轮机制造及实验。阀门工作参与研制单位有日立、三菱、东芝和福士等;锅炉参与研制单位有Babcock、IHI、三菱、国家材料研究中心等;汽轮机参与研制单位有日立、三菱和东芝等。

3.美国AD760计划  美国2001年启动700℃超超临界机组研究项目——AD760。为了与IGCC竞争,美国AD760计划采取的起步参数比欧洲和日本更高,定为37.9MPa/732℃/760℃,热效率将达到47%左右。其设定的蒸汽参数目标显著高于欧洲的700℃,其原因是该参数更适合美国的高硫煤种。AD760研究内容:包括概念设计与经济型分析、先进合金的力学性能、蒸汽侧氧化腐蚀性能、焊接性能、制造工艺性能、涂层、设计数据和方法等。  目前,美国已完成732℃/760℃/35MPa/7.5MPa的750MW机组的可行性分析,效率为46%(HHV),两次再热机组为48%(HHV),如果按照欧洲的LHV计算为52%左右。但该项目的研究内容仅局限于锅炉材料研究,因此,没有汽机行业的机构和企业参与,美国700℃超超临界发电技术和设备的研发时间表定为:2015年完成各项研究项目,2017年建设示范电厂。
四、我国现状及与国外差距   
   1.现状      目前,我国已投运近60台600℃超超临界机组。通过600℃超超临界机组的技术研发及工程实践,除锅炉、汽轮机部分高温材料及部分泵和阀门尚未实现国产化外,其他已基本形成了600℃超超临界机组整体设计、制造和运行能力,建立起了完整的设计体系,拥有了相应的先进制造设备及加工工艺,这些为我国700℃超超临界燃煤发电机组的发展奠定了良好的基础。      近年来,国内企业和相关科研院所也开展了相关研究。例如材料制造方面已开展镍基合金转子材料的研究,现已完成原料采购和试验成分的选择,下一步开始冶炼小钢锭的研究。设备制造方面已开展“更高参数1000MW等级超超临界锅炉设计技术研究”课题,主要研究31.5MPa,703℃/703℃等级超超临界锅炉的初步方案设计,计划于2010年底完成。一些企业也派出团队对AD700等计划进行了调研。在此基础上,我国于2010年提出了“700℃超超临界发电技术开发路线”。     2.差距      我国发展700℃超超临界燃煤发电机组存在如下主要问题。      高温材料的基础研究薄弱。材料研发是工业发展的基础,需要长时间、巨大的人力和物力的投入,在历次的技术转让中,材料的性能数据始终是作为机密,被排除在转让范围之外。与欧盟、日本和美国等先进国家相比,我国缺乏自主产权的高温材料基础数据,成为约束700℃超超临界发电技术发展的瓶颈。虽然近年来,在国内钢铁生产公司、锅炉制造企业及相关研究院所的联合攻关下,在模拟国外高温材料的基础上,基本实现锅炉用高温材料的国产化,但与欧盟、日本和美国等先进国家相比,材料研究的差距仍很大,主要体现在:没有成立专门统一的材料性能机构;没有组织有效的政府和企业的合作;没有长期不断的财力和人力投入;没有建立自主的材料高温性能数据库;没有统一的材料性能考核标准;没有系统的材料性能试验和研究规划等,不能为新一代700℃超超临界产品开发提供可靠的依据。     试验研究装置和技术落后。国内有关产品开发基本采用几十年前按部套、局部、低参数和尺寸模拟的低水平试验方式,试验装置和测试方法落后,不能满足700℃
超超临界高端产品的要求。      研究机构分散。相对国外由政府组织各制造公司、毛坯、原材料制造厂和电力公司联合进行大规模高温部件(汽轮机的阀门、管道、转子及汽缸四大部件、锅炉高温部件材料)的工艺及材料性能试验研究模式,但目前存在着各自分散研究、相互保密等问题,无相关组织联合的方式很难完成如此大规模700℃超超临界技术研究。   

  五、我国700℃超超临界发电技术开发路线      根据700℃超超临界发电技术的难点及与国外差距,目前,已初步形成我国700℃超超临界发电技术发展路线图(2010~2015)。路线图分9个部分进行:综合设计、材料应用技术、高温材料和大型铸锻件开发、锅炉关键技术、汽轮机关键技术、部件验证试验、辅机开发、机组运行和示范电厂建设。路线图目标参数:压力≥35MPa、温度≥700℃、机组容量≥60万千瓦。
中国还是落后很多,到时又要引进技术了
通篇看完 主要是设计思路理念上的差距和材料技术和工程经验的差距 没有统一性的协调整理。
为啥几乎每项先进技术 小小日本几乎都有?
效率能到50%,这个真心很牛
现在一般40%都不到吧


煤炭清洁化是趋势,喊了几十年,应该有结果了。只要污染物排放接近于零,就可以接受。

煤炭清洁化是趋势,喊了几十年,应该有结果了。只要污染物排放接近于零,就可以接受。
煤电要耗水,对厂址也有要求。沿海发达地区自己不建了,要中西部建,因为土地太珍贵,搞房地产价值更高。
但西部有些地方缺水。
前几年管科研时候参加过省科技厅的讨论的IGCC项目,也参加过科技部的700度汽轮机项目,700度主要还是材料,现在一般超超临界百万是625度。IGCC那个现在不太经济,实验电站那个太小,只是试验。
李无敌 发表于 2014-7-28 13:28
前几年管科研时候参加过省科技厅的讨论的IGCC项目,也参加过科技部的700度汽轮机项目,700度主要还是材料, ...
IGCC和煤制天然气哪个更好?个人觉得煤制天然气更有前途,天然气还可以做汽车燃料。
现阶段都是经济型不好,当时参加科技厅讨论会的有哈工大、703所,哈锅炉厂、汽轮机厂等有关科研人员。
天然气主要是只有部分地区有,等将来毛子天然气接过来,或许可以考虑了。

ljie20010 发表于 2014-7-27 15:12
中国还是落后很多,到时又要引进技术了


这个落后也没地方引进了,人家650°饱和气已经不得了了,再高就直接上燃机了,这tm饱和水蒸气都快赶上燃气了,是要让地球人都去天顶星吗?
ljie20010 发表于 2014-7-27 15:12
中国还是落后很多,到时又要引进技术了


这个落后也没地方引进了,人家650°饱和气已经不得了了,再高就直接上燃机了,这tm饱和水蒸气都快赶上燃气了,是要让地球人都去天顶星吗?
若是能到50%的热效率,那真是一种突破,值得为此投入;
这个热效率是煤炭的热值转化为电能的效率还是仅仅指的汽轮机的效率
火山热海 发表于 2014-7-28 18:50
这个热效率是煤炭的热值转化为电能的效率还是仅仅指的汽轮机的效率
当然是总的热效率
民屁 发表于 2014-7-27 16:05
为啥几乎每项先进技术 小小日本几乎都有?
所以人家是发达国家啊,不服不行
这个热效率是煤炭的热值转化为电能的效率还是仅仅指的汽轮机的效率
2009年,在年平均负荷率仅75%的情况下,外三两台机组实际运行净效率达43.54%,一举超越了之前的世界纪录保持者,丹麦NORDJYLLAND电厂3号机组(411MW,两次再热,超超临界,低温海水冷却)。
上海市浦东新区,外高桥第三发电厂
国产700℃钢材似乎已经批产了,至于自主知识产权的耐高温材料,这个确实还需要努力。
相关技术可以研究、积累,但商业化推广,经济性才是决定性因素。