大型發電技術發展現狀及趨勢

鄧清華，胡樂豪，李 軍，豐鎮平(1.西安交通大學 能源與動力工程學院 葉輪機械研究所，西安 710049；2.陜西省葉輪機械及動力裝備工程實驗室，西安 710049)

電能是用途最廣泛、使用最便捷、環境最友好的一種二次能源，對國民經濟的發展和人民生活水平的提高具有非常重要的作用[1]。

當前，世界各國的電力系統大多采用大機組發電、大電網互聯的集中供電模式，其中單機功率超過300 MW的大型電能生產方式主要有燃煤火力發電、重型燃氣輪機及聯合循環發電、核能發電三種，盡管其發展歷史不長，但在需求的牽引下，其技術已取得長足進步。

世界上第一座燃煤電廠于1875年在法國巴黎建成，標志著電力工業的開端，其后歷經140余年的發展，燃煤火力發電的容量從最初為電廠附近照明的數千瓦，發展到最大單機單軸容量1 240 MW，雙軸容量1 350 MW的水平，新蒸汽壓力達到35 MPa，新蒸汽溫度達到610 ℃，一次和二次再熱溫度達到630 ℃。

燃氣輪機從20世紀50年代起應用于發電領域，由于當時發電效率低，只作為緊急備用電源和調峰機組使用。20世紀80年代，隨著燃氣輪機單機功率的提升，以及燃氣-蒸汽聯合循環技術的成熟，燃氣輪機在發電領域得到了發展。用于發電的燃氣輪機主要是重型燃氣輪機，當前先進J級重型燃氣輪機的透平進口溫度達到1 600 ℃，單軸機組的容量達到519 MW，燃氣-蒸汽聯合循環發電效率為60%～63%。

核能在發電過程中不產生污染物的排放，從誕生之日便一直受到廣泛關注。從20世紀50年代開始，核電技術歷經近70年發展，已經從第一代的示范性驗證技術以及第二代的商業化、標準化的核電技術，發展到以美國AP1000和法國EPR技術為代表的第三代更安全、更高功率的核電技術。CAP1400和“華龍一號”作為我國第三代核電技術的代表，現已成為核能發電技術的主流。目前，第四代高溫氣冷堆核電技術已取得突破，世界首座210 MW高溫氣冷堆核電站落戶山東榮成石島灣，600 MW等級的高溫氣冷堆示范項目也在實施中。

本文綜述了大型燃煤火力發電、重型燃氣輪機發電、核能發電三種技術的行業應用現狀、指標參數以及技術瓶頸，分析比較了以上三種大型發電技術的優勢及當前存在的問題，以期為大型發電技術的發展提供參考。

1 大型燃煤火力發電技術

1.1 火力發電現狀

火力發電是當前我國主要的電能生產方式，但其占比逐年降低。截至2018年底，我國火電裝機量為11.4億kW，占全國總裝機量的60%，全年發電量為49 231億kW·h，占全國發電總量的70%[2]，根據中電聯從2013年到2018年發布的火電裝機容量和發電量及其占比的相關統計可以看出，火力發電占全行業的比重不斷下降，其原因主要是新能源、核能的興起，以及環境污染、能源短缺等因素。中電聯預測，到2030年，火電裝機容量的比重將下降到51%，到2050年為38%。

2006年，我國首臺26.25 MPa、600 ℃、600 ℃的1 000 MW超超臨界機組在華能玉環電廠運行，該機組熱效率為45%，供電煤耗為288.5 g/(kW·h)。根據中電聯發布的2017全年實際運行加權的年均供電煤耗數據，全國所有超超臨界1 000 MW機組的平均供電煤耗為282.81 g/(kW·h)，其中最低為山東萊蕪二次再熱1 000 MW機組的270 g/(kW·h)，這標志著我國燃煤發電機組的設計、制造、運行水平和整體能耗指標達到國際先進水平。表1列出了1 000 MW超超臨界機組額定工況汽輪機熱耗和發電煤耗指標。

表1 1 000 MW超超臨界額定工況汽輪機熱耗和發電煤耗指標

另外，燃煤火電機組煙塵、硫化物及氮氧化物的排放數據不斷降低。截至2017年底，全國燃煤電廠100%實現煙氣脫硫，92.3%在運機組實現煙氣脫硝。2017年煙塵、SO2、NO2排放量分別為0.06 g/(kW·h)、0.26 g/(kW·h)、0.25 g/(kW·h)，相比于2012年的0.4 g/(kW·h)、2.3 g/(kW·h)、2.4 g/(kW·h)，均有顯著下降。表2給出了華潤賀州電廠一期(2臺1 000 MW)污染物的排放量。

除了對燃煤電廠進行脫硫、脫硝改造，發展燃煤清潔發電技術是解決燃煤電廠污染物排放的根本途徑。燃煤清潔發電技術主要有增壓流化床聯合循環(PFBC)發電技術、整體煤氣化聯合循環(IGCC)發電技術，以及高效超超臨界(USC)燃煤發電技術[3-4]。

表2 華潤賀州電廠一期污染物排放量

總體上說，我國的燃煤火力發電已從高速增長階段向高質量發展階段轉變，全國發電總量已從“供不應求”變為“供大于求”，大部分燃煤電廠無法滿負荷運行[5]，寬負荷高效回熱系統研究成為提高電廠低負荷運行效率的重要途徑。研究表明，通過將汽輪機的經濟運行工況向低負荷側調整，可以取得較好的節能效果[6]。另外，燃煤電廠正朝著智能化運行方向發展，利用智能化設備和數據管理軟件，對電廠的設備實行實時操控和調節，隨時隨地開展信息化數據的搜集與優化，形成“自分析、自診斷、自適應、自組織、自提升”的運行優化系統，對機組進行靈活監視、智能監視，實現機組高效環保運行，從而降低發電和運營成本[7]。

1.2 汽輪機關鍵技術及現狀

我國大型汽輪機生產商有上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠(上汽)、東方電氣集團東方汽輪機有限公司(東汽)、哈爾濱汽輪機廠有限責任公司(哈汽)。表3給出了我國三大汽輪機制造商1 000 MW超超臨界汽輪機的技術特點[8]。

表3 我國1 000 MW超超臨界汽輪機技術特點

為進一步提高燃煤火力發電的效率，我國從2009年起加快了對超超臨界二次再熱汽輪機的研發。2015年6月，東汽首臺超超臨界二次再熱機組(31 MPa、600 ℃、620 ℃、620 ℃)在華能安源電廠運行[9]。同年11月，上汽1 000 MW超超臨界二次再熱機組在國電泰州電廠投運。汽輪機新蒸汽溫度和壓力的提高以及超超臨界二次再熱機組的發展，對汽輪機葉片以及轉子的強度、耐高溫和耐腐蝕性能提出了更高的要求。現代的超臨界和超超臨界汽輪機的主要結構材料采用鐵素體鋼，傳統的CrMoV、12CrMoV材料在566 ℃條件下達到性能極限[10-11]，先進的10%Cr含量的鉻鋼耐溫極限達到600 ℃。上汽于2006年將其應用在我國首臺600 ℃的玉環超超臨界機組上，至今已有100多臺的業績；而9%Cr含量的鉻鋼耐溫極限達到620 ℃，上汽于2013年將其應用在我國首臺620 ℃的超超臨界機組上，至今已有近50臺的業績。由于在耐高溫材料方面的研究不斷進步，2018年我國汽輪機機組的設計參數提高到了630 ℃。

現階段，對于汽輪機材料的研究主要致力于開發能夠在700～800 ℃高溫環境中有耐氧化和耐腐蝕性的新型材料[12]。另外，汽輪機的大型葉片一般是通過鍛造工藝進行加工，其鍛造技術對汽輪機長葉片結構強度有很大影響[13]。

提高機組熱效率，改善汽輪機在低負荷時的運行效率，優化汽輪機設計制造體系，是汽輪機的發展方向。未來，汽輪機將偏向于多品種、多功能、高效率、開發周期短的個性定制模式[14]。

2 重型燃氣輪機及聯合循環發電技術

2.1 燃氣輪機發電循環及特點

燃氣輪機啟動性能好，占地小，耗水量少，且以天然氣、煤氣等為燃料，對環境污染小，發電是其主要應用之一[15]。截至2017年底，我國燃氣輪機發電機組裝機容量為7 629萬kW，占全國電力裝機容量的4.3%，發電量1 528億kW·h，占全國總發電量的2.4%。

燃氣輪機的基本循環是布雷頓循環。為了提高循環效率以及功率輸出，基于布雷頓循環發展出簡單循環、回熱循環、間冷循環、再熱循環及以上循環組合的復雜循環。

燃氣輪機的排煙溫度很高，為充分利用其能量，往往將燃氣輪機、余熱鍋爐和蒸汽輪機組合成燃氣-蒸汽聯合循環系統。當前常見的燃氣-蒸汽聯合循環有余熱鍋爐型、補燃余熱鍋爐型和增壓鍋爐型三種基本形式。

相比于以天然氣為燃料的燃氣-蒸汽聯合循環，整體煤氣化聯合循環(IGCC)更符合我國“缺油、少氣、富煤”的能源結構。IGCC是將煤氣化技術和燃氣-蒸汽聯合循環集成的發電系統，煤先在氣化爐中氣化為中低熱值的煤氣，凈化后送入燃氣-蒸汽聯合循環系統的燃氣輪機中燃燒做功。IGCC能將污染物排放問題在燃料燃燒前解決，實現在燃燒過程中“低排放”。煤氣化過程不僅可以用于發電，還可以生產燃料，實現多聯產綜合利用，降低生產成本。

然而IGCC發電技術成本高，發電功率小，運行可用率低。目前我國IGCC電站還處于試驗階段，250 MW華能天津IGCC示范電站現已成功并網發電。2018年，該電站連續運行164天，成為世界上連續運行周期最長的IGCC電站，為我國IGCC進一步發展奠定了基礎。世界范圍內，美國在2005年啟動了“先進IGCC/H2燃氣輪機”項目[16]，主要目標是降低污染物排放和提高燃氣輪機發電效率。2007年，日本完成了250 MW IGCC示范電站的建設，現已將IGCC項目的研究作為未來清潔能源系統的一部分[17]。

當前IGCC大規模的商業運行還面臨難題。首先，IGCC系統是將化工和發電兩大系統耦合，在優化設計和長期可靠運行方面均有很高的要求，因此需要進一步提高機組可靠性和利用率。其次，IGCC廠用電率、建造成本以及發電成本過高，IGCC單位造價為9 423～10 830元/kW，發電成本為1.21～3.88元/(kW·h)，明顯高于現有帶煙氣凈化裝置的燃煤電廠[18]，因此降低建造和發電成本是IGCC需要重點解決的難題。

相比于燃煤電站，燃氣輪機污染物排放量小[19]。燃氣輪機燃燒效率高，先進燃氣輪機沒有SO2和煙塵的排放，主要污染物是NOx。以西門子(SIEMENS)生產的SGT5-9000HL重型燃氣輪機為例，加裝選擇性催化還原(SCR)脫硝技術的燃氣輪機NOx排放量為0.005 6 g/(kW·h)，是燃煤發電機組NOx排放量的1/40。研究表明，NOx質量分數往往在機組熱啟動過程中較高[20]，這可以通過減小燃燒室旁路閥的開度來降低。

2.2 重型燃氣輪機的發展及其關鍵技術

燃氣輪機主要由壓氣機、燃燒室、透平三大部件以及控制系統和輔助設備組成。不同于航空或艦船燃氣輪機，用于發電的燃氣輪機一般具有單機功率大、運行可靠、受環境因素影響小等特點。通用電氣(GE)、SIEMENS、三菱重工(MHPS)是世界上三大重型燃氣輪機生產商。目前，先進的G/H級重型燃氣輪機的燃氣初溫超過了1 500 ℃，單機循環效率為40%～43%，聯合循環效率超過60%，盡管如此，重型燃氣輪機仍會朝著更高燃氣初溫、更高循環效率的方向發展[21-22]，當前先進重型燃氣輪機的概況見表4。

表4 先進重型燃氣輪機的概況

透平葉片冷卻、壓氣機穩定流動以及燃燒室燃燒組織是重型燃氣輪機的設計核心[23]。

燃氣輪機效率的提高很大程度上依賴于透平葉片冷卻技術的進步[24]。透平進口溫度不斷提高，而同時冷氣的消耗量受到了嚴格限制，這就需要高效的葉片冷卻技術，當前常見的透平葉片冷卻方式有沖擊冷卻、旋流冷卻、氣膜冷卻等[25]。各大型燃氣輪機廠商均致力于開發新的冷卻技術，以提高傳熱和冷卻效率，滿足更高溫度等級燃氣輪機的需要[26-27]。除此之外，耐高溫材料以及熱障涂層的技術進步也會推動燃氣輪機向更高溫度等級發展[28-29]。

與渦輪不同，壓氣機在逆壓流動環境工作，通常伴有喘振、激波、轉捩、邊界層分離等問題，其工作的穩定性以及良好的通流能力是設計的關鍵技術。為了在提高壓氣機工作穩定性的同時保證流動效率，目前廣泛采用先進的高效葉型設計和整機三維優化技術[30]。

與航空燃氣輪機燃燒室的要求不同[31]，重型燃氣輪機的燃燒室要使燃料充分燃燒，維持燃燒穩定，抑制NOx生成。世界上先進重型燃氣輪機燃燒室一般將旋流器和噴嘴合二為一，這種設計既能使燃料和空氣充分混合，同時也能減小火焰溫度的不均勻性，使火焰更加穩定。

3 核能發電技術

3.1 國內外核電現狀及發展前景

20世紀50年代，美國、蘇聯相繼建成核電站，核電技術逐漸受到關注。20世紀60年代，美國建成了壓水堆、沸水堆、重水堆等堆型的核電站，標志著第二代核電技術的成熟。20世紀90年代初期我國自主設計的大陸首座300 MW壓水堆核電站并網發電，其后我國對第二代核電技術進行了改進，壓水堆核電技術CPR1000在紅沿河等項目中開啟應用。2008年，第三代核電技術AP1000應用于我國三門核電站。在對AP1000技術消化吸收的基礎上，我國自主研發的ACP1000、CAP1400、ACPR1000+、“華龍一號”也已成為第三代核電技術主流。目前，“華龍一號”已與英國、巴基斯坦等20個國家簽署合作意向，標志著我國核電技術已走向全球市場。

2018年，全球在運核電機組447臺，其中我國43臺，占比為9.6%。日本的白崎剎羽核電站是世界上容量最大的核電站，總裝機容量8 212 MW。2018年，我國核電機組發電量為2 944億kW·h，占比4.21%[32]。我國現階段以一次能源發電為主，核能發電占比低，發電量甚至低于風電和光伏發電[33]，發展潛力大。核燃料是清潔燃料，核燃料的利用過程不會對環境造成污染。發展核電既可以減少一次能源的消耗，緩解能源緊張，又可以避免產生污染物，實現清潔發電。

綜上所述，本文主要對裝配式建筑中BIM模塊設計法的應用進行分析，通過研究得知，該技術能夠在戶型總體設計、標準層設計、協同設計中得到廣泛應用。與以往技術相比，能夠使設計步驟得到有效的精簡，并使施工效率與質量得到進一步提高，工程制造變得更加高效，安裝與施工更加精準無誤，充分符合當前時代對構件標準性提出的新要求，有效節約大量建筑成本投入，大力的促進了建筑產業化的發展步伐。

核電優勢明顯，但面臨的問題也比較突出[34]。核安全最受關注，蘇聯切爾諾貝利核泄漏、日本福島核泄漏對當地生態環境造成的影響至今依然存在。核廢料的處理需要非常謹慎，某些高放射性元素的半衰期長達數萬年，一旦處理不慎，將對當地生態環境帶來滅頂之災。另外，鈾礦短缺問題日益突出，我國自產天然鈾產量每年僅為千余噸，而每年對鈾的消耗量超過萬噸，若沒有更多的鈾礦，30年后我國會有許多核電站因為缺乏鈾而停運。

核電技術的迅猛發展，帶動了我國核電裝備的發展[35]，目前我國已經具備了制造1 000 MW級核電站核島和常規島設備的能力。目前上汽已實現了CPR1000汽輪機的完全國產化，且自主設計了第三代核電AP1000汽輪機，以及具有國際先進水平的“華龍一號”機組，這些產品已進入國際市場，表明我國的核電汽輪機設計制造技術已達到國際先進水平。另外，為解決公眾對核電站安全性的擔憂，學術界提出建設地下核電站的方案[36]，研究表明，建設地下核電站技術可行、成本合理、安全性高，將成為我國核電發展的新方向。

3.2 核電汽輪機的關鍵技術

核電新蒸汽參數與火電的不同，使得其汽輪機的特點也有所不同[37]：

1)新蒸汽參數低。壓水堆核電站的新蒸汽壓力為6.0～7.0 MPa，溫度為260～285 ℃，排氣壓力與火電相同，為5 kPa，蒸汽質量流量比火電大。

2)半轉速運行。受到葉片離心應力和材料強度的限制，汽輪機末級葉片不能過長。受汽輪機尺寸的限制，汽輪機設計避免采用過多低壓缸。為了保證大流量蒸汽順利通過汽輪機，其轉速一般為1 500 r/min。

3)單機功率大。我國現階段在運行的核電汽輪機單機功率為600～1 750 MW，當前單機功率最大的核電汽輪機為阿爾斯通(ALSTOM)與東汽共同研制的1 750 MW核電汽輪機，該汽輪機現已在臺山核電站并網發電。

國際上核電汽輪機生產商主要有SIEMENS、MHPS和GE。隨著技術的進步，核電汽輪機還會朝著更大單機功率的方向發展[38]。表5給出了國內1 000 MW核電汽輪機的尺寸參數。

表5 國內1 000 MW核電汽輪機尺寸參數

核電汽輪機經常受到沖擊侵蝕、縫隙侵蝕和沖刷侵蝕，所以在材料的選擇上，主要考慮抗侵蝕性[39]，同時要加強材料防腐蝕處理[40]。另外，大濕度的蒸汽會使核電汽輪機的通流部分及管道表面經常覆蓋一層水膜，導致機組甩負荷時，壓力下降引起水膜閃蒸，氣流速度迅速增加，易發生超速現象。為防止核電汽輪機超速，目前通常采用優化的通流結構，以減少通流部分蒸汽凝結，并在汽水分離再熱器后的管道上安裝快速關閉的截止閥。

核電汽輪機末級長葉片和低壓轉子的加工制造是第三代核電汽輪機的關鍵[41]。在長葉片制造加工方面，葉片型面扭曲度大，鍛件厚度薄，制坯難度高。另外，長葉片所受的應力較大，因此采用阻尼結構，以提高葉片抵抗振動疲勞的能力[42]。目前，GE、MHPS和SIEMENS分別開發出了1 905 mm、1 880 mm、1 828 mm的長葉片，并由奧地利伯樂公司生產制造。國內上汽、東汽和哈汽均已完成1 905 mm、1 828 mm、1 800 mm長葉片設計，由無錫透平葉片有限公司制造[43]。在低壓轉子毛坯制造技術方面，焊接工藝是低壓轉子制造的關鍵[44]。近年來，我國在低壓轉子的制造方面取得了重要突破，2017年，上汽成功制造了第一根283 t第三代核電汽輪機的低壓焊接轉子，并應用于“華龍一號”機組。

4 討論與結論

在燃煤火力發電方面，為有效應對當前新能源波動性發電給電力系統安全穩定運行帶來的挑戰，未來需要燃煤發電機組更好地發揮調峰、備用等作用，其年利用小時數可能會降低，同時，基于能源資源稟賦情況，燃煤火力發電仍將是我國未來主要的電力生產方式。

在重型燃氣輪機及其聯合循環發電方面，盡管其具有環境污染小、發電效率高等諸多優勢，但天然氣的高額成本會嚴重制約其發展，且隨著未來新能源成本的持續降低，天然氣發電的經濟競爭力更加有限。在IGCC方面，成本和技術是其發展面臨的重大問題，推行煤制氣的規模化，以降低IGCC的煤氣化成本，或結合成熟的化工技術實現煤氣化工產品和電力的多聯產，可能是當前IGCC技術走向規模化應用的解決方案。

在核能發電方面，作為電網的基礎容量，在新能源大力發展的情況下，其對維護電網的穩定將起到重要作用。未來應在確保安全的基礎上大力發展核電。然而其發展受制于地理位置和規劃建設周期。

自從三種大型發電技術走向市場，其技術一直處于持續、高速的進化過程中，且隨著能源利用、裝備制造技術的發展，大型發電技術一直朝著高參數、大功率方向發展，以提高能量轉換效率，降低單位功率的建設與發電成本。然而，高參數也使得發電機組的體積龐大，循環系統復雜，這對材料強度、設備制造、運行控制等均提出了更高的要求。同時，在電廠管理以及整個系統的運行方面，也需要結合現代信息技術，進行優化和智能調控，使整個電廠系統在低負荷運行工況仍然保持較高的效率。

綜合以上分析，燃氣-蒸汽聯合循環發電具有效率較高、環境友好等優勢，然而其建設成本和運行成本均較高，難以實現大規模應用，而整體煤氣化聯合循環由于成本和技術面臨的重大問題，距離小規模應用還有較長的距離，因此燃煤火力發電和核能發電仍將是未來一段時期內重要的電能生產方式。

鑒于目前電力生產過剩、機組體積龐大、結構復雜、新能源發展迅猛及其發電波動較大等狀況，需要重點研究燃煤火力發電在調峰、提高發電效率、調控智能化方面的問題，同時，縮小火電與核電的機組尺寸、降低其結構復雜性也是重要的研發方向。