21世纪发电新技术.docx

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21世纪发电新技术

21世纪发电新技术

中国工程院院士国电东北公司总工程师　黄其励

1 回顾与现状

   1831年法拉弟发现电磁感应原理后，相继出现了三大发明：

励磁电机、电灯、电话，从而引起电力技术革命。

1882年世界第一座较正规的发电厂建成，容量671．5kW，到1996年末全世界电力装机容量2．773TW，发电量达11601TWh；我国1882年在上海建成第一个12kW发电厂，到1998年装机容量277GW，发电量1167TWh。

一个世纪以来，电力得到如此迅速的发展，是由于它在使用上的高效、清洁和方便，电不但给家庭带来光明、舒适，更是一个国家现代化、工业化的标志之一。

　　在经济发展、社会进步的同时，人们认识到了一个严峻的现实：

几亿年形成的矿物质燃料储量是有限的，地球自净化的环境容量也不是无限的，在经济高速发展进程中，人类过度消耗能源的同时，严重地污染了自己赖以生存的地球和空间，能源与环境是进入21世纪必须考虑的四大难题之首――能源、环境、人口和粮食。

节约能源，抑制化石燃料的过度消耗；保护环境，净化人类生存的有限空间；开发与利用再生能源与新能源，带来在环境及价格上均有竞争能力的能源革命。

既满足人类当前发展的需要，又不对后代人满足其需求的能力构成危害，这一“持续发展”已成为人类当前和未来共同遵循的迫切问题。

1．1我国能源形势

   我国是一次能源储量丰富的国家，但从可持续发展观点看，存在着十分严重的能源问题。

1．1．1人均能源不足，人均能耗低而单位产值能耗高我国人均煤炭探明储量为世界均值的51．3％，石油仅为11．3％，天然气只有3．78％。

1996年，人均商品能源消费量为世界平均值的55％，为发达国家平均值的1／6；家庭人均用电量只有美国的2．4％；单位国民生产总值能耗（能源消耗强度）高于发达国家和发展中国家平均值。

1．1．2一次能源分布不均 煤炭探明储量中，山西、内蒙古及陕西占65．2％；可开发水能资源中，近67．8％集中在西南地区；松辽、渤海湾、塔里木和准噶尔盆地的石油资源占全国的52．6％；天然气总储量中，2／3分布在中西部，而经济发达的东南沿海地区则缺乏能源。

1．1．3我国是世界上少数几个以煤为主要一次能源的国家，是世界最大煤炭生产国与消费国。

煤炭提供了70％的工业燃料和动力、60％的化工原料。

80％民用商品能源。

由于煤炭耗量大，而烟气净化装置又不完善和低效，使得环境污染成为我国经济发展的一大拦路虎。

1．1．4发电用能源占一次能源比重低电是优质。

高效、可靠、清洁的二次能源，世界各国电力增长速度始终高于经济增长速度，发电用能源占一次能源比重逐年增大。

1992年统计，这一比重为：

加拿大60．8％、法国53．6％、英国36．3％、日本51．2％、德国36．9％、意大利32．2％、美国40．8％；但我国目前只有28．8％左右。

1．1．5能源利用效率低   初步分析表明，到2050年我国煤炭供应能力的极限为1857Mtce、石油143Mtce、天然气239Mtce；经济可开发水能全部开发利用为260GW，年发电相当于229Mtce；再加上核电装机200GW，年发电量相当于360Mtce；可再生能源370Mtce，于是一次能源总供应能力约3200Mtce。

但如果按目前大量增加能源消耗来支撑经济的增长，则2050年一次能源需求约为6000Mtce。

显然，这是不可能的，也是不应该的，必须靠节约能源这“第六能源”和新能源来解决可持续发展对能源的要求。

   我国能源系统效率很低，以1992年为例：

能源系统的总效率＝32％（开采效率）*70％加工、贮运、转换效率）*41％（终端利用效率）=9，2％，不到发达国家的1/2。

为此必须依靠科学技术大力提高能源利用效率。

1.2我国电力工业概况

   我国电力工业，建国五十年来取得了举世瞩目的伟大成就（表1）。

项目\年代

1949

1989

1998

2005

2010

2015

电力装机

GW

1.85

126.6

277

350～355

436

540

世界顺位

21

2

发电量

TWh

4.3

584.6

1167

1614

世界顺位

25

2 

   但是与国外电力工业相比有很大差距。

1．2．1电气化程度很低  1998年我国人均装机0．222kW，人均发电量只有927kWh，为世界平均值的1／3，为发达国家的1／6～1／10，还有6000万人左右没有用上电；电能在终端能源消耗中的比例低，发电用煤炭消耗占煤类产量的比例远低于发达国家。

1．2．2单机容量小，供电煤耗高  我国200Mw以下机组占火电装机的58％，1997年全国平均供电煤耗408g/kWh，比世界先进水平高70～80g/kWh；

1．2．3电网薄弱，供电可靠性差

   长期以来，投资结构不合理（表2），使主网尤其城网、农网薄弱，输配电容载比低、线路“瓶颈”处多；陈旧低效设备多，仅64、73型高耗能变压器全国有20GVA待更换；线损高，比先进国家高2～3个百分点。

1995年全国电网线损率为8．77％，其中110kV及以下配网损失占60％；供电可靠性与国际水平差距大（表3）。

　　　　　　　　　　　　　　　　　表2主要国家发、输、配电工程投资比

国家

北美、英、日

法国EDF

中国“八五”期间

投资比例

1：

（0.43～0.47）:

（0.6～0.8）

1:

0.67:

1.6

1:

0.23:

0.2

　　　　　　　　　　　　　　　　　　表3各主要城市供电可靠性比较　

国家（城市）

巴黎、伦敦

东京

英国

中国

大连、烟台

供电可靠性%

99.989～99.99

99.997

99.97

99.724

99.85

年平均停电时间分钟

50～58

10

157

1451

788

1.2.4实现可持续发展环境问题压力大

　　我国是世界上少有的几个以煤炭为主要一次能源的国家，动力煤灰份高（28%～30%），含硫量大于）1％的煤炭占40％，发电能源构成中，煤电比例大，1995年为76.0％，由于经济、技术及环境标准等多方面原因，烟气除尘效率低，SO2排放处失控状况，我国酸雨面积已占国土面积的1／3。

1997年统计，6MW及以上火电厂SO2排放约6．83Mt约占全国工业排放量的30％。

因此采取政策、技术、管理各方面的措施，实现防治结合、综合治理、提高能效、控制污染的目标，成为电力工业可持续发展的关键问题。

　　电力是通往强国富民、可持续发展的桥梁，虽然近几年，由于全国经济结构的调整，使电力供需矛盾得以缓和，但这是用电低水平下的暂时缓和，进入21世纪后，为满足新世纪国民经济发展的需要，电力工业必将较快发展。

   江泽民同志在《正确处理社会主义现代化建设中的若干重大关系》1995．9.28）中指出：

“在现代化建设中，必须把实现可持续发展作为一个重大战略。

要把控制人口、节能资源、保护环境放到重要位置，使人口增长与社会生产力的发展相适应，使经济建设与资源、环境相协调，实现良性循环。

”为实现这个目标，大力发展高效、洁净的“绿色电力”，必须成为下世纪我国电力工业发展的主旋律。

2  高效发电新技术

　　提高发电效率既节约能源，又减少污染，是新建火电机组，改造在运发电机组的头等大事。

2．1发展超临界参数的大容量火电机组

　　为提高热效率，各国火力发电机组都积极采用超临界参数的大容量机组（表4、表5）。

　　　　　　　　　　　　　表4全世界大容量火电机组的单机容量及投运年份

项目\机组轴类型

单轴

双轴

单轴

容量MW

500

1000

1300

800

1200

投运年份

1960

1963

1973

1971

1980

　　　　　　　　　　　　　　　　表5我国火电机组单机容量变迁表

项目\投运年份

1956

1958

1958

1959

1967

1969

1972

1974

1978

1986

1999

容量MW

6

12

25

50

100

125

200

300

引进600

引进600

引进800

设计发电煤耗g/kWh

786

576

480

452

409

333

327

313

306

303

320.9

　　美国第一台试验性超临界（31MPa，621/566/566°C）125MW机组于1957年投入运行，到80年代初期美国超临界机组投运了170套，占总装机容量25％，单机最大容量为1300MW；原苏联到1985年投运了185台超临界机组，占当时原苏联火电装机的50．5％；日本、德国及英国、意大利等国也不甘示弱，相继投入超临界机组，经近四十年努力，超临界技术日趋成熟，可靠性与亚临界机组等同，热效率明显提高（表6、表7）。

超临界汽轮机热耗比亚临界机组低192．559kJ／kWh，相对热效率改善约为2．5％。

特别是丹麦Vestkraft电厂1992年投运的407MW机组（25．1Mk，560／560℃），经优化设计和改进，供电效率达45．3％（供电煤耗272g/kWh），为超临界机组树立了榜样。

　　　　　　　　　　　　　　　　表6部分超临界机组可靠性举例

电厂\项目

机组容量MW

可用率%

美国

马歇尔电厂

2×630

88.7（1985年）

勃鲁斯电厂

2×1120

94（1985年）

蒙太尔电厂

2×1300

连续运行607天

AEP电力公司

7×1130

平均EAF=83.3

韩国保宁电厂

500

88.92（1994）

中国

石洞口二厂

2×600

91.47（1994）

华能南京电厂

2×300

连续运行1700多天（到1998年底）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　表7部分超临界机组经济性举例

电厂\项目

蒸汽参数

机组效率%

投运年份`

丹麦Vesk电厂407MW

25.1MPa,560/560°C

45.3

1992

法国STAUDINGE厂550MW

25MPa,540/560°C

42.5

1992

德国ROSTOCK电厂559MW

25MPa,540/560°C

42.5

1994

韩国500MW

24MPa,538/538°C

41

石洞口二厂

600MW

24.2MPa,538/566°C

41.09

1992

西门子设计

400～1000MW

27.5MPa,589/600°C

>45

1999

丹麦拟建设

412MW

28.5MPa,580/580/580°C

49

1998

平圩电厂

600MW

17MPa,537/537°C

36.9

1989

　　随着超临界机组技术的成熟、可用率提高及耐热材料研制成功，人们开始涉足超超临界机组（超超临界蒸汽参数界限规定为：

24.1Mk，566℃）。

缺乏能源及对超临界机组的设计与运行积累了一定经验的日本成为研究超超临界机组的开路先锋。

日本川越电厂两台700MW超超临界压力机组（31MPa，566／566／566℃）分别于1989年和1990年投入运行，其热效率在100％和50％负荷下为41．9％和40％，比一般超临界机组（24MPa，538／566℃）热效率相对提高5％，最低稳定运行负荷为10％，自动化程度高，两台机组仅需一名运行人员。

由于耐高温金属材料的开发成功，初参数为24.1MPa，566／593℃的700MW机组已在日本碧南电厂投运，初温为593／593，649／593℃机组的验证试验正在进行，超超临界机组最终目标拟达到34．3MPa，649／593／593℃，机组热效率可达44％。

　　丹麦Nordjyllandsvaerket电厂3号机组，1998年10月投运，蒸汽参数28．5MPa，580／58O／580℃，燃用烟煤，由于采用一系列合理利用能源的技术，如13级抽汽回热、滑压运行、回收冷却器热量、调速马达、水充分利用、高度自动化等，使其在凝汽运行时热效率47％，最大抽汽运行时热效率为90％。

它同时有良好的环保性能，采用低NOx燃烧器，在选择性脱硝（SCR）装置前后NOx分别为170～200mg/MJ和<=40mg/MJ；电气除尘器效率99．9％；还采用了湿法脱硫（FGD），副产品石膏用于生产水泥。

　　我国己投入运行和在建的超临界机组有6000MW，筹建中4200MW，均为进口机组。

目前已选定河南沁北电厂2×600MW作为超临界机组国产化的示范项目。

　　超临界与临界机组在相对造价及运行性能方面的比较如表8、表9：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　表8不同参数删MW机组的比较

项目\参数

16.7MPa,538/538°C24.2MPa,538/566°C

24.2MPa,538/538°C

24.2MPa,538/566°C

相对造价%

0

+2.0

+2.6

相对热效%

0

-1.8

-2.5

最低负荷% 3030～40（煤）

15～20（油） 

30

30～40（煤）15～20（油）

运行方式

每日启停

变压运行（欧洲）

每日启停

变压运行（日本）

负荷变化率（%/min） 

3～5

3～5

 　　　　　　　　　　　　　　　　　表9不同容量超临界机组造价比较

项目\机组容量MW

100

200

300

600

800

1000

1300

相对造价%

100

88

80

70

67

65

63

单位造价美元/kW

1230

1100

1030

980

950

　　归纳一下，超临界、超超临界机组有如下特点：

（1）机组热效率高，可靠性好，环保指标先进；

（2）可复合变压运行，调峰性能好；

   炉内为单相介质，流动特性稳定；锅炉无厚壁元件，变负荷性能好；螺旋管圈管间吸热偏差小；内螺纹管允许较低质量流速而不发生膜态沸腾；低负荷时蒸汽比容大，运行经济性好；本生型垂直内螺纹管水冷壁，锅炉可在20％负荷下运行；

   （3）蒸汽压力高，蒸汽比容小，汽轮机叶片短，加之级问压差大，影响内效率，因而超临界及超超临界参数更适于大容量机组。

   因此，发展600MW及以上的超临界、超超临界机组，将是下世纪我国发展火电机组首选的高效洁净发电技术。

2．2建设有大容量火电机组群的大电厂

   为发挥坑口电站靠近煤矿的运输及供煤的优势，世界上建设大型火电厂的趋势有增无减。

1996年底，世界上2000MW以上大型火电厂有82座，其中4000MW以上的5座，3001MW～4000MW的24座2501～3000MW的24座，2000～2500删的有29座。

世界最大的燃褐煤和燃烟煤的火电厂分别是波兰的贝尔哈托夫电厂和南非的肯达尔电厂，最大的燃气和燃油电厂分别是俄罗斯的苏尔古特第二火电厂和日本鹿岛火电厂，其装机容量分别为4320MW／4116MW，4800MW和4400MW。

到1994年底，我国已投运和在建的装机容量1000MW以上火厂有56座，100%为燃煤，其中有5座的燃料为煤与油。

300MW机组有91台500MW有6台。

600MW有15台、800MW有2台，其中超临界机组6台。

由于我国电力设备制造能力缺口约20%，因此可考虑进口部分单轴900MW、双轴1300MW超临界机组，同时积极安排超超临界参数火电示范机组的建设以促进和带动我国大型火电机组的设计、运行，并有利于与核电制造技术相结合，促进核电技术的发展。

   但是，由于架设高压输电线路需占地并有相关的环境问题，有时还需砍伐大量原始森林，因此遭到公众的异议或反对，使国外架设高压输电线路变得越来越困难。

为充分利用量多面广的可再生能源发电，方便安全地向偏僻少能源地区供电等原因，现在建设分散性电源的呼声和行动，也渐渐高涨和发展。

   总之，在发展电源时，要考虑节能、环保、调峰。

充分利用可再生能源，井参照各国的具体情况。

我国近期，则应以发展超临界参数的大机组、大电厂为主，而辅之以因地制宜建分散电源，以促进新能源发电技术的发展，尽快地解决无电人口的用电问题。

2．3燃气，蒸汽联合循环（CombinedCvcle，简称CC或GTCC）

   众所周知，联合循环就是把在中低温区工作的蒸汽轮机的朗肯（Rankine）循环和在高温区工作的燃气轮机的布雷登（Brayton）循环的叠置，组成一个总能系统循环，由于它有很高的燃气初温（1200℃～1500℃）和蒸汽作功后很低的终温（30～40℃），实现了热能的梯级利用，使总的循环效率很高。

由于涂层技术、耐高温材料和冷却技术的进步等，大大提高了燃气初温（初温为1350℃的701F燃气轮机已投运，初温为1427℃～1649℃的水冷燃气轮机研制中），加之设计、制造技术的进步，使燃气轮机在半个世纪的发展中，不论是燃气初温，单机容量还是压缩机效率都逐步提高。

目前，燃气轮机简单循环的热效率己突破30％，高的可达38％～39．5％，单机功率己超过300MW；蒸汽轮机在一个世纪的发展中，由于蒸汽参数的提高、采用蒸汽再热、三维设计、多级回热及复压式凝汽器等先进技术的应用，使蒸汽轮机经济性不断提高，从而使联合循环发电效率己超过60%（表10）。

　　　　　　　　　　　　　　表10当代先进燃气轮机及联合循环性能

（1）

项目\机型

西屋501-ATS

GE-MS7001H

ABBGT26

西门子KWU

燃汽初温°C

1510

1430

1260

1190

压比

28

23

30

16.6

简单循环净出力MW

290

265

240

简单循环效率%

41

38.5

38

联合循环净出力MW

426

400

396

359

联合循环效率%

61

60

58.5

58.1

（1）《燃气轮机发电技术》1999年No.1"国内外燃汽轮机发电现状和21世纪展望”，糜洪元等。

　　概括一下，燃油或燃气的联合循环的主要优点有：

（1）热效率高，目前为50%～55%，2000年以后渴望达到60%～61%（表11）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表11在联合循环机组举例

电站\项目

燃机型号

联合循环出力MW

燃料

供电效率%

投运日期

日本辅助Futtsu电站

14×STAG109E

2000

LNG

48.5

1985

土耳其Ambarbi

1350

天然气

52.5

1991

韩国Seoinchon电站

8×STAG107F

1910

天然气

54

1992

香港BlaokPoink电站

8×PG9311FA

拟扩到600

天然气

54（设计）52.9（当地）

1996

英国Didcot电站

4×V94.3

1350

天然气

55.5

1996

（2）低污染，环保性能好

   排烟中CO2排放减少45％～50％，没有SO2、飞灰及灰渣排放，NOx排放很低，目前可小于25mg／kg，努力方向为5～9mg／kg

   （3）运行灵活，可日启停、调峰性能好

   由于联合循环发电中70％由启停灵活的燃气轮机发出，故调峰性能好。

一般在20分钟以内，联合循环装置可带2／3额定负荷；

   （4）单位容量投资较低简单燃气轮机每千瓦投资为l00～300美元／kW，汽轮发电机组为600～1000美元／kW，而联合循环发电机组为280～530美元／kW，单机容量越大，单位容量投资越低；

   （5）标准的模块化设计，建设周期短，可分阶段建设，一年内即可发出60％～70％额定负荷；占地少，仅为PC＋FGD发电厂占地的1／3；

   （6）节水，为同容量常规电站用水量的1／3。

   由于上述优点，国外政府鼓励联合循环发电，世界上联合循环装机容量每年递增约20000MW。

美国在1988年，原西德在70年代，新建电厂中联合循环机组容量就超过蒸汽轮机发电机组；日本东京电力公司在横滨建设了世界容量最大的2800MW的CC电站，香港已建设2400MW的CC电站。

　　我国大陆虽然以煤为主要发电一次能源，目前联合循环机组容量仅占全国发电容量的1．5％，但在部分经济发达、缺少煤炭而环保要求高的沿海地区，用引进的UVG或我国西部的天然气，建设联合循环电站，可同时解决高效利用能源、保护生态环境两个目的。

国家电力公司在“十五”中规划拟在广东与华东地区，各建一座300万吨级的LNC电站；在北京拟建一座联合循环电站，容量为300MW，其燃料为陕京天然气，通过管道东送至北京；我国香港正

在建设世界上最大的联合循环发电厂。

   利用联合循环技术，也可对在运的火电厂进行改造，如果原本就是燃油或燃气机组，仅需增加一燃气轮机即可；如果原本是燃煤机组，或加装PFBC或IGCC的燃气轮机发电机组，以实现机组增容、提效和环保的多重目的。

当然，同时需对原有锅炉进行必要的改造，增加部分公用系统。

2．4多联产发电技术

　　热力参数焓是基于热力学第一定律，表示能的数量尺度，热效率是一个热力系统，在能的数量上收支平衡基础上，表示输人能量的利用程度；热力参数是基于热力学第二定律，表示能的作功能力尺度，对于热能，其作功能力与蒸汽初温、初压及环境参数有关，效率则是对一个系统，在能的作功能力收支平衡基础上，表示输入能具有的作功能力的有效利用程度。

把二者结合起来，可表征能源的科学合理利用程度，即所谓总能利用。

它是指某种能源（如燃料），从其高品质（高作功能力）状态起，顺序地按不同的目的被利用，形成“高质高用（如作功），低质低用如（供热制冷），梯级使用，综合利用”的总能利用系统。

总能利用概念的最大好处是可促进能源在质与量上的合理利用，从而得到最佳的能源总体利用效果。

前节所述的联合循环，与单纯的蒸汽轮机或燃气轮机相比就是总能梯级利用的例子，另外，还有如下的总能利用系统的实例：

2．4．1热电联产

　　指的是火电机组在发电的同时，用抽汽或背压机组的排汽进行供热，由于实现了热能的梯级利用，其总的能源利用率为70％～80％。

如果联合循环机组用于热电联产，即高作功能力的燃气（1000℃以上）在燃气轮机中做功，其排气在余热锅炉中产生中等作功能力的蒸汽（500℃以上），驱动汽轮机继续做功，其低作功能力的抽汽或排汽用于工业或生活用汽用热，形成联合循环热电联产，其总的能源利用率可达80％～90％（理论极限为93％）。

热电联产比热电分产可节约能源30％左右。

我国有50万台工业锅炉，年耗煤4亿吨，平均容量2．28吨／时，如果其供热量的一半由热电联产供给，则年可节煤1．2亿吨。

2．4．2热电冷三联产

　　热和冷在本质上都是热在数量上的度量，其区别仅是相对于环境温度而言的“正、负热能”。

热电冷三联产指锅炉产生的蒸汽在背压汽轮机或抽汽汽轮机发电，其排汽或抽汽，除满足各种热负荷外，还可做吸收式制冷机的工作蒸汽，生产6～8℃冷水用于空调或工艺冷却．

　　热电冷三联产的优点：

（1）蒸汽不在降压或经减温减压后供热，而是先发电，然后用抽汽或排汽满足供热