鄧清華，胡樂(lè)豪，李 軍，豐鎮(zhèn)平(1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 葉輪機(jī)械研究所，西安 710049；2.陜西省葉輪機(jī)械及動(dòng)力裝備工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

電能是用途最廣泛、使用最便捷、環(huán)境最友好的一種二次能源，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高具有非常重要的作用[1]。

當(dāng)前，世界各國(guó)的電力系統(tǒng)大多采用大機(jī)組發(fā)電、大電網(wǎng)互聯(lián)的集中供電模式，其中單機(jī)功率超過(guò)300 MW的大型電能生產(chǎn)方式主要有燃煤火力發(fā)電、重型燃?xì)廨啓C(jī)及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、核能發(fā)電三種，盡管其發(fā)展歷史不長(zhǎng)，但在需求的牽引下，其技術(shù)已取得長(zhǎng)足進(jìn)步。

世界上第一座燃煤電廠于1875年在法國(guó)巴黎建成，標(biāo)志著電力工業(yè)的開(kāi)端，其后歷經(jīng)140余年的發(fā)展，燃煤火力發(fā)電的容量從最初為電廠附近照明的數(shù)千瓦，發(fā)展到最大單機(jī)單軸容量1 240 MW，雙軸容量1 350 MW的水平，新蒸汽壓力達(dá)到35 MPa，新蒸汽溫度達(dá)到610 ℃，一次和二次再熱溫度達(dá)到630 ℃。

燃?xì)廨啓C(jī)從20世紀(jì)50年代起應(yīng)用于發(fā)電領(lǐng)域，由于當(dāng)時(shí)發(fā)電效率低，只作為緊急備用電源和調(diào)峰機(jī)組使用。20世紀(jì)80年代，隨著燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)功率的提升，以及燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)的成熟，燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)電領(lǐng)域得到了發(fā)展。用于發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)主要是重型燃?xì)廨啓C(jī)，當(dāng)前先進(jìn)J級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)的透平進(jìn)口溫度達(dá)到1 600 ℃，單軸機(jī)組的容量達(dá)到519 MW，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率為60%～63%。

核能在發(fā)電過(guò)程中不產(chǎn)生污染物的排放，從誕生之日便一直受到廣泛關(guān)注。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，核電技術(shù)歷經(jīng)近70年發(fā)展，已經(jīng)從第一代的示范性驗(yàn)證技術(shù)以及第二代的商業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化的核電技術(shù)，發(fā)展到以美國(guó)AP1000和法國(guó)EPR技術(shù)為代表的第三代更安全、更高功率的核電技術(shù)。CAP1400和“華龍一號(hào)”作為我國(guó)第三代核電技術(shù)的代表，現(xiàn)已成為核能發(fā)電技術(shù)的主流。目前，第四代高溫氣冷堆核電技術(shù)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(jí)的高溫氣冷堆示范項(xiàng)目也在實(shí)施中。

本文綜述了大型燃煤火力發(fā)電、重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電、核能發(fā)電三種技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀、指標(biāo)參數(shù)以及技術(shù)瓶頸，分析比較了以上三種大型發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及當(dāng)前存在的問(wèn)題，以期為大型發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 大型燃煤火力發(fā)電技術(shù)

1.1 火力發(fā)電現(xiàn)狀

火力發(fā)電是當(dāng)前我國(guó)主要的電能生產(chǎn)方式，但其占比逐年降低。截至2018年底，我國(guó)火電裝機(jī)量為11.4億kW，占全國(guó)總裝機(jī)量的60%，全年發(fā)電量為49 231億kW·h，占全國(guó)發(fā)電總量的70%[2]，根據(jù)中電聯(lián)從2013年到2018年發(fā)布的火電裝機(jī)容量和發(fā)電量及其占比的相關(guān)統(tǒng)計(jì)可以看出，火力發(fā)電占全行業(yè)的比重不斷下降，其原因主要是新能源、核能的興起，以及環(huán)境污染、能源短缺等因素。中電聯(lián)預(yù)測(cè)，到2030年，火電裝機(jī)容量的比重將下降到51%，到2050年為38%。

2006年，我國(guó)首臺(tái)26.25 MPa、600 ℃、600 ℃的1 000 MW超超臨界機(jī)組在華能玉環(huán)電廠運(yùn)行，該機(jī)組熱效率為45%，供電煤耗為288.5 g/(kW·h)。根據(jù)中電聯(lián)發(fā)布的2017全年實(shí)際運(yùn)行加權(quán)的年均供電煤耗數(shù)據(jù)，全國(guó)所有超超臨界1 000 MW機(jī)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(jī)組的270 g/(kW·h)，這標(biāo)志著我國(guó)燃煤發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行水平和整體能耗指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。表1列出了1 000 MW超超臨界機(jī)組額定工況汽輪機(jī)熱耗和發(fā)電煤耗指標(biāo)。

表1 1 000 MW超超臨界額定工況汽輪機(jī)熱耗和發(fā)電煤耗指標(biāo)

另外，燃煤火電機(jī)組煙塵、硫化物及氮氧化物的排放數(shù)據(jù)不斷降低。截至2017年底，全國(guó)燃煤電廠100%實(shí)現(xiàn)煙氣脫硫，92.3%在運(yùn)機(jī)組實(shí)現(xiàn)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(rùn)賀州電廠一期(2臺(tái)1 000 MW)污染物的排放量。

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

表2 華潤(rùn)賀州電廠一期污染物排放量

總體上說(shuō)，我國(guó)的燃煤火力發(fā)電已從高速增長(zhǎng)階段向高質(zhì)量發(fā)展階段轉(zhuǎn)變，全國(guó)發(fā)電總量已從“供不應(yīng)求”變?yōu)椤肮┐笥谇蟆?，大部分燃煤電廠無(wú)法滿負(fù)荷運(yùn)行[5]，寬負(fù)荷高效回?zé)嵯到y(tǒng)研究成為提高電廠低負(fù)荷運(yùn)行效率的重要途徑。研究表明，通過(guò)將汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況向低負(fù)荷側(cè)調(diào)整，可以取得較好的節(jié)能效果[6]。另外，燃煤電廠正朝著智能化運(yùn)行方向發(fā)展，利用智能化設(shè)備和數(shù)據(jù)管理軟件，對(duì)電廠的設(shè)備實(shí)行實(shí)時(shí)操控和調(diào)節(jié)，隨時(shí)隨地開(kāi)展信息化數(shù)據(jù)的搜集與優(yōu)化，形成“自分析、自診斷、自適應(yīng)、自組織、自提升”的運(yùn)行優(yōu)化系統(tǒng)，對(duì)機(jī)組進(jìn)行靈活監(jiān)視、智能監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)機(jī)組高效環(huán)保運(yùn)行，從而降低發(fā)電和運(yùn)營(yíng)成本[7]。

1.2 汽輪機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及現(xiàn)狀

我國(guó)大型汽輪機(jī)生產(chǎn)商有上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠(上汽)、東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司(東汽)、哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司(哈汽)。表3給出了我國(guó)三大汽輪機(jī)制造商1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)[8]。

表3 我國(guó)1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

為進(jìn)一步提高燃煤火力發(fā)電的效率，我國(guó)從2009年起加快了對(duì)超超臨界二次再熱汽輪機(jī)的研發(fā)。2015年6月，東汽首臺(tái)超超臨界二次再熱機(jī)組(31 MPa、600 ℃、620 ℃、620 ℃)在華能安源電廠運(yùn)行[9]。同年11月，上汽1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組在國(guó)電泰州電廠投運(yùn)。汽輪機(jī)新蒸汽溫度和壓力的提高以及超超臨界二次再熱機(jī)組的發(fā)展，對(duì)汽輪機(jī)葉片以及轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度、耐高溫和耐腐蝕性能提出了更高的要求?，F(xiàn)代的超臨界和超超臨界汽輪機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料采用鐵素體鋼，傳統(tǒng)的CrMoV、12CrMoV材料在566 ℃條件下達(dá)到性能極限[10-11]，先進(jìn)的10%Cr含量的鉻鋼耐溫極限達(dá)到600 ℃。上汽于2006年將其應(yīng)用在我國(guó)首臺(tái)600 ℃的玉環(huán)超超臨界機(jī)組上，至今已有100多臺(tái)的業(yè)績(jī)；而9%Cr含量的鉻鋼耐溫極限達(dá)到620 ℃，上汽于2013年將其應(yīng)用在我國(guó)首臺(tái)620 ℃的超超臨界機(jī)組上，至今已有近50臺(tái)的業(yè)績(jī)。由于在耐高溫材料方面的研究不斷進(jìn)步，2018年我國(guó)汽輪機(jī)機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)提高到了630 ℃。

現(xiàn)階段，對(duì)于汽輪機(jī)材料的研究主要致力于開(kāi)發(fā)能夠在700～800 ℃高溫環(huán)境中有耐氧化和耐腐蝕性的新型材料[12]。另外，汽輪機(jī)的大型葉片一般是通過(guò)鍛造工藝進(jìn)行加工，其鍛造技術(shù)對(duì)汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有很大影響[13]。

提高機(jī)組熱效率，改善汽輪機(jī)在低負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行效率，優(yōu)化汽輪機(jī)設(shè)計(jì)制造體系，是汽輪機(jī)的發(fā)展方向。未來(lái)，汽輪機(jī)將偏向于多品種、多功能、高效率、開(kāi)發(fā)周期短的個(gè)性定制模式[14]。

2 重型燃?xì)廨啓C(jī)及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)

2.1 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電循環(huán)及特點(diǎn)

燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)性能好，占地小，耗水量少，且以天然氣、煤氣等為燃料，對(duì)環(huán)境污染小，發(fā)電是其主要應(yīng)用之一[15]。截至2017年底，我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量為7 629萬(wàn)kW，占全國(guó)電力裝機(jī)容量的4.3%，發(fā)電量1 528億kW·h，占全國(guó)總發(fā)電量的2.4%。

燃?xì)廨啓C(jī)的基本循環(huán)是布雷頓循環(huán)。為了提高循環(huán)效率以及功率輸出，基于布雷頓循環(huán)發(fā)展出簡(jiǎn)單循環(huán)、回?zé)嵫h(huán)、間冷循環(huán)、再熱循環(huán)及以上循環(huán)組合的復(fù)雜循環(huán)。

燃?xì)廨啓C(jī)的排煙溫度很高，為充分利用其能量，往往將燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)組合成燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)前常見(jiàn)的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)有余熱鍋爐型、補(bǔ)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?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)更符合我國(guó)“缺油、少氣、富煤”的能源結(jié)構(gòu)。IGCC是將煤氣化技術(shù)和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)集成的發(fā)電系統(tǒng)，煤先在氣化爐中氣化為中低熱值的煤氣，凈化后送入燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒做功。IGCC能將污染物排放問(wèn)題在燃料燃燒前解決，實(shí)現(xiàn)在燃燒過(guò)程中“低排放”。煤氣化過(guò)程不僅可以用于發(fā)電，還可以生產(chǎn)燃料，實(shí)現(xiàn)多聯(lián)產(chǎn)綜合利用，降低生產(chǎn)成本。

然而IGCC發(fā)電技術(shù)成本高，發(fā)電功率小，運(yùn)行可用率低。目前我國(guó)IGCC電站還處于試驗(yàn)階段，250 MW華能天津IGCC示范電站現(xiàn)已成功并網(wǎng)發(fā)電。2018年，該電站連續(xù)運(yùn)行164天，成為世界上連續(xù)運(yùn)行周期最長(zhǎng)的IGCC電站，為我國(guó)IGCC進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。世界范圍內(nèi)，美國(guó)在2005年啟動(dòng)了“先進(jìn)IGCC/H2燃?xì)廨啓C(jī)”項(xiàng)目[16]，主要目標(biāo)是降低污染物排放和提高燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率。2007年，日本完成了250 MW IGCC示范電站的建設(shè)，現(xiàn)已將IGCC項(xiàng)目的研究作為未來(lái)清潔能源系統(tǒng)的一部分[17]。

當(dāng)前IGCC大規(guī)模的商業(yè)運(yùn)行還面臨難題。首先，IGCC系統(tǒng)是將化工和發(fā)電兩大系統(tǒng)耦合，在優(yōu)化設(shè)計(jì)和長(zhǎng)期可靠運(yùn)行方面均有很高的要求，因此需要進(jìn)一步提高機(jī)組可靠性和利用率。其次，IGCC廠用電率、建造成本以及發(fā)電成本過(guò)高，IGCC單位造價(jià)為9 423～10 830元/kW，發(fā)電成本為1.21～3.88元/(kW·h)，明顯高于現(xiàn)有帶煙氣凈化裝置的燃煤電廠[18]，因此降低建造和發(fā)電成本是IGCC需要重點(diǎn)解決的難題。

相比于燃煤電站，燃?xì)廨啓C(jī)污染物排放量小[19]。燃?xì)廨啓C(jī)燃燒效率高，先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)沒(méi)有SO2和煙塵的排放，主要污染物是NOx。以西門(mén)子(SIEMENS)生產(chǎn)的SGT5-9000HL重型燃?xì)廨啓C(jī)為例，加裝選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)的燃?xì)廨啓C(jī)NOx排放量為0.005 6 g/(kW·h)，是燃煤發(fā)電機(jī)組NOx排放量的1/40。研究表明，NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)往往在機(jī)組熱啟動(dòng)過(guò)程中較高[20]，這可以通過(guò)減小燃燒室旁路閥的開(kāi)度來(lái)降低。

2.2 重型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)

燃?xì)廨啓C(jī)主要由壓氣機(jī)、燃燒室、透平三大部件以及控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備組成。不同于航空或艦船燃?xì)廨啓C(jī)，用于發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)一般具有單機(jī)功率大、運(yùn)行可靠、受環(huán)境因素影響小等特點(diǎn)。通用電氣(GE)、SIEMENS、三菱重工(MHPS)是世界上三大重型燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)商。目前，先進(jìn)的G/H級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獬鯗爻^(guò)了1 500 ℃，單機(jī)循環(huán)效率為40%～43%，聯(lián)合循環(huán)效率超過(guò)60%，盡管如此，重型燃?xì)廨啓C(jī)仍會(huì)朝著更高燃?xì)獬鯗?、更高循環(huán)效率的方向發(fā)展[21-22]，當(dāng)前先進(jìn)重型燃?xì)廨啓C(jī)的概況見(jiàn)表4。

表4 先進(jìn)重型燃?xì)廨啓C(jī)的概況

透平葉片冷卻、壓氣機(jī)穩(wěn)定流動(dòng)以及燃燒室燃燒組織是重型燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)核心[23]。

燃?xì)廨啓C(jī)效率的提高很大程度上依賴于透平葉片冷卻技術(shù)的進(jìn)步[24]。透平進(jìn)口溫度不斷提高，而同時(shí)冷氣的消耗量受到了嚴(yán)格限制，這就需要高效的葉片冷卻技術(shù)，當(dāng)前常見(jiàn)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?xì)廨啓C(jī)廠商均致力于開(kāi)發(fā)新的冷卻技術(shù)，以提高傳熱和冷卻效率，滿足更高溫度等級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的需要[26-27]。除此之外，耐高溫材料以及熱障涂層的技術(shù)進(jìn)步也會(huì)推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)向更高溫度等級(jí)發(fā)展[28-29]。

與渦輪不同，壓氣機(jī)在逆壓流動(dòng)環(huán)境工作，通常伴有喘振、激波、轉(zhuǎn)捩、邊界層分離等問(wèn)題，其工作的穩(wěn)定性以及良好的通流能力是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。為了在提高壓氣機(jī)工作穩(wěn)定性的同時(shí)保證流動(dòng)效率，目前廣泛采用先進(jìn)的高效葉型設(shè)計(jì)和整機(jī)三維優(yōu)化技術(shù)[30]。

與航空燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的要求不同[31]，重型燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室要使燃料充分燃燒，維持燃燒穩(wěn)定，抑制NOx生成。世界上先進(jìn)重型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室一般將旋流器和噴嘴合二為一，這種設(shè)計(jì)既能使燃料和空氣充分混合，同時(shí)也能減小火焰溫度的不均勻性，使火焰更加穩(wěn)定。

3 核能發(fā)電技術(shù)

3.1 國(guó)內(nèi)外核電現(xiàn)狀及發(fā)展前景

20世紀(jì)50年代，美國(guó)、蘇聯(lián)相繼建成核電站，核電技術(shù)逐漸受到關(guān)注。20世紀(jì)60年代，美國(guó)建成了壓水堆、沸水堆、重水堆等堆型的核電站，標(biāo)志著第二代核電技術(shù)的成熟。20世紀(jì)90年代初期我國(guó)自主設(shè)計(jì)的大陸首座300 MW壓水堆核電站并網(wǎng)發(fā)電，其后我國(guó)對(duì)第二代核電技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，壓水堆核電技術(shù)CPR1000在紅沿河等項(xiàng)目中開(kāi)啟應(yīng)用。2008年，第三代核電技術(shù)AP1000應(yīng)用于我國(guó)三門(mén)核電站。在對(duì)AP1000技術(shù)消化吸收的基礎(chǔ)上，我國(guó)自主研發(fā)的ACP1000、CAP1400、ACPR1000+、“華龍一號(hào)”也已成為第三代核電技術(shù)主流。目前，“華龍一號(hào)”已與英國(guó)、巴基斯坦等20個(gè)國(guó)家簽署合作意向，標(biāo)志著我國(guó)核電技術(shù)已走向全球市場(chǎng)。

2018年，全球在運(yùn)核電機(jī)組447臺(tái)，其中我國(guó)43臺(tái)，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(jī)容量8 212 MW。2018年，我國(guó)核電機(jī)組發(fā)電量為2 944億kW·h，占比4.21%[32]。我國(guó)現(xiàn)階段以一次能源發(fā)電為主，核能發(fā)電占比低，發(fā)電量甚至低于風(fēng)電和光伏發(fā)電[33]，發(fā)展?jié)摿Υ?。核燃料是清潔燃料，核燃料的利用過(guò)程不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。發(fā)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(chǎn)生污染物，實(shí)現(xiàn)清潔發(fā)電。

綜上所述，本文主要對(duì)裝配式建筑中BIM模塊設(shè)計(jì)法的應(yīng)用進(jìn)行分析，通過(guò)研究得知，該技術(shù)能夠在戶型總體設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。與以往技術(shù)相比，能夠使設(shè)計(jì)步驟得到有效的精簡(jiǎn)，并使施工效率與質(zhì)量得到進(jìn)一步提高，工程制造變得更加高效，安裝與施工更加精準(zhǔn)無(wú)誤，充分符合當(dāng)前時(shí)代對(duì)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)性提出的新要求，有效節(jié)約大量建筑成本投入，大力的促進(jìn)了建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展步伐。

核電優(yōu)勢(shì)明顯，但面臨的問(wèn)題也比較突出[34]。核安全最受關(guān)注，蘇聯(lián)切爾諾貝利核泄漏、日本福島核泄漏對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成的影響至今依然存在。核廢料的處理需要非常謹(jǐn)慎，某些高放射性元素的半衰期長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)年，一旦處理不慎，將對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境帶來(lái)滅頂之災(zāi)。另外，鈾礦短缺問(wèn)題日益突出，我國(guó)自產(chǎn)天然鈾產(chǎn)量每年僅為千余噸，而每年對(duì)鈾的消耗量超過(guò)萬(wàn)噸，若沒(méi)有更多的鈾礦，30年后我國(guó)會(huì)有許多核電站因?yàn)槿狈︹櫠＿\(yùn)。

核電技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶動(dòng)了我國(guó)核電裝備的發(fā)展[35]，目前我國(guó)已經(jīng)具備了制造1 000 MW級(jí)核電站核島和常規(guī)島設(shè)備的能力。目前上汽已實(shí)現(xiàn)了CPR1000汽輪機(jī)的完全國(guó)產(chǎn)化，且自主設(shè)計(jì)了第三代核電AP1000汽輪機(jī)，以及具有國(guó)際先進(jìn)水平的“華龍一號(hào)”機(jī)組，這些產(chǎn)品已進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，表明我國(guó)的核電汽輪機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。另外，為解決公眾對(duì)核電站安全性的擔(dān)憂，學(xué)術(shù)界提出建設(shè)地下核電站的方案[36]，研究表明，建設(shè)地下核電站技術(shù)可行、成本合理、安全性高，將成為我國(guó)核電發(fā)展的新方向。

3.2 核電汽輪機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

核電新蒸汽參數(shù)與火電的不同，使得其汽輪機(jī)的特點(diǎn)也有所不同[37]：

1)新蒸汽參數(shù)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(zhì)量流量比火電大。

2)半轉(zhuǎn)速運(yùn)行。受到葉片離心應(yīng)力和材料強(qiáng)度的限制，汽輪機(jī)末級(jí)葉片不能過(guò)長(zhǎng)。受汽輪機(jī)尺寸的限制，汽輪機(jī)設(shè)計(jì)避免采用過(guò)多低壓缸。為了保證大流量蒸汽順利通過(guò)汽輪機(jī)，其轉(zhuǎn)速一般為1 500 r/min。

3)單機(jī)功率大。我國(guó)現(xiàn)階段在運(yùn)行的核電汽輪機(jī)單機(jī)功率為600～1 750 MW，當(dāng)前單機(jī)功率最大的核電汽輪機(jī)為阿爾斯通(ALSTOM)與東汽共同研制的1 750 MW核電汽輪機(jī)，該汽輪機(jī)現(xiàn)已在臺(tái)山核電站并網(wǎng)發(fā)電。

國(guó)際上核電汽輪機(jī)生產(chǎn)商主要有SIEMENS、MHPS和GE。隨著技術(shù)的進(jìn)步，核電汽輪機(jī)還會(huì)朝著更大單機(jī)功率的方向發(fā)展[38]。表5給出了國(guó)內(nèi)1 000 MW核電汽輪機(jī)的尺寸參數(shù)。

表5 國(guó)內(nèi)1 000 MW核電汽輪機(jī)尺寸參數(shù)

核電汽輪機(jī)經(jīng)常受到?jīng)_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(shí)要加強(qiáng)材料防腐蝕處理[40]。另外，大濕度的蒸汽會(huì)使核電汽輪機(jī)的通流部分及管道表面經(jīng)常覆蓋一層水膜，導(dǎo)致機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，壓力下降引起水膜閃蒸，氣流速度迅速增加，易發(fā)生超速現(xiàn)象。為防止核電汽輪機(jī)超速，目前通常采用優(yōu)化的通流結(jié)構(gòu)，以減少通流部分蒸汽凝結(jié)，并在汽水分離再熱器后的管道上安裝快速關(guān)閉的截止閥。

核電汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)葉片和低壓轉(zhuǎn)子的加工制造是第三代核電汽輪機(jī)的關(guān)鍵[41]。在長(zhǎng)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(zhǎng)葉片所受的應(yīng)力較大，因此采用阻尼結(jié)構(gòu)，以提高葉片抵抗振動(dòng)疲勞的能力[42]。目前，GE、MHPS和SIEMENS分別開(kāi)發(fā)出了1 905 mm、1 880 mm、1 828 mm的長(zhǎng)葉片，并由奧地利伯樂(lè)公司生產(chǎn)制造。國(guó)內(nèi)上汽、東汽和哈汽均已完成1 905 mm、1 828 mm、1 800 mm長(zhǎng)葉片設(shè)計(jì)，由無(wú)錫透平葉片有限公司制造[43]。在低壓轉(zhuǎn)子毛坯制造技術(shù)方面，焊接工藝是低壓轉(zhuǎn)子制造的關(guān)鍵[44]。近年來(lái)，我國(guó)在低壓轉(zhuǎn)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(jī)的低壓焊接轉(zhuǎn)子，并應(yīng)用于“華龍一號(hào)”機(jī)組。

4 討論與結(jié)論

在燃煤火力發(fā)電方面，為有效應(yīng)對(duì)當(dāng)前新能源波動(dòng)性發(fā)電給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)的挑戰(zhàn)，未來(lái)需要燃煤發(fā)電機(jī)組更好地發(fā)揮調(diào)峰、備用等作用，其年利用小時(shí)數(shù)可能會(huì)降低，同時(shí)，基于能源資源稟賦情況，燃煤火力發(fā)電仍將是我國(guó)未來(lái)主要的電力生產(chǎn)方式。

在重型燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方面，盡管其具有環(huán)境污染小、發(fā)電效率高等諸多優(yōu)勢(shì)，但天然氣的高額成本會(huì)嚴(yán)重制約其發(fā)展，且隨著未來(lái)新能源成本的持續(xù)降低，天然氣發(fā)電的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力更加有限。在IGCC方面，成本和技術(shù)是其發(fā)展面臨的重大問(wèn)題，推行煤制氣的規(guī)?；越档虸GCC的煤氣化成本，或結(jié)合成熟的化工技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤氣化工產(chǎn)品和電力的多聯(lián)產(chǎn)，可能是當(dāng)前IGCC技術(shù)走向規(guī)?；瘧?yīng)用的解決方案。

在核能發(fā)電方面，作為電網(wǎng)的基礎(chǔ)容量，在新能源大力發(fā)展的情況下，其對(duì)維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定將起到重要作用。未來(lái)應(yīng)在確保安全的基礎(chǔ)上大力發(fā)展核電。然而其發(fā)展受制于地理位置和規(guī)劃建設(shè)周期。

自從三種大型發(fā)電技術(shù)走向市場(chǎng)，其技術(shù)一直處于持續(xù)、高速的進(jìn)化過(guò)程中，且隨著能源利用、裝備制造技術(shù)的發(fā)展，大型發(fā)電技術(shù)一直朝著高參數(shù)、大功率方向發(fā)展，以提高能量轉(zhuǎn)換效率，降低單位功率的建設(shè)與發(fā)電成本。然而，高參數(shù)也使得發(fā)電機(jī)組的體積龐大，循環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜，這對(duì)材料強(qiáng)度、設(shè)備制造、運(yùn)行控制等均提出了更高的要求。同時(shí)，在電廠管理以及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行方面，也需要結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，進(jìn)行優(yōu)化和智能調(diào)控，使整個(gè)電廠系統(tǒng)在低負(fù)荷運(yùn)行工況仍然保持較高的效率。

綜合以上分析，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電具有效率較高、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，然而其建設(shè)成本和運(yùn)行成本均較高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，而整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)由于成本和技術(shù)面臨的重大問(wèn)題，距離小規(guī)模應(yīng)用還有較長(zhǎng)的距離，因此燃煤火力發(fā)電和核能發(fā)電仍將是未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)重要的電能生產(chǎn)方式。

鑒于目前電力生產(chǎn)過(guò)剩、機(jī)組體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、新能源發(fā)展迅猛及其發(fā)電波動(dòng)較大等狀況，需要重點(diǎn)研究燃煤火力發(fā)電在調(diào)峰、提高發(fā)電效率、調(diào)控智能化方面的問(wèn)題，同時(shí)，縮小火電與核電的機(jī)組尺寸、降低其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性也是重要的研發(fā)方向。