1、 技术研发背景

自“双碳目标”提出后，关于我国总装机近11亿千瓦的煤电向何处去，业内曾经有过广泛的讨论。总结下来无非是两条：一是尽快退出，有观点认为需要在2045年前关停我国所有煤电；二是在相当长时期内继续保有相当容量的煤电，但同时推动煤电的低碳转型发展。

上海申能电力科技有限公司（申能科技）根据广泛调研研究后认为：双碳目标下我国装机容量巨大的煤电机组，是电网安全运行的压舱石，不可能退出，而只能走低碳转型发展的路子，不但自身需要低碳化，还要护航新能源更好发展，为我国电力行业乃至社会经济的低碳化发展做出应有的贡献。而煤电的低碳化转型发展，在相当长时间内，尤其是2030年碳达峰前，主要体现在两方面：一是节能降耗，实现自身碳减排；二是深度调峰，护航新能源发展，实现结构性碳减排。

我国目前仍有约3.5亿千瓦装机容量的亚临界机组，仅300MW等级亚临界机组就有约880台，其典型的蒸汽参数为16.7MPa/538℃/538℃。由于参数较低且汽轮机通流效率普遍较低，对于300MW等级亚临界机组，运行平均供电煤耗普遍高于330g/kWh，甚至达到350~360g/kWh，距离国家颁布实施的《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》中“到2020年，现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗低于310克/千瓦时”的要求相去甚远。

在此背景下，近年来业内不断提出针对亚临界机组改造提效的各种技术方案，但均存在明显的短板。如常规汽轮机通流改造，节能收益有限，远无法达到310g/kWh煤耗要求，且难以保持长期高效运行；跨代升级（主蒸汽升压升温）改造成准二次再热超（超）临界机组的改造量和成本过于巨大，几乎相当于重建，而最终的性能却差强人意，不具备经济性；而仅升温至566/566℃节能效果有限，性价比不高，等等。

2、 技术要点

“高温亚临界综合升级改造技术”其关键是保持机组压力基本不变，把机组主蒸汽和再热蒸汽温度均提高到600℃等级水平。该方案中，汽轮机高中压缸更换，低压缸视效率情况决定是否实施通流改造，给水回热系统优化，高低旁和四大管道系统进行相应材料升级改造；锅炉过热器、再热器和省煤器升级改造，增加面积同时升级材料等；同时还会加载如“广义回热技术”、“烟气余热回收利用技术”、“弹性回热技术”和“固体颗粒侵蚀综合防治技术”等节能和保效专项技术，这些技术能够进一步降低煤耗，大幅提升机组深度调峰性能，保持机组长期高效运行，还有降低机组启动能耗、运行成本等附加收益。

“高温亚临界综合升级改造技术”主要创新点如下：

1、主汽压力不变，主、再热蒸汽温度提升至600℃，显著提高机组的循环效率和汽轮机内效率，结合专项节能技术，可将亚临界机组的效率提升到超超临界水平，煤耗降幅超10%。

主蒸汽和再热蒸汽温度提升至600℃，则升温幅度达到62℃，对于机组循环效率大幅提升。同时需要指出，再热压力不变，再热温度从538℃大幅提升至600℃，会使低压缸末两级的蒸汽干度显著提升，相应地，低压缸末两级湿汽损失降低，级效率提升，因此汽轮机内效率提升。

本技术“升温不升压”的技术思路，大大减少了改造量和费用，显著提高了方案的性价比；相比小幅升温方案，提升主蒸汽、再热蒸汽温度至600℃，实现了机组循环效率和汽轮机内效率的显著提升，与此同时，集成应用广义回热等其他专项节能技术，叠加后的节能效果发生质变。

2、深度调峰系列技术的同步加载应用，在符合超低排放要求前提下，使得机组深度调峰能力得到质的提升，可具备20%深调能力。

以该系列技术中的弹性回热技术为例，该技术显著提高了低负荷下给水温度，进而显著提高了低负荷下省煤器出口烟温，间接提升了热风温度，也保证了超低负荷下SCR脱硝的运行温度，为机组深度调峰打下基础。

因此，经深度调峰系列技术加载后，在20%超低负荷下，锅炉稳燃、SCR运行和空预器安全等棘手问题得到一揽子解决，机组可实现20%深度调峰。

3、突破性的锅炉受热面改造方案，实现主蒸汽和再热蒸汽温度提升至600℃，且受热面改动量可控，性价比高。

即便保持主蒸汽压力不变，想要把主蒸汽和再热蒸汽温度提升至600℃，锅炉受热面的改造仍然有很大难度。由于汽包这个汽水分界点的存在，过热器系统如何获得足够的吸热量使得主蒸汽温度提升至600℃是十分具有挑战性的。在之前，曾有某锅炉制造厂的研究结论认为，亚临界汽包炉提升主蒸汽温度的上限是580℃。而也曾有人提出的能够达到600℃主蒸汽温度的锅炉改造方案，实际是把亚临界汽包炉改成亚临界直流炉，如此改造，则锅炉基本相当于重建，甚至比重建多出了相当大的拆除工作量，因此改造量和费用惊人，性价比很低。该技术突破性的锅炉受热面改造方案是本项目的重要创新点之一。

4、亚临界机组新型专项启动技术的应用，有效防止锅炉受热面干烧和固体颗粒生成，同时显著降低机组冷态启动时间和能耗，保障机组长期高效运行。

高温亚临界改造后，机组主再热蒸汽参数明显提升，若无专门措施，蒸汽侧氧化速率将明显升高；同时防止机组启动阶段的干烧导致的对流受热面快速氧化亦至关重要。显然，机组原启动方式无法满足防止氧化皮生成和固体颗粒侵蚀的要求。另外，典型的亚临界机组启动系统具有诸多弊端，如：锅炉系统点火启动较慢，点火启动过程油耗能耗较高，汽轮机系统从进汽冲转到并网时间较长。

对此，为亚临界机组改造量身订做了一套专项启动系统，有效避免启动时过热器和再热器的干烧，减少氧化皮生成，防止固体颗粒侵蚀问题，保证汽轮机长期高效运行；同时有效改善SCR催化剂启动时工作条件，实现其保效和延寿。该专项启动系统投运后，可以有效形成热炉、热风的极佳点火条件，配合汽轮机快速启动技术，可以减少启动时间，减少启动耗油和耗能。

3、 应用成果

“高温亚临界综合升级改造技术”已在徐州华润电厂320MW亚临界机组改造中得到成功应用，2019年8月10日通过168h试运后投产，经国内和国外第三方性能试验单位独立测试，取得了如下显著成效：

1) 改造后机组在额定工况下供电煤耗平均值下降到285g/kWh，比改造前降低35g/kWh。改造后机组性能优于所有现役超临界机组，达到了现役超超临界机组较先进水平。

2) 机组低负荷性能得到显著提升，在保持超低排放的工况下，机组最低稳定运行负荷能力达到19%，可实现20%-100%的大范围调峰，且经电网委托的第三方试验单位认证。

3) 由于汽轮机阀门及通流部分、锅炉高温受热面、高温管道等高温部件均进行了升级改造，其他辅机和部件进行常规性的检修维护和更换即可，机组具备大幅延寿30年的技术条件。

4) 该项技术综合经济效益显著。320MW机组改造总投资约3.5亿元，按实际节能35g/kWh测算，在煤价高企的今天，所获得的节能收益尤为可观。此外，机组还可获得可观的电网节能调度收益与深度调峰收益。

2020年6月12日，中国能源研究会在北京中国科技会堂，组织本技术的研究与应用成果评审会。与会的院士专家组一致认为本技术为世界首创，具有自主知识产权，为我国亚临界机组高效、灵活性改造提供了一种可行的技术路径，具有显著的经济社会效益和良好的推广应用前景。”

2020年8月3日，创刊于1882年的国际电力行业权威杂志——美国POWER杂志宣布授予徐州华润电厂#3机组2020年“Top Plants（顶级电厂）”称号，并以该机组照片作为其杂志8月份封面，专题报道高度肯定申能科技实施的高温亚临界综合升级改造项目的巨大价值和示范效应。在此之前，国内获此殊荣的仅有三峡水电（2012年）和上海外三电厂（2015年）。

该项目还荣获中国能源研究会2020年度技术创新奖一等奖（排名第一）。

据测算，“亚临界机组600℃升温改造技术”如果能推广应用至全部亚临界 ，按平均节能量30g/kWh测算，则年节能量将超过5500万吨标准煤，减排二氧化碳约1.5亿吨（按照2.7的系数推算），相应的二氧化硫、氮氧化物和烟尘等污染物也会大幅减排。

4、 附图

图1 徐州华润3号机组实施改造现场

图2 徐州华润3号机组改造项目成为美国POWER杂志封面及专题报道