低熱值煤綜合利用發(fā)電節(jié)能技術的應用研究——以永隴礦區(qū)低熱值煤發(fā)電項目為例

王小玲

(陜西省政府投資評審中心，陜西省西安市，710006)

為了發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，建立煤炭清潔高效利用和循環(huán)經(jīng)濟體系，國家對低熱值煤綜合利用提出了規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的鼓勵政策。按照《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》(發(fā)改能源〔2014〕2093號)和《煤炭清潔高效利用行動計劃(2015-2020年)》(國能煤炭〔2015〕141號)(以下簡稱“行動計劃”)的要求，進一步提升煤電清潔高效發(fā)展水平。行動計劃要求在主要煤炭生產(chǎn)省區(qū)和大型煤礦區(qū)有序建設低熱值煤發(fā)電項目，積極推進循環(huán)經(jīng)濟設計理念，加強煤矸石等低熱值煤資源綜合利用。同時，行動計劃提出嚴格能效準入控制，對新建循環(huán)流化床低熱值煤發(fā)電機組，30萬kW級空冷機組設計供電煤耗不高于327 g/kWh。

煤矸石等低熱值煤資源可以通過井下充填、塌陷區(qū)治理、筑路材料、發(fā)電等方式綜合利用。其中低熱值煤綜合利用發(fā)電是規(guī)模、高效、清潔利用此類資源最有效的途徑之一，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。由于循環(huán)流化床鍋爐廠用電率比較高，采取有效措施降低低熱值煤發(fā)電項目能耗，可以降低發(fā)供電成本、增強企業(yè)競爭力，對行業(yè)的有序健康發(fā)展意義重大。

為了切實落實低熱值煤發(fā)電的產(chǎn)業(yè)政策，筆者以陜西永隴礦區(qū)某低熱值煤綜合利用發(fā)電項目工程為例，認為在項目設計建設初期針對方案節(jié)能設計、工藝流程優(yōu)化、設備選型等方面充分考慮，采用先進適用的節(jié)能技術措施和手段，對項目節(jié)能降耗、實現(xiàn)上述控制目標非常重要。

1 低熱值煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 總體發(fā)展規(guī)模

我國低熱值煤發(fā)電開始于20世紀80年代初，在40年的發(fā)展歷程中，低熱值煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模逐步擴大，截至2010年末，全國煤矸石綜合利用電廠近400個，低熱值煤總裝機容量約2600萬kW，可消耗低熱值煤約1.3億t/a，同期產(chǎn)生可用于發(fā)電的低熱值煤約3億多t?！秶夷茉淳株P于促進低熱值煤炭發(fā)電產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》(國能電力〔2011〕396號)要求到“十二五”末，低熱值煤電廠裝機容量達到7600萬kW，比初期新增裝機容量5000萬kW。“十三五”時期，山西、陜西以及內(nèi)蒙等各主要產(chǎn)煤省份提出了對低熱值煤發(fā)電規(guī)劃要求，《山西省“十三五”綜合能源發(fā)展規(guī)劃》指出“十二五”期間山西省在役低熱值煤電廠23個，裝機731.5萬kW，“十三五”核準在建低熱值煤電廠26個，裝機2331萬kW；《陜西省國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》要求， “十三五”期間力爭每個礦區(qū)建設一個低熱值煤綜合利用發(fā)電廠，基本實現(xiàn)陜北、關中中心城市和重點縣城熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱；內(nèi)蒙古提出優(yōu)先安排一定比例的低熱值煤發(fā)電項目，2020年前新增低熱值煤發(fā)電裝機300萬kW。

1.2 機組發(fā)展水平

發(fā)展初期，國內(nèi)建設的CFB機組主要是以小容量低參數(shù)的機組為主，相關技術經(jīng)濟指標較差。經(jīng)過20多年的技術研發(fā)和實踐，國產(chǎn)大容量高參數(shù)CFB機組運行管理已達世界先進行列，機組設計運行管理水平、鍋爐主機和主要輔機設備可靠性等提高。技術的發(fā)展為煤矸石、煤泥等低熱值煤綜合利用發(fā)電中選用循環(huán)流化床鍋爐及發(fā)電機組提供了很好的技術支撐和技術保障，循環(huán)流化床向更環(huán)保更高效的方向發(fā)展。目前中國正在開展660 MW超超臨界CFB鍋爐的技術關鍵期，并已經(jīng)取得了階段性進展。

2 項目背景

陜西永隴礦區(qū)低熱值煤綜合利用發(fā)電項目工程，利用永隴礦區(qū)煤礦選煤廠洗選過程產(chǎn)生的煤矸石及煤泥進行發(fā)電，采用帶式輸送機進行輸送，運距約為2.6 km，可有效地解決煤矸石和疏干水對環(huán)境造成的污染。工程燃料為低熱值煤(設計煤種為混煤，收到基低位發(fā)熱量在15.4 MJ/kg左右)，擬建設2×350 MW超臨界低熱值煤間接空冷機組，同步建設煙氣脫硫和脫硝裝置。電廠生產(chǎn)副產(chǎn)品粉煤灰作為水泥生產(chǎn)用的混合材料，脫硫副產(chǎn)品脫硫石膏用來生產(chǎn)各種建筑材料。

選煤廠為永隴礦區(qū)煤礦配套工程，建設規(guī)模為8.00 Mt/a。采用的工藝流程為：原煤采用8 mm、3 mm 干法分級，150～8mm 采用重介淺槽分選，8～3 mm 末煤采用重介旋流器分選，1～0.25 mm 粗煤泥采用螺旋分選機分選，螺旋分選機粗精煤泥采用弧形篩+煤泥離心機回收，螺旋分選機尾礦采用弧形篩+高頻篩回收，細煤泥采用濃縮+快開式隔膜壓濾機聯(lián)合回收的工藝。篩分后可用于低熱值發(fā)電廠的矸石量為153萬t/a、煤泥量為82萬t/a、末原煤量為101萬t/a。為了滿足循環(huán)流化床鍋爐對煤粒度的要求，輸煤系統(tǒng)設置粗碎、細碎兩級篩分破碎設施。

永隴礦區(qū)低熱值煤綜合利用發(fā)電項目設計煤種為混煤，其中末原煤、矸石、煤泥混合比例為38∶36∶26，工程耗煤約266.76萬t/a，其中末原煤用量為101.37萬t/a、矸石用量為96.03萬t/a、煤泥用量為69.36 t/a。洗選后的末原煤、矸石及煤泥的收到基低位發(fā)熱量分別在20.9 MJ/kg、5.0 MJ/kg和14.0 MJ/kg左右，全水分分別在14.0%、18.6%和30.0%左右。永隴礦區(qū)煤礦選煤廠產(chǎn)生的末原煤矸石、煤泥量，完全可以滿足永隴礦區(qū)低熱值煤綜合利用發(fā)電項目的發(fā)電需求。

煤矸石電廠的用煤煤質(zhì)中全水分含量為20.4%、空氣干燥基水分為4.63%、收到基灰分為33.23%、干燥無灰基揮發(fā)分為39.33%、收到基碳為38.79%、收到基氫為2.32%、收到基氮為0.15%、收到基氧為8.28%、全硫含量為0.33%、收到基高位發(fā)熱量為14.54 MJ/kg、收到基低位發(fā)熱量為13.67 MJ/kg、煤中汞含量為0.11 μg/g、煤灰中游離氧化鈣為0.08%、煤灰熔融特征溫度/變形溫度為1.30×103℃、煤灰熔融特征溫度/軟化溫度為1.32×103℃、煤灰熔融特征溫度/半球溫度為1.34×103℃、煤灰熔融特征溫度/流動溫度為1.36×103℃。

3 設計院設計中采取的主要節(jié)能措施及審查階段提出的節(jié)能措施優(yōu)化建議

3.1 設計院設計方案主機技術條件

鍋爐采用超臨界、一次中間再熱、平衡通風、半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架懸吊結(jié)構(gòu)“Π”型直流鍋爐。最大連續(xù)蒸發(fā)量為1150 t/h、過熱蒸汽出口壓力為25.4 MPa、過熱蒸汽出口溫度為571 ℃、再熱蒸汽流量為961t/h、再熱蒸汽進/出口壓力為5.052/4.794 MPa、再熱蒸汽進/出口溫度為337/569℃、給水溫度為289 ℃、鍋爐效率為91.5%。

汽輪機型式選用超臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽間接空冷凝汽式汽輪機，主機參數(shù)為24.20 MPa/ 566 ℃/ 566 ℃，汽輪機設計熱耗為7950 kJ/kWh。

配套采用三相同步汽輪發(fā)電機，發(fā)電機冷卻方式為水、氫、氫，即定子繞組直接水 內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子繞組直接氫內(nèi)冷，定子鐵芯氫冷。采用自并勵靜止勵磁系統(tǒng)。

主要耗能輔機設備配置如下：引風機采用動葉可調(diào)軸流式風機，一次風機、二次風機采用變頻調(diào)節(jié)離心式風機，每臺機組配置1臺100%容量的汽動給水泵和1臺電動啟動給水泵，凝結(jié)水系統(tǒng)設2臺100%容量凝結(jié)水泵，其中1臺備用，設1臺“一拖二”的變頻器調(diào)速。

3.2 設計院設計中采取的主要節(jié)能措施

(1)優(yōu)先用熱耗低的汽輪機，效率高的鍋爐和發(fā)電機。

(2) 發(fā)電機的最大連續(xù)出力要與汽輪機、鍋爐相匹配，避免因發(fā)電機功率不足，限制汽機的功率。

(3)輔機及電氣設備、元件選用節(jié)能機電產(chǎn)品。

(4)采用性能好的新型保溫材料，以減少管道和熱力設備的散熱損失。

(5) 選用節(jié)能型電力變壓器，以減少變壓器的損耗。廠用配電裝置盡量靠近負荷中心布置，減少電能損耗。

(6) 各工藝系統(tǒng)均選擇Y系列節(jié)能型電動機，提高了電動機效率，節(jié)約能源。

(7)暖風器疏水回收至凝汽器，減少汽機循環(huán)損失，提高機組循環(huán)效率。

(8)除氧器采用滑壓運行，抽汽管道上不設調(diào)節(jié)閥，抽汽管道阻力小，減少節(jié)流損失。

(9)冷渣器內(nèi)布置有給水受熱面，可利用廢熱加熱爐水，提高鍋爐效率。

(10)機組采用間接空冷凝汽式，汽機低壓缸排汽靠空氣冷卻。

(11)高、低加正常和緊急疏水全部回收。

(12)設置本體疏水擴容器，將機組啟停及運行時的疏水收集至疏水擴容器以回收工質(zhì)。

通過以上設計，設計院給出的本工程主要能耗指標如下：發(fā)電標準煤耗為299.8 g/kWh，供電標煤耗為322.40 g/kWh，廠用電率為7%(含脫硫)。

3.3 審查階段節(jié)能措施優(yōu)化建議

經(jīng)過陜西省投資評審中心審查，依據(jù)《中華人民共和國節(jié)約能源法》和《固定資產(chǎn)投資項目節(jié)能審查辦法》等對于設計院采用的廠區(qū)布置方案、系統(tǒng)設計方案和工藝流程進行分析討論，對主要能耗設備和附屬設備能耗的能效指標參考國內(nèi)準入或先進指標進行評價，以判別其能效級別和能耗是否達到先進水平或國家規(guī)定的節(jié)能評價值。

評審結(jié)果對該方案主機技術條件進行了肯定，同時對廠區(qū)總平面布置進行了優(yōu)化調(diào)整。評審認為設計院在方案設計中進行了多方案比較，選用的參數(shù)兼顧了機組運行的經(jīng)濟性和可靠性，選型合理，有利于節(jié)能減排，符合國家產(chǎn)業(yè)政策。但與國內(nèi)同類鍋爐的實際運行效率相比偏低，應該進一步優(yōu)化；工程汽輪機的設計熱耗為7950 kJ/kWh，與國內(nèi)同類設備設計相比，熱耗值偏高，應該進一步優(yōu)化；廠用電率7%，用電率較高應進一步采取措施降低。

4 低熱值煤發(fā)電項目的主要節(jié)能優(yōu)化措施及效果分析

針對永隴礦區(qū)低熱值煤綜合利用發(fā)電項目審查階段提出的節(jié)能措施優(yōu)化建議，主要從以下幾方面進行優(yōu)化調(diào)整。

4.1 提高鍋爐效率措施及效果分析

通過優(yōu)化鍋爐爐膛設計，降低過剩空氣系數(shù)，減少排煙熱損失，減少固體不完全燃燒熱損失。

(1)鍋爐設計時優(yōu)化爐膛容積、合理布置受熱面，設置可靠的吹灰裝置，達到節(jié)能的目的。

(2)優(yōu)化爐膛出口過?？諝庀禂?shù)，保證過?？諝庀禂?shù)在合理范圍之內(nèi)，減少爐膛及各煙道的漏風，減少排煙熱損失，這既有利于提高鍋爐效率，同時可降低對引風機出力，有助于降低廠用電率。

(3)合理確定鍋爐經(jīng)濟負荷，優(yōu)化煤粉細度和配風，以保證燃燒良好、燃料在爐膛內(nèi)有足夠的停留時間，減少機械不完全燃燒熱損失。

根據(jù)同類機組鍋爐的設計和運行情況，考慮到本工程燃煤的煤質(zhì)條件，采取以上措施，并配合必要的運行管理措施后，鍋爐效率可以從91.50%提高到 92%。

4.2 降低汽輪機熱耗率措施及效果分析

通過優(yōu)化汽輪機通流部分，優(yōu)化機組回熱系統(tǒng)，優(yōu)化主蒸汽系統(tǒng)，內(nèi)置式除氧器，汽輪機冷端優(yōu)化。

(1)優(yōu)化汽輪機通流部分，通過對末級葉片長度、寬度的優(yōu)選，降低汽輪機背壓。可以考慮在調(diào)節(jié)級增加一道汽封齒，采用新型汽封，如彈性可調(diào)汽封等提高機組通流效率。汽輪機熱耗率約降100 kJ/kWh。

(2)優(yōu)化機組回熱系統(tǒng)，低壓加熱器上設疏水泵具有較好的熱經(jīng)濟性，汽輪機熱耗率約降4 kJ/kWh。

(3)通過優(yōu)化主蒸汽系統(tǒng)、再熱蒸汽系統(tǒng)管道規(guī)格和管道布置，合理選擇主蒸汽和再熱蒸汽系統(tǒng)的管道規(guī)格，縮短主蒸汽、再熱蒸汽管道長度，選用Y型三通、彎管降低局部阻力，主蒸汽系統(tǒng)和再熱系統(tǒng)壓降由現(xiàn)行《大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)》(GB50660-2011)規(guī)定的 5%和 10%優(yōu)化 至 4%和7%，機組熱耗相應可降低18 kJ/kWh。

(4)選用內(nèi)置式除氧器，與常規(guī)除氧器及水箱相比，減少了排氣損失，蒸汽消耗量降低，機組熱耗相應可降低13 kJ/kWh。

(5)汽輪機冷端優(yōu)化(抽汽背壓)，結(jié)合當?shù)貧庀髼l件，結(jié)合系統(tǒng)布置，對不同的冷卻倍數(shù)、間冷塔面積、凝汽器面積等幾個可變參數(shù)進行組合，通過優(yōu)化計算選擇汽輪機冷端各主要參數(shù)經(jīng)濟合理的組合。

采取以上各項措施后，可使汽輪機熱耗率從 7950 kJ/kWh 下降到 7815 kJ/kWh。

4.3 降低廠用電率措施及效果分析

(1)根據(jù)國內(nèi)同類機組的實際情況運行和設計優(yōu)化情況，一次風機(4臺)、二次風機(4臺)、引風機(4臺)、凝結(jié)水泵(2臺)、循環(huán)水泵(4臺)的裕量選擇偏大可進行優(yōu)化。依據(jù)同類機組運行情況，可對一次分機額定功率選取比之前減小150 kW，引風機、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵的額定功率選取比之前減小100 kW，對二次風機額定功率選取比之前減小50 kW。

(2)一次和二次風機選用動葉可調(diào)軸流風機，動葉可調(diào)軸流風機在低負荷時風機運行效率高，對煙風道系統(tǒng)流量、全壓變壓的適應性強， 目前已有工程應用，可節(jié)電20%左右。

(3)循環(huán)水泵采用雙速循環(huán)水泵，根據(jù)實際運行工況以及季節(jié)、氣溫等因素進行優(yōu)化運行，共有 7 種運行方式可供選擇，較單一速度節(jié)電約 20%。

通過降低一次風機等設備額定功率，每年節(jié)能電量 1655.2 萬 kWh，可產(chǎn)生較明顯的節(jié)電效果。廠用電率由7.00%降低到 6.78%，可降低廠用電率 0.22%，降低廠用電率措施及效果計算見表1。

表1 降低廠用電率措施及效果計算

5 節(jié)能優(yōu)化措施后低熱值煤發(fā)電項目熱經(jīng)濟性指標分析

5.1 熱經(jīng)濟指標定義

按照《大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)》(GB50660-2011)的規(guī)定，火力發(fā)電廠的熱經(jīng)濟性指標用電廠發(fā)電熱效率ηfn和供電標準煤耗bfn評價見式(1)：

ηfn=ηqn×ηgl×ηgd×105

(1)

式中：ηfn——電熱效率， %；

ηqn——汽輪發(fā)電機熱效率， %；

ηgl——鍋爐效率， %；

ηgd——管道效率，取99%。

電廠熱效率ηfn與供電標準煤耗bfn換算關系見式(2)：

(2)

式中：bfn——供電標準煤耗，g/kWh。

5.2 本項目發(fā)電熱效率和供電標準煤耗指標分析

(1)鍋爐熱效率。經(jīng)計算優(yōu)化后的鍋爐熱效率為92%，發(fā)電熱效率為41.96%。

(2)汽輪機熱耗。經(jīng)計算優(yōu)化后的汽輪機熱耗為7815 kJ/kWh，汽輪發(fā)電機熱效率為46.07%。

由此可得：發(fā)電標準煤耗為293.1 g/kWh，供電標準煤耗為314.4 g/kWh。

5.3 節(jié)能優(yōu)化措施前后對比

通過以上各階段的節(jié)能優(yōu)化措施：發(fā)電標準煤耗從299.8 g/kWh 降為293.1 g/kWh，降低了6.7 g/kWh；供電標煤耗從322.4 g/kWh降為314.4 g/kWh(新建項目準入限值327 gce/kWh)，降低了8 g/kWh；廠用電率6.78%(含脫硫)，對比設計院給出的7%能耗指標有一定程度的降低。

6 煤矸石發(fā)電節(jié)能審查階段的節(jié)能潛力預測

項目的節(jié)能考量以設計方案為基礎，通過各階段參與的專家和人員的專業(yè)實踐和審查討論，進一步改進設計中的節(jié)能工藝、措施和方法，其節(jié)能效果顯著。對于本項目發(fā)電標準煤耗降低6.7 g/kWh，按設備利用 5500 h/a計，年總發(fā)電量為38.50×108kWh，年可節(jié)約標煤約25795 t標煤。

依此類推預估，按照煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃，“十三五”期間我國將新增低熱值煤發(fā)電裝機2000萬kW。在“十三五”期間，通過節(jié)能審查，改進設計中的節(jié)能工藝、措施和方法，應用于新增低熱值煤綜合利用發(fā)電項目，可節(jié)約標準煤約73萬t。

綜合利用煤炭采選產(chǎn)生的煤矸石、煤泥等低熱值煤資源，符合國家的節(jié)能產(chǎn)業(yè)政策，是國家建立循環(huán)經(jīng)濟推動生態(tài)環(huán)境建設的重要舉措。在低熱值煤發(fā)電項目建設中，從系統(tǒng)方案設計、能評、審查、到建設、運營等各階段都應切實做好節(jié)能工作，做好電廠副產(chǎn)品的循環(huán)利用，對主要用能工藝和能耗設備進行對標和績效評價，通過科學合理的計算項目能耗，對項目能效水平是否達到國際、國內(nèi)先進水平進行評價，是保證該類工程在建設中實現(xiàn)良好節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。