700℃超超临界机组高温材料研发最新进展
毛健雄 清华大学热能工程系
摘 要：中国现在是燃煤火电装机容量最大的国家， 也是二氧化碳排放最大的国家，尽可能提高电厂效率，大力发展超超临界燃煤火电技术， 是当前降低火电二氧化碳排放最现实、最可行、最经济、最有效的途径。本文重点介绍欧盟的AD700和COMTES700等计划，以及美国和日本的700℃ 超超临界计划对高温材料研发的最新进展，其中包括材料试验、高温材料部件挂炉试验结果和示范厂计划，与此同时， 文章还就高温金属材料用于700℃ 等级超超临界机组的瓶颈和制约因素和解决方案进行了探讨。
关键词：700℃超超临界技术，高温金属材料
1前言
中国是目前世界最大的煤炭生产和消费国，也是世界上最大的二氧化碳排放国。为了应对气候变化，中国现在面临着巨大的二氧化碳减排压力。2010年中国煤炭消费量达32亿吨，其中用于燃煤发电的煤量约占全国总煤炭消费量的55%， 实际上， 燃煤火电是中国最大也是最集中的二氧化碳排放源。图1所示， 为燃煤火电厂降低二氧化碳排放的可能技术途径，其中碳捕获和埋存技术（Carbon Capture and Storage –CCS）是高能耗和高投资的技术，现在还处于研发阶段，并不是当前可实用的技术。大容量火电厂煤与生物质混烧发电，目前中国还没有相应的激励政策，而且其推广应用还受到各种因素的制约，对二氧化碳的减排贡献有限。因此，在CCS能够得到大规模推广应用之前的一个相当长的时期内，最可行、经济、可靠的燃煤火电机组二氧化碳减排的途径就是提高效率，其途径是：
（1）坚持“上大压小”政策，坚决关停低效率的小机组，大力发展大容量高效率火电机组；
（2）千方百计，技术创新，尽可能提高现有火电厂的效率；
（3） 大力发展高参数更先进的超超临界技术，进一步将600℃等级超超临界机组的净效率提高到48%以上；
（4）发展更大容量的先进的37.5MPa/700℃/720℃/720℃双再热机组，将1,000-1,500MWe超超临界机组净效率提高到50%以上。
图1燃煤火电厂走向二氧化碳接近零排放的技术途径
表1为各种蒸汽参数火电机组热效率的比较，表2为中国现在投运的不同蒸汽参数机组的设计性能比较。由表1可见，对于火电机组，蒸汽参数越高，再热次数越多，给水温度越高，则效率越高。因此，现在火电机组提高效率的主要途径，就是提高蒸汽参数，发展超临界和超超临界机组。表3为火电厂净效率和CO2排放的关系，表4为火电机组热效率、发电煤耗和每度电CO2排放量之间的关系，它们表明了提高效率和CO2减排之间的定量关系。例如，1,000MWe的超超临界机组要比600MWe亚临界机组的标准煤耗低33 gce/kwh，而正在开发的最先进的700℃超超临界机组，其净效率可达53%，其每度电的CO2排放量要比现在世界的平均水平低42 gce/kwh。因此，尽可能提高蒸汽参数是大大提高效率、降低煤耗和减排CO2的重要措施。
表1 各种蒸汽参数火电机组热效率的比较
机组类型 蒸汽参数 再热次数
（次数） 给水温度
（℃) 热效率
(%)
亚临界 17MPa/540℃/540℃ 1 275 35
超临界 24MPa/538℃/566℃ 1 275 40
超超临界 25MPa/600℃/600℃ 1 275 45
超超临界 35MPa/700℃/700℃ 1 275 48.5
超超临界 30MPa/700℃/720℃/720℃ 2 310 51
超超临界 35MPa/700℃/720℃/720℃ 2 320 52.5
超超临界 37.5MPa/700℃/720℃/720℃ 2 335 53
表2 中国现在投运的不同蒸汽参数机组的设计性能比较
机组类型 亚临界
2×600MWe 超临界
2×600MWe 超超临界
2×1,000MWe
蒸汽参数 16.7MPa/538/538℃ 24.5MPa/538/566℃ 24.5MPa/566/566℃
汽轮机的热(Kcal/kwh) 1,877 1,830 1,780
热效率 (低位热值) (％) 39 42.91 43.63
标准煤耗 (gce/kwh) 315 286 282
煤耗的降低 (gce/kwh) 基数 29 33
表3 火电厂净效率和CO2排放的关系
燃煤火电厂净效率% 单位发电量CO2排放值g/kWHh CO2减排率%
30 1100 基数
35 950 13.6
40 820 25.5
45 750 31.8
50 680 38.2
55 600 45.5
表4 火电机组热效率、发电煤耗和每度电CO2排放量之间的关系
项目 世界最高水平 世界先进水平 欧盟平均水平 世界平均水平
热效率（％） 50 45 38 30
发电煤耗（gec/kWh) 238 320 379 480
CO2排放值（g/kWh) 669 743 991 1,160
1kWh的CO2减排（％） 42 36 24 基数
根据这一指导思想，中国采取了“上大压小”等一系列政策，大大推动力大容量、高参数超超临界机组的发展。据统计，自2007年以来中国订货的600℃ 等级的1000MWe 超超临界机组为97台，总容量为97,000MWe 。至2010年底在建68台，现在已建成投产的29台。以上海外高桥三电厂为代表的1000MWe 超超临界机组，其2010年的供电煤耗达279gce/kWh，为世界上最先进的水平。这一1000MWe 超超临界机组每度电的二氧化碳排放要比全国平均水平低200 g/kWh以上。发展高参数高效率的超超临界机组，关键是材料。现在能够满足600℃ 蒸汽参数超超临界机组的合金铁素体（Ferrite）和合金奥氏体（Austenite ) 材料已经在现有600℃超超临界机组中得到大规模的应用。 为了进一步将机组的净效率提高到50% 以上， 就必须将蒸汽温度提高到700℃以上，这样，能够满足600℃ 蒸汽参数的合金铁素体和合金奥氏体材料已经不能满足要求，必须采用镍基合金材料。
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