700等级先进超超临界发电技术研发现状及国产化建议

７００℃等级先进超超临界发电技术研发现状及国产化建议
纪世东，周荣灿，王生鹏，姚惠珍
西安热工研究院有限公司，陕西西安　７１００３２
７００℃超超临界发电技术是指主蒸汽温度和再热蒸汽温度达到或超过７００℃的先进超超临界燃煤发电技术。

按照当今世界上主要发达国家的７００℃计划，相对应的主蒸汽压力约为３５～３８．５ＭＰａ。

从技术上，提高火电机组主、再热蒸汽参数是提高其热效率的最有效途径，也是火电技术核心的研究和发展方向。

７００℃等级先进超超临界发电技术的核心优势在于高效、低污染，但其主要技术瓶颈在于耐高温高压金属材料的研制、加工制造工艺的研发以及如何使造价降到商业应用可接受的范围内。

欧盟、美国和日本等发达国家基于其自身的技术、经济状况以及能源结构和环保要求，已相继启动了７００℃等级先进超超临界机组发展计划，确定了较详细的目标和发展步骤，组织了实力雄厚的科研和制造企业开展研究，并已取得了一些重要成果。

我国是以煤炭为主要能源的国家，煤炭储量占化石能源的９６％，煤炭消费占一次能源的７０％左右。

在电力生产上，近１０年来火电装机容量占全国总装机容量的７３％以上，火力发电量（其中主要为煤电）占全国总发电量的８０％以上，电煤消费占全国煤炭消费总量的４７％以上。

因此，发展７００℃等级先进超超临界机组，提高发电效率，实现火电技术重大升级，对我国节能减排和可持续发展具有重大意义。

应高度重视，加快组织开展７００℃先进超超临界技术的研发、示范及装备的国产化。

１　７００℃等级先进超超临界技术的优势
从理论上讲，超超临界机组蒸汽参数越高，热效率也越高。

热力循环分析表明，在超超临界机组参数范围内，主蒸汽压力提高１ＭＰａ，机组热耗率可降低０．２０％～０．３２％；主蒸汽温度每提高１０℃，机组热耗率可降低０．２５％～０．３０％；再热蒸汽温度每提高１０℃，机组热耗率可降低０．１５％～０．２０％。

７００℃先进超超临界机组的设
计发电效率可达到５０％左右。

资料显示，欧盟７００℃先进超超临界机组净效率目标是５０％～５３％（ＬＨＶ）、美国与日本是４８％～５０％（ＬＨＶ）。

据测算，６００ＭＷ的７００℃先进超超临界机组供电煤耗约２６０ｇ／（ｋＷ·ｈ），可比同容量等级的先进水平的６００℃超超临界机组降低约２５ｇ／（ｋＷ·ｈ）。

按年利用７　０００ｈ计算，每台机组每年可节约标准煤１０．５万ｔ，直接减排二氧化碳近２９万ｔ（按每ｔ标准煤生成２．７４ｔ二氧化碳）；若与２０１０年全国火电机组平均供电煤耗３３５ｇ／（ｋＷ·ｈ）相比，每台机组每年可节约标准煤３１．５万ｔ，直接减排二氧化碳约８６万ｔ。

此外，发展７００℃超超临界发电提高了未来进行大规模二氧化碳捕集与封存（ＣＣＳ）的可行性。

其原因是：（１）７００℃先进超超临界机组发电煤耗率比６００℃等级机组显著降低，单位发电量的二氧化碳排放量大大降低，从而降低了ＣＣＳ成本；（２）采用全流量的ＣＣＳ通常使机组净效率降低８％～１０％，照此计算，对于７００℃先进超超临界机组，按实际运行的净热效率４７％估算，采用全流量ＣＣＳ后，净效率降为３７％～３９％，折算供电煤耗为３１５～３３２ｇ／（ｋＷ·ｈ），仍优于２０１０年火电机组平均供电煤耗。

２　７００℃等级先进超超临界技术的国内外研发现状
在６００℃等级超超临界发电技术成熟后，欧盟、美国和日本先后启动了７００℃及以上的先进超超临界发电技术研究计划，为下一代火电装备的更新提供技术，以进一步降低机组的煤耗，减少温室气体和其它污染物排放。

２．１　欧盟“ＡＤ７００”计划
欧盟于１９９８年１月启动“ＡＤ７００”先进超超临界发电计划，其目标是建立５００ＭＷ、７００℃／７２０℃／３５ＭＰａ等级的示范电站，结合烟气余热利用、降低背压、降低管道阻
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力、提高给水温度等技术措施，使机组效率达到５０％（ＬＨＶ）以上。

拟通过示范电站的运行和技术完善，在２０２０年左右实现机组商业化运行。

该计划主要分四个阶段，第一阶段（可行性研究和材料基本性能试验）、第二阶段（材料验证和初步设计）已于２００４年底完成，第三阶段（部件验证）已于２００９年底完成，第四阶段（示范电站建设）由于材料方面的原因已推迟。

２．２　美国７６０℃先进超超临界（ＵＳＣ）技术研发计划美国于２００１年启动先进超超临界发电技术研究计划，研发目标是开发蒸汽参数达到７６０℃／７６０℃／３８．５ＭＰａ的火电机组，效率达到４６％～４８％（ＨＨＶ）以上。

美国主要的锅炉制造商和汽轮机制造商均参与了该计划，由美国电力研究院（ＥＰＲＩ）和俄亥俄能源行业协会（ＥＩＯ）负责项目的管理。

目前美国已完成锅炉材料和汽轮机材料两个项目的研究。

原计划２００８年开始示范电站筹建，２０１６年左右投运，但目前计划延迟。

２．３　日本“Ａ　ＵＳＣ”计划
日本于２０００年开始“７００℃级别超超临界发电技术”可行性研究，２００８年８月正式启动“先进的超超临界压力发电（Ａ－ＵＳＣ）”项目的研究。

Ａ－ＵＳＣ计划的目标是开发７００℃级燃煤发电机组，已确定机组参数先实现７００℃／７２０℃／７２０℃／３５ＭＰａ，最终将再热蒸汽温度提高到７５０℃，机组净热效率达到４６％～４８％（ＨＨＶ）。

日本Ａ－ＵＳＣ计划的管理由日本经济产业省（ＭＥＴＩ）负责，主要的锅炉和汽轮机制造商都参与了Ａ－ＵＳＣ计划：锅炉的研发由ＩＨＩ、Ｂａｂｃｏｃｋ－Ｈｉｔａｃｈｉ和三菱重工承担；汽轮机的研发由三菱重工、东芝、日立和富士电力系统公司承担；耐高温材料的研发由住友负责、日本国家材料科学研究院负责材料的分析评估。

Ａ－ＵＳＣ计划９年完成，分为系统设计，锅炉、汽轮机和阀门技术开发，锅炉部件及小型汽轮机试验等几部分同步实施。

Ａ－ＵＳＣ计划的材料研发、主要部件制造和测试工作预计２０１６年完成，目前正在开展主要部件材料的测试工作。

以上国外项目计划中以欧盟的ＡＤ７００计划启动最早，研究内容最为全面，实施进度最快。

２．４　我国先进超超临界技术发展情况
我国现阶段尚未正式开展７００℃先进超超临界技术的研发工作，但国家科技部已将７００℃等级超超临界技术
的研究列入“十二五”规划。

国内相关单位通过跟踪国外研究发展动态，已启动了７００℃的前期论证和初步研究。

２００８年初，中国华能集团公司委托西安热工研究院开展了７００℃机组关键材料预研项目。

该项目于２０１０年６月完成，对多种关键镍基高温合金材料进行了初步的基础性能研究，对国内高温合金研究开发和生产能力进行了调研。

目前西安热工院已经开始对Ｉｎｃｏｎｅｌ　７４０Ｈ等最新材料进行更深入、系统的研究。

国内三大电站主机设备制造企业（上海电气、东方电气、哈电集团）也通过各种渠道对国外特别是欧盟的７００℃等级先进超超临界技术开发计划进行了跟踪，中科院金属研究所和钢铁研究总院对部分镍基合金材料开始研制。

２０１０年７月２３日，国家能源局在北京成立了“国家７００℃超超临界燃煤发电技术创新联盟”，该创新联盟的宗旨是：通过对７００℃超超临界燃煤发电技术的研究，有效整合各方资源，共同攻克技术难题，提高我国超超临界机组的技术水平，实现７００℃超超临界燃煤发电技术的自主化，带动国内相关产业的发展，为电力行业的节能减排开辟新路径。

２０１１年４月２９日，国家能源局在北京组织有关政府机构、国内发电集团、相关制造企业、科研院所、三大动力集团等３０余家单位共同签署“超（超）临界火电机组关键阀门和四大管道联合研发协议”，以“政府、产业、科研院所和用户”相结合的模式，并落实依托工程，推进超（超）临界火电机组关键阀门和四大管道国产化。

十几年来，我国通过超临界、超超临界发电技术的研发，现已培养出一大批经验丰富、拥有较高技术水平的科研和设计专家；建设成了以上海电气、东方电气、哈电集团为主体的，具有较强实力的发电设备制造基地；截止２０１０年底，我国建成在运的１　０００ＭＷ等级超超临界机组已达３３台，已积累了丰富的电建、调试、运行经验。

我国在超超临界发电领域的整体研发、设计、装备制造、建设、运行水平已与世界先进水平接近，目前已完全具备了发展７００℃等级先进超超临界技术的基础。

３　７００℃等级先进超超临界技术国产化研发建议
鉴于国际上７００℃等级先进超超临界发电技术尚处于研发阶段，一些重大的技术风险已经初步排除，因此目前是我国发展７００℃等级发电技术的最佳时机，必须尽快启动，从国家层面进行科学的部署和管理，设立国家重大
科技项目，以大型发电集团为依托单位，组织科研院所、设计单位、高校、设备制造企业和冶金企业联合攻关，发挥各自技术优势，取得技术突破，形成具有核心竞争力的自有技术。

在技术方面，要重点开展耐高温材料的基础性能与工艺研究以及国产化，并进行高温材料和部件的长时现场验证；要做好机组的优化设计，合理减少高温材料的用量，节省投资；还应综合采用烟气余热利用、降低管道压损、提高给水温度、优化辅机配置选型等技术措施，提高效率。

在研发中，要充分借鉴吸收国外研究成果，在国内在一定时期内无法研制出满足要求的高温材料的情况下，对关键材料和部件应进行国际采购。

回顾我国超临界、超超临界发电技术的发展：１９９２年６月我国引进的首台６００ＭＷ超临界火电机组在石洞口二厂顺利投产，２００４年１１月首台国产６００ＭＷ超临界机组在华能沁北电厂顺利投产，２００６年１１月首台国产１　０００ＭＷ超超临界机组在华能玉环电厂顺利投产，我国用十几年的时间走过了发达国家用几十年所走过的超临界和超超临界技术发展历程。

现阶段我国站在与国际先进水平相接近的起跑线上，立足自主研发，充分借鉴吸收国外研究成果，完全可以与国际最先进水平保持同步，掌握自主知识产权的７００℃等级先进超超临界技术，再次实现燃煤发电技术的跨越式发展
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对于ＺＧ１５Ｃｒ１Ｍｏ１Ｖ钢裂纹的补焊通常采用热敷冷焊，焊材采用ＥＮｉＣｒＦｅ－２镍基焊材。

镍基焊材具有以下优点：（１）焊缝的材料成分允许变化范围较大，可减轻因焊接规范不同、焊缝稀释率对焊缝材料成分带来的影响；（２）镍基焊缝对氢不敏感，氢的溶解度大，可减轻氢对母材的有害作用；（３）镍基焊缝组织可以抑制母材中的碳扩散，减轻了由碳扩散带来的不良后果；（４）在焊接过程中，在焊缝的熔合区不易形成脆性马氏体。

镍基焊条冷焊过程主要分为预热状态下的敷焊（打底焊）和填充层焊接两部分。

通常情况下，整个敷焊层焊接完成后，立即保温缓冷，至室温后再进行填充层的焊接。

若补焊坡口的形状、位置等不允许一次完成敷焊层焊接，可采用分段（多次）进行敷焊层焊接。

焊接方法为手工电弧焊，焊材规格及焊接规范见表４。

表４　焊材规格及规范
项目内容
焊材规格ｄ／ｍｍ　３．２　４．０
焊接电流／Ａ　１００～１２０　１４０～１６０
焊接电压／Ｖ　２２～２６　２２～２８
极性直流反接
（１）用机械方法将裂纹挖除干净，打磨露出金属光泽并形成Ｕ型焊接坡口，坡口根部的最小圆角半径为５ｍｍ，根部要圆滑过渡，不允许存在尖角。

（２）用丙酮将施焊部位及其周围５０ｍｍ范围内的油污杂质清理干净。

（３）用氧乙炔枪将坡口及其周围加热到１００～１５０℃，焊条在３００～３５０℃烘干１ｈ，然后存放在保温筒中待用。

（４）先用ｄ３．２ｍｍ焊材打底焊１～２层，再用ｄ４．０ｍｍ焊材填充及盖面。

采用多层多道焊，每道焊道的单层厚度不大于所用焊条直径加２ｍｍ，单道焊摆动宽度不大于所用焊条直径的５倍。

每焊完一层应及时清理焊渣并锤击，层间温度应控制在１００～２００℃之间。

（５）严禁在工件表面引弧、试电流。

施焊过程中应特别注意接头和收弧的质量，收弧时应注意填满弧坑，多层多道焊的接头应错开。

（６）焊后用氧乙炔枪对热影响区局部进行３５０～４００℃消氢处理，并用石棉布保温后缓冷。

（７）在温度冷却到室温后对补焊区打磨，然后进行磁粉或着色探伤及金相组织检查，无表面或近表面焊接缺陷为合格。

采用ＥＮｉＣｒＦｅ－２镍基焊材、热敷冷焊工艺对Ｃｒ－Ｍｏ－Ｖ铸钢部件裂纹进行补焊，补焊金属均为奥氏体相，底层焊缝含Ｎｉ≥３９．６５％，Ｆｅ≥７１．５９％，属于铁基合金，其它堆焊层含Ｎｉ≥５６．６４％，含Ｆｅ较少，只有８．５％，属于镍基合金。

无损探伤结果表明，补焊区域未发现超标缺陷。

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