煤电的低碳化发展路径研究

2.2 高效燃煤发电技术

2.2.1 超高参数超超临界燃煤发电技术

超高参数超超临界燃煤发电是指将燃煤发电机组参数从现在的600 ℃等级进一步提升至650 ℃等级乃至700 ℃等级，从而达到提升发电效率的目的。

过去的几十年里，煤电机组一直都在向大容量、高参数发展。目前，全世界煤电机组的蒸汽参数稳定在600 ℃等级，部分机组提高到620 ℃。机组容量基本上以600 MW和1 000 MW为主。目前，中国已投产600 MW等级超临界和超超临界机组已超过600台，已投产超超临界1 000 MW机组达到137台。2016年，成功投运了最先进的1 000 MW等级600 ℃/620 ℃/620 ℃超超临界二次再热机组，净效率已达47%。在国家持续投入和支持下，煤炭的先进清洁高效发电技术取得了显著进步，机组参数、数量、能效指标均跃居世界首位。

在700 ℃发电技术领域，尤其是高温镍基合金材料方面，国外已经开发出了几种适用于700 ℃机组的镍基合金材料，完成了700 ℃电厂的概念设计，基本为700 ℃机组的建设做好了技术储备。我国700 ℃发电技术的研究也紧跟世界步伐。相关科研单位筛选和开发了一批高温合金材料，在华能南京电厂建成了700 ℃部件验证平台，完成了25 000 h关键高温部件的验证，运行情况良好。同时也正在瑞金电厂二期开展试验性应用。另外，已开发了主蒸汽大管道、高中压转子合金，目前正在进行产业化试制和部件性能验证。

初步预计：2025年，实现650 ℃等级超超临界燃煤发电机组的工程示范，净效率不低于47%；2035年实现650 ℃等级超超临界燃煤发电机组的大规模商用；2035年实现700 ℃等级超超临界燃煤发电机组的工程示范，净效率不低于50%； 2045年实现700 ℃等级超超临界燃煤发电机组的大规模商用。

在700 ℃超超临界蒸汽发电技术的基础上进一步提升温度参数，发电系统效率提升有限，即便温度到达800 ℃，净效率也很难突破55%，且随着温度的提升，高温合金材料的开发成本和制造成本均成倍增加，材料瓶颈问题突显。因此在实现700 ℃等级超超临界燃煤发电机组商用后，不建议向更高参数发展。

2.2.2 超临界CO2循环高效燃煤发电

超临界CO2循环高效燃煤发电技术是通过采用超临界CO2代替水作为循环工质，采用布雷顿循环代替朗肯循环作为动力循环的一种新型燃煤发电技术。在600 ℃等级，超临界CO2循环燃煤发电机组供电效率可比传统水循环发电机组提高3百分点~5百分点；700 ℃等级，超临界CO2循环燃煤发电机组供电效率可比传统水循环发电机组提高5百分点~8百分点。

2004年，美国能源部（DOE）开始超临界CO2循环发电技术的研发，目标是为核电站、太阳能光热发电、余热利用等研发下一代动力设备。2011年美国能源部开始实施“Sunshot”计划，旨在将超临界CO2布雷顿循环系统付诸商业化。该研发项目主要进行10 MW超临界CO2发电机组研发和测试，实验测试在美国Sandia国家实验室下属的核能系统实验室（NESL）进行。2014年起美国能源部实施了化石燃料超临界CO2循环发电研究计划，其目标是使超临界CO2闭式循环比高参数水工质朗肯循环效率高5百分点以上。

2005—2011年，美国Sandia国家实验室在美国能源部的资助下，首先搭建了热功率1.0 MW的超临界CO2布雷顿循环实验回路装置，设计压力为 15.2 MPa，温度为538 ℃，电功率为125 kW。

欧洲和日本也在加紧研究超临界CO2循环。法国电力公司（EDF）开展了燃煤闭式超临界CO2循环研究，东京工业大学、俄罗斯科学院、比利时列日大学开展了半闭式超临界CO2循环研究等。总体上看，对于煤基超临界CO2循环的研究，国外仍处于起步阶段。

我国在该领域的研究与国外的研究基本同步。西安热工研究院有限公司（西安热工院）、中国科学院、中国核动力研究院、清华大学、西安交通大学等单位相继开展了超临界CO2循环的相关研究。国家科技部相继支持了“超临界CO2太阳能热发电关键基础问题研究”“超高参数高效CO2燃煤发电基础理论研究与关键技术研究”“兆瓦级高效紧凑新型海洋核动力装置基础理论及关键技术研究”等重点研发计划项目。经过不懈的努力，国内在超临界CO2循环构建、超临界CO2流动传热机理等方向上的部分成果达到了国际先进水平。

西安热工院的5 MW超临界CO2循环发电验证平台（图2），已于2020年12月建设完成。该平台最高压力为21.5 MPa，最高温度为600 ℃，最大流量为306 t/h，是目前世界上容量最大、参数最高的超临界CO2循环验证平台。该平台的建成投运将极大地推动新型高效发电技术的发展和工程应用。