超超臨界機組設計技術集成化發(fā)展探討

龍輝，嚴舒，王盾

（1.中國電力工程顧問集團公司，北京市，100120；

2.中國電力工程顧問集團公司東北電力設計院，長春市，130033）

超超臨界機組設計技術集成化發(fā)展探討

龍輝1，嚴舒2，王盾1

（1.中國電力工程顧問集團公司，北京市，100120；

2.中國電力工程顧問集團公司東北電力設計院，長春市，130033）

0 引言

近年來，隨著一批600℃超超臨界機組的投運，我國的超超臨界機組整體設計、制造能力和運行水平均得到較大提高[1-10]。電力設計部門配合火電集團公司圓滿完成了超超臨界機組工程設計，并在這一過程中不斷改進設計，不斷進行系統(tǒng)優(yōu)化，使新建超超臨界機組技術水平和主要技術指標均有一定的提高，形成了與超超臨界機組相對應的一些成熟的設計技術。將這些設計技術進行總結并針對不同條件火電機組進行集成化技術研究，同時與發(fā)達國家的先進設計水平進行對比尋找差距，并提出未來設計技術集成化發(fā)展的主要研究方向對超超臨界機組設計技術發(fā)展至關重要。

1 我國燃煤火電機組發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 裝機容量

近幾年我國電力的裝機總量和火電機組裝機容量如圖1所示。截止到2009年底，我國電力的總裝機容量已達8.74億kW，其中火電裝機容量已超過6.52億kW，占總裝機容量的74.6％。

1.2 煤耗

近幾年我國火電機組的平均供電煤耗如圖2所示。由圖2可知，2009年我國運行火電機組的平均供電標準煤耗率為340 g/（kW·h）。

1.3 廠用電率

近幾年來，隨著火電機組環(huán)保治理措施的逐漸完善，廠用電設備有所增加，但由于電網(wǎng)中新增機組單機容量逐步加大，原有小機組逐步關停，因此火電機組平均廠用電率有所下降，如圖3所示。

2 國內(nèi)火電機組與國外先進機組的主要差距

2.1 機組平均供電煤耗率比較

盡管我國燃煤機組的平均供電煤耗率在不斷降低，但平均供電煤耗率仍高于世界發(fā)達國家的水平。我國與幾個發(fā)達國家的供電煤耗率對比情況見圖4。

我國火電機組平均供電煤耗與發(fā)達國家存在的主要差距如下：

（1）我國火電機組采用超臨界、超超臨界機組的參數(shù)比例仍較低，約占火電裝機容量的13％，而日本、德國等發(fā)達國家超臨界、超超臨界機組占火電機組的50％以上。

（2）我國北方缺水地區(qū)新上燃褐煤空冷機組大多采用亞臨界參數(shù)，供電煤耗較高，在350～360 g/（kW·h）之間。

2.2 新建燃煤機組的供電煤耗率比較

國外近10年投運的部分超超臨界機組主要參數(shù)及發(fā)電煤耗指標和廠用電率見表1。

表1 國外近1100年投運的部分超超臨界機組主要參數(shù)及技術經(jīng)濟指標Tab.1 The main parameters and technical economic indicators of USC units put into operation in foreign countries inrecent 10 years

近幾年來，我國新裝火電機組的參數(shù)和單機容量有了較大的飛躍，參數(shù)從過去的亞臨界升級到超臨界和超超臨界，單機容量由300MW和600MW升級為600MW和1 000MW。600MW濕冷機組基本上采用了超臨界或超超臨界參數(shù)，1 000MW機組全部采用了超超臨界參數(shù)，并且都已積累了一定的商業(yè)運行經(jīng)驗。超（超）臨界火電機組在我國火電結構中已經(jīng)有相當大的比例，國內(nèi)通過600℃超超臨界機組的技術開發(fā)及工程實踐，已投運29臺600℃百萬千瓦超超臨界機組，在建和規(guī)劃的超超臨界機組超過其他國家總和，機組制造、安裝和運行水平大幅度提高，建立了完善的設計體系，擁有了相應的先進制造裝備和工藝技術。已經(jīng)投運的部分超超臨界機組主要參數(shù)及技術經(jīng)濟指標見表2。

與發(fā)達國家相比，我國新上燃煙煤超超臨界火電機組已經(jīng)與國際先進水平接近，有些超超臨界機組（如外高橋電廠三期工程機組）已經(jīng)達到國際先進煤耗水平，但在設計理念上與德國、日本等發(fā)達國家仍有一些差距，比如：德國從20世紀末開始提出并實施燃褐煤的超超臨界機組設計技術集成計劃（lignite-based power generation w ith optimized plant engineering，BOA計劃），該技術的特點是在新建火電機組完成各種新的設計技術的集成，在2004年BOA 1/3計劃電廠Niederaussem電廠（1×1 027MW）運行，成為目前世界最先進的燃褐煤超超臨界機組，而我國目前僅有2臺燃褐煤超臨界機組（華能九臺電廠2× 660MW機組）準備投入運行，其余全部為燃褐煤亞臨界機組。

表2 國內(nèi)近幾年投運的部分超超臨界機組主要參數(shù)及技術經(jīng)濟指標Tab.2 The main parameters and technical economic indicators of Chinese USC units put into operation in recent years

汽及再熱蒸汽溫度分別為580、600℃。該項目用9 205 kJ/kg，燃煤水份53.3％褐煤最終達到了45.2％的效率，機組年平均供電煤耗292 g/（kW·h）。與傳統(tǒng)亞臨界 35.5％[346.5 g/（kW·h）]效率相比，Nidederaussem電廠采取的各項設計集成措施取得的效率提高見表3。

3 超超臨界機組設計技術集成化發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 日本超超臨界機組設計技術集成化發(fā)展

日本是除我國外，投入600℃超超臨界機組最多的國家，其超超臨界機組設計技術集成化的特點如下：

（1）提高超超臨界機組參數(shù)。

2009年日本投運的新磯子電廠2號機組主要特點與2004年投運的新磯子電廠1號機組相比，部分蒸汽參數(shù)又有變化，從25 MPa/600℃/610℃變成25MPa/600℃/620℃，并且在日本第1次采用塔式鍋爐技術，實現(xiàn)了目前日本火電機組最高的效率。

（2）采用新型節(jié)能型高效煙氣處理系統(tǒng)。

日本橘灣等電廠采用低低溫電除塵器技術，由于煙氣體積流量小、煙氣比電阻小及采用低溫靜電除塵器，四電場改為三電場，并采用先進的控制系統(tǒng)，使電除塵器的電耗大大降低。與傳統(tǒng)的電除塵器+濕法煙氣脫硫工藝（帶煙氣加熱器）相比，在除塵效率提高的情況下，爐后綜合廠用電率降低0.286％。

3.2 德國超超臨界機組設計技術集成化發(fā)展

德國目前投運的600℃超超臨界機組不多，但它是目前世界上開展超超臨界機組設計技術集成化最成熟的國家。

1996年，德國開始執(zhí)行“BOA計劃”，包括采用超超臨界參數(shù)、冷端優(yōu)化、褐煤干燥、鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化、汽輪機系統(tǒng)優(yōu)化、熱力系統(tǒng)優(yōu)化、環(huán)保島工藝系統(tǒng)優(yōu)化、區(qū)域供熱等設計技術的工程集成應用。“BOA計劃”發(fā)展路線分成3個步驟實施。

（1）“BOA計劃”的1/3項目：Nicderausem電廠燃褐煤超超臨界機組示范電站1×1 027MW機組，主蒸

表3 Nidederausem電廠與傳統(tǒng)燃褐煤亞臨界機組比較Tab.3 Comparison of Nidederaussem powerplant and d traditional lignite-fired sub-criticalu units

（2）“BOA計劃”的2/3項目：燃褐煤超超臨界機組，單機容量2×1 100 MW，蒸汽參數(shù)29.5 MPa/ 600℃/605℃。可適應預期燃用的褐煤特性。煤熱值7.6～11.6MJ/kg（水分42％以上），根據(jù)德國CO2排放分配計劃，并且是大型以大代小工程（2×300MW機組+2×600MW機組），該項目2010年投產(chǎn)。

（3）“BOA計劃”的3/3項目：700℃蒸汽參數(shù)的大機組示范應用。

3.3 我國超超臨界機組設計技術集成化的發(fā)展

我國的外高橋三期是我國應用燃煙煤超超臨界火電機組設計技術集成化最成功的范例。外高橋三期工程采用了包括采用超超臨界參數(shù)、冷端優(yōu)化、鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化、汽輪機系統(tǒng)優(yōu)化、熱力系統(tǒng)優(yōu)化、余熱回收等集成技術，使平均供電煤耗達到282.16 g/（kW·h）（2009年全年統(tǒng)計數(shù)據(jù)）。

4 我國超超臨界機組設計技術集成化發(fā)展可采用的技術

（1）采用超超臨界機組。典型超臨界循環(huán)的參數(shù)為24.1MPa/566℃/566℃，提高到超超臨界參數(shù)為25MPa/600℃/600℃，提高了電廠的熱效率，可降低標準煤耗5～9 g/（kW·h）。

（2）燃褐煤機組采用褐煤預干燥技術。利用蒸汽干燥可以使得設備體積減小，熱效率提高，且安全可靠，因此國外近幾年對高水分褐煤的干燥的研究大都集中于采用蒸汽干燥。根據(jù)國際上的發(fā)展趨勢，針對褐煤的先進干燥技術主要圍繞以下幾方面進行研究和應用：水分蒸發(fā)廢熱可以循環(huán)利用；干燥強度大，以利于大型化；通過與電廠熱力循環(huán)集成，提高電廠整體效率。

（3）降低汽輪機背壓。對于600MW級超超臨界汽輪機而言，汽輪機背壓下降0.5、1、2 kPa，熱耗分別降低13.9、31、65.3 kJ/（kW·h）左右。

（4）選用合適的汽輪機排汽面積。600MW級機組汽輪機可以有三缸四排汽型式和兩缸兩排汽型式兩種結構。在相同的背壓條件下，由于三缸四排汽型式汽輪機比兩缸兩排汽型式汽輪機排汽面積大23％，機組標準煤耗值降低約0.75 g/（kW·h）。

（5）燃煙煤機組磨煤機采用動態(tài)分離器。磨煤機采用動態(tài)分離器可提高鍋爐效率約0.3％。

（6）采用煙氣余熱回收技術或低低溫高效煙氣處理系統(tǒng)。采用煙氣余熱回收技術或低低溫高效煙氣處理系統(tǒng)，可降低煤耗1 g/（kW·h）以上。

5 我國超超臨界機組設計技術集成化發(fā)展面臨的主要問題

5.1 煤質變化

我國火電機組燃用煤質條件完全不同，這就需要對具體問題進行具體分析，采用不同的方案。例如，當考慮余熱回收時，既可以考慮低低溫靜電除塵器方案，又可以考慮除塵器后低溫省煤器方案，其關鍵要看電廠燃用的設計煤質和校核煤質中灰分和硫分，進行分析比較后確定。

5.2 褐煤干燥及整體化設計技術

褐煤干燥過程中水分的蒸發(fā)是一個大量消耗熱量的過程。傳統(tǒng)熱煙氣對高水分煤干燥后，由于蒸發(fā)的水分中含有大量的空氣，因此水分的潛熱不可能得到利用。因此傳統(tǒng)的干燥技術不能適應高水分褐煤的干燥。此外由于褐煤揮發(fā)分含量高，著火溫度低，因此容易產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，發(fā)生自燃或爆炸。如為防止爆炸，采用較低的煙氣溫度，干燥強度低、速度慢，不適合工業(yè)生產(chǎn)要求。

所以針對高水分的褐煤干燥，必須采取其他的干燥介質和設備來進行。目前國外已開發(fā)了多項褐煤干燥技術，如：蒸汽滾筒管式干燥技術、流化床蒸汽干燥技術、蒸汽空氣聯(lián)合干燥技術、床混式干燥（bed m ixing drying）技術、熱機械脫水（mechanical thermal expression dewatering）技術等，其中蒸汽滾筒管式干燥技術、流化床蒸汽干燥技術已經(jīng)應用于國外大型燃褐煤發(fā)電機組（黑泵電廠和Niederaussem電廠）。國內(nèi)目前已經(jīng)開發(fā)出滾筒煙氣褐煤干燥工藝（目前主要應用業(yè)績在煤炭系統(tǒng)各個礦業(yè)集團，用于干燥煤中部分水分，以達到煤提質的目的）、振動混流煙氣干燥褐煤工藝、褐煤蒸汽管回轉干燥工藝。

電廠褐煤預干燥技術是煤炭系統(tǒng)設計與電力工藝系統(tǒng)的結合，對于各自獨立的技術都是成熟的，但在整體化設計方面存在著欠缺，表現(xiàn)在3個方面：一是系統(tǒng)的整合，二是與鍋爐燃燒系統(tǒng)的整合，三是有關整合技術的標準。

5.3 超超臨界機組設計技術集成化的投資及運行經(jīng)濟性

（1）大部分集成技術措施的應用會造成工程造價的增加，但是，按照目前我國的經(jīng)濟實力，增加的工程造價是可以承受的。

（2）有些集成技術的應用不會增加工程造價或增加的較少，但由于運行費用的降低，使得上網(wǎng)電價有所下降。隨著我國燃料和用水價格以及污染物排放征費的上漲，電廠獲得的經(jīng)濟效益會更加明顯。

6 結論

至2020年，我國以火電機組為主、特別是以超超臨界為主的電力裝機發(fā)展態(tài)勢不會改變。按照目前的電力發(fā)展形勢分析，到2020年，我國火電機組裝機容量將增加4億～5億kW（不包括以大代小機組容量），因此必須采取各種措施實現(xiàn)國家節(jié)能減排目標。未來燃煤火電機組設計技術發(fā)展可以歸納為2個層次：第1個層次，實現(xiàn)超超臨界參數(shù)工程設計。完成包括目前的600℃參數(shù)超超臨界機組、以及2020年前可能出現(xiàn)的650℃或700℃參數(shù)超超臨界機組工程設計。第2個層次：在獨立火電機組上采用一切可以使用的新型火電技術集成，提高機組效率（包括采用超超臨界參數(shù)、褐煤干燥、冷端優(yōu)化、鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化、汽輪機系統(tǒng)優(yōu)化、熱力系統(tǒng)優(yōu)化、環(huán)保島工藝系統(tǒng)優(yōu)化、區(qū)域供熱等），使供電煤耗達到國際一流水平。

通過對國內(nèi)外超超臨界機組設計技術集成化發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢的分析，建議我國未來超超臨界機組設計技術集成化發(fā)展路線如下：（1）“十二五”期間實現(xiàn)燃煙煤濕冷超超臨界機組、燃褐煤超超臨界機組、空冷超超臨界機組幾個模塊設計集成技術的全面發(fā)展，并開展700℃超超臨界機組設計集成技術研究。（2）“十三五”期間開展并完成700℃超超臨界機組設計集成技術示范項目。

7 參考文獻

[1]DL/T 5196—2004火力發(fā)電廠煙氣脫硫設計技術規(guī)程[S].

[2]嚴俊杰，邵樹峰，李楊，等.二次再熱超臨界機組熱力系統(tǒng)經(jīng)濟性定量分析方法[J].中國電機工程學報，2004，24（1）：186-190.

[3]魏海坤，宋文忠，李奇.基于RBF網(wǎng)絡的火電機組實時成本在線建模方法[J].中國電機工程學報，2004，24（7）：246-252.

[4]朱守真，蔣建民.建立大型同步機組勵磁系統(tǒng)動態(tài)系數(shù)[J].中國電機工程學報，1997，17（3）：179-183.

[5]滿若巖，付忠廣.基于模糊綜合評判的火電廠狀態(tài)評估[J].中國電機工程學報，2009，29（5）：5-10.

[6]王惠杰，張春發(fā)，宋之平.火電機組運行參數(shù)能耗敏感性分析[J].

中國電機工程學報，2008，28（29）：6-10.

[7]張春發(fā)，王惠杰，宋之平，等.火電廠單元機組最優(yōu)運行初壓的定量研究[J].中國電機工程學報，2006，26(4)：36-40.

[8]盛德仁，任浩仁，陳堅紅，等.600MW+120MW復合蓄熱循環(huán)調(diào)峰機組參數(shù)分析[J].中國電機工程學報，2001，21（10）：88-90.

[9]馬斌.大型超臨界、超超臨界鍋爐低NO x燃燒系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學，2008.

[10]呂俊復.超臨界循環(huán)流化床鍋爐水冷壁熱負荷及水動力研究[D].北京：清華大學，2006.

Integrated Design Technology Developm ent of U ltra Supercritical Unit

LONGHui1，YANShu2，WANGDun1
（1.China Power Engineering Consulting Group Corporation，Beijing 100120，China；2.NortheastElectric PowerDesign Institute ofPower Engineering Consulting Group Corporation Changchun 130033，China）

This paper analyzes the status of Chinese ultra-supercritical coal-fired power unit（USC unit）and its gap w ith the design technologies of advanced coal-fired units abroad， and especially points out that the integrated design technology is the development trend for international USC units.The main process of integrated design technology applied in Japan and German is also investigated，as well as the feasible technology and main problems for application of this technology in Chinese USC unit.In addition，proposals are made for advancement of integrated design technology of USC units in China.

ultra-supercritical；design technology；integrated development；power supply coal consumption；technical and econom ic index；unitparameter

通過對我國超超臨界火電機組發(fā)展現(xiàn)狀及與國外先進火電機組設計技術方面主要差距的研究，提出了國際上超超臨界機組設計技術的發(fā)展趨勢是設計技術集成化發(fā)展。分析了日本和德國超超臨界機組設計技術集成的主要工藝，匯總了我國超超臨界機組設計技術集成化發(fā)展可采用的技術和所面臨的主要問題，并對我國未來超超臨界機組設計技術集成化如何發(fā)展提出了建議。

超超臨界；設計技術；集成化發(fā)展；供電煤耗；技術經(jīng)濟指標；機組參數(shù)

10.3969/j.issn.1000-7229.2011.02.017

2010-11-20

2010-12-16

龍輝（1960），男，高級工程師（教授級），從事電廠熱機、環(huán)保技術發(fā)展方向研發(fā)工作，E-mail：hlong@cpecc.net；

嚴舒（1972），男，學士，工程師，從事電廠技術經(jīng)濟研究工作，E-mail：yanshu@nepdi.net；

王盾（1965），男，高級工程師，從事電廠新技術發(fā)展方向研究工作，E-mail：dwang@cpecc.net。

何鵬）

TK 284.7

A

1000-7229（2011）02-0076-04