能源关键技术发展现状和我国与世界水平的差距
文章出处：科技网   发布时间：2005-04-05  


能源关键技术发展现状和我国与世界水平的差距

１．高效洁净发电技术


目前全球的发电平均效率为３０％左右，未来高效发电的总效率可提高到６０－７０％以上。在提高能源终端使用效率方面潜力更大，如果使用新技术新设备，单耗可再降低５０－９０％。提高能源转换和使用效率的技术，特别是高效发电技术，在许多国家被视为国家关键技术。


（１）联合循环发电 联合循环（ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｃｙｃｌｅ）是指将在高温区工作的燃气轮机的勃莱敦循环，与在低温区工作的蒸汽轮机的朗肯循环结合起来，形成热能的梯级利用，从而提高效率。最新推出的以天然气为燃料的联合循环电站的效率可达５８％。


现在全球每年新增火电机组一半以上是联合循环机组。与国际先进水平比较：我国燃气轮机理论研究比较早，但至今不具备生产大型高性能燃气轮机的能力，差距相当大；蒸汽轮机，我国已能生产６００ＭＷ蒸汽轮机发电机组，差距比较小，但还不能生产超临界机组。


（２）燃料电池 燃料电池可将燃料的化学能直接高效转化为电能，其工作过程颇似电解水的逆过程。与经燃烧生成热能再转变为电能的传统火力发电方式相比，燃料电池方式有发电效率高、噪音小、对环境污染很小、省水、适合分布式供电和安装周期短等优点。


作为洁净、高效的发电方式，未来燃料电池将在清洁的分散电源、火电的替代电源、车辆船舶动力、移动电话和笔记本计算机电源等方面得到广泛应用。


中国在６０年代曾进行过多种燃料电池的实验室研究工作，７０年代研究空间用燃料电池，８０年代进行过短期较大型的燃料电池装置的探索研究。但在开发和实用化的研究方面与国际先进水平相比还有较大差距。


２．洁净煤技术


洁净煤技术是指以脱硫、脱硝为主要目的的煤处理技术和转化技术，包括：洁净煤处理技术（如煤的洗选，预脱灰处理，型煤，水煤浆、微生物脱硫技术）；洁净煤燃烧技术（如烟气净化技术，循环流化床技术，整体煤气化联合循环）；煤的转化技术（煤的气化、液化）等等。


这些技术大多是常规技术。西方发达国家常用的烟气湿法脱硫技术已商业化和普遍采用。整体煤气化联合循环（ＩＧＣＣ）是将煤气化、净化以后再推动联合循环机组发电，目前正在作工业示范；由于造价高，广泛应用尚需时日。我国只有几个电厂安装了烟气脱硫设备。洁净煤技术能否在我国广泛应用将取决于能否大幅度降低造价。


３．核电技术


核电可以避免煤电造成的酸雨和温室效应，是一种清洁能源。


核能和平利用是本世纪下半叶才兴起的新型工业，其中核电的发展，在短短的４０余年时间内，世界上已经建造４８０座核电机组，装机容量达４亿千瓦，特别是在工业发达国家获得迅速发展。我国核电工业起步较晚。９０年代初期，秦山一期核电站（３０万千瓦）和大亚湾核电站（２×９０万千瓦）分虽投入商业运行，从此开创了我国和平利用核能的新时代。目前，我国正在建造秦山二期（２×６０万千瓦）、岭澳（２×９０万千瓦）、秦山三期（２×７０万千瓦）和连云港（２×１００万千瓦）核电站，共８个机组。 在核电的开发和建设中需要重视解决的问题是：核裂变释放的大量能量被利用后，产生大量放射性物质，一旦这些放射性物质逸出核电站，对环境会造成严重污染，破坏生态平衡。因此，开发更加安全和经济的新型反应堆是当前核电发展的重要任务。


世界现有核电站大部分建于７０年代和８０年代，使用寿命一般为３０至４０年。２０１０年以后，这些核电机组将面临着退役，由于退役而出现的电力市场需求由新的电力机组来填补。可以预料，必然会有相当份额仍会采用核电机组，这对核电供应商无疑是一个新的机遇。各国核电供应商在政府的支持下，投入大量资金进行实验研究，开发改良型和非能动革新型压水堆，以便下个世纪再次占领电力市场。 第一种是改良型核电站。日本三菱重工和美国西屋公司合作开发的ＡＰＷＲ１４２０、美国ＡＢＢ－ＣＥ公司开发的ＳＹＳＴＥＭ８０＋、法国和德国ＮＰＩ公司开发的ＥＰＲ１５００、日本东芝公司、日立公司和美国ＧＥ公司合作开发的沸水堆ＡＢＷＲ，皆属于改良型。这些改良型核电站的安全性能将主要依靠增加设备数量、加大专设安全系统容量来达到，其经济性能将依靠提高反应堆功率和增加单堆容量、增长燃料换料周期和提高电站可利用因子、延长电站使用寿命等方法来实现。


第二种是革新型核电站。美国西屋公司开发的ＡＰ６００、俄罗斯ＡＴＯＭＥＮＥＲ等单位开发的ＶＶＥＲ６４０、中国开发的ＡＣ６００／１０００，皆属于这种类型的核电站。革新型核电站，采用非能动专设安全系统，大幅度提高堆芯安全裕量，从而将堆芯的熔化概率降到可以忽略不计的程度。另一方面，采用模块化建造技术，缩短建造时间，并从系统简化，增长燃料换料周期、提高电站可利用因子、延长电站使用寿命等方面来提高核电站的经济性。


几种主要压水堆先进堆型 国名 公司 堆名 堆容量及堆型 日本 三菱重工与西屋合作 APWR1420 大型、改良 美国 西屋公司 AP600 中型、革新 ＡＢＢ－ＣＥ SYSTEM（80）+ 大型、改良 法国 德国 ＮＰＩ EPR1500 大型、改良 俄罗斯 ＡＴＯＭＥＮＥＲ VVER6400 中型、革新 中国 ＮＰＩＣ AC600/1000 大中型、革新 非能动安全系统。非能动安全是下一代先进压水堆的发展方向。运用非能动安全技术后，核电站的安全特性将大大改善，系统进一步获得简化，经济性能大幅度提高。据马福邦院士等在“非能动先进压水堆ＡＣ６００／１０００－中国下世纪核电堆型的发展方向”一文中介绍，非能动安全系统将由重力、自然循环或压缩气体等自然规律所造成的力量来驱动或投入运动。ＡＣ６００在余热排出、安全注射、安全壳冷却和主控制室可居留等四个方面设置非能动的专设安全系统，以提高其可靠性，降低堆芯溶比概率。发生事故后，操作人员可在７２小时内不进行干预也能确保核电站的安全，比现在运行的反应堆不干预时间成倍增加。从堆芯熔化概率看，ＡＣ６００将比现有核电站安全１００倍。 ４．电力电子技术 电力电子学器件（大功率的电子开关器件）的发展和应用，被称为硅片引起的第二次革命。它已广泛应用于变频调速、整流逆变、直流输电、灵活的交流输电等领域。


目前，我国高性能的电力电子学器件主要靠进口。


５．先进的输电技术


（１）高压直流输电技术


高压直流输电是重要的大容量远距离输电方式，也是重要的联网手段。全球已建成上百个直流输电工程。


新一代的直流输电技术是指进一步改善性能、大幅度简化设备、减少换流站的占地、降低造价，使直流输电更有竞争力。


我国引进技术设备建成了＋／－５００ｋＶ的葛－上直流输电工程，还建成了国产的＋／－１００ｋＶ舟山直流输电工程。三峡电站送出工程需要再建两条高压直流输电线路，主要设备仍需引进。主要问题是大型直流输电的换流阀和换流变压器的制造技术我国还不完全掌握。


（２）灵活的交流输电技术


灵活的交流输电系统（ＦＡＣＴＳ），是八十年代后期出现的以电力电子和现代控制技术为核心的电网新技术，它可以灵活调节电力系统的参数、潮流，提高线路的输送能力和稳定极限。专家们预计，这项技术将在电力输送和分配方面引起重大变革，对于充分利用现有电网资源和实现电能的高效利用，将会发挥重要作用。


我国对灵活的交流输电技术的研究工作已经起步，但尚没有工程应用。


６．新能源利用技术


（１）光伏发电技术


从长远看，光伏发电技术是未来最有希望达到工业规模应用的新能源发电技术。光伏发电技术目前应用的规模尚很小，大规模应用的障碍是其价格过高，研究的重点是大幅度降低系统的造价。我国在研究的规模、深度和实用化程度方面，距先进水平差距不小。


（２）风力发电


风力发电是比较经济的可再生能源发电方式。过去１７年间，世界风力发电装机容量平均年增长率高达５２％。研究方向是风力机大型化、提高效率和可靠性。现代风力发电机，大型的单机发电能力达６００千瓦，它的制造涉及空气和力学、新材料、控制技术等许多关键问题。


我国现在还不能制造大型高性能的风力发电机。


７．超导技术的应用


随着液氮区高温超导的发现，超导应用于电力系统的研究和开发又活跃起来。超导储能系统由于能量存取响应速度快，现多用于电力系统稳定控制、旋转备用、负载快速调节等。美国计划兴建１８００ＭＪ的超导储能装置，用于调峰和改善系统稳定。


高温超导体当磁场强度超过临界值时会自动失去超导性能，因而是理想的故障电流限制器。目前，许多国家都在研究超导故障电流限制器，２．４ｋＶ，２．２ｋＡ超导限流器已通过了试验。 温度在２０－８０Ｋ范围内，ＹＢＣＯ－１２３超导体的临界电流密度已达１０００００Ａ／ｃｍ２的数量级。利用原来的电缆管道安装超导电缆，可满足大城市供电增容的需要。日本正在开发６ｋＶ、１０００ＭＶＡ超导电缆并准备在东京使用。美国也准备在１９９９年制造出１２．４ｋＶ、１２５０Ａ的三相超导电缆系统。超导发电机、变压器的样机也在开发之中。 我国的高温超导材料的研究方面有相的基础，但应用研究比国外有差距。