中国火力发电技术的追赶之路

前言

电力是以电能作为动力的能源，是当今社会最重要的能源。

电力的发现和广泛应用深刻改变了人类社会，第二次工业革命主要内容之一就是电力。

发电量和用电量至今仍然是衡量社会发展程度的核心指标之一。

新中国成立后直至2000年，发电的主要方式就只有两种：火力发电和水力发电。

火力发电简单的说就是利用燃料发热，加热水，形成高温高压过热蒸汽，然后蒸汽沿管道进入汽轮机中不断膨胀做功，冲击汽轮机转子高速旋转，带动发电机转子（电磁场）旋转，定子线圈切割磁力线，发出电能。

火力发电设备主要包括电站锅炉、电站汽轮机、汽轮发电机三大主机以及相应的各种辅机和自动化装备，这些设备是火电站的核心装置。

火电站与水电站或其他类型的电站相比，其造价较低，建设周期较短，收效较快。

中国煤炭资源比较丰富，所以大力发展燃煤火电站及相应的火电设备，一直是解决全国用电需要的主要途径。

人类火力发电技术的发展历程，就是蒸汽压力和温度从低到高，单台技术发电容量从小到大的过程。

火力发电的技术进步，使得全球的发电量越来越多，度电煤耗越来越低，同时能有效减少有害气体的排放量。

图片：中国火电技术参数

解放前中国不具备制造火力发电设备的能力

40年代初，国民政府资源委员会所属的中央机器厂曾通过进口瑞士BBC 公司的0.2万千瓦汽轮机和汽轮发电机转子，引进该公司的制造技术，仿造过两套0.2万千瓦中压机组，分别安装在泸县电厂和昆明电厂投运。

这是中国制造火电设备的最早尝试。

1945年，资源委员会又从美国西屋电气公司引进了1万千瓦及以下汽轮发电机组的制造技术，并由该公司培训了一批技术人员。

但是，这次技术引进最后未能走到建厂制造产品的地步，仅仅培训了一部分的技术人员。

两次技术引进最终均未能形成生产能力。

在解放前，中国不具备制造火力发电设备的能力，并导致中国电力工业的发展严重滞后。

1949 年中国发电装机容量只有185万千瓦, 年发电量只有43 亿千瓦时, 发电装机容量和发电量居世界第21 位和25 位。

改革开放前中国火力发电技术的发展（1950~1980）

中国：高压和超高压火力发电技术

海外：亚临界和超临界火力发电技术

中国电力设备制造工业的真正发展始于新中国，始于苏联援建的156项工程。

中国上海、哈尔滨、东方三大发电设备制造基地中的两个都是在“156”时期建设的——哈尔滨电气集团和上海电气集团。

东方电气集团是“三线建设”时期建成的。

哈尔滨锅炉厂，哈尔滨汽轮机厂，哈尔滨电机厂汽轮发电机车间都是苏联援建156项工程中的项目。

苏联援建哈尔滨发电设备基地形成的火力发电设备产能是60万千瓦/年。

上海发电设备制造基地不包括在苏联援建156项工程中，但仍属于苏联和东欧援助的一部分，引进的是捷克的技术。

哈尔滨发电设备制造基地从苏联引进的是中压0.6~2.5万千瓦和高压2.5~5.0万千瓦火电设备制造技术，1958年先后成功制造出了2.5万千瓦和5.0万千瓦高压火电机组。

锅炉蒸汽的参数是9.80MPa和540℃；汽轮机的参数8.83MPa和535℃。

1959年首台5.0万千瓦高压火电机组在沈阳辽宁电厂成功投运。

1952年上海发电设备制造基地从捷克引进中压0.6~1.2万千瓦火电设备制造技术。

锅炉蒸汽的参数是3.82MPa和450℃；汽轮机的参数3.43MPa和435℃。

1954年完成了中压0.6万千瓦火电机组的研制，开创了新中国制造火力发电设备的先河。

1956年首台0.6万千瓦中压火电机组在安徽淮南电厂成功投运。

这就是中国火力发电设备发展的起点。

这个起点与世界先进水平相比差距极大：美国西屋公司（Westinghouse）1959年就制造出了首台容量为31万千瓦的超超临界火力发电机组，蒸汽的压力和温度参数分别是：34.5MPa和649℃。

美国的火力发电技术遥遥领先。

爱迪生和威斯汀豪斯两个人建立的通用电气（GE）和西屋电气（Westinghouse）不仅是火力发电技术的开创者，也是全球火力发电技术的引领者。

美国在上世纪50年代就已经开发出了超超临界火力发电技术，虽然由于材料问题最后下调了蒸汽参数，但仍然保持在了超临界水平，技术水平大幅领先于其它国家。

日本电力设备制造企业日立、三菱和东芝的火力发电技术也是从美国引进的。

这个情况是后来80年代我国计划引进亚临界技术时才发现的。

在掌握捷克、苏联火力发电技术的基础上，中国的电力设备制造企业也在努力提升火力发电技术。主要是两个方向：

第一，提高锅炉和汽轮机的蒸汽温度和压力，从高压（9.80MPa）提升至超高压（13.7MPa）水平；

第二，提高单台机组的发电能力，从5万千瓦提高至10万~30万千瓦。

1969年制成12.5万千瓦中间再热式超高压火电机组，在上海吴泾热电厂投运。

1970年制成20.0万千瓦超高压火电机组，1972年在辽宁朝阳电厂投运。

1971年制成30.0亚临界中间再热式火电机组，1975年在江苏望亭电厂投运。

在独立自主发展火力发电技术上，我国电力设备制造业取得了一定的成绩，但是也存在不少问题，主要是两方面：

1、我国大容量火力发电设备的安全性低，在可靠性方面与国外先进水平相比差距很大，达不到安全、稳发、满发的要求。

这些机组基本上是5万千瓦、10万千瓦机组的基础上加以放大的。对大容量机组的一些关键技术还没有掌握，有些是“知其然、不知其所以然”，长期以来科研工作没有跟上，缺乏试验手段，自行设计也缺乏必要的试验数据和科学计算的根据，产品的技术经济指标和安全可靠性与国外先进水平相比差距较大。

2、我国大容量火力发电设备的经济性能低，发电煤耗高于国外机组。

例如河南平顶山姚孟电厂30万千瓦机组发电煤耗为360g标准煤/度电，而美国西屋公司同类机组的发电煤耗为317g标准煤/度电。两者相比，一台机组一年要多烧3万多吨标准煤。

前三十年我国电力设备制造业取得的成就：制造的设备数量和发电量。

截至1980年底，全国累计生产发电设备6289万千瓦，其中生产火电设备为4474.9万千瓦；10万千瓦及以上的大型机组共143套1990万千瓦，当时投入运行的有97套1250万千瓦。

从发电量来看我国增长显著，1980年我国的发电量达到了3006亿度，是1949年发电量的近70倍。

火力发电技术的国际比较：

美国技术水平最领先，虽然美国最早超超临界机组由于材料问题不得不降低至超临界状态运行，但超临界机组仍然是当时的最高技术水平。

日本和欧洲电力设备制造企业的主流技术是亚临界技术。

我国的电力设备制造企业通过努力已经发展了超高压技术，但技术比日本和欧洲仍落后一代。

改革开放前我国电力设备制造业无法满足电力工业发展的需要，全国长期处于缺电状态，电力供应不足制约了经济发展增速。

此外，我国从1973年开始重新进口大容量的火力发电设备，但是依靠进口设备发展电力工业不是长久之计。

李鹏同志曾经强调过“电力工业发展必须立足于国内设备”！

引进亚临界火力发电技术（1980~2000）

中国：亚临界火力发电技术

海外：超临界和超超临界火力发电技术

改革开放后，电力不足是制约国民经济发展的一个重要因素，如何发展电力工业是摆在我国领导人面前迫切需要解决的问题。

直接从国外进口发电设备——太贵！

自己研发先进的发电设备——太慢！

那什么才是最好的发展策略呢？

20世纪70年代中期，我国进口了不少成套火电设备，花了大量外汇。

由于我们未能掌握制造技术，如果要加快电力工业发展就还需要大量进口设备，这不是长久之计。

我国自行研制的20万千瓦超高压火电机组，从1964年开始设计到1979年鉴定定型共花了15年时间，其中设计2年、制造6年、安装1年、完善化6年。

我国火力发电设备的技术水平与国外先进水平差距很大，而且我们基础研究储备、设计水平、材料体系、制造工艺等环节都很薄弱，自主设计新设备的难度很大。

因此从国外引进技术在国内制造电力设备逐步成为中央领导、电力工业部、机械工业部领导人的共识。

引进/购买制造技术，不仅用汇少，更重要的是有利于提高国内制造技术水平，使今后发电设备的供应能够立足于国内。

1978年，一机部、水电部联名报告国务院，提出为了提高我国大型火电机组经济指标和制造水平，建议在进口样机的同时引进制造技术。大家一致认为，引进技术可以缩短从研制到批量生产的时间，可以大大缩小同世界先进水平的差距，又可培养技术力量，为我国今后发展更大容量的发电机组，以及对原有国产30万千瓦以下机组的技术改进都是十分必要的。

大家一致赞成打破闭关自守、引进国外先进技术、提高国内制造水平。

1979年9月，一机部、电力部联合提出了引进30万千瓦、60万千瓦火电机组制造技术的请示报告。据此，国家进出口委、国家计委、国家经委于1980年1月28日联合向国务院提出了引进大型火电机组制造技术的请示报告，1980年2月中旬，国务院副总理薄一波在征得副总理李先念、余秋里、谷牧、康世恩同意后，又请沈鸿同志约几位专家进行研究，并又征询周子健部长的意见后，一致同意批准三委报告。

谈判工作：

1980年6月中旬，一机部邀请美国通用电气公司、西屋电气公司、燃烧工程公司、拨伯葛（B & W）公司，瑞士勃朗．鲍威利（BBC）公司，法国阿尔斯通（Alstom）公司6家外商同时来华谈判。

机械系统集中了有设计、制造经验的70多名总工程师和技术骨干，电力系统集中了有安装、运行经验的20多名总工程师和技术骨干，分别与外商进行谈判。

根据“货比三家”,“技术先进、价格合理、条件优惠、择优引进”的原则，最终选择了美国西屋电气和燃烧工程公司。

1980年9月9日和11月21日，一机部分别同美国西屋电气和燃烧工程公司签订了汽轮发电机组锅炉的技术转让和购买部分零部件合同。

电力部同时从美国依柏斯库工程公司引进了电站设计技术。

鉴于当时国际火电市场萎缩，各发电设备制造厂商都想在中国这个大市场上占领一席之地，我们则充分利用了有利的市场条件，技术引进的深度超过了传统国际上技术转让的程度（只卖图纸）：

1、外商向我方提供机组的制造技术应包括设计导则、设计图纸和计算资料、计算机程序软件、制造工艺和工装图纸、技术标准及质量控制方法、外购配套件供应商名单等。此外，外商还应负责对我方技术人员进行培训。

2、为提高我方管理水平，外商应对我方厂级领导进行管理方面的培训，对我方经销人员进行经销技术的培训。

3、外商要对我方工厂技术改造和试制过程出现的技术问题，如国产材料和配套产品代用问题提供咨询服务。

4、外商应提供工程系统设计技术、设备安装调试和运行维修等方面的资料和有关人员的培训。

外方提供的图纸资料有薄膜底图两套、微缩胶卷两套、技术资料四套、成熟的计算机程序（包括源程序、程序编制法、程序卡、计算公式、程序使用说明、有关常数和图表等）176项。

设计图纸、标准手册和主要的技术转让资料一式四份，哈尔滨、上海、东方三大发电设备制造集团公司各持一份，另一份存一机部陕西资料库。

根据一机部的安排：

30万千瓦机组由上海电气联合公司负责，组织上海汽轮机厂、电机厂和锅炉厂试制。

60万千瓦机组由哈尔滨电站设备成套公司负责，组织哈尔滨汽轮机厂、电机厂和锅炉厂试制。

东方汽轮机厂、锅炉厂和电机厂则进行协作配合。

30万千瓦考核机组安装于山东石横电厂，60万千瓦考核机组安装于安徽平圩电厂。

经过原材料准备和对工厂的改造，从1983年起30万千瓦、60万千瓦火电机组三大主机陆续进入投料试制阶段，经过3年左右，这两套考核机组分别完成试制工作。

30万千瓦考核机组主机于1985年12月20日在上海试制完成，1987年6月30日在山东石横电厂投入运行发电。

60万千瓦考核机组主机于1987年12月17日在哈尔滨试制完成，1989年11月4日在安徽平圩电厂投入运行发电。

从制造完成装箱发运到电厂投运为止是安装、调试阶段，30万千瓦、60万千瓦火电机组经历了一年半左右的时间。

经考核试验性能测定，30万千瓦、30万千瓦考核机组的各项指标都达到了技术输出方的设计保证值。实践表明，研制工作十分成功。

为了尽快研制出第一台考核机组，当时进口了约30%~50％的关键零部件及毛坯，因此从第一台30万千瓦考核机组整台机组的平均水平看，国产化率约为40%，其中锅炉国产化率50.2%，汽轮机国产化率40%，汽轮发电机国产化率27%。

由于从美国购买了较多的零部件和毛坯，又致使30万千瓦考核机组的售价高出国产30万千瓦机组的两倍以上。

于是，研制考核机组的各发电设备主机制造厂和各配套件的主要辅机制造厂都在数年内开展了轰轰烈烈的国产化工作，国家还将30万千瓦、60万千瓦机组国产化工作列入“七五”重大科技攻关项目，明确“七五”攻关的总目标就是提高国产化率、降低价格，实现批量生产的能力。

在国家和政府的大力支持下，进行了“六五”、“七五”工厂技术改造，各制造厂增添了大量设备，经过几年的努力，机组的国产化率逐步提高，第二套达到68%，第三套已经超过75%，第四套达到80％以上，其中三大主机的国产化率达到85%~90%。

机组的价格也降了下来，只有第一台考核机组的一半。例如30万千瓦火电设备三大主机的价格，从第一台（套）的1.58亿元，下降到第三台（套）的0.85亿元。

到“七五”末，实现了30万千瓦、60万千瓦机组批量生产，很好地完成了原定的目标。

通过持续15年的消化吸收、国产化和优化创新，“团结造机”终于孕育了丰硕的成果。30万千瓦、60万千瓦火电机组形成了批量生产能力，其技术经济指标和安全可靠性，均达到了当时国际同类机组的先进水平。从20世纪90年代开始，引进型30万千瓦、60万千瓦火电设备成为我国发电设备企业的主要产品，30万千瓦、60万千瓦火电机组成为我国电网的主力机组。

引进亚临界火力发电技术是十分成功的。我国电力设备制造企业成功掌握了技术，制造了大量的设备满足了电力工业发展的需求。

提升了我国电力设备制造企业的竞争力：在引进技术过程中，改造和提升了电力设备制造企业的硬件水平和管理水平，使得我国电力设备制造企业的生产能力和管理水平都上升到了国际水准。

推动和促进了火力发电设备配套材料体系的完善和发展：在提高电力设备国产化目标的指引下，组织冶金工业、石化工业等行业对电力设备制造需要的各种牌号的金属材料和非金属材料进行攻关，并基本达成了国产化的目标。

发展超临界和超超临界技术（2000年后）

中国：超临界和超超临界火力发电技术

海外：超临界和超超临界火力发电技术

超临界和超超临界火力发电技术最早源于美国50年代开发的技术，经过80年代欧洲和日本的发展，到2000年后已经十分成熟。

20世纪80年代后期，我国就开始关注超临界火电机组的发展，并从国际上进口大容量超临界机组。

1992年，首次进口的2台60万千瓦超临界火电机组，安装于上海石洞口第二发电厂。这次进口，采取了技贸结合带进技术的方式，引进了锅炉和汽轮机的超临界技术，不仅取得了重要的设计计算软件，而且，还通过联合设计培训了一批专业技术人员，为超临界机组的自主化做了技术上的准备。

2000年前，又从俄罗斯进口了2台30万千瓦、2台50万千瓦、2台80万千瓦机组，从德国西门子公司进口了2台90万千瓦机组，从日本进口了2台60万千瓦机组。

到2000年底，我国进口的超临界机组已投运12台，总容量620万千瓦，最长运行时间已近10年，积累了丰富的运行经验，培养了一批掌握超临界机组安装、调试和运行的技术队伍。

2000年，为推进超临界火电机组自主开发的历程，国家计委要求机械部补充完善60万千瓦超临界火电机组科技攻关项目的可行性研究报告，又再次组织专家论证，国家在2000年年中将60万千瓦超临界火电机组研制补充列入“九五”国家重大技术装备科技攻关项目。

2002年，国家又确定华能集团河南沁北电厂一期两台60万千瓦超临界火电机组为国产首台示范工程，这两台机组的蒸汽参数为24.2MPa566℃/566℃。

为了支持国产超临界机组的发展，国家决定，最早开始的几台超临界机组研制时，国内企业可寻找国外合作伙伴，以中方名义参与招投标，由外方负责机组性能保证。

于是，哈尔滨、上海、东方三大电气集团所属各企业按国家计委和电力部门的要求，都各自寻找了国外合作伙伴，以中方的名义参与了河南沁北、江苏常熟、江苏镇江等电厂的60万千瓦超临界火电机组的招投标，由外方负责机组性能保证并提供对性能有重大影响的关键部件。

河南沁北电厂项目由哈尔滨电气集团中标（汽轮发电机组由哈尔滨电气集团制造，国外合作伙伴是日本三菱公司；锅炉由东方锅炉厂制造，国外合作伙伴是日本日立公司）；

常熟电厂项目由东方电气集团中标（国外合作伙伴是日本日立公司）；

镇江电厂项目由上海电气集团中标（国外合作伙伴是德国西门子公司）。

由哈尔滨电气集团供货的河南沁北电厂的我国第一、第二台60万千瓦超临界火电机组分别于2004年11月23日和12月13日投运发电。

随后，东方电气集团供货的常熟电厂60万千瓦超临界火电机组和上海电气集团供货的镇江电厂60万千瓦超临界火电机组也分别于2005年3月和2005年7月投运发电。

通过这几台机组研制后，60万千瓦超临界火电机组就由我国三大集团各企业自主设计制造了。我国制造的60万千瓦超临机组的性能经西安热工研究院和上海发电设备成套设计研究院测试，热耗约为7528kJ/千瓦时，供电煤耗为293g/千瓦时，达到了国际先进水平。

100万千瓦超超临界火电机组的研制

2003年下半年，在制造超临界机组的基础上，开始了超超临界火电机组的研制，国家科技部将超超临界机组的参数与容量的选择列入“863”科技攻关课题。在对机组参数、容量进行分析与专家论证后，国家决定采取“高举高打”的策略，一起步就建造参数为26.25MPa600℃/600℃的100万千瓦级的超超临界火电机组，哈尔滨、上海、东方三大电站设备制造集团分别从日本三菱、法国阿尔斯通、德国西门子、日本日立等公司引进100万千瓦超超临界技术，并通过由国外公司保证性能和质量的合作方式，开始制造100万千瓦级超超临界机组。

首台机组以华能集团浙江玉环电厂为依托工程，于2006年11月18日正式投运，上海汽轮机厂、哈尔滨锅炉厂、上海电机厂分别制造了汽轮机、锅炉和汽轮发电机。

随后，2006年12月，山东邹县电厂参数为25MPa600℃/600℃的100万千瓦级超超临界火电机组投运，东方电气集团承担了三大主机设备的制造。

2007年12月，江苏泰州电厂参数为25MPa、600℃/600℃的100万千瓦级超超临界火电机组投运，哈尔滨电气集团制造了三大主机设备。

我国制造的100万千瓦超超临界火电机组经西安热工研究院和上海发电设备成套设计研究院性能测试，热耗约为7260kJ/千瓦时，供电煤耗为285g/千瓦时，达到了国际先进水平。

到2010年年底，国内三大电站设备制造集团承接的60万千瓦级超临界火电机组订单已达200余台，投运100余台；承接和投标的60万千瓦级超超临界火电机组达76台，投运30多台；承接和投标的100万千瓦级超超临界机组94台，已投运33台，在建11台。迄今，我国已成为世界上百万干瓦超超临界机组投入运行最多的国家之一。

我国超临界和超超临界火力发电技术同样走的是引进技术国内制造的道路。

为什么不自主研发？

因为超临界和超超临界火力发电技术是国外已经成熟的技术，我们再重新造轮子意义不大，因此继续引进是正确的，可以加快我们电力设备的技术进步速度。

这次引进与1980年的那次技术引进相比有什么不同？

最大的不同就是设备的制造时间和投产时间大幅缩短！

在引进亚临界发电技术之后，我们对电力设备制造企业进行了改造升级，冶金工业和其它配套材料工业的企业配合进行了技术攻关，这些都为超临界和超超临界火力发电设备的制造奠定了坚实的基础。

因此，在引进技术之后不到两年时间就能造出超临界和超超临界火力发电设备。

中国火电技术的追赶之路

从捷克和苏联引进中亚和高压火电技术开始，中国开始了漫长的技术追赶之路。

初期我们与海外先进水平的差距最大，但是我们一步一步最终掌握了世界最先进的火力发电技术。

消化和掌握亚临界技术，我国的电力设备制造企业花费了差不多20年左右的时间。

其中首台30万千瓦机组的制造和安装用时近10年，首台60万千瓦亚临界机组的用时近12年。

从亚临界到超临界，从国家决策时间算起到首台机组安装，仅用时两三年的时间；从超临界到超超临界，用时也不过两年时间。

为什么用时越来越短？

因为通过前期的努力，我们掌握了火力发电技术，因此发展超超临界技术就不再是白手起家。

现在，全球装机容量最大，技术最先进的火力发电机组就是中国制造的。

当然2000年后，火力发电技术已经略显过时，新能源技术崛起。

新能源技术中的光电和风电都是2000年后才逐步开始商业化应用的技术。

新能源技术中国与发达国家是同时起步，而不像是火电技术那样一开始就落后50年。

在新能源技术上中国与美国、欧洲和日本等西方发达国家是同步竞争，最终的结果是我们的新能源技术一开始就实现了领先，在市场上最有竞争力。

不论是火力发电技术，还是风电、光电等新能源技术，中国的发展历程表明了中国的工业体系有能力掌握技术，有能力发展技术。

中国的工业化体系是有竞争力的！

参考资料：

1、《中国电器工业发展史》

2、《中国重大技术装备史话-中国火力发电设备制造》

3、《中国电气工程大典-火力发电工程》