随着燃煤装机总量的增加, 全球将面临严峻的经济与资源、环境与发展的挑战。提高燃煤机组的效率、减少总用煤量、降低污染物排放一直是调整火电结构, 实现可持续发展的重要任务。而随着电力工业装机中高效、清洁的火电机组比例偏低, 结构性矛盾突出, 供电煤耗偏高等问题的突出, 迫切需要研制出新一代发电设备来装备电力工业。新一代发电设备应具备可靠、大型、高效、 清洁、投资低等性能; 能够替代现有的 300MW 和 600MW 亚临界机组, 成为装备电力工业的主流机型; 同时设备制造企业经过努力后能够具备生产能力, 能够形成规模生产和市场竞争局面。通过分析发现, 在多种技术路线中, 通过提高常规发电机组的蒸汽参数来提高效率、 降低排放的超临界和超超临界发电技术, 由于可实现维护能源安全及 CO2 减排的目的且投资额相对不高受到各国青睐。

根据进入汽轮机高压缸的主蒸汽的热力状态不同, 锅炉包括“亚临界”和“超临界”两种。亚临界机组的典型参数为 16.7MPa/538°C/538°C,其发电效率约为 38%。超临界机组的典型参数为 24.1MPa/538°C/538°C, 对应的发电效率约为 41%。超临界机组的热效率比亚临界机组的高 2%~3%左右, 而超超临界机组的热效率比超临界机组的高 4%左右。目前全球运行的发电厂, 平均发电效率在 35%以下, 平均单位电能 (kWh) 煤耗约 320 克标准煤; 亚临界机组的发电效率在 38%左右, 平均单位电能煤耗约 310 克标准煤; 超临界机组的发电效率在 41%左右, 平均单位电能煤耗约 300 克标准煤; 以三菱、日立为代表的日本超超临界机组发电效率在 48%左右, 单位电能煤耗约 265 克标准煤。如果采用超超临界技术发电, 和现在运行的机组效率相比, 单位电能至少可以节煤 50 克。由此可见, 超临界和超超临界发电技术对于节约资源消耗、减少 CO2 排放、实现煤电产业的低碳化可持续发展具有重要意义。

自 20 世纪 50 年代在美国和德国开始投入商业运行以来, 至今超临界机组已大量投运, 并取得了良好的运行业绩, 拥有较多的商业运行经验。从发展历程看, 美国和前苏联是超临界机组最多的国家, 而发展超超临界技术较为领先的主要是日本、德国和丹麦, 超超临界机组的热效率可达 45%~47%, 最大单机容量 1050MW。表 1-1 介绍了国外超临界和超超临界发电技术的发展概况。由表可知, 目前国外机组的特点是: 在保证高可靠性、高可用率的前提下采用更高的蒸汽参数; 采用变压运行方式, 提高机组的灵活性; 配置先进的烟气净化装置, 实现清洁发电。为进一步降低能耗和污染物排放, 在材料工业发展的支持下, 超(超)临界机组正朝着更高参数的技术方向发展, 在保持其可用率、可靠性、运行灵活性和机组寿命等的同时, 进一步提高蒸汽参数, 以获得更高的效率和环保性能。