未來低碳煤電技術的發展之思考

馮偉忠

(上海外高橋第三發電有限責任公司,上海 200137)

1 引言

當前,節能減排、低碳經濟已是國際社會最關注的焦點。為應對全球變暖,中國政府承諾,到2020年,單位國內生產總值(GDP)二氧化碳排放(碳排放強度)比2005年下降40%至45%。不過,就現實情況來看,中國一次能源的蘊藏總量中,煤炭占了將近90%,即使從全球角度觀察,煤炭在一次能源的蘊藏量中所占份額也最大。基于煤炭有著易開采、易運輸及儲存,安全性好及應用廣泛的特點,仍是目前以至今后相當一段時間內世界上最主要的一次能源。毫無疑問,這也是最大的二氧化碳排放來源。

中國是目前世界最大的煤炭開采和消費國家。2009年煤炭消費30億t,其中用于火力發電16億t。至2009年底,全國電力總裝機容量為8.74億kW,發電量為36.5億kW·h,平均供電煤耗342 g/(kW·h)(平均凈效率35.9%)。其中火電機組占總容量的75%,發電量占81.7%。因此,火電作為最大的煤炭消費行業,更應擔當起節能減排的重任。

事實上,較長時期來,我國的火電行業的煤耗一直在持續地下降,這主要得益于結構性改善,特別是近年來,這方面的力度還在加大。2005年以來,新建的機組,已從原 300 MW至600 MW的亞臨界機組轉向大量采用高效600～1000 MW超(超)臨界機組。而對于原有機組,則大力推進“上大壓小”政策。近年來每年關停約1 GW中小型高耗能機組,代之以大型高效機組,從而取得了顯著地節能減排成效。但是,目前我國的單位GDP能耗還遠高于先進國家,要完成2020年碳排放強度的減排目標,任務非常艱巨,電力行業還需進一步加大節能減排的力度。在持續推動結構性改善的同時,通過技術進步和創新,提高整個火電行業的能效,也是一條很好的低碳之路。

2 低碳途徑之一:采用更高等級蒸汽參數

發展于20世紀90年代的600℃等級蒸汽參數超超臨界機組,是現今前沿火電技術中最為成熟的高效煤電技術,目前已得到了普遍應用。采用常規系統配置及設計的600℃等級超超臨界、一次再熱,20℃冷卻水溫,機組的理論凈效率已達43.5%水平。而20世紀末,歐盟、美國、日本等發達國家,又提出了發展下一代以鎳基超級合金為材料基礎的700℃等級更高效的超超臨界發電技術的計劃。由于對其冷卻水溫、再熱次數等技術條件及效率口徑的不同(是否含廠用電及脫硫、脫硝等),許多文獻給出的效率目標相差很大。

事實上,對于采用常規系統配置及設計的一次再熱,冷卻水溫20℃,含脫硫、脫硝系統,35 MPa/700℃/720℃高效超臨界機組,理論凈效率可比600℃等級機組提高3.2%(相對提升7.4%),達46.7%。而若采用2次再熱,低溫海水冷卻等技術,凈效率還會更高。不過,目前700℃高效超臨界計劃的技術儲備不足,尚存在材料技術和造價瓶頸等。原計劃2011年啟動的世界首個700℃高效超臨界示范工程,德國 Wilhemshafen電廠一次再熱500MW機組項目已決定推遲3年,按此推算,在2020年以前,將難以見到商業化的700℃高效超臨界機組投產。因此,對于我國2020年的節能減排目標來說,這一技術還遠水救不了近火。

3 低碳途徑二:基于現有技術條件,發展更高效煤電

3.1 充分挖掘設備及系統設計等的節能潛力

研究及實踐均已表明,現有的技術體系中,設備、設計、調試、運行及控制方式等,仍存在著很大的節能空間。通過優化、改進及局部創新,充分挖掘其中的節能潛力,是一條投資省、風險低、見效快的有效途徑。

上海外高橋第三電廠(以下簡稱“外三廠”)的2臺1 GW超超臨界機組工程(2005-2008年),在這方面進行了成功的探索[1],通過建設期及投產后的全面、持續的優化和創新,目前的理論凈效率已提升至46%。2009年,在年平均負荷率僅為75%的情況下,含脫硫及一臺機組含脫硝,實際運行凈效率達43.54%(平均供電煤耗為282.16 g/(kW·h),遠優于原設計及同期同類項目,創世界最好水平。隨著技術創新的不斷推進,2010年,在同等負荷率下,機組實際運行凈效率有望進一步提升至接近44%。

外三廠所研發的節能技術,原則上都可應用于新建機組。而其中相當部分技術屬于通用技術,性價比很高,綜合節能率在3%以上。這些技術完全可推廣于現有機組的節能改造。

試想,如果現有煤電年消耗的16億t被節約下3%,且不論資源本身的價值,僅二氧化碳的減排量就達上億噸。

3.2 采用“一種新型的汽輪發電機”設計技術

這一專利技術[2]的核心是采用雙軸汽輪發電機方案,所不同于傳統的是將其中的高(中)壓缸軸系布置于鍋爐上靠近過熱器和再熱器的出口聯箱處。而另外的(中)低壓缸軸系則仍按常規布置。

這一技術的獨特優勢,在于取消了大部分高價值的高溫高壓蒸汽管道,從而也相應消除了這部分管道產生的壓力和散熱損失。顯而易見,該技術尤其適合于二次再熱機組,能使二次再熱機組的效率優勢得到充分發揮,同時也能避免增加第二次再熱蒸汽管道所帶來的負面影響。

目前已完成的技術論證表明,高(中)壓缸軸系的高位布置完全可行,根據SIMENS所做的熱平衡計算表明,若采用600℃等級蒸汽參數及二次再熱方案,汽輪發電機的熱耗水平比目前一次再熱常規布置方案可再相對下降5%,非常可觀。

此外,由于采用了雙軸方案,單機容量的瓶頸也被打開,按目前的技術水平,單機容量可達1500 MW。

由于本設計方案省去了大部分高價值的大直徑高溫高壓管道,相應的支吊架及保溫材料和施工費用等,與增加的鍋爐二次再熱器及汽輪機第二中壓缸的費用,高位平臺等的費用基本相當,故本設計的機組單位造價并不因此增加。

另外,對于今后發展700℃高效超臨界機組,需要采用極其昂貴的蒸汽管道,本技術將具有無可比擬的優勢。

3.3 融合上述兩種技術

因上述3.1和3.2章節所述的技術各自獨立且并不矛盾,故若綜合采用上述兩種技術,其含脫硫、脫硝的理論凈效率將超過48.5%,發電效率(熱效率)將達50%以上。毫無疑問,這將是一個劃時代的水平。而其單位造價,仍與目前一次再熱超超臨界機組的造價水平相當。

對于今后的新建機組,本方案應是最佳選項。尤其需要指出的是,該方案與之目前大量的300～600MW的亞臨界機組相比,其效率的提升超過25%。因此,該技術打開了這些機組的就地拆建改造的商業化途徑。如可將原4×300 MW或2×600 MW的亞臨界機組,利用其原有的各種條件,僅將機組的本體部分就地改建成2×770～800 MW的新型汽輪發電機組。其新增的容量相當于零能耗、零排放發電,其商業價值及減排意義均極為可觀。事實上,如果我們換一個角度看,這些新增的發電容量,是否應該被稱為一種更穩定,更優質,更經濟,零污染的“新能源”。

4 外三廠超超臨界機組的主要節能創新及成效

4.1 鍋爐及相關系統的效率提升

4.1.1 空預器全向柔性密封技術

空預器是鍋爐的樞紐設備。大型鍋爐普遍采用的回轉式空預器,其漏風率的大小,不但直接關系到鍋爐煙氣預熱的回收效率,也嚴重影響了鍋爐主要風機(送風、引風、一次風及脫硫增壓風機)的用電率。

我們開發的磨損率可控的接觸式全向柔性密封技術,大幅度降低了空預器的漏風率,在顯著提高其換熱效率,提高鍋爐效率的同時,亦能大幅度地降低廠用電率。目前,外三廠機組額定工況下,含脫硫、脫硝的綜合廠用電率已在3.5%以內,加上鍋爐效率的提高,機組的凈效率上升1%以上。

4.1.2 零能耗脫硫技術

目前的石灰石-石膏濕法脫硫,需耗用約1%以上的廠用電,此類系統實際為“耗能減排”。我們開發的“零能耗脫硫技術”,實現了真正意義上的節能減排,該項技術主要涵蓋了以下兩個方面:

(1)通過改進工藝和運行方式,使整個脫硫系統在額定工況下的耗電率降至0.75%以內。

(2)研發并加裝了煙氣熱能回收裝置。該裝置安裝于脫硫塔前,在回收鍋爐排煙余熱的同時,還附加回收了引風機及增壓風機在對煙氣做功時由煙氣吸收的熱能,并將這部分熱量送回熱力系統替代汽輪機抽汽加熱凝結水,以提高機組效率。這一技術的關鍵是防止熱能回收裝置的煙側低溫腐蝕及積灰堵塞。該系統從2009年6月中旬投用至今,從未出現上述問題。根據性能試驗結果,該系統提高了機組效率0.94%,脫硫吸收塔的水耗下降45 t/h以上。

4.1.3 鍋爐的節能啟動系列技術[3]

大型超(超)臨界機組的啟動,需要消耗大量的水、電、油、煤、蒸汽等資源,時間長,安全風險大。為此,我們對傳統的機組啟動方式進行了全面的顛覆和創新,研究并設計出了一整套全新的節能型快速啟動系列技術,這里涵蓋了:

(1)不啟動給水泵、靜壓狀態下的鍋爐上水及不點火的熱態水沖洗技術;

(2)直流鍋爐蒸汽加熱啟動和穩燃技術;

(3)取消爐水循環泵的低給水流量疏水啟動技術;

(4)汽動給水泵組低速啟動及全程調速運行技術[4]。

這套系列技術的應用,顯著地提高了機組的啟動安全性,徹底杜絕了鍋爐點火啟動初期水冷壁內工質尚未進入飽和態前的過熱器、再熱器承受的“干燒”及在而后有蒸汽開始進入后的過熱器、再熱器內壁“驟冷”收縮而導致的氧化皮脫落現象。同時大大減少了點火和助燃用油、用煤、用汽及用電等各項能耗。顯著縮短了啟動時間,目前,機組冷態啟動,從點火至并網,僅需120 min,耗油小于20 t,耗電小于8萬kW·h,包括加熱蒸汽在內的綜合能耗小于200 t標準煤。

4.2 汽輪機及相關系統的效率提升

4.2.1 設計參數及運行調節方式的優化[4]

根據SIEMENS的超(超)臨界汽輪機的設計特點,對設計參數[5]及運行控制方式等進行了一系列優化。提高了實際運行效率:

一是適當提高主蒸汽設計壓力,從而確保在全負荷及包括夏季工況在內的各種條件下均能實現滑壓運行,避免因負荷原因開啟補汽閥,減少節流損失。

二是采用節能型抽汽調頻技術[6],該方法的著眼點是改變汽輪機的調頻原理。通過調節凝結水流量,間接的同步改變各級低壓回熱抽氣量,再輔之以特殊情況下高加抽氣量調節的配合,從而達到汽輪機暫態功率調節的目的(而后由鍋爐燃燒調節系統跟進)。用此方法,可使主調門經常性全開,補汽閥全關,消除汽輪機進汽節流損失。

三是汽輪機背壓優化,除采用雙背壓外,根據電廠附近長江年平均水溫的統計,設計背壓從4.19/5.26 kPa下降為3.86 kPa/4.88 kPa。

給水泵汽輪機單獨設置凝汽器,排汽不再進入主機凝汽器。即降低了傳熱強度,亦減少了凝汽器汽側的流動壓降,相應又可降低背壓和端差,進一步提高了經濟性。

上述的優化措施,約可提高機組效率0.7%。

4.2.2 蒸汽及給水管道系統設計優化

絕大部分90°轉彎處均采用大曲率半徑(≥3D)的彎管,并適當增大冷再熱管道的管徑。

(1)降低了四大管道的總造價20%;

(2)有效地減少了管系的壓降。再熱系統(包括鍋爐再熱器)壓降由10%降為6.7%,汽輪機的熱耗相應下降18 kJ/(kW·h);而給水及主蒸汽管道壓降的下降,使給水泵功耗相應下降;

(3)大曲率半徑的彎管在運行時產生的振動能量明顯下降,提高了管系運行的安全性。

4.2.3 給水泵配置優化

不同于傳統的2×50%汽動給水泵+1×40%電動給水泵配置,在我國首次采用100%汽動給水泵,自配獨立凝汽器,可單獨啟動,取消電動給水泵。其啟動汽源取自相臨機組的冷再熱蒸汽。

選用效率高達86.7%的給水泵專用小汽輪機。該機的三調門配置,即兼顧了在BMCR時加旁路噴水的FCB極端運行工況,又能確保額定運行工況時的最佳效率。該汽動給水泵的應用,減少了小汽輪機的驅動用汽,從而能降低主汽輪機的熱耗約20 k J/(kW·h)。

采用單汽泵配置后,機組啟動階段給水泵所耗能源為臨近汽輪機已作過功的高壓缸排汽而非高價值的電力。而一旦鍋爐產汽后,給水泵汽輪機的汽源即可適時切回本機(冷再熱蒸汽),相當于回收利用了部分原本通過低壓旁路排向凝汽器的蒸汽。這就大大降低了機組啟動階段的能耗。

4.2.4 廣義回熱技術

不同于抽汽加熱給水的傳統回熱技術,該技術是進一步拓寬回熱抽汽的應用鄰域,充分利用汽輪機抽汽,與鍋爐空預器配合,加熱鍋爐的進風,在提高鍋爐燃燒效率的同時降低汽輪機的排汽損失。

該技術沒有傳統暖風器會增加機組煤耗的缺點,在提高空預器運行安全性的同時,亦提高了機組的運行效率。該技術的全面應用,可提高機組運行效率1%以上。

4.2.5 固體顆粒侵蝕綜合治理系列技術[7]

管道的蒸汽側氧化及由此引起的汽輪機葉片及旁路閥密封面固體顆粒侵蝕(SPE)是超(超)臨界機組特有的嚴重問題。德國首臺百萬級超超臨界汽輪機,在投產一年后,因SPE問題,僅高壓缸內效率就下降了3.6%。因此,如何防治SPE問題,阻止機組效率下降,也是一種具有重要意義的的節能。

我們針對其產生的機理進行了全面和深入地研究,研發了一整套所謂的中醫全身療法的蒸汽氧化和固體顆粒侵蝕綜合治理的系列技術,他涵蓋了系統設計、設備選型、施工及調試以及控制和啟動、運行方式等方面的一系列的改進和創新,這些措施全面應用后取得了驚人成效,徹底根治了這一困擾了世界超臨界技術領域幾十年的頑癥。

外三廠的汽輪機在運行了30個月后入內檢查,發現葉片依然光亮如新。同時,汽輪機性能試驗的比對表明,從機組的第一次啟動至今,汽輪機的內效率絲毫未變。

4.3 下一步的節能創新

目前,外三廠又有一批新的重大節能創新技術完成了前期研究,項目策劃。其中世界首創的“彈性回熱技術”項目已在2010年10～11月的機組B級檢修中予以實施并取得了成功。該技術將能使脫硝(SCR)系統不再需要在低負荷下退出運行,顯著提升機組的環保水平;與此同時,還能使機組的低負荷運行效率有所提高;此外,還能進一步改善機組的調頻響應特性等。另外,明年及2012年,將還有新的節能創新技術將結合機組檢修分批實施。屆時,外三廠兩臺機組的能效水平還將不斷提升。

5 結論

(1)基于目前700℃高效超臨界計劃的技術儲備不足,尚存在材料技術和造價瓶頸等的現實。按目前實際進程,10年內尚難以實現商業化。為加快電力行業低碳化的步伐,應立足于現有技術條件,發展更高效煤電。

(2)外三廠工程實踐表明,現有的技術體系中,設備、設計、調試、運行及控制方式等,仍存在著很大的節能空間。通過優化、改進及局部創新,充分挖掘其中的節能潛力,是一條投資省、風險低、見效快的有效途徑。其效率的相對提升空間在5%以上。這些節能技術,原則上都可應用于新建機組。而其中的通用部分,相對綜合節能率在3%以上,完全可推廣于現有機組的節能改造。

(3)采用“一種新型的汽輪發電機”高低位雙軸布置專利技術,基于現有材料,按600℃等級蒸汽參數及二次再熱方案考慮,結合外三廠各項節能優化和創新技術,含脫硫及脫硝的機組凈效率可達48.5%。其單位造價仍能控制在現有的一次再熱超超臨界機組的水平,但煤耗卻能再下降30 g/(kW·h)以上,效益驚人,極具商業價值。該方案已無任何技術瓶頸。故無論是新建機組或對現有機組的大規模改造,該方案均為目前的上佳選擇。

(4)“一種新型的汽輪發電機”技術打開了700℃高效超臨界計劃的瓶頸。一旦材料成熟,即可在上述方案的基礎上,將蒸汽參數提高至700℃。這樣,機組的凈效率將進一步提升至51%以上,毫無疑問,這一解決方案將代表著低碳火電的未來。

[1] 馮偉忠.外高橋三期1000MW超超臨界機組的節能技術[J].中國電力,2009,42(增刊2).

[2] 馮偉忠.一種新型的汽輪發電機.中國,ZL 200920072375.3.

[3] 馮偉忠.外高橋三期工程調試期的節能與技術創新[J].華東電力,2008(6).

[4] 馮偉忠.1000 MW超超臨界機組給水泵及系統優化[J].中國電力,2010,43(8).

[5] 馮偉忠.1000MW超超臨界汽輪機蒸汽參數的優化及討論[J].動力工程,2007,27(3):305-309,331.

[6] 馮偉忠.1000MW超超臨界汽輪機綜合優化及成效[J].電力建設.2009(5):42-46.

[7] FENG W eizhong.Comp rehensive Prevention of Steamside Scaling&Solid Particle Erosion(SPE).Supercritical Coal:Operation Experien ce&Technology Developments. Institution of M echanical Engineers,2007.1 London.