曹 沂，楊希剛，王雙童

(國電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210023)

0 引言

“十三五”時(shí)期是我國堅(jiān)持節(jié)約、清潔、安全的能源發(fā)展戰(zhàn)略方針，實(shí)施節(jié)約優(yōu)先、立足國內(nèi)、綠色低碳和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)四大戰(zhàn)略，加快構(gòu)建清潔高效安全可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系的關(guān)鍵時(shí)期。

燃煤火電廠面臨著經(jīng)濟(jì)增長方式的轉(zhuǎn)變、資源約束、環(huán)境保護(hù)、市場競爭等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，節(jié)能減排要求的不斷提升、電能過?，F(xiàn)象日趨明顯、發(fā)電設(shè)備年利用小時(shí)持續(xù)走低等現(xiàn)實(shí)因素迫使燃煤電廠進(jìn)入“雙降雙低”電力新狀態(tài)；國家發(fā)改委、能源局在《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出 “現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組經(jīng)改造平均供電煤耗低于310g/(kW·h)”的更高目標(biāo)要求。

燃煤電廠在新的形勢和任務(wù)下應(yīng)通過實(shí)施有效措施提升機(jī)組安全、環(huán)保、節(jié)能水平，同時(shí)挖潛降耗、綜合提效實(shí)現(xiàn)燃煤電廠高效可持續(xù)發(fā)展。

1 燃煤電廠節(jié)能降耗現(xiàn)狀

1.1 燃煤機(jī)組供電煤耗情況

目前燃煤電廠已通過細(xì)化節(jié)能管理、優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行、推進(jìn)節(jié)能改造，取得明顯的節(jié)能減排效益。

筆者對200臺300MW及以上機(jī)組能耗統(tǒng)計(jì)如下表1[1]。

表1 300MW及以上機(jī)組能耗統(tǒng)計(jì)

等級/MW1000600300數(shù)量/臺1263125容量/MW120003906040790供電煤耗/g·(kW·h)-1最低值266289.8256.5最高值288330366平均值277.9307.8312.9

由于機(jī)組設(shè)計(jì)理念、技術(shù)工藝、投產(chǎn)年限、所在區(qū)域等不同因素影響，導(dǎo)致同容量等級機(jī)組間能耗差距較大，其中，600MW級機(jī)組供電煤耗超過300g/(kW·h)占76%，300MW級機(jī)組供電煤耗超過310g/(kW·h)占67%，因此燃煤機(jī)組挖潛降耗、綜合提效的形勢相當(dāng)嚴(yán)峻。

1.2 燃煤機(jī)組供電煤耗影響因素[2]

機(jī)組供電煤耗的主要影響因素為循環(huán)熱效率、鍋爐效率、管道效率、生產(chǎn)廠用電率這4項(xiàng)，其次，機(jī)組也受所在電網(wǎng)負(fù)荷率、燃用煤質(zhì)等因素影響。

1.2.1 循環(huán)熱效率

循環(huán)熱效率主要取決于汽輪機(jī)熱耗率，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，投產(chǎn)較早的300MW等級機(jī)組汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行熱耗率較設(shè)計(jì)值高出4%左右，約350～400kJ/(kW·h)，對煤耗的影響范圍12～16g/(kW·h)；近年投產(chǎn)的300MW和600MW等級機(jī)組汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行熱耗率較設(shè)計(jì)值高出2%～3%，約150～250kJ/(kW·h)，對煤耗的影響范圍6～8g/(kW·h)；主要是設(shè)計(jì)水平、制造技術(shù)、加工工藝及安裝水平等因素導(dǎo)致熱耗率存在2%差距，其次是國內(nèi)各制造廠考慮商務(wù)的因素導(dǎo)致熱耗率高出1%～2%。

1.2.2 鍋爐效率

鍋爐效率受實(shí)際燃用煤質(zhì)與設(shè)計(jì)煤質(zhì)偏差的影響較大，由于煤質(zhì)的不可控性及爐內(nèi)低氮燃燒器的改造，實(shí)際運(yùn)行爐效普遍下降，但開展科學(xué)配煤摻燒后，鍋爐運(yùn)行效率有所改善，為92.0%～93.5%，但“W”火焰鍋爐實(shí)際運(yùn)行效率普遍較低，在91%左右，對煤耗的影響范圍為3～5g/(kW·h)。

1.2.3 管道效率

由于管道系統(tǒng)的優(yōu)化、新型保溫材料應(yīng)用及施工工藝的提高，管道效率能達(dá)到99%，對煤耗的影響非常小。

1.2.4 生產(chǎn)廠用電率

生產(chǎn)廠用電率根據(jù)機(jī)組容量等級而定，早期投產(chǎn)機(jī)組經(jīng)變頻等節(jié)電改造及運(yùn)行優(yōu)化后生產(chǎn)廠用電率下降1%～2%，但隨著環(huán)保設(shè)施的大量改造，生產(chǎn)廠用電率有所上升，對煤耗的影響范圍為0.5～1.5g/(kW·h)。

1.2.5 其他因素

另一個(gè)影響能耗的重要因素是發(fā)電利用小時(shí)數(shù)低及頻繁啟停，由于裝機(jī)容量嚴(yán)重過剩，造成火電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)大幅下降，且調(diào)峰頻繁，火電機(jī)組大部分時(shí)間處于低負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行。受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的影響，汽輪機(jī)的選型和設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最佳點(diǎn)選擇在THA工況點(diǎn)，機(jī)組部分負(fù)荷工況點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)的最佳工況點(diǎn)后，其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性變化較大。目前機(jī)組常規(guī)運(yùn)行負(fù)荷工況普遍低于75%THA工況，部分地區(qū)常規(guī)運(yùn)行負(fù)荷工況低達(dá)50%THA工況，其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性明顯劣化，再加之機(jī)組頻繁啟停調(diào)峰，共影響機(jī)組運(yùn)行煤耗升高5～12g/(kW·h)。

同時(shí)，受煤炭市場的影響，大多數(shù)鍋爐不能燃用設(shè)計(jì)煤種，導(dǎo)致排煙溫度和灰渣可燃物相對偏高，鍋爐效率難以達(dá)到設(shè)計(jì)水平，使機(jī)組發(fā)電煤升高約2～5g/(kW·h)。

綜上所述，影響機(jī)組供電煤耗的最大因素為早期投產(chǎn)機(jī)組的汽輪機(jī)熱耗率高和部分區(qū)域的低發(fā)電利用小時(shí)數(shù)；其次是鍋爐實(shí)際燃用煤種偏離設(shè)計(jì)煤種和鍋爐超低排放改造新增的設(shè)備等產(chǎn)生的影響。

2 燃煤機(jī)組綜合提效技術(shù)[3]

2.1 汽輪機(jī)通流改造先進(jìn)提效技術(shù)

汽輪機(jī)通流部分改造技術(shù)隨著設(shè)計(jì)、制造、加工、材料等工藝水平的發(fā)展不斷更新，在提高通流效率、降低結(jié)構(gòu)損失上取得較大技術(shù)突破和創(chuàng)新。

(1)高效通流級設(shè)計(jì)技術(shù)，包含三元流設(shè)計(jì)技術(shù)、變反動(dòng)度設(shè)計(jì)、先進(jìn)葉型、彎扭三維葉片、薄出汽邊、子午面優(yōu)化等；

(2)調(diào)節(jié)級級段優(yōu)化技術(shù)，包含先進(jìn)調(diào)節(jié)級設(shè)計(jì)、配汽方式優(yōu)化等；

(3)邊界層抽吸技術(shù)，包含優(yōu)化平衡孔尺寸等；

(4)未級葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，包含高效低壓末級長葉片、防固體顆粒沖蝕設(shè)計(jì)等；

(5)進(jìn)、排汽缸優(yōu)化技術(shù)，包含內(nèi)缸優(yōu)化、進(jìn)汽段優(yōu)化、排汽擴(kuò)散段優(yōu)化等；

(6)主機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，包含焓降優(yōu)化分配；

(7)汽封優(yōu)化技術(shù)，先進(jìn)汽封設(shè)計(jì)、動(dòng)靜匹配技術(shù)多級聯(lián)合(含汽封)設(shè)計(jì)。

2.2 熱力參數(shù)提效技術(shù)

(1)汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)

主蒸汽溫度每提高10℃，機(jī)組供電煤耗約下降0.9～1g/(kW·h)，再熱蒸汽溫度每提高10℃，機(jī)組供電煤耗下降0.7～0.8g/(kW·h)。

(2)汽輪機(jī)排汽參數(shù)

統(tǒng)計(jì)分析機(jī)組實(shí)際運(yùn)行背壓，結(jié)合區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷、環(huán)境溫度及冷端優(yōu)化改造潛力等因素，優(yōu)化選擇改造機(jī)組的排汽壓力設(shè)計(jì)值。

2.3 熱力系統(tǒng)優(yōu)化提效技術(shù)

熱力系統(tǒng)優(yōu)化提效技術(shù)：0號高加提效技術(shù)；外置式蒸汽冷卻器提效技術(shù)；低(低)溫省煤器提效技術(shù)；能量(供熱)梯級利用提效技術(shù)。

2.4 輔助設(shè)備系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

輔助設(shè)備系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)：空預(yù)器密封、防堵技術(shù)；SCR全負(fù)荷運(yùn)行技術(shù)；系統(tǒng)裕量匹配優(yōu)化技術(shù)；廠用電節(jié)能技術(shù)；輔助設(shè)備性能提升技術(shù)。

2.5 機(jī)組中、低負(fù)荷工況運(yùn)行優(yōu)化提效技術(shù)

機(jī)組中、低負(fù)荷工況運(yùn)行優(yōu)化提效技術(shù)：鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整；汽輪機(jī)滑壓優(yōu)化調(diào)整；汽輪機(jī)冷端優(yōu)化運(yùn)行； 輔助系統(tǒng)、設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行；超低排放標(biāo)準(zhǔn)下環(huán)保設(shè)備節(jié)能提效的優(yōu)化運(yùn)行。

綜上技術(shù)，通過機(jī)組的深度能耗診斷，提升設(shè)備系統(tǒng)精細(xì)化管理要求，“量身定制”機(jī)組下列集成技術(shù)改造方案：

(1)開展鍋爐制粉系統(tǒng)、空預(yù)器、風(fēng)機(jī)、汽輪機(jī)本體、汽機(jī)冷端、凝結(jié)水、熱力系統(tǒng)系列集成技術(shù)節(jié)能綜合技改。

(2)開展鍋爐燃燒調(diào)整、機(jī)組變工況滑壓運(yùn)行曲線、輔機(jī)運(yùn)行方式整體運(yùn)行優(yōu)化；尤其是低負(fù)荷工況及機(jī)組啟停的整體運(yùn)行優(yōu)化。

(3)開展多種技術(shù)組合的鍋爐超低排放綜合優(yōu)化提效改造、汽輪機(jī)通流綜合提效改造和機(jī)組供熱優(yōu)化改造。

最終實(shí)現(xiàn)綜合提效改造及機(jī)組整體運(yùn)行優(yōu)化，提升機(jī)組整體性能。

3 燃煤機(jī)組綜合提效技術(shù)應(yīng)用案例

目前各燃煤發(fā)電企業(yè)正積極實(shí)施機(jī)組提效改造，從已完成改造的機(jī)組看，普遍存在改造前機(jī)組能耗診斷不深入、制訂的提效方案過于單一，前瞻性、全面性、區(qū)域電網(wǎng)及環(huán)境針對性不強(qiáng)。因此，首先要摸清機(jī)組在安全、環(huán)保、節(jié)能等方面存在問題，通過試驗(yàn)和深度能耗診斷確定能耗基礎(chǔ)值，充分認(rèn)識機(jī)組的能耗指標(biāo)差距及問題原因，量化改造后能耗指標(biāo)提升空間；其次是結(jié)合機(jī)組所在區(qū)域發(fā)電環(huán)境(包括區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)、電網(wǎng)對機(jī)組增容的認(rèn)可性、區(qū)域環(huán)境參數(shù)與現(xiàn)役機(jī)組的設(shè)計(jì)、運(yùn)行的差距等)、供熱環(huán)境、靈活性要求和對機(jī)組的能耗指標(biāo)要求，明確機(jī)組應(yīng)達(dá)改造目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性；綜合以上因素，“量身定制”機(jī)組“綜合提效”技術(shù)路線。

3.1 某300MW亞臨界機(jī)組綜合提效技術(shù)案例

某300MW亞臨界濕冷機(jī)組2004年投產(chǎn)，汽輪機(jī)為N330-16.67/538/538一次中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機(jī)。鍋爐為1036-17.5-540/540型汽包爐，單爐膛切圓燃燒、中間一次再熱、自然循環(huán)、干式出渣、懸吊式燃煤汽包爐。通過深度能耗診斷，結(jié)合機(jī)組自身狀況、所在區(qū)域發(fā)電環(huán)境等因素“量身定制”機(jī)組的綜合提效技術(shù)方案，具體改造方案如下：

主機(jī)設(shè)備：汽輪機(jī)通流提效改造+鍋爐提汽溫參數(shù)+工業(yè)供熱改造。機(jī)組壓力參數(shù)不變，主汽溫提高5℃，提升至545℃，再熱汽溫提高27℃，提升至567℃。

汽機(jī)側(cè)：增加0號高加+鄰機(jī)加熱系統(tǒng)+循環(huán)水母管聯(lián)絡(luò)。

鍋爐側(cè)：磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)分離器+低溫余熱利用裝置+空預(yù)器密封裝置改造+分級省煤器改造。

表2 機(jī)組改造前后的技術(shù)指標(biāo)對比

項(xiàng) 目改造前改造后指標(biāo)改善量發(fā)電功率/MW3303300汽輪機(jī)熱耗率/kJ·(kW·h)-180907706-384鍋爐效率/%9293+1廠用電率/%5.15.10供電煤耗/g·(kW·h)-1328308.6-18.9

3.2 某600MW亞臨界機(jī)組綜合提效技術(shù)案例

某600MW亞臨界濕冷機(jī)組1991年投產(chǎn)，鍋爐是強(qiáng)制循環(huán)、帶輻射式一次中間再熱、固態(tài)排渣、Π型布置、單爐膛平衡通風(fēng)煤粉鍋爐。汽輪機(jī)為中間一次再熱、單軸四缸四排汽、雙背壓凝汽式汽輪機(jī)。通過深度能耗診斷，結(jié)合機(jī)組投產(chǎn)早、技術(shù)落后等因素制定機(jī)組的綜合提效技術(shù)方案如下：

主機(jī)設(shè)備：汽輪機(jī)通流提效改造+增容+鍋爐提汽溫參數(shù)+工業(yè)供熱改造。機(jī)組壓力參數(shù)不變，主汽溫提高30℃，提升至570℃，再熱汽溫提高20℃，提升至560℃。

汽機(jī)側(cè)：增加0號高加+鄰機(jī)加熱系統(tǒng)；

鍋爐側(cè)：燃燒器低氮改造+爐底濕排渣改干排渣裝置+低溫余熱利用裝置+空預(yù)器密封裝置改造+分級省煤器改造。

表3 機(jī)組改造前后的技術(shù)指標(biāo)對比

3.3 某600MW超臨界機(jī)組綜合提效技術(shù)案例

某600MW超臨界濕冷機(jī)組2007年投產(chǎn)，鍋爐為變壓運(yùn)行直流鍋爐，П型、螺旋水冷壁、單爐膛、前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全懸吊結(jié)構(gòu)，型號為HG1913/25.4/571/569-YM3。汽輪機(jī)為一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、八級回?zé)岢槠侥狡啓C(jī),型號為：N650-24.2/566/566。通過深度能耗診斷，結(jié)合機(jī)組投產(chǎn)時(shí)間短、電網(wǎng)負(fù)荷率高等因素“量身定制”機(jī)組的綜合提效技術(shù)方案，具體如下：

主機(jī)設(shè)備：汽輪機(jī)通流提效改造+增容+工業(yè)、采暖供熱改造。

汽機(jī)側(cè)：增加外置式蒸汽冷卻+鄰機(jī)加熱系統(tǒng)；

鍋爐側(cè)：低溫余熱利用裝置+暖風(fēng)器改造+分級省煤器改造。

表4 機(jī)組改造前后的技術(shù)指標(biāo)對比表

項(xiàng) 目改造前改造后指標(biāo)改善量發(fā)電功率/MW600650+50汽輪機(jī)熱耗率/kJ·(kW·h)-178507600-250鍋爐效率/%9293+1廠用電率/%3.913.910供電煤耗/g·(kW·h)-1308295-13

3.4 綜合提效技術(shù)可改善機(jī)組煤耗情況[4]

(1)開展汽輪機(jī)全通流改造，可使300MW等級機(jī)組煤耗下降6.0～10.0g/(kW·h)，600MW等級機(jī)組煤耗下降5.0～8.0g/(kW·h)。

(2)通過汽輪機(jī)揭缸檢修，修復(fù)和調(diào)整汽封、局部采用新型汽封等措施，可使機(jī)組煤耗下降2.0～4.0g/(kW·h)。

(3)通過優(yōu)化汽輪機(jī)的高壓調(diào)門重疊度及滑壓運(yùn)行方式，可使煤耗下降約1.0～2.0g/(kW·h)。

(4)通過冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化，凝汽器清洗，抽真空系統(tǒng)改進(jìn)，提高真空嚴(yán)密性等，可降低煤耗1.0～2.0g/(kW·h)，降低廠用電率0.1%～0.2%。

(5)通過科學(xué)配煤摻燒、燃燒優(yōu)化調(diào)整，改善排煙溫度，可使煤耗下降1.0～2.0g/(kW·h)。

(6)通過空預(yù)器受熱面及密封的改進(jìn)、運(yùn)行優(yōu)化SCR噴氨及吹灰、檢修及時(shí)維護(hù)清灰、改善漏風(fēng)等，可降低煤耗0.5～1.0g/(kW·h)。

(7)結(jié)合鍋爐超低排放設(shè)備系統(tǒng)優(yōu)化及煙風(fēng)系統(tǒng)阻力的優(yōu)化，對四大風(fēng)機(jī)進(jìn)行高效葉輪改造、雙速改造、變頻改造、引增合一改造等措施，可降低廠用電率0.2%～1.0%。

(8)供熱改造機(jī)組煤耗的降低量與供熱量成正比，供熱量越大，煤耗的降低量越大，有較大采暖面積的可實(shí)施高背壓供熱改造，可使機(jī)組煤耗降低。

4 結(jié)語

通過綜合提效技術(shù)的實(shí)施，機(jī)組安全可靠性大幅提升，機(jī)組各項(xiàng)性能指標(biāo)得以明顯提高，節(jié)能增效效果十分明顯。但要達(dá)到如期目標(biāo)，必須開展好以下工作：通過試驗(yàn)，深度診斷機(jī)組設(shè)備安全、環(huán)保、節(jié)能方面存在的問題狀況、能耗狀況，各主輔設(shè)備及系統(tǒng)的裕量及匹配情況；統(tǒng)計(jì)分析機(jī)組所在區(qū)域發(fā)電環(huán)境、供熱環(huán)境，包括區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)、電網(wǎng)對機(jī)組增容的認(rèn)可性及靈活性調(diào)峰要求等；收集機(jī)組先進(jìn)提效技術(shù)、制造廠機(jī)組機(jī)組通流改造先進(jìn)技術(shù)、同類型機(jī)組改造情況等；最終，“量身定制”具備前瞻性、全面性和先進(jìn)性且集機(jī)組安全、環(huán)保、節(jié)能于一體的 “綜合提效”技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)燃煤電廠安全、高效、清潔的可持續(xù)發(fā)展。