超临界化：优化我国火电结构应从这里起步

超临界化：优化我国火电结构应从这里起步宋之平(华北电力大学研究生部，北京100085)[摘要]文章认为优化火电结构应放在超临界化上，使超临界机组和超超临界机组在我国火电中占据举足轻重的比例。而且这些机组的主要性能指标以及环保性能等应不逊于同类机组的国际水平。论述了超临界技术在优化火电结构的特殊作用，指出超临界化已被证明是改造和优化火电结构的一种成功的道路，阐明了我国实施这一发展道路的必要性和可能性。[关键词]火电结构；超临界；超超临界；可持续发展战略[中图分类号]TM611[文献际识码]A[文章编号]1009-1742(2002)02--0022-061.我国的电力建设和电力技术1997年12月在东京召开的联合国气候变化公约第三次缔约方会议上，国际能源机构IEA的报告中提出了一种论点，认为电力技术是步入21世纪和可持续发展未来的桥梁。说明电力技术的水平与可持续发展战略的实施有着密不可分的联系。截至改革开放之前，我国全国的装机容量实现了从1.85GW至65GW的飞跃。改革开放以来的二十年，是我国电力建设大发展的时期，至1987年我国电力装机上了一个新台阶，达到了100GW；又过了不到十年即1995年就达到200GW，此后短短的五年中，即2000年4月19日又进而实现了300GW的装机。我国的电力事业就是带着这世界上少有的辉煌成就踏入了新的世纪。然而就火电技术水平而言，与国际先进水平还有不小的差距。表现之一就是长期来我国的火电平均供电煤耗居高不下，在九十年代初是412g/kWh，经过了90年代10年的发展，供电平均煤耗仍在400g/kWh左右徘徊，比先进国家高出约70~80克之多。我国是世界上主要的煤炭生产大国和消费大国之一，以煤炭为主要一次能源。电力工业是煤炭的主要用户。发达国家所生产的煤炭绝大部分用于发电，目前我国全国生产的煤炭约有45%用于发电，今后这个比例还要大幅度上升。所以生产同样多的电量供电煤耗比国际水平竟高出25%之多这不是个一般性的技术问题和经济问题，而是涉及可持续发展战略的大问题。何况我国火电生产的规模还在急剧扩大，国际上的节能降耗水平也在日益提高，降低全国火电煤耗问题需要认真对待。2.优化火电结构的重要性和紧迫性煤耗高的原因很多，但从宏观上讲就是火电的总体结构落后。目前我国的火电结构大致是单机容量300MW及以上、100MW~210MW、100MW以下各占三分之一，在庞大的火电容量中，超临界机组，包括投运的和计划在建的不过寥寥十余台，低效小机组数量很大，直到1998年底全国单机容量在50MW及以下的小凝汽机组有30.5GW。解决供电煤耗问题，从根本上讲就是要优化火电结构。火电结构建设也和其他的基本建设一样，就其形成过程而言有快有慢，取决于建设的规模和速度，可是一旦形成就不是一朝一夕能够改变的。按照我国经济发展分三步走的战略，到2000年在解决温饱之后要基本达到小康水平，到2010年要达到富裕小康水平，到21世纪中期要达到中等发达国家水平。为了满足我国工业化和现代化建设对电力的需要，电力工业肩负着光荣而艰巨的任务，尤其是21世纪前10年到20年，是我国电力发展的关键时期。预计到2010年全国装机容量将达到540GW，到2020年，全国装机容量将达到900GW左右，换言之，21世纪前20年中平均每年新增装机30GW左右，其规模之大，连续时间之长，是世界上所没有的。与此同时，电网互联，其中包括跨大区联网和全国联网，以及跨国输电和联网，将会得到更快的发展。可见，新世纪的最初一、二十年对电力建设是一个承前启后的重要时期。由于电力建设的规模、速度和惯性，这一段不长时期的建设结果，会在相当长的一段时期内体现我国电力工业总体面貌和特征。我国的火电事业发展如此迅猛，几年就增1×108kW的容量，所以发展道路十分重要。优化火电结构是个受到普遍关心的战略性的大问题。它与技术环境、经济环境和体制、机制间有着相互的作用和反作用关系。不同的发展道路就会铸造出不同的发展结果，直接影响着今后一个相当长时期内我国电网中火电主力机组的构成。所以这是一个既重要又紧迫的重大问题。3.超临界技术在优化我国火电结构中的特殊地位新世纪进入了知识经济时代，高新技术的采用是这一时代的重要特点。近年来火电方面的高新技术和前沿课题不断涌现，超临界机组，燃气蒸汽联合循环，PFBC，IGCC，正压煤粉炉联合循环以及热能动力与化学过程的结合等等，体现了火电事业的前进方向。在这些方向中，一个传统的课题--效率，在新的世纪里不但没有弱化，反而更多地被我们关注。因为一次能源的利用效率既是经济问题，也是资源问题，又是环境问题，与可持续发展战略有着密不可分的联系。从效率的角度，一些火电高新技术的现状和发展情况如图1所示。图1.一些火电高新技术的现状和发展情况Fig.1Netefficienciesofstate-of-the-artfossil-firedpowerplants单纯从效率的角度，最诱人的当属燃用天然气的燃气蒸汽联合循环，其效率目前巳超过50%，并向55%~60%迈进，其他方面的指标也很优越，所以不少国家，特别是日本，在发展大容量高效率的燃气蒸汽联合循环方面进展很快。在我国的一些地区发展这种装置也很有必要。这类装置在全国大面积地采用将受到限制，原因是我国的能源结构特点很突出(见表1.)，一方面煤炭很丰富，另一方面天然气很少，1997年只占一次能源总量的1.9%。目前也只有2.7%，而世界能源结构中这一比例超过20%~25%.在今后我国的燃料构成中，即使计入西气东送和天然气进口管线的建成，我国以煤为主的燃料结构不会发生重大改变，这就决定了在我国火电主要是煤电的大格局。表1世界上主要国家一次能源消耗情况(1997)Table1.Worldprimaryenergyconsumption1997国家能源消耗各种能源消耗占能源总消耗的比例/%总量(油当量)/108t石油天然气原子能煤炭水力日本5.0652.611.616.517.71.6德国3.4040.120.912.925.50.5法国2.4437.612.841.85.42.4意大利1.5859.830.7-7.12.5英国2.2536.134.311.318.00.2加拿大2.2736.129.79.411.713.2美国21.4439.526.68.624.61.4印度2.6031.98.51.056.22.4中国9.0520.51.90.475.31.8合计85.0939.923.27.327.02.7高效低污染的燃煤火电装置中循环流化床联合循环即PFBC-CC有很好的性能。这种装置能达到可观的效率，且在燃烧过程中除硫，流化床内温度一般控制在850一900℃，可抑制NOX的生成。目前的PFBC-CC已经实现了100MW功率等级机组的商业化示范运行，最高巳达到350MW机组。由于低温燃烧，影响了燃气轮机的燃气初温，从而限制了这种装置效率的发展，但第二代带有炭化炉和一个顶置燃烧室的PFBC-CC可望超越效率的限制。另一个具有发展前景的就是整体煤气化燃气蒸汽联合循环装置，即IGCC。IGCC目前已经实现了250MW功率等级机组的商业化示范运行，供电效率已经达到40％-43％。这两种燃煤联合循环机组既能提高发电设备的供电效率，还能同时解决因燃煤而带来的严重污染问题,因而今后具有广阔的发展前景，是21世纪火电技术的重要发展方向之一。正压煤粉炉联合循环是更先进的燃煤火电装置。火电的进一步的发展必然是与化学反应相结合，因为化学反应的实质就是原子间的重新排列，永远伴随着能量的释放、吸收和转换，与化石燃料热能动力有着本质的渊源关系，有可能从源头上把动力生产与环境保护过程统一起来。早在50年代前苏联的邱汉诺夫教授就大力倡导化工动力系统。近年提出的以煤的气化为基础的多联产系统、化学链燃烧动力系统、甚至目前兴起的燃料电池热都可归到这一范畴。尽管上述这些技术有着光辉的发展前景，但就世界范围内，它们还处于示范阶段，有的在大型化方面还有很长的路要走，有的尚处在初步探索阶段，均难以成为迅猛发展的我国大火电结构调整中的主力技术。优化我国火电结构就是用当代高新技术武装我国的火电系统使之发生结构性的更新换代，为今后进一步的发展建立一个良好的基础。这里所采用的起步技术，要有多方面的考虑。首先它应能适应我国国情和如此规模、如此速度的火电建设和优化火电结构紧迫性的要求，性能指标上要足够先进，技术上要足够成熟(至少在世界范围内是这样)，单机规模要足够大，要能适应以煤电为主的要求，同时在设备造价、机组的可用率和负荷适应能力等方面具有良好的性能。从这个意义上讲，与其他的火电高新技术不同，大容量超临界和超超临界参数火电机组发电技术具有特殊的地位和作用。自从1957年第1台超临界火电机组投入商业化运行以来，巳有了40多年的实践，目前世界上已有600多台超临界机组在运行，效率一般都大于40%，最高达到47%，最大单机容量达到1300MW，可用率基本上与亚临界机组相仿，机组造价也与亚临界机组接近。