清洁高效煤电设备的技术创新(1)
日期：2010-11-22 11:03:05 点击：
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作者： 未知
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作者： 未知
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一、引言
发电设备的技术进步对国民经济发展具有重要意义。我国虽然是拥有多种资源的国家，但以煤为一次能源的火力发电仍是电力生产的主要方式，预计到2020年，煤电装机容量仍将占58％，发电量占65％。能耗高和环境污染严重是目前我国火力发电行业需要解决的两大突出问题。发展清洁高效的煤电设备有利于提高能源利用效率，减少一次能源的消耗，是火电结构优化和技术升级的重要命题，是我国能源工业可持续发展的保证，也是建设能源节约型、环境友好型社会的重要举措。
我国环境保护形势严峻，大量煤炭燃烧产生的二氧化碳、二氧化硫等污染物排放造成一系列生态保护问题，并承受国际社会的压力，胡锦涛主席在联合国气候变化峰会上的讲话中对中国减排目标已经做出了郑重承诺。煤电污染减排的主要途径是大规模采用清洁高效发电装置。在国家节能减排战略方针的引导下，今后我国电源建设将逐步过渡到以清洁高效燃煤发电机组为主。近期采用超超临界燃煤机组（USC）、大型循环流化床等业已成熟的先进发电技术，中长期将发展整体煤气化燃气/蒸汽联合循环发电机组（IGCC）和更高参数的超超临界机组（A-USC）等清洁煤电新技术。
大容量、高参数的超超临界煤电机组和第二代以F级燃气轮机为核心机的IGCC发电装置应成为“十二五”及以后我国洁净煤发电技术创新的重点。2008年我国平均发电煤耗349g/kwh，比工业发达国家高出近40g/kwh。如果大规模采用高效、清洁的发电技术，可望使2020年我国的平均供电煤耗下降到310g/kwh，届时预测煤电发电量为44870亿千瓦时，一年相当于节约标准煤约1.8亿吨，少排放CO2约5.5亿吨。
二、超超临界机组的现状与发展
超超临界火电机组是世界上成熟先进的发电技术，目前主蒸汽/再热汽温度为600℃的超超临界机组供电效率可达44～45％，在经济发达国家中广泛应用并得到了显著的节能和减少污染的效果，并且正进一步向更高参数方向发展。
从2003年起，我国发电设备制造企业与国外制造商合作，引进大型超超临界火电机组技术。上海、哈尔滨和东方三大动力集团分别从西门子、三菱以及日立公司等引进了超超临界技术。2006年，采用引进技术生产的1000MW超超临界火电机组分别在玉环电厂、邹县电厂成功投运，标志着我国电力设备的制造水平跨上了一个新的高度。据统计，截至2007年底，发电设备制造企业承接和投标的600MW等级超超临界机组达到76台，1000MW超超临界机组达到94台。未来的五年内，中国将有近百台600MW，1000MW超临界和超超临界煤电机组投入运行。超临界和超超临界参数的大型循环流化床和大型空冷机组的技术开发也正在进行中。
虽然我国超超临界机组取得了举世瞩目的发展，但国内制造企业技术创新的瓶颈仍然明显，主要表现在超超临界机组用高温高强度材料国产化研制和应用性能研究工作薄弱，超超临界机组600℃等级新型耐热钢尚未实现国产化，大型铸锻件目前还依赖进口，价格居高不下和货源紧缺制约超超临界机组发展；技术对外依存度高，目前超超临界机组仍须由国外厂商进行性能设计，国内制造企业尚未完全掌握超超临界机组设计核心技术；超超临界机组的辅机及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；关键共性技术研究体系尚不完善，由于技术来源不同，各发电设备制造企业的超超临界机组存在不同的技术流派，对关系到行业技术发展的共性技术尚未有效地组织起开发体系，缺乏共性技术研究平台。
根据电力工业中长期发展新的预测，到2020年，我国装机总容量将达到16亿千瓦，其中煤电装机总容量按60%比例计为9.6亿千瓦。按保守的估计，新增煤电装机容量的80%采用超超临界机组，再加上2020年前后我国服役期满的大批亚临界机组更新，未来十年我国超超临界机组的市场将有数亿千瓦计的需求量。
表1超超临界机组现有及将来技术参数
必须注意的是，世界上超超临界技术正在向更高水平发展。日本、美国及欧洲等工业发达国家制订了一系列的超超临界火电技术的中长期发展计划，积极开发34.3MPa/650℃以及40MPa/700℃新钢种系列，使超超临界机组朝着更高参数的技术方向发展。比较引人注目的是欧盟1998年启动700℃级先进蒸汽参数的超超临界技术开发项目“AD700计划”，预计到2015年完成。其战略目标是采用700℃/720℃蒸汽参数的超超临界机组更换538℃/566℃蒸汽参数的老机组，将热效率提高到52%以上，使欧盟成员国的火电机组的技术水平处于世界领先水平；同时减排CO2约30％，满足《联合国气候变化框架公约》京都议定书的要求。目前AD700计划已经进入工业试验阶段，预计在2020年前，700℃参数超超临界机组将投入商业运行。美国能源部也在2002年启动了燃煤电厂超临界和超超临界机组的高温高强度合金材料研究项目（属于VISION21），主要研究确定760℃和871℃温度的合金材料对燃煤电厂运行和效率的影响、生产加工及涂层工艺的研究，确定成本目标并提高合金材料和生产工艺的商业化程度。
根据我国的现实情况，实现超超临界机组技术再创新，增强国内制造业的核心竞争力仍是当务之急。应在消化吸收引进技术的同时，加强国内自主创新的支持力度，重点解决高端材料、关键部件和设计技术等核心技术问题，逐步形成具有我国特色的、具有自主知识产权的超超临界成套设备设计制造技术，具备产品自主优化和自主升级能力，积极应对未来发电设备市场激烈的国际竞争。
三、整体煤气化燃气/蒸汽联合循环（IGCC）的技术创新问题
目前世界上发展的清洁高效煤发电技术，除超超临界技术外，还有利用煤化工中已经成熟的煤气化技术，集成燃气轮机联合循环技术实现高效清洁发电，其代表技术为整体煤气化燃气/蒸汽联合循环（IGCC）。同时IGCC因有可能进行CO2的捕捉、实现近零排放更加引人注目，被列为绿色煤电，和超超临界机组一样，成为二十一世纪具有竞争力的发电技术。但目前IGCC因系统相对复杂、投资偏高以及可靠性等问题还需要进一步解决，大规模进入我国电力工业还需要有待成熟和完善。
表2IGCC机组现有及将来技术参数
整体煤气化联合循环（IGCC）发电装置中，煤气化装置和燃气轮机是关键设备。用于IGCC系统的燃气轮机除了应具备常规燃气轮机的技术性能外，还具有燃用中低热值煤气、氮气回注、大流量气体燃料调节系统，叶片防腐以及与IGCC相适应的燃机控制系统等特殊要求。为了提高热效率，联合循环应配置多压再热的余热锅炉和汽轮机。这方面我国目前与国外的技术差距较大，国内尚未引进先进的煤气化设备设计和制造技术、IGCC系统集成技术、F级IGCC燃气轮机改型技术和自动控制技术。基于E级燃气轮机的IGCC关键技术自主研发和示范工程建设还处于起步阶段。F级重型燃气轮机由于仅引进了制造技术，设计核心技术研究尚未充分开展，还不具备自主改型和技术升级的能力。要使IGCC进入大规模建设，满足我国电力市场对清洁高效煤电设备的需求，必须在集成技术和关键技术取得突破，其中包括先进的“F”级、“H”级燃气轮机技术、高效率的热煤气净化技术、离子膜制氧技术以及发电用大容量高性能煤气化装置。
目前国内电力行业对IGCC装置易于实现CO2捕捉比较感兴趣。但国外发表的资料表明，在捕捉CO2的同时，会造成一定的IGCC电站出力和效率损失。主要是因为厂用电会增加和合成气热值减少，使得总净效率相对减少约19%。同时由于增加CO2捕捉和压缩设备，电站的比投资也将进一步增加。因此，在评价IGCC电站经济性时，必须考虑到这方面的因素。作为参考，图1表示IGCC和燃煤电站F级天然气联合循环电站成本比较。
四、加强清洁高效煤电设备技术创新的建议举措
（1）聚焦国家战略，依托重点工程，开展清洁高效煤电技术十二五规划研究，推进自主创新。围绕国家经济社会发展和能源安全的战略需求，通过十二五规划的研究制定，安排和启动清洁高效煤电成套装备的国家重大装备研制计划和国家重大科研计划，加大技术创新的支持力度。在清洁高效煤电设备高温高强材料和大型铸锻件国产化设计制造核心技术、成套设备系统集成和优化等方面的关键技术实现突破，增强自主创新能力，改变国内制造行业技术对外依存度高，综合竞争能力较弱的不合理局面。
开展对700℃超超临界机组技术的前瞻性研究，掌握国外700℃超超临界机组技术的开发状况，通过相关技术的预研究，为我国700℃超超临界机组开发进行技术储备，提出我国发展700℃等级超超临界火电机组的技术路线和实施建议方案。
开展F级IGCC发电装置的系统集成及关键技术研究，扩大研究规模，完善试验基地，掌握IGCC燃气轮机关键技术，逐步形成自主开发的技术实力。重点进行IGCC发电装置系统优化技术研究、IGCC燃气轮机改型技术研究、低热值煤气燃烧技术研究、自动控制技术研究及IGCC装置可靠性技术研究。
（2）构建新型行业共性技术创新体系，增大关键共性技术供给能力。建立以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的技术创新体系，充分发挥清洁高效煤电技术领域的国家工程研究中心、国家工程实验室、国家认定企业技术中心的技术开发平台作用。利用大型企业集团和转制研究所的优势资源，围绕重点发展的领域和优势项目，建立共性技术研发和转化的产业技术创新联盟和技术创新平台，集全国之力，加快推进清洁高效煤电机组技术的消化吸收和自主开发，加强关键共性技术研究开发，实现一批核心技术的突破，形成一批拥有自主知识产权的科研成果，提高重大技术装备关键共性技术的供给能力。
(3)培养技术创新领军人才和创新团队，构建高端人才聚集优势。通过清洁高效煤电设备重大装备研制计划和重大科研项目的实施，支持发电设备制造企业引进清洁高效煤电技术的领军人才和技术团队，聚集领域高端人才，集中优势力量突破技术瓶颈，掌握核心技术。人才是第一资源，科技创新关键在人才，支持和鼓励技术要素参与分配，充分发挥科技人才的积极性、主动性、创造性。制定人才培养计划，积极推进创新团队建设。
(4)加强国际合作，推动企业创新能力建设
利用多种方式与国外合作，以引进技术消化吸收再创新为重点，加快缩短与国际先进水平的差距，掌握重大装备设计、制造技术及工程系统集成技术，研发具有知识产权的先进的重大装备。我国能源领域重大装备制造业自主创新能力与跨国公司相比有较大差距，引进消化、吸收、再创新是我国能源领域重大装备制造业尽快提高自主创新能力、进行自主创新的主要途径和有效方法。但事实说明先进的核心技术是引进不来的，当前一些跨国公司进入中国市场的战略出现重大调整，许可证贸易输出技术已转变为资本输出，独资化趋势明显增强，我国企业应加大研发投入，增强自主创新意识，提高自身的创新能力，彻底打破“落后-引进-再落后-再引进”的恶性循环。
（5）加快发展现代化产业体系。促使能源领域重大装备制造业的经济增长由主要依靠物质资源消耗向主要依靠科技进步、劳动者素质提高、管理创新转变，提高科技含量，发挥管理效能。以重大装备系统集成和设备成套为主体，带动产业链的上下游产品、系统配套设备研究、开发、制造水平的提高。（作者：蒋以任）
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发电设备的技术进步对国民经济发展具有重要意义。我国虽然是拥有多种资源的国家，但以煤为一次能源的火力发电仍是电力生产的主要方式，预计到2020年，煤电装机容量仍将占58％，发电量占65％。能耗高和环境污染严重是目前我国火力发电行业需要解决的两大突出问题。发展清洁高效的煤电设备有利于提高能源利用效率，减少一次能源的消耗，是火电结构优化和技术升级的重要命题，是我国能源工业可持续发展的保证，也是建设能源节约型、环境友好型社会的重要举措。
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我国环境保护形势严峻，大量煤炭燃烧产生的二氧化碳、二氧化硫等污染物排放造成一系列生态保护问题，并承受国际社会的压力，胡锦涛主席在联合国气候变化峰会上的讲话中对中国减排目标已经做出了郑重承诺。煤电污染减排的主要途径是大规模采用清洁高效发电装置。在国家节能减排战略方针的引导下，今后我国电源建设将逐步过渡到以清洁高效燃煤发电机组为主。近期采用超超临界燃煤机组（USC）、大型循环流化床等业已成熟的先进发电技术，中长期将发展整体煤气化燃气/蒸汽联合循环发电机组（IGCC）和更高参数的超超临界机组（A-USC）等清洁煤电新技术。
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大容量、高参数的超超临界煤电机组和第二代以F级燃气轮机为核心机的IGCC发电装置应成为“十二五”及以后我国洁净煤发电技术创新的重点。2008年我国平均发电煤耗349g/kwh，比工业发达国家高出近40g/kwh。如果大规模采用高效、清洁的发电技术，可望使2020年我国的平均供电煤耗下降到310g/kwh，届时预测煤电发电量为44870亿千瓦时，一年相当于节约标准煤约1.8亿吨，少排放CO2约5.5亿吨。
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二、超超临界机组的现状与发展
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超超临界火电机组是世界上成熟先进的发电技术，目前主蒸汽/再热汽温度为600℃的超超临界机组供电效率可达44～45％，在经济发达国家中广泛应用并得到了显著的节能和减少污染的效果，并且正进一步向更高参数方向发展。
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从2003年起，我国发电设备制造企业与国外制造商合作，引进大型超超临界火电机组技术。上海、哈尔滨和东方三大动力集团分别从西门子、三菱以及日立公司等引进了超超临界技术。2006年，采用引进技术生产的1000MW超超临界火电机组分别在玉环电厂、邹县电厂成功投运，标志着我国电力设备的制造水平跨上了一个新的高度。据统计，截至2007年底，发电设备制造企业承接和投标的600MW等级超超临界机组达到76台，1000MW超超临界机组达到94台。未来的五年内，中国将有近百台600MW，1000MW超临界和超超临界煤电机组投入运行。超临界和超超临界参数的大型循环流化床和大型空冷机组的技术开发也正在进行中。
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虽然我国超超临界机组取得了举世瞩目的发展，但国内制造企业技术创新的瓶颈仍然明显，主要表现在超超临界机组用高温高强度材料国产化研制和应用性能研究工作薄弱，超超临界机组600℃等级新型耐热钢尚未实现国产化，大型铸锻件目前还依赖进口，价格居高不下和货源紧缺制约超超临界机组发展；技术对外依存度高，目前超超临界机组仍须由国外厂商进行性能设计，国内制造企业尚未完全掌握超超临界机组设计核心技术；超超临界机组的辅机及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；关键共性技术研究体系尚不完善，由于技术来源不同，各发电设备制造企业的超超临界机组存在不同的技术流派，对关系到行业技术发展的共性技术尚未有效地组织起开发体系，缺乏共性技术研究平台。
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表1超超临界机组现有及将来技术参数
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必须注意的是，世界上超超临界技术正在向更高水平发展。日本、美国及欧洲等工业发达国家制订了一系列的超超临界火电技术的中长期发展计划，积极开发34.3MPa/650℃以及40MPa/700℃新钢种系列，使超超临界机组朝着更高参数的技术方向发展。比较引人注目的是欧盟1998年启动700℃级先进蒸汽参数的超超临界技术开发项目“AD700计划”，预计到2015年完成。其战略目标是采用700℃/720℃蒸汽参数的超超临界机组更换538℃/566℃蒸汽参数的老机组，将热效率提高到52%以上，使欧盟成员国的火电机组的技术水平处于世界领先水平；同时减排CO2约30％，满足《联合国气候变化框架公约》京都议定书的要求。目前AD700计划已经进入工业试验阶段，预计在2020年前，700℃参数超超临界机组将投入商业运行。美国能源部也在2002年启动了燃煤电厂超临界和超超临界机组的高温高强度合金材料研究项目（属于VISION21），主要研究确定760℃和871℃温度的合金材料对燃煤电厂运行和效率的影响、生产加工及涂层工艺的研究，确定成本目标并提高合金材料和生产工艺的商业化程度。
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根据我国的现实情况，实现超超临界机组技术再创新，增强国内制造业的核心竞争力仍是当务之急。应在消化吸收引进技术的同时，加强国内自主创新的支持力度，重点解决高端材料、关键部件和设计技术等核心技术问题，逐步形成具有我国特色的、具有自主知识产权的超超临界成套设备设计制造技术，具备产品自主优化和自主升级能力，积极应对未来发电设备市场激烈的国际竞争。
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三、整体煤气化燃气/蒸汽联合循环（IGCC）的技术创新问题
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目前世界上发展的清洁高效煤发电技术，除超超临界技术外，还有利用煤化工中已经成熟的煤气化技术，集成燃气轮机联合循环技术实现高效清洁发电，其代表技术为整体煤气化燃气/蒸汽联合循环（IGCC）。同时IGCC因有可能进行CO2的捕捉、实现近零排放更加引人注目，被列为绿色煤电，和超超临界机组一样，成为二十一世纪具有竞争力的发电技术。但目前IGCC因系统相对复杂、投资偏高以及可靠性等问题还需要进一步解决，大规模进入我国电力工业还需要有待成熟和完善。
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表2IGCC机组现有及将来技术参数
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整体煤气化联合循环（IGCC）发电装置中，煤气化装置和燃气轮机是关键设备。用于IGCC系统的燃气轮机除了应具备常规燃气轮机的技术性能外，还具有燃用中低热值煤气、氮气回注、大流量气体燃料调节系统，叶片防腐以及与IGCC相适应的燃机控制系统等特殊要求。为了提高热效率，联合循环应配置多压再热的余热锅炉和汽轮机。这方面我国目前与国外的技术差距较大，国内尚未引进先进的煤气化设备设计和制造技术、IGCC系统集成技术、F级IGCC燃气轮机改型技术和自动控制技术。基于E级燃气轮机的IGCC关键技术自主研发和示范工程建设还处于起步阶段。F级重型燃气轮机由于仅引进了制造技术，设计核心技术研究尚未充分开展，还不具备自主改型和技术升级的能力。要使IGCC进入大规模建设，满足我国电力市场对清洁高效煤电设备的需求，必须在集成技术和关键技术取得突破，其中包括先进的“F”级、“H”级燃气轮机技术、高效率的热煤气净化技术、离子膜制氧技术以及发电用大容量高性能煤气化装置。
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四、加强清洁高效煤电设备技术创新的建议举措
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（1）聚焦国家战略，依托重点工程，开展清洁高效煤电技术十二五规划研究，推进自主创新。围绕国家经济社会发展和能源安全的战略需求，通过十二五规划的研究制定，安排和启动清洁高效煤电成套装备的国家重大装备研制计划和国家重大科研计划，加大技术创新的支持力度。在清洁高效煤电设备高温高强材料和大型铸锻件国产化设计制造核心技术、成套设备系统集成和优化等方面的关键技术实现突破，增强自主创新能力，改变国内制造行业技术对外依存度高，综合竞争能力较弱的不合理局面。
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开展对700℃超超临界机组技术的前瞻性研究，掌握国外700℃超超临界机组技术的开发状况，通过相关技术的预研究，为我国700℃超超临界机组开发进行技术储备，提出我国发展700℃等级超超临界火电机组的技术路线和实施建议方案。
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开展F级IGCC发电装置的系统集成及关键技术研究，扩大研究规模，完善试验基地，掌握IGCC燃气轮机关键技术，逐步形成自主开发的技术实力。重点进行IGCC发电装置系统优化技术研究、IGCC燃气轮机改型技术研究、低热值煤气燃烧技术研究、自动控制技术研究及IGCC装置可靠性技术研究。
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（2）构建新型行业共性技术创新体系，增大关键共性技术供给能力。建立以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的技术创新体系，充分发挥清洁高效煤电技术领域的国家工程研究中心、国家工程实验室、国家认定企业技术中心的技术开发平台作用。利用大型企业集团和转制研究所的优势资源，围绕重点发展的领域和优势项目，建立共性技术研发和转化的产业技术创新联盟和技术创新平台，集全国之力，加快推进清洁高效煤电机组技术的消化吸收和自主开发，加强关键共性技术研究开发，实现一批核心技术的突破，形成一批拥有自主知识产权的科研成果，提高重大技术装备关键共性技术的供给能力。
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利用多种方式与国外合作，以引进技术消化吸收再创新为重点，加快缩短与国际先进水平的差距，掌握重大装备设计、制造技术及工程系统集成技术，研发具有知识产权的先进的重大装备。我国能源领域重大装备制造业自主创新能力与跨国公司相比有较大差距，引进消化、吸收、再创新是我国能源领域重大装备制造业尽快提高自主创新能力、进行自主创新的主要途径和有效方法。但事实说明先进的核心技术是引进不来的，当前一些跨国公司进入中国市场的战略出现重大调整，许可证贸易输出技术已转变为资本输出，独资化趋势明显增强，我国企业应加大研发投入，增强自主创新意识，提高自身的创新能力，彻底打破“落后-引进-再落后-再引进”的恶性循环。
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（5）加快发展现代化产业体系。促使能源领域重大装备制造业的经济增长由主要依靠物质资源消耗向主要依靠科技进步、劳动者素质提高、管理创新转变，提高科技含量，发挥管理效能。以重大装备系统集成和设备成套为主体，带动产业链的上下游产品、系统配套设备研究、开发、制造水平的提高。（作者：蒋以任）
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