超超临界机组在我国的发展及应用

唐 飞，董 斌，赵 敏

（中国电力工程顾问集团公司，北京市，100120）

1 目前我国超超临界机组的建设情况

我国一次能源结构具有以煤为主的显著特征，由此决定了我国电力结构以燃煤发电为主的特点[1-10]。2008年我国原煤产量27.2亿t，其中火电耗煤13.4亿t，占煤炭产量的近50%。从今后发展来看，在以煤为主的一次能源结构不发生大的变化下，在电力结构中火电仍将在相当长的时期内占据主导地位。提高发电效率、降低污染、节约资源是我国火电机组的发展方向。超超临界火电机组具有煤耗低、污染排放物少的节能减排效益，是提高我国火电机组技术水平，实现火电机组技术优化升级有效而现实的措施，也是我国火力发电机组发展的必然趋势。

在“十五”期间，我国首台600MW超临界机组示范工程投入运行，1 000MW超超临界机组的研究和开发也在积极进行。“十五”末期，国家出台了一系列鼓励建设大型超超临界机组的相关配套政策，大型超超临界机组在我国呈现出快速发展的趋势。从“十一五”初期开始，我国大型超（超）临界机组即呈现出快速发展的趋势，600MW机组基本上都采用了超临界或超超临界参数，1 000MW机组全部采用了超超临界参数。截至2009年6月，我国已投产超超临界机组23台，其中百万千瓦机组13台，60万千瓦级机组10台，超（超）临界机组容量占火电装机容量的18%以上，已提前达到了“十一五”目标——超（超）临界机组占煤电装机容量的比重达到15%。目前，还有一批超超临界机组已经国家核准正在建设或筹备建设中。据不完全统计，目前国内主机制造厂接到的1 000MW级超超临界机组订单有60余套，机组容量68 GW，600MW超超临界机组订单有40余套，机组容量31.56 GW。

总之，我国超超临界机组占煤电装机容量的比重正在逐渐增大，促进了我国火电机组技术水平的迅速提高。

2 目前我国超超临界机组技术水平

2.1 主机技术水平

目前，我国超超临界机组按容量通常可以分为600MW等级和1 000MW等级，从初参数上可分为25 MPa/600℃/600℃（东方电气、哈尔滨电气）和26.25 MPa/600℃/600℃（上海电气）2类。自2004年6月以来，华能玉环电厂、华电国际邹县发电厂、国电泰州电厂、上海外高桥第三发电厂、国电北仑电厂等已先后建成投运了百万千瓦超超临界机组。这些百万千瓦超超临界机组自投运以来，各项主要性能参数均能符合设计选型要求，性能考核实测值基本满足签订的设备合同中的性能数据。

我国超超临界机组的单机容量、参数和数量均已达到国际先进水平，600～1 000MW等级的超超临界机组大部分的进汽参数为：压力24.2～28 MPa，温度580～600℃。世界上最大容量超超临界机组是1300MW的双轴机组，单轴机组最大容量为1 050MW。大多数机组采用一次再热循环，少数采用二次再热循环。

2.2 电厂系统设计技术水平

随着我国百万千瓦超超临界电厂的陆续投产和稳定运行，标志着我国电力设计行业已掌握了世界先进的火力发电设计技术，具备了百万千瓦级超超临界电厂全部自主设计的能力。

百万千瓦级超超临界电厂设计初期，在没有引进国外设计技术的情况下，国内电力设计单位依靠自主力量，通过结合具体工程，从我国现有设计规程适应性、电厂系统拟定原则、辅机选择原则及国产化能力、四大管道材料选择和设计原则、汽水品质指标及控制要求、汽轮发电机组基座设计等诸多方面展开一系列研究，研究成果在依托工程中得到了成功的应用和检验，标志着我国大型超超临界电站设计技术已走向成熟，并达到了国际先进水平。

2.3 设备设计制造水平

“十五”期间，国内三大动力集团（上海电气、东方电气、哈尔滨电气）分别从三菱、日立、阿尔斯通、西门子引进了超临界、1 000MW超超临界技术，并采取与国外公司合作的方式进行1 000MW超超临界机组的设计和制造。目前，三大集团先后扩大了厂房，装备了数百台加工精度高、工效快的数控设备，在装备水平上达到了发达国家的先进水平，均具备了600MW等级和1 000MW等级的超超临界机组制造能力。

但是，国内企业目前还不完全掌握1 000MW超超临界火电机组（锅炉和汽轮机）的性能设计。设计核心技术和高端技术的关键部件仍被国外公司垄断，外商只提供设计软件目标程序，不提供源程序，因此引进程序只能使用，不能进行修改和改进。目前三大动力集团正在进行600MW超超临界火电机组的自主设计。

600MW超超临界机组，除耐高温合金钢、高压转子和部分高温及专用阀门须进口外，已能实现制造国产化。

600℃等级新型耐热钢材料尚未实现国产化，锅炉和汽轮机高温部件的材料特性尚未掌握。对超超临界技术具有重大影响的大型铸锻件（汽轮机的转子和汽缸，发电机的转子和持环等）和关键原材料（锅炉的大口径管、再热器、过热器小口径管等）目前还基本依赖进口，对新型耐高温材料的加工工艺性能和应用性能还未完全掌握。

配套阀门的国产化方面还有较大缺口，高参数阀门目前大部分需要向国外采购，关键辅机如锅炉给水泵、启动再循环泵等尚缺乏设计制造经验。

3 我国超超临界机组存在的问题及其原因

3.1 超（超）临界机组电源布局及运行调度

近年来，随着国民经济的持续发展，电力建设速度相应加快。电力体制改革后，各大发电集团和各发电企业为实现自身发展，不断开辟新的电源点，由于与规划进度不协调、与电网建设不同步，造成了部分已建成的超超临界机组无法长期满负荷运行、机组负荷率降低、煤耗增加等问题。

另外，由于目前对超超临界机组的运行调度还不能做到优先保证机组的长期满负荷运行，使超超临界机组不能充分发挥节能降耗的优点。

3.2 超超临界机组自主知识产权

国内主要的锅炉、汽轮机、发电机制造厂都相继引进了600～1 000MW超临界和超超临界的设备设计和制造技术，制造出了国产的600MW、1 000MW超超临界机组。但是，设备的基本设计和关键技术的设计由技术引进方完成，关键部件从技术引进方进口。由于没有自主知识产权，受引进技术协议的限制，国内主机厂需要向技术引进方交纳高额费用。

大容量火电机组的大型铸锻件一直是我国电力装备制造业没有解决好的难题。经过多次厂方技术改造，我国重型厂在设备能力上已满足要求，但在技术掌握上还有所欠缺。

3.3 超超临界机组的关键材料

超超临界机组蒸汽温度和压力参数的提高给关键部件材料带来了更高、更新的要求,尤其是材料的热强性能、抗高温腐蚀和氧化能力、冷加工和热加工性能等，因此材料及其制造技术成为发展先进超超临界机组的技术核心。

目前，我国还不能自主生产适应于600℃的材料，大型超超临界机组主设备中的一些关键材料还完全依赖进口，一旦外商不能及时供货，只能采用替代材料。因替代材料性能不能完全等同原设计材料，机组长期运行性能将受影响。国外的耐高温材料能承受600℃的工作温度，但这些材料没有经过长时间的疲劳检验，通常需要十多年时间对性能参数进行验证。

开展超超临界机组耐热合金钢材料的研发是关键，而且需要长期不断的进行开发才会有成效，目前我国还没有一个具体的材料研发计划，材料问题将严重影响和制约我国超超临界机组的发展。

3.4 超超临界机组的运行可靠性

由于超超临界机组的温度等级较高，所采用的高温材料已接近适用温度的极限，同时高温材料的焊接性能也不完全掌握，因此在机组调试和投产试运行阶段较容易出现因安装、冲管和制造质量等问题引起锅炉受热面爆管等问题，早期投运的超超临界机组这方面问题比较突出。随着重视程度的提高和经验的积累，近期超超临界机组的投产都比较顺利。

从目前国内已投运的1 000MW超超临界机组的运行情况来看，我国大容量超超临界机组商业运行的可靠性已经达到相当先进的水平。

根据有关分析，超（超）超临界机组在投运若干年后，存在因锅炉受热面蒸汽高温氧化及由此引起汽轮机叶片固体粒子侵蚀，导致汽轮机级效率迅速下降，机组热耗增加的可能，这需要对已投运的超超临界机组进行长期跟踪检测和分析。

4 我国超超临界机组的进一步发展

今后，超超临界机组的发展方向依然是向更高效率的方向迈进。为了进一步提高超超临界发电机组的效率，首先应该研究在现有参数条件下效率的提高，如采用二次再热、降低排汽背压、锅炉排烟余热利用等措施。

同时，根据耐高温材料的发展情况和我国超超临界设备研发、制造能力，我国也应考虑发展更高参数的新一代超超临界机组。国内超超临界机组蒸汽参数的提高可以考虑分阶段实施，如28 MPa/620℃/620℃、31 MPa/650℃/650℃、34.5 MPa/700℃/700℃等。

预计2030年前，我国自主开发的新一代700℃超超临界燃煤机组将投入商业运行，机组供电效率将超过50%。

5 相关措施建议

（1）进一步落实环保、节能机组优先发电的相关政策，提高超超临界机组的负荷率，充分发挥超超临界机组的节能优势。

（2）当前超临界和超超临界机组的发展还存在参差不齐的局面，建议从国家层面对投产1年以上的百万千瓦超超临界机组开展后评价工作，全面总结经验和教训，以提高我国超超临界火电机组的整体水平，为下一步更大规模地发展超超临界机组提供更加充分的决策依据。

（3）建议由国家牵头组织制造、设计、科研、运行等有关部门，就材料使用现状、材料基础研究、材料国产化及机组工艺系统设计中应采取的对策等问题进行全面深入的研究，完善机制，加大投入，重点研制具有自主知识产权的锅炉耐热合金钢管材料和耐热合金钢大型锻件。

（4）建议国家支持尽快开展更高参数的超超临界发电技术的研究。

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