國產(chǎn)300MW汽輪機(jī)、1025t/h燃煤鍋爐技術(shù)改造與節(jié)能減排

華能上海石洞口第一電廠 陳興興

1 前言

一座電廠一旦建成，其生命周期內(nèi)的能源使用效率基本確定。華能國際電力股份有限公司上海石洞口第一電廠（簡稱“華能上海石洞口第一電廠”下稱“電廠”）是“七五”期間國家重點能源建設(shè)的項目之一，在中央和地方政府的重視、關(guān)心下，安裝了四臺上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的汽輪機(jī)（型號為N300-165/535/535的第一批300MW亞臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽凝汽式）、上海鍋爐廠生產(chǎn)的直流爐(型號為SG-1025-170.5-540/540亞臨界UP型單爐膛)和上海電機(jī)廠生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)組(300MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī))。四臺機(jī)組于1987年12月至1990年5月相繼投產(chǎn)，滿足了國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會用電的客觀需要，發(fā)揮了主力電廠支撐電網(wǎng)的重要作用。

進(jìn)入“十一五”時期，為滿足節(jié)能降耗和環(huán)保的要求，走可持續(xù)發(fā)展之路，電廠認(rèn)為必須加快設(shè)備的技術(shù)更新，重點對汽輪機(jī)、鍋爐進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造。

2 國產(chǎn)300MW汽輪機(jī)通流改造，改善老機(jī)組能耗指標(biāo)

2.1 國產(chǎn)300MW汽輪機(jī)存在的主要問題

1）機(jī)組效率低，啟動時間長。

2）機(jī)組膨脹不暢，軸承座剛性差，變負(fù)荷能力差。

3）通流部分結(jié)垢，汽損嚴(yán)重。

4）軸承和軸封系統(tǒng)密封不嚴(yán)，造成主油箱油中含水量大和真空嚴(yán)密性差。

5）低壓末級及次末級葉片水蝕嚴(yán)重。

2.2 汽輪機(jī)通流部分節(jié)能技術(shù)改造

1）改造前能耗狀況

電廠4臺300MW汽輪機(jī)是我國上世紀(jì)七十年代初期自行開發(fā)、設(shè)計的產(chǎn)品，是國產(chǎn)125MW機(jī)組的翻版。限于當(dāng)時的生產(chǎn)制造及技術(shù)水平低，與設(shè)計效率比較，高、中壓缸實際效率分別比設(shè)計值低1.64%與0.81%，低壓缸設(shè)計效率比同類型引進(jìn)機(jī)組低4.5%，當(dāng)初性能試驗熱耗值8537 kj/kWh，設(shè)計熱耗率8149kJ／kWh。大大高于目前國產(chǎn)引進(jìn)型300MW機(jī)組的8000kj/kWh的水平。實際熱耗比設(shè)計值高388kJ/kWh。

為了走可持續(xù)發(fā)展之路，我們對熱耗大、煤耗高的老式國產(chǎn)300MW汽輪機(jī)組分步進(jìn)行改造，改造內(nèi)容：汽輪機(jī)形式采用反動式，更換通流部分，高、中壓內(nèi)外缸，低壓內(nèi)缸（保留低壓外缸），導(dǎo)汽連通管，高、中、低壓轉(zhuǎn)子，軸承系統(tǒng)，軸封系統(tǒng)，盤車裝置改為低速盤車等。

2）汽輪機(jī)通流改造采用的節(jié)能技術(shù)

（1）對汽輪機(jī)高、中、低壓通流部分進(jìn)行徹底更新，采用無中心孔的整鍛轉(zhuǎn)子；高、中壓內(nèi)外缸和低壓內(nèi)缸調(diào)換；軸承和軸承座系統(tǒng)改進(jìn)；汽封和汽加熱系統(tǒng)改進(jìn)；中、低壓導(dǎo)汽管調(diào)換；改進(jìn)疏水系統(tǒng)為集中自動控制疏水等。

（2）高壓缸通流部分主要采用新的子午面噴嘴型線，壓力級動葉片葉型為扭葉片系列，反動度平衡動葉采用減少根部氣流擾動的反動度平衡原理。

（3）中壓缸通流部分主要按三元流場確定沿葉高動靜葉片型線的最佳速比匹配,蒸汽在動靜葉出口為軸向排汽等新型技術(shù)。

（4）低壓缸通流部分主要按類似中壓缸技術(shù)之外,對葉片沖角還匹配有10°的自帶圍帶，更有利于速度分布，減少蒸汽余速損失0.8%等優(yōu)化組合。

3）汽輪機(jī)通流部分改造后與原設(shè)計性能比較

汽輪機(jī)通流部分改造后，汽缸膨脹舒暢，調(diào)節(jié)品質(zhì)好，在采用復(fù)合變壓運行方式中，能適應(yīng)40%～100%BMCR調(diào)峰，并提高了變負(fù)荷響應(yīng)速度，提高了軸系穩(wěn)定性和可靠性，銘牌出力由300 MW提升至325MW。汽輪機(jī)在額定工況下的熱耗由8537kJ/kWh下降至8157kJ/kWh，各缸效較現(xiàn)役機(jī)組有較大幅度的提高，從改造后的機(jī)組在額定工況區(qū)域范圍內(nèi)的發(fā)電設(shè)計熱耗率與性能考核值比較來看，達(dá)到了在額定工況下無煤耗增加出力25MW的預(yù)期目標(biāo)。汽輪機(jī)通流改造項目實施前（后）的能源消耗由360g/kWh下降至340g/kWh，下降了20g/kWh，按18億kWh/臺電量計算，節(jié)能量36000t/a標(biāo)準(zhǔn)煤。

3 依靠科技進(jìn)步，實施1025t/h直流爐“貧改煙”節(jié)能技術(shù)改造

3.1 改造前的鍋爐現(xiàn)狀

1）燃用貧瘦煤的1025t/h直流鍋爐，在適燃的貧瘦煤資源匱乏，煤價驚人增長，發(fā)電燃料成本上升使邊際利潤倒掛的情況下，改善貧煤鍋爐效率低和推廣適燃煤種的問題顯得尤為突出；

2）制粉系統(tǒng)采用中間儲倉式，配四套DTM350/600筒式鋼球磨，用電率比上海吳涇熱電廠和外高橋一電廠同容量鍋爐配置的HP型中速磨高出0.5%以上。

3）由于國產(chǎn)設(shè)備當(dāng)時設(shè)計、制造工藝等因素，鍋爐的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可調(diào)性都比較差。

4）為了解決鍋爐的可調(diào)性，在1998年至2005年分別重點對4臺鍋爐進(jìn)行燃燒器和水動力（水冷壁）變負(fù)荷能力（由70%增大到40%）改造，水冷壁改為螺線管式；燃燒器采用分級欠氧低NOx燃燒器，達(dá)到了低負(fù)荷穩(wěn)燃。同時還使NOx排放量≤650 mg/Nm3，但生產(chǎn)供電煤耗上升3g/kWh～4g/kWh。

3.2 鍋爐改造可行性分析

1）鍋爐熱損失及熱負(fù)荷計算值見表1

表1 鍋爐熱損失及熱負(fù)荷計算值

表2 熱負(fù)荷指標(biāo)對比

2）熱負(fù)荷指標(biāo)與相似鍋爐的比較見表2

3）結(jié)論

（1）根據(jù)以上計算及常熟電廠和太倉電廠二期鍋爐的實際運行情況，結(jié)合本工程的熱負(fù)荷指標(biāo)看，具備貧改煙工程實施后不會出現(xiàn)爐膛嚴(yán)重結(jié)渣現(xiàn)象。擴(kuò)大煤種，提高爐效目的是可行的。

（2）鑒于上述原因，公司于2009年6月、2010年2月、2011年5月分別在#1、#2、#3鍋爐實施；#4鍋爐在結(jié)合電網(wǎng)負(fù)荷需要的前提下，將于2011年底繼續(xù)推廣應(yīng)用。

3.3 鍋爐貧改煙的節(jié)能技術(shù)措施

1）爐本體

為了節(jié)能及減少投資，爐本體改造，在不影響改造效果的前提下，盡可能利用原有設(shè)備。

（1）原來燃燒貧煤改為燃燒大同煙煤，(可燃基揮發(fā)份Vdaf由 16%改為 35.3%)，鍋爐燃燒器六層改為五層。采用直吹式一次風(fēng)機(jī)、冷正壓制粉系統(tǒng)，四角擺動式切向燃燒的煤粉燃燒器。煤粉細(xì)度R90=18.38%左右。

（2）制粉燃燒系統(tǒng)由于改為冷正壓一次風(fēng)機(jī)直吹式后，低過側(cè)和低再側(cè)省煤器采用肋片管式，面積均由2103m2增加至3000m2，增加 50%。

（3）燃 燒方 式 采用 低NOx同軸燃燒系統(tǒng)（LNCFS）。與常規(guī)煤粉噴嘴設(shè)計比較，具有以下優(yōu)點：

（a）強(qiáng)化著火（EI）煤粉噴嘴能使火焰穩(wěn)定在噴嘴出口一定距離內(nèi)；使揮發(fā)份在富燃料的氣氛下快速著火，保持火焰穩(wěn)定，從而有效降低NOX的生成，延長焦碳的燃燒時間。

（b）在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置有1層輔助風(fēng)噴嘴，其中包括2只CFS（偏置風(fēng)）噴嘴，1只直吹風(fēng)噴嘴。

（c）同心切圓（CFS）燃燒方式。采用同心切圓燃燒方式，部分二次風(fēng)氣流在水平方向分級，在始燃燒階段推遲了空氣和煤粉的混合，NOx形成量少。見圖1所示

（d）UFA（Underfire Air，火下風(fēng)）噴嘴設(shè)計。在每個主燃燒器最下部采用UFA噴嘴設(shè)計，通入部分空氣，以降低大渣含碳量。

（e）采用可水平擺動調(diào)節(jié)的SOFA噴嘴，控制爐膛出口煙溫偏差。

（f）爐膛出口煙溫偏差是爐膛內(nèi)的流場造成的。圖2表示了可水平調(diào)整擺角的噴嘴設(shè)計，擺角可水平調(diào)整+15°到-15°。SOFA的水平調(diào)整，可通過燃燒調(diào)整得到一個燃燒效率最佳的角度。

（4）在組織良好爐膛空氣動力場，防止火焰直接沖刷水冷壁前提下，防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣和高溫腐蝕的主要措施有：

（a）帶同心切圓燃燒方式（CFS）的多隔倉輔助風(fēng)設(shè)計；

（b）合理的燃燒器各層一次風(fēng)間距。

（5）燃燒器的設(shè)計、布置考慮降NOx的排放濃度不超過450mg/Nm3（O2=6%）的措施有：

（a）帶同心切圓燃燒方式（CFS）的多隔倉輔助風(fēng)設(shè)計；

（b）采用CCOFA和SOFA實現(xiàn)對燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)的多級控制；

（c）強(qiáng)化著火（EI）煤粉噴嘴設(shè)計。

(6)燃燒器的設(shè)計、布置考慮實現(xiàn)不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷的措施有：

（a）強(qiáng)化著火（EI）煤粉噴嘴設(shè)計；

（b）低負(fù)荷時相臨兩層煤粉噴嘴投入運行；

（c）煤粉細(xì)度達(dá)到設(shè)計值。

2）改造效果

通過本次改造，經(jīng)性能試驗驗證，在不改變爐型的情況下達(dá)到擴(kuò)大鍋爐適燒煤種范圍的目的，緩解了燃煤供應(yīng)的壓力，通過計算校核增加省煤器受熱面積，確保排煙溫度不變，鍋爐效率由現(xiàn)在的90.2%提高到92.5%，煤耗下降7.77g/kWh；由原先的中間儲倉式350/600筒式鋼球磨制粉系統(tǒng)改為HP-860型中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，用電率下降0.6%，節(jié)能減排效果顯著。

4 主設(shè)備節(jié)能技術(shù)改造、降低能耗求發(fā)展

“十一五”期間，電廠以“合理利用能源，降低能耗指標(biāo)，建設(shè)節(jié)能環(huán)保型企業(yè)”為能源管理方針；近幾年電廠投入資金1.5億元/臺（機(jī)爐），對“七五”時期的國產(chǎn)鍋爐、制粉系統(tǒng)、汽輪機(jī)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，同時還落實了凝水系統(tǒng)變頻、電除塵智能控制、預(yù)熱器等設(shè)備的節(jié)能技術(shù)改造，努力提高節(jié)能工作水平和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，推進(jìn)節(jié)能工作的現(xiàn)代化管理，實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換過程中GDP能耗逐年下降。見表3

通過表3可以看出，一座燃煤電廠一旦建成，能耗水平的改變，在加強(qiáng)基礎(chǔ)管理的同時，資金投入，設(shè)備更新顯得更為重要。電廠經(jīng)過鍋爐、汽輪機(jī)節(jié)能項目的實施，節(jié)能減排的效果是顯著的，2010年的總能耗為14.5萬噸，工業(yè)總產(chǎn)值26.46億元。發(fā)電煤耗由設(shè)備改造前的339.3g/kWh下降至2010年的316.5g/kWh，下降了23g/kWh，（這其中還抵消了于2008年投資的脫硫設(shè)施 (環(huán)保成本)增加的1.1%用電率的能耗4g/kWh）。

電廠主設(shè)備改造后，“GDP”工業(yè)總產(chǎn)值能耗下降28.6%，節(jié)約標(biāo)煤19.7萬t，為“十一五”期間國家“GDP”工業(yè)總產(chǎn)值能耗下降20%作出了貢獻(xiàn)。

為了承擔(dān)環(huán)境的社會責(zé)任，2010年電廠還投資2500萬元承擔(dān)了處理脫硫石膏的一條年產(chǎn)10萬t建筑石膏煅燒示范線項目。

表3 2006年-2010年能耗情況表

5 “十二五”期間節(jié)能減排設(shè)想

5.1 隨著資源能源緊缺壓力加大，對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的瓶頸制約日益突出，國家“十二五”規(guī)劃綱要將單位GDP能耗再降低16%，新一輪節(jié)能減排工作已經(jīng)開始。參照GB21258-2007標(biāo)準(zhǔn)，亞臨界300MW濕冷機(jī)組供電煤耗≤340g/kWh，先進(jìn)值≤327g/kWh。電廠建成二十多年來，到2010年完成供電煤耗≤334g/kWh，比先進(jìn)值高7g/kWh，為此，還必須繼續(xù)有效地開展節(jié)能工作來實現(xiàn)“建設(shè)節(jié)約、環(huán)保型社會”的目標(biāo)。

5.2 由于歷史因素，首先要根據(jù)燃料質(zhì)量不穩(wěn)定、設(shè)備老化、機(jī)組能耗水平落后等困難，制訂管理制度，從燃料管理入手，加強(qiáng)對設(shè)備的管理工作。

5.3 電廠力爭再用幾年時間，從#4鍋爐燃燒貧煤改煙煤的低氮燃燒工程著手，結(jié)合干排渣、鍋爐微油點火系統(tǒng)、脫氮、#1～#4汽輪機(jī)汽封、空預(yù)器密封等節(jié)能技術(shù)改造工作以進(jìn)一步降低供電煤耗。

5.4 通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，拓展區(qū)域性供熱。

目前除雪花啤酒廠10t/天的供熱需求外，隨著區(qū)域發(fā)展，造紙廠等行業(yè)的區(qū)域性供熱也將逐步上馬。

5.5 從汽輪機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)來看，設(shè)想將原二級抽汽改為三級抽汽供汽，優(yōu)化循環(huán)結(jié)構(gòu)、減少凝汽器冷源損耗，達(dá)到更經(jīng)濟(jì)適宜的投入產(chǎn)出比，使能耗、環(huán)保指標(biāo)達(dá)到同類機(jī)組的先進(jìn)水平。

5.6 爭取上大壓小，徹底淘汰老舊高能耗設(shè)備。