1.1　火電機組簡介

煤炭是我國的主要一次能源，我國電力行業的發展依賴于煤炭。21世紀以來，風能、太陽能、生物質能、核能等新能源技術得到很大改進，但是仍然存在一定的技術問題，新能源技術的發電總量遠遠不能滿足我國對電力的需求。有關統計數據表明，截至2016年年底，我國的整體裝機容量達到16.5萬億千瓦，其中火電的裝機容量達到整體裝機容量的74%，近年來，我國能源生產能力穩步提高。在今后的一段時期，煤炭依舊作為我國主體能源，其地位不會改變。當然，我國能源利用方式粗獷，能源形勢復雜嚴峻等問題依然存在，而高效和清潔的利用煤炭資源是保障能源安全的關鍵。在火力發電方面，則要求向著更高參數的方向發展，加快淘汰分散的小型燃煤鍋爐。發展超（超）臨界技術，繼續提高機組參數是實現我國能源結構調整的有力手段，是保障生態環境的有效辦法，也是未來火力發電行業的大勢所趨，意義重大。可以看出，我國燃煤發電裝機容量呈繼續增加的趨勢，在未來相當長一段時間之內，燃煤發電依舊是我國電力供應的主要途徑，并且處于相當重要的地位。

火力發電廠是利用煤炭、石油、天然氣或其他燃料的化學能生產電能的工廠，火力發電廠類型很多，但從能量轉換觀點分析，其基本過程是：燃料的化學能—熱能—機械能。而火電機組是燃煤火電廠設備組件中的關鍵部分。火電機組的熱力系統由鍋爐、汽輪機與過熱器、再熱器、凝汽器、高低壓加熱器和除氧器等主要輔助設備構成。其簡要的生產過程是：煤粉送到鍋爐的爐膛燃燒（化學能轉為熱能），加熱爐膛四周管內的水而變成蒸汽，蒸汽被送到汽輪機沖動轉子而使之轉動（熱能轉為動能，動能又轉為機械能），汽輪機帶動發電機發電（機械能轉為電能）。

鍋爐設備是火電機組主要的熱力設備之一，它的任務是使燃料通過燃燒將化學能轉變為熱能，并以此熱能加熱水，使其成為一定數量和具有一定品質（壓力、溫度等）的蒸汽。火力發電廠中所采用的鍋爐，通常都是容量很大、參數很高、結構十分復雜、機械化和自動化程度較高的鍋爐。這種鍋爐被稱為電廠鍋爐或電站鍋爐。鍋爐包括燃燒設備和傳熱設備，傳熱設備通常稱為鍋爐受熱面。由爐膛、煙道、汽水系統以及爐墻和構架等部分組成的整體，稱為鍋爐本體。除鍋爐本體之外，還有供給空氣的送風機、排除煙氣的引風機、煤粉制備系統、給水設備和除灰除塵設備等一系列輔助設備。將一定數量的燃料和相應數量的空氣送入爐膛內燃燒，燃燒所釋放出的熱量，通過鍋爐受熱面（即換熱表面）傳遞給水，使水在定壓下汽化而形成一定壓力和溫度的蒸汽。簡單來說，鍋爐的生產過程就是燃料的燃燒、熱量的傳遞、水的汽化和蒸汽的過熱等。

電廠鍋爐的主要參數為蒸汽參數，指過熱器出口處蒸汽的額定表壓力和額定溫度。通常蒸汽表壓力不超過6MPa的稱為中壓或低壓鍋爐；在6～10MPa之間的稱為高壓鍋爐；在10～14MPa之間的稱為超高壓鍋爐；在14～22.13MPa之間的稱為亞臨界壓力鍋爐；蒸汽表壓力超過22.13MPa的稱為超臨界壓力鍋爐。目前，國內將壓力大于25MPa的稱為超（超）臨界鍋爐，準確來說應該叫高效超臨界鍋爐。

汽輪機是火力發電廠和核電站的原動機，是一種外燃回轉式動力機械。通過它將蒸汽的熱能轉換成機械能，借以拖動發電機旋轉發電。與內燃機相比較，汽輪機具有可利用多種燃料、運行平穩、單機功率大、效率高、使用壽命長等一系列優點。由于每臺汽輪機都配有調節保護裝置和其他輔助設備，汽輪機得以連續安全、經濟運行并適應外界負荷的變化。汽輪機與發電機的組合稱為汽輪發電機組。汽輪機按照進汽參數分類如表1-1所示。

1.1.1　火電機組的分類

由于水在加熱過程中會汽化，一個飽和壓力下必然對應一個飽和溫度，在水的定壓加熱過程中，每個壓力下，水都將經歷一個未飽和水點、飽和水點、濕飽和蒸汽點（x點）、干飽和蒸汽點（b點），直至過熱蒸汽點。隨著壓力的增高，飽和水點有向右移動的趨勢，干飽和蒸汽點有向左移動的趨勢，汽化階段隨著壓力的增高而逐漸縮短，當兩點重合時，這點就是水的臨界點，此時飽和水與飽和蒸汽已經沒有任何差別。因此，水的臨界點p=22.129MPa，T=374.12℃。

就蒸汽的壓力與溫度參數而言，可以將發電機組分為超高壓、亞臨界、超臨界、超（超）臨界發電機組，具體可參照表1-1。

超高壓火電機組一般是指蒸汽參數在12～14MPa的鍋爐和汽輪發電機組。

亞臨界火電機組蒸汽參數低于水的臨界狀態點，一般指蒸汽壓力在16～19MPa的鍋爐和汽輪發電機組。將蒸汽參數超過水臨界狀態點的參數，統稱為超臨界機組（Supercritical，SC）。一般超臨界機組的蒸汽壓力為24～26MPa，其典型參數為：p=24.1MPa，T=538℃/538℃；國內正在建造的600MW超臨界機組的參數為：p=25.4MPa，T=538℃/566℃；或p=25.4MPa，T=566℃/566℃。

超（超）臨界機組實際上是在超臨界機組參數的基礎上進一步提高蒸汽壓力和溫度，國際上通常把主蒸汽壓力在24.1～31MPa、主蒸汽/再熱蒸汽溫度為（580～600℃）/（580～610℃）機組定義為高效超臨界機組，即通常所說的超（超）臨界（USC）機組。國內正在建設的超（超）臨界機組（USC）的主蒸汽p=25～26.5MPa，T=600℃/600℃。

在超臨界和超（超）臨界狀態，水由液態直接變為氣態（由濕蒸汽直接變為熱蒸汽、飽和蒸汽），熱效率高。因此，超臨界，超（超）臨界發電機組已經成為國外尤其是發達國家主力機組。火電機組隨著蒸汽參數的提高，機組效率不斷上升。根據實際運行的燃煤機組的經驗，亞臨界機組（17MPa，538℃/538℃）的凈效率為37%～38%，一般超臨界機組（24MPa，538℃/538℃）的凈效率為40%～41%，超（超）臨界機組（30MPa，566℃/566℃）的凈效率為44%～45%。從供電煤耗來看，亞臨界機組為330～340g/（kW·h），超臨界機組為310～320g/（kW·h），超（超）臨界機組為290～300g/（kW·h）。由于機組效率提高，污染物的排放也相應減少，經濟效益十分明顯。

目前，由于超高壓火電機組已不常見，基本退出運行，故本書不介紹該類機組。亞臨界、超臨界、超（超）臨界發電機組是目前廣泛應用的火電機組，本章主要將對這三類機組進行介紹。

1.1.2　亞臨界火電機組

據《2015中國電力年度發展報告》統計，截至2014年年底，600MW及以上容量機組占全國火電機組容量的41.58%，300～600MW（不含600MW）占比35.75%，300MW以下（不含300MW）占比22.67%。我國的火電中大部分的燃煤機組主要是亞臨界機組，還有相當一部分100MW及以下的機組。我國的亞臨界火電機組主要是300MW和600MW火電機組，多數300MW級機組主要興建于20世紀80年代末至90年代，主蒸汽皆為亞臨界參數，國產300MW機組歷經早期型、引進型以及相應的改進和優化，熱耗率有進一步的降低，實際完成的供電煤耗，引進型機組最低為358g/（kW·h），比進口機組高31g/（kW·h），經第3階段優化后的機組為340g/（kW·h），已接近進口機組水平。其中較早投產的至今已服役20年左右。一般機組設計壽命為30年，然而多數火電機組（尤其是汽輪發電機組）實際服役的壽命可長達40年或者是50年以上。然而，如果讓我國分布在各地數量不菲的300MW級機組多運行若干年，由于機組在熱耗、煤耗等經濟指標上明顯落后于參數更高的600MW級、1000MW級在役機組，則勢必要影響我國節能、減排、降耗的效果，延緩我國“低碳經濟”“綠色能源”的進程。因此，低功率的火電機組可能面臨被淘汰的形勢。

相對參數更高的機組，600MW亞臨界機組鍋爐出事故的概率較小，具有安全穩定性。亞臨界機組消耗電能更低，壓力參數及系統的漏泄量較低。與亞臨界相比，超臨界鍋爐壓力高，給水泵、循環泵消耗電能較多；亞臨界機組沒有復雜的啟停操作，與超臨界相比，啟停操作相對簡單，熱損失較低。超臨界壓力鍋爐為了保證水冷壁和過熱器的冷卻，再啟動必須建立一定的啟動壓力和流量，所以超臨界機組必須裝置一套專用的啟動系統，啟動操作復雜，熱損失也隨著增大。此外，亞臨界火電機組相對超臨界安全性更高。超臨界直流鍋爐由于壓力高，容易發生膜態沸騰，對直流鍋爐的水冷壁質量要求高，安全性有所降低。

目前，600MW亞臨界火電機組已在我國得到廣泛應用，成為我國燃煤機組的主力機型，本身具有可靠性強，耗能低、排放指標達標的較好水平，但與國外先進機組相比仍有一定差距，需要在生產運行中不斷研究分析，建立整體優化理論體系，在節能、環保、安全穩定運行方面進行進一步優化，提升使用效益，力爭達到世界先進水平。

1.1.3　超臨界火電機組

超臨界機組是指主蒸汽壓力大于水的臨界壓力的機組，即壓力不小于22.12MPa，常規超臨界參數（conventional supercritical）機組，其主蒸汽壓力一般為24MPa左右，主蒸汽和再熱蒸汽溫度為540～560℃；常規超臨界機組的效率可比亞臨界機組高2%左右。常規超臨界機組的典型參數是24.1MPa，538℃/566℃，對應的發電效率為40%～42%。

此外，自1990年以來，我國先后從美國、俄羅斯等國引進了一批超臨界機組。1992年在上海石洞口二廠建成第一座超臨界2×600MW機組，后陸續建成了南京2×300MW、營口2×300MW、盤山2×500MW、伊敏2×500MW和綏中2×800MW等超臨界機組。2004年建成的我國第一個國產超臨界機組——華能沁北電廠2×600MW機組如圖1-1所示。之后相繼引入超臨界技術制造安裝大量的國產機組，這些機組的安裝、調試及運行對我國研究、設計、制造和管理超臨界機組有極大的幫助。

伴隨著中國電力工業的發展，火電機組仍有相當大的潛力和市場。十多年來，我國已投運了一大批超臨界機組，具體見表1-2。超臨界機組具有較好的技術性能，投運后不僅在提高發電煤炭利用率和降低污染方面發揮了一定的作用，而且通過這些機組的成功運行，我國電力行業掌握了超臨界機組電站的設計、調試、運行、檢修技術，積累了豐富的應用經驗和培養了大批技術人員，為我國超臨界和超（超）臨界機組的應用奠定了基礎。

超臨界機組是火電機組大家族中的“節能減排新星”。超臨界機組和亞臨界機組比較具有如下特點。

①熱效率高、熱耗低。超臨界機組比亞臨界機組可降低熱耗2.5%，故可節約燃料，降低能源消耗和大氣污染物的排放量。

②在超臨界壓力下，水和蒸汽比熱容相同，狀態相似，單相的流動特性穩定，沒有汽水分層和在中間集箱處分配不均的問題，不需要像亞臨界壓力鍋爐那樣用復雜的分配系統來保證良好的汽水混合，回路比較簡單。超臨界鍋爐水冷壁管道內單相流體阻力比亞臨界汽包爐雙相流體阻力低。

③可靠性好。在目前的潔凈煤發電技術中，超臨界機組發電技術運行可靠性能相比于亞臨界機組來說更高。超臨界機組可用率及可靠性與亞臨界機組相當，已被國內外超臨界機組電廠的運行實踐所證實。據統計美國7臺1300MW超臨界機組，可用率在83.03%以上，平均年運行在7000h以上。日本的可用率在90%以上，俄羅斯的可用率在87.8%以上。我國已投運的超臨界機組可用率也比較高。石洞口二廠2臺機組的平均可用率為88.02%。在可靠性上不存在超臨界、亞臨界兩種機組的差異，也不存在機組容量越大，其可靠性越小的問題。

④可調性較好。同樣完好的超臨界機組與亞臨界機組如能配備好的熱工自動控制系統，便有良好的調節性能，超臨界機組鍋爐無厚壁元件（無汽包），變負荷性能好，可適應電網調峰的要求，其允許的最低負荷和負荷變化率與亞臨界機組相仿，帶中間負荷已經有成熟的經驗。600MW超臨界機組晚間調峰負荷可為300MW（50%ECR）左右，國內石洞口二廠單機最低負荷可達180MW（30%ECR），亞臨界機組調峰也只在50%左右。無論超臨界機組還是亞臨界機組，都設計為復合變壓運行，這種運行方式為定壓—滑壓—定壓。在高負荷運行時保持額定壓力，使機組具有最好的循環效率。在中間負荷范圍，采用變壓運行，可使汽機的內效率較高和熱應力較小；在低負荷時蒸汽比容大，運行經濟性好，注意保持最低的許可供汽壓力，以防止壓力過低出現流動不穩等現象，故有最佳的綜合效益。超臨界機組具有夜間停機、快速啟動以及頻繁改變負荷的能力，使機組在高負荷和低負荷時都保持高效率。總之，只要亞臨界和超臨界機組都配有好的自控系統，兩者調節性能相差不大。

⑤環保指標先進。超臨界機組具有明顯的排放優勢。超臨界機組在達到高發電效率的同時，通過采用煙氣脫硝、煙氣脫硫等技術降低污染物的排放。

⑥造價低廉。超臨界鍋爐價格比亞臨界鍋爐高出5%左右，汽輪機的價格變化不大，而整個火電機組價格增加2%～3%。雖然電站的投資費用增大2%左右（隨著科技進步和單機容量增大，高級鋼材的價格將有所下降，電站的單位造價將減少），但超臨界機組的供電效率可提高2%左右，并且燃料的價格不斷上漲，4年左右能用所節省的煤量折價去抵消投資費用的增量部分，因此在我國煤價相對較高的東南部廣大地區使用超臨界機組比較有利。超臨界機組不同容量造價比較見表1-3。

從表1-3中數據可以看出，100MW超臨界機組的單位造價最高。理論計算和工程實踐證實：大容量機組比同參數的較小容量機組效率要高。超臨界機組蒸汽壓力高、比熱容小，汽機高壓缸葉片短，加上級間壓差大，影響內效率，故超臨界及超（超）臨界參數更適用于大容量機組。600MW超臨界機組和兩臺同參數的300MW超臨界機組相比，它的投資可減少10%～20%，占地面積減少20%，熱耗降低0.5%，并且制造和安裝周期可縮短，由以上分析看出，作為超臨界機組300MW容量偏小，因此綜合考慮我國電網的運行情況認為：選用600～1000MW范圍超臨界機組比較合適。并在金屬材料許可的情況下，提高蒸汽參數，有利于提高熱效率。

總結來看，盡管超臨界機組具有很多優點，但是我國超臨界機組的發展還存在一些不足。

①超臨界機組的控制系統比亞臨界機組更復雜。超臨界機組與亞臨界機組相比，其動態特性要復雜得多，主要體現在以下幾個方面。

a.超臨界機組鍋爐中水、汽不能自動分離，只能采用直流鍋爐。由于沒有汽包的緩沖，機爐緊密牽連，超臨界鍋爐動態特性受擾動的影響比汽包式鍋爐大。物流和能流互相耦合，從而在各個控制回路，如給水、汽溫及負荷控制回路之間存在著很強的非線性耦合。

b.超臨界機組的被控特性復雜多變，機組的動態特性參數隨著機組負荷的變化而變化，在調峰時更是發生大幅度變化。為了提高經濟性，超臨界機組普遍采用變壓運行，既是超臨界機組有時也在亞臨界壓力范圍內運行。由于亞臨界、超臨界區工質特性的巨大差異，使超臨界機組呈現很強的非線性特性和變參數特性，遠比常規的亞臨界機組難于控制。

c.與同容量的亞臨界機組相比，超臨界機組蓄熱量和蓄質量相對較小，故負荷調節的靈敏性好，可實現快速啟停和調節負荷；但由于超臨界機組對外界的擾動響應較快，因而更容易產生較大的熱偏差，引起較大的溫度波動，甚至發生超溫、超壓爆管。由于超臨界機組的動態特性比亞臨界機組復雜，更難于控制，為了保證超臨界機組的運行穩定性和經濟性，因此必須研究運用非線性控制技術、容錯控制技術、信息融合等現代控制理論和高新技術，必須采用高性能、高可靠度的自動控制系統。

②材料方面的問題。在超臨界鍋爐上，重要元件的材料性能是很關鍵的。如高壓蒸汽管、聯箱、過熱器管和水冷壁管，這些都要符合蠕變強度的要求，這對所用材料提出了很高的要求。

1.1.4　超（超）臨界火電機組

超（超）臨界機組是在超臨界機組參數的基礎上進一步提高蒸汽壓力和溫度，國際上，通常把主蒸汽壓力在24.1～31MPa、主蒸汽/再熱蒸汽溫度為（580～600℃）/（580～610℃）的機組定義為高效超臨界機組，即通常所說的超（超）臨界（USC）機組。國內正在建設的超（超）臨界機組（USC）的主蒸汽p=25～26.5MPa、T=600℃/600℃。

超（超）臨界火電機組在超臨界機組的基礎上更進一步降低了熱耗，將凈效率提高到了45%以上，故可節約更多燃料，降低能源消耗和大氣污染物的排放量。表1-4列舉了2010年度中國600MW級機組供電煤耗。因此，發展超（超）臨界技術對整個發電行業的節能減排有十分重要的意義。表1-5列舉了我國部分超臨界和超（超）臨界機組技術指標。

從表1-4和表1-5中可以明顯看出，在發電應用中，超（超）臨界火電機組無論是與超臨界火電機組還是與亞臨界機組比較都具有顯著的優勢。它的熱效率比超臨界火電機組高出近1.2%，與亞臨界機組比較，同等容量下，超（超）臨界火電機組能源消耗少，而且少使用6%的優質煤，少排放將近10%的二氧化碳；從單位電力的煤炭消耗量來看，超（超）臨界火電機組比超臨界火電機組節約近30%，比亞臨界機組節約了50%左右；在供電煤耗和節能減排方面明顯優于超臨界火電機組和亞臨界機組。據調查，超（超）臨界火電機組比亞臨界機組的硬件要求更高，需要更多更高級的金屬配件，超（超）臨界火電機組比亞臨界機組的市場造價高出5%左右，但是超（超）臨界火電機組的燃煤量少，排污少，所以企業無論是從綜合收益還是社會形象的角度出發，選擇超（超）臨界火電機組非常必要。

從能源資源、環境、發電技術和可持續發展分析，在未來的幾十年內煤炭仍然是中國的主要能源。火力發電機組仍將是電力工業的主力機組。超（超）臨界發電技術最具技術成熟性，它把高效、大容量、清潔、節水結合在一起，已成為目前燃煤火電機組發展的主導方向，是滿足中國電力可持續發展的重要發電技術。

我國政府、產業部門、華能集團公司及其他電力公司對超（超）臨界發電技術給予了高度重視，近年來在研究開發、示范及推廣應用3個層次上均取得了較大進展。超（超）臨界發電技術在中國有著廣闊的發展前景，使煤炭發電達到包括CO2在內的污染物的近零排放。掌握其核心技術、支撐技術和系統集成技術，形成具有自主知識產權的“綠色煤電”技術，并使其逐步推廣應用，實現煤炭發電的可持續發展變得非常重要。經過幾十年的發展，超臨界和超（超）臨界機組技術趨于成熟，并有節能和減少污染等效益，發展600MW及以上的超臨界和超（超）臨界機組，是當前發展火電機組首選的高效潔凈發電技術。

超（超）臨界機組比超臨界機組更復雜，關鍵技術要求更高，對金屬材料的要求更高，耐高溫金屬材料的研究生產和整個機組的自動控制系統是發展超臨界和超超臨界機組的關鍵。大力發展超（超）臨界火電機組技術，研制耐高溫金屬材料和機組自動控制系統非常必要，應用前景廣闊。