超超臨界發電有什么“超能力”?

　　不久前，科技部部長王志剛在“中國這十年”系列主題新聞發布會上，多次提到超超臨界發電，他表示，我國連續15年布局研發了百萬千瓦級超超臨界高效發電技術，目前供電煤耗最低可達到每千瓦時264克，大大低于全國平均值，也處于全球先進水平。目前，超超臨界高效發電技術和示范工程已經在全國推廣，占煤電總裝機容量的26%，今后還要進一步大力推廣。

　　“超超臨界發電”一時成為熱門詞匯，甚至在股票市場也成了熱門概念。那么，這個聽上去有些拗口的熱詞，意味著什么樣的科學“超能力”呢?我們邀請暨南大學教授、國際能源學院副院長、能源與動力工程研究所所長王衛良來做些詳細解讀。

2020年11月11日，大唐東營發電有限公司的百萬千瓦超超臨界燃煤發電機組投產

　　“超超臨界”重點在“臨界”

　　用煤來發電，我們大家都知道。可是什么是“超超臨界”呢?這就要先來說說什么是“臨界”。

　　基于物理常識，一般液態純凈物經過加熱或者降壓到一定程度，會發生汽化;而氣態純凈物在經過降溫或者加壓到一定程度，會發生凝結。

　　但任何純凈物都存在一個臨界點，當壓力高于臨界壓力時，無論如何加熱，液體都不會發生汽化;當溫度高于臨界溫度時，無論如何加壓，都不會發生凝結。

　　比如，在常壓下，水加熱到100℃后繼續加熱會汽化成為水蒸氣;而當水的壓力高于22.13兆帕(約大氣壓的221倍)，或者溫度高于374.15℃溫度時，就不再發生汽化與冷凝過程。

　　在臨界壓力或臨界溫度時，純凈物就處于“臨界”狀態;低于臨界壓力或臨界溫度，就處于“亞臨界”狀態;而高于臨界壓力或臨界溫度，就是“超臨界”狀態了。

　　常規火力發電機組(包括燃煤發電、生物質發電等，不包括燃氣發電)是利用煤炭等燃料在鍋爐內燃燒，將水加熱升壓成高溫高壓的水蒸氣，推動汽輪機高速旋轉，再帶動發電機發電。

　　根據熱力學定律，熱力發電過程熱能轉化為電能的效率隨鍋爐出口蒸汽溫度的增加而增加，實際過程需同步提高蒸汽壓力、機組容量等以全面提高系統效率。

　　經過上百年的發展，火力發電機組大體經歷了低溫低壓(低于2.45兆帕、400℃)、中溫中壓(3.9兆帕、450℃)、高溫高壓(9.9兆帕、540℃)、超高壓(13.8兆帕、540℃)、亞臨界(16.7兆帕、540℃)、超臨界(22.4兆帕、570℃)、超超臨界(25至31兆帕、580℃至620℃)等參數等級，正在研制先進超超臨界(35兆帕、700℃至760℃)等級發電技術。

　　其中，超臨界、超超臨界，以及正在研制的先進超超臨界等級機組的初始參數都處于超臨界狀態，其余等級機組的初始參數都處于亞臨界狀態。

　　嚴格來說，純凈物只有“臨界”“亞臨界”“超臨界”三種狀態，并不存在什么“超超臨界”。超超臨界參數本質上就是比之前超臨界參數高一個等級的參數，屬于行業約定的范圍。所謂“超超臨界發電技術”，就是指利用給水泵將水升壓至超超臨界壓力，再通過鍋爐內燃料燃燒將水加熱至超超臨界溫度后，通過汽輪發電機組進行發電的高效發電技術。

　　超超臨界發電技術是當前世界最先進的火力發電技術，可在同步實現污染物超低排放的同時，將供電煤耗率降低至每千瓦時265克以下;正在積極研制的先進超超臨界發電技術，更是有可能將供電煤耗率進一步降低至每千瓦時225克以下。

　　超超臨界發電技術是在我國富煤、貧油、少氣的基本國情下，實現能源電力高質量發展的重要途徑。

火電機組技術進步與供電煤耗下降情況

　　曲折發展走過70余年

　　超超臨界發電的概念在技術領域并不新鮮，從最初提出開始，目前已在全球范圍內發展了70余年，大體可分為三個階段。

　　第一階段，從20世紀50年代開始，以美國、德國和前蘇聯等為代表，在未經歷超臨界參數過渡的情況下，直接研制超超臨界發電技術。但隨后由于諸多超超臨界機組頻繁發生故障，從20世紀60年代后期開始，這些國家普遍將新建機組的蒸汽參數降低到超臨界范圍。

　　第二階段，大約是從20世紀80年代初開始，超臨界技術得到鞏固發展。隨著材料技術的發展，特別是鍋爐和汽輪機材料性能的大幅提升，以及對電廠水化學方面的深入認識，早期超臨界機組遇到的系列故障問題被逐一攻克。

　　第三階段，大約是從20世紀90年代開始，超超臨界發電技術重獲新生。隨著國際上環保要求日益嚴格，以及新材料的成功開發和常規超臨界技術的成熟，超超臨界技術的發展擁有了更好的條件。以日本(三菱、東芝、日立)、歐洲(西門子、阿爾斯通)的技術為代表，在保證機組高可靠性、高可用率的前提下，采用更高的蒸汽溫度和壓力成為火電技術發展的主流趨勢。

　　在中國，超超臨界技術的應用起步較晚，但發展速度迅猛，走過了前期技術轉讓以及后期自主研發的整個過程。2003年下半年，科技部將超超臨界機組參數與容量的選擇列入“863”科技攻關課題，開始了超超臨界火電機組的研制。隨后哈爾濱電氣集團、上海電氣集團和東方電氣集團分別從日本三菱、法國阿爾斯通和德國西門子、日本日立等公司引進1000兆瓦超超臨界技術，開始建造1000兆瓦級超超臨界機組。目前，超超臨界高效發電技術和示范工程已經在全國推廣，占煤電總裝機容量的26%。中國已是世界上1000兆瓦超超臨界機組發展最快、數量最多、容量最大和運行性能最先進的國家。

　　材料創新研發期待突破

　　為進一步降低能耗和減少污染物排放，改善環境，在材料工業發展的支持下，各國的超超臨界機組都在朝著更高參數的技術方向發展。這就要求進一步提升鍋爐出口蒸汽的溫度和壓力。當前的超臨界合金材料，最多可以承受630℃以下的溫度范圍。進一步提升鍋爐出口蒸汽溫度，則需要研發更先進的耐更高溫度的合金材料，并通過配套焊接、制造工藝等系統研發，在保障安全的基礎上盡量減少價格高昂的耐高溫合金材料的使用。因此，材料成本和關鍵設備制造工藝是目前影響700℃超超臨界發電技術的最大障礙。

　　當前世界主要經濟體正在開展的700℃等級先進超超臨界技術研發，可以認為是超超臨界技術發展的重要方向。對此，歐盟起步最早，于1998年1月正式啟動AD700先進超超臨界發電計劃。原計劃通過示范電站的運行和技術完善，在2011年左右實現機組商業化運行。然而由于高溫合金鋼和奧氏體鋼價格昂貴，而相對便宜的鐵素體鋼性能還沒有達到預期目標，整個項目的投資會大大增加，導致本計劃一再推遲。目前歐盟還沒有興建示范電廠的具體計劃。

　　美國、日本等國家在發展先進超超臨界技術方面也有自己的計劃，目前都還沒有進入商業化的相關報道。

　　我國于2010年7月23日在北京成立“國家700℃超超臨界燃煤發電技術創新聯盟”。根據700℃高效超超臨界發電技術的難點，我國初步確定700℃計劃示范機組容量采用600兆瓦等級，壓力和溫度參數為35兆帕/700℃/720℃，機組采用緊湊型布置，并制定了初步研發進度。原計劃在“十二五”末建立660兆瓦、35兆帕/700℃/720℃的示范電站，由于耐高溫材料等研制的影響，項目進度也在推遲。

2009年10月4日，觀眾在北京展覽館觀看具有世界先進水平的百萬千瓦超超臨界發電機組中的金屬葉片。