首座基于GE技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化IGCC電廠淺析

李現(xiàn)勇

(華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京 100120)

1 概述

美國Indiana州擁有豐富的煤炭資源，95%的一次能源由煤炭供應(yīng)。由于Indiana本地煤含硫量較高，采用常規(guī)燃煤發(fā)電技術(shù)滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)存在較大難度，因此目前一半以上的煤炭需要外部供應(yīng)。由于無法滿足環(huán)保法規(guī)要求，Duke Energy Indiana已經(jīng)30年無法建設(shè)新的燃煤發(fā)電項(xiàng)目，迫切需要尋找能夠滿足環(huán)保要求、經(jīng)濟(jì)可行的燃煤發(fā)電技術(shù)。

IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)將環(huán)境友好的煤氣化技術(shù)和高效的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了煤炭資源的高效、潔凈利用，具有高效、潔凈、節(jié)水、燃料適應(yīng)性廣、易于實(shí)現(xiàn)多聯(lián)產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，并且與未來低碳經(jīng)濟(jì)的長遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)相容。Duke Energy Indiana認(rèn)為IGCC正是滿足這種需求的技術(shù)。

2004年10月，Duke Energy Indiana，GE Energy和Bechtel Power公司簽署了在Indiana州Knox County建設(shè)商業(yè)化Edwardsport IGCC電廠可行性研究的意向性協(xié)議，這是GE－Bechtel IGCC聯(lián)盟宣布的第一個商業(yè)化電廠意向。2007年11月，Duke Energy從Indiana公用事業(yè)委員會獲得了項(xiàng)目批復(fù)。Edwardsport IGCC電廠將成為Indiana州利用本地優(yōu)勢能源資源滿足清潔能源需求的關(guān)鍵步驟，有望以更加優(yōu)良的環(huán)境足跡提供現(xiàn)有退役電廠10倍左右的清潔電力。

2 Edwardsport IGCC電廠技術(shù)特點(diǎn)

2.1 項(xiàng)目技術(shù)特點(diǎn)

2.1.1 GE標(biāo)準(zhǔn)化IGCC概念設(shè)計(jì)

Edwardsport IGCC電廠是第一個采用GE 標(biāo)準(zhǔn)化IGCC概念設(shè)計(jì)的商業(yè)電廠。為克服IGCC商業(yè)化過程中曾經(jīng)遇到的障礙，2004年GE和Bechtel組建了戰(zhàn)略聯(lián)盟，為客戶提供IGCC電廠成本、工期和性能全擔(dān)保的一站式服務(wù)。在改善可用率和滿足客戶個性化需求的基礎(chǔ)上，GE和Bechtel提供可降低工程成本、項(xiàng)目開發(fā)周期和投資成本的核心標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)源于兩個獨(dú)立的FEED(Front End Engineering Design)研究實(shí)踐，為客戶提供與廠址無關(guān)的場內(nèi)主要工藝和部件基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模塊。與廠址無關(guān)的場內(nèi)工藝設(shè)計(jì)主要包括以下成品：

工藝流程圖(PFD)、管道儀表流程圖(PID)和材料選擇指南；

先進(jìn)的3D工廠布置模型；

材料的量化管理；

滿足采購要求的設(shè)備規(guī)格表；

電廠關(guān)鍵部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：輻射式合成氣冷卻器，GE 7FB燃?xì)廨啓C(jī)；

電廠整體控制系統(tǒng)；

電廠仿真機(jī)；

滿足前期審批要求的詳細(xì)排放模型；

成本估算數(shù)據(jù)庫；

從FEED到商業(yè)化運(yùn)行的2級項(xiàng)目計(jì)劃。

正常情況下，GE－Bechtel聯(lián)盟認(rèn)為從EPC合同簽訂到商業(yè)運(yùn)行工期可控制在46個月左右。

2.1.2 裝機(jī)方案

Edwardsport IGCC電廠工藝系統(tǒng)圖如圖1所示，主要裝置列表見表1，聯(lián)合循環(huán)動力島采用“2×2×1”的配置方案，電力通過345kV開關(guān)站送出。GE和Bechtel吸收了Tampa IGCC電廠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在空分、整體化控制、蒸汽輪機(jī)、合成氣輻射式冷卻器、燃?xì)廨啓C(jī)方面進(jìn)行了重點(diǎn)改進(jìn)，特別是在空分和燃?xì)廨啓C(jī)的系統(tǒng)集成方面采用了氮?dú)鈧?cè)全集成、空氣側(cè)部分集成方案，這也是世界上第一次把空分部分整體化的概念應(yīng)用于工程實(shí)際。

圖1 Edwardsport IGCC電廠工藝系統(tǒng)流程圖

表1 Edwardsport IGCC電廠主要裝置列表

2.1.3 性能指標(biāo)

Edwardsport IGCC電廠以Indiana 5#煤為設(shè)計(jì)煤種，全廠設(shè)計(jì)凈出力約為618MW，凈供電效率為38.5%(HHV)，最小穩(wěn)定負(fù)荷可以達(dá)到50%，全廠定員120人。

在設(shè)計(jì)過程中，GE和Bechtel吸收了Tampa IGCC電廠的經(jīng)驗(yàn)，沒有把名義上的高效率作為主要的追求目標(biāo)，而是提高了全廠可用率、環(huán)保指標(biāo)的設(shè)計(jì)優(yōu)先等級，全廠可用率目標(biāo)為85%(GE對800個設(shè)備－19個子系統(tǒng)－4個系統(tǒng)－全廠的RAM分析結(jié)果表明指標(biāo)面臨挑戰(zhàn)但可以達(dá)到)，可用率和環(huán)保指標(biāo)在世界上已經(jīng)投運(yùn)的IGCC電站中處于領(lǐng)先水平。具體的措施為：①在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中去除了在Tampa電站中對可靠性造成較大不良影響的對流式廢鍋和氣氣換熱器；②采用了新型輻射式廢鍋，預(yù)計(jì)降低成本30%、可靠性提升2%；③采用了經(jīng)過改進(jìn)的第二代耐火磚，預(yù)計(jì)可靠性提高1%；④采用CO2循環(huán)和新型水煤漿燒嘴，有望提高效率1%左右；⑤在設(shè)計(jì)審查中對近600個經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)進(jìn)行了分析，采取了100多個閉合措施；進(jìn)行了近600個失效模式及后果分析(Failure Mode and Effects Analysis)，實(shí)施了200多個改進(jìn)計(jì)劃；⑥為供應(yīng)商設(shè)計(jì)部件制定了可靠性規(guī)范要求；⑦采用了新一代Mark VI控制系統(tǒng)，在EPC階段就為驗(yàn)證和維護(hù)方案采用了模擬仿真手段，見表2。

表2 Edwardsport Duke IGCC電廠排放指標(biāo)

2.2 項(xiàng)目建設(shè)過程

項(xiàng)目2004年10月啟動可行性研究；2007年4月提交FEED報(bào)告；2007年10月獲得Duke Energy董事會批準(zhǔn)；2007年11月，Duke Energy從Indiana公用事業(yè)委員會獲得了項(xiàng)目批復(fù)，這一重大里程碑標(biāo)志著Edwardsport IGCC項(xiàng)目前期階段結(jié)束、項(xiàng)目正式進(jìn)入工程建設(shè)階段，見圖2～圖4。

圖2 Edwardsport IGCC項(xiàng)目計(jì)劃

圖3 Edwardsport IGCC概念圖

圖4 Edwardsport IGCC 3D管道模型

圖2為項(xiàng)目計(jì)劃表，圖3～圖4為項(xiàng)目概念圖和3D管道模型。截至2010年10月29日，整個項(xiàng)目約完成總進(jìn)度的78%，其中工程設(shè)計(jì)完成99%，采購?fù)瓿?8%，施工完成58%，現(xiàn)場場平和打樁完成100%，地下工程完成96%，混凝土地基完成94%，鋼結(jié)構(gòu)安裝完成85%，管道安裝完成43%，電纜安裝完成20%。燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、輻射式合成氣冷卻器、控制系統(tǒng)、仿真機(jī)、氣化爐、汽機(jī)發(fā)電機(jī)、燃機(jī)發(fā)電機(jī)已安裝就位。目前現(xiàn)場施工安裝人員達(dá)到3000人以上。項(xiàng)目計(jì)劃2012年投入商業(yè)運(yùn)行。

最新估算項(xiàng)目工程投資為28.8億美元，比FEED結(jié)束時(shí)23.5億美元的投資概算(政府資助4.6億美元，允許從電價(jià)中回收18.9億美元)增加了5.3億美元，以供電容量計(jì)算單位千瓦造價(jià)約為4660美元/kW。

3 項(xiàng)目執(zhí)行的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

Edwardsport IGCC項(xiàng)目總經(jīng)理Dennis M.Zupan在2009年Gasification Technology Conference上談到，工程設(shè)計(jì)完成85%時(shí)Duke Energy Indiana方面主要的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)是：

詳細(xì)設(shè)計(jì)階段主要設(shè)備的數(shù)量基本保持穩(wěn)定，相關(guān)的大宗材料數(shù)量有明顯的增加；

由于系統(tǒng)集成的復(fù)雜度，設(shè)計(jì)開發(fā)類型、范圍(如CO2壓縮機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)燃料模塊等)扭曲；

Edwardsport IGCC電廠設(shè)計(jì)的工程實(shí)現(xiàn)是真正的無先例可循，決不是簡單的Tampa電站×2；

經(jīng)過過去4年的鍛煉，GE項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)和FEED階段相比執(zhí)行效率有所提高，這將有利于未來項(xiàng)目的執(zhí)行。

4 小結(jié)

Indianan州擁有豐富的煤炭資源，由于Indianan本地煤的特點(diǎn)，IGCC技術(shù)是能夠滿足環(huán)保要求、經(jīng)濟(jì)可行且最為現(xiàn)實(shí)的燃煤發(fā)電方式。Edwardsport IGCC電廠是世界上規(guī)模最大的煤氣化清潔發(fā)電裝置，在可用率、環(huán)保指標(biāo)方面居于世界領(lǐng)先水平，將成為Indiana州利用本地優(yōu)勢能源資源滿足清潔能源需求的關(guān)鍵步驟，有望以更加優(yōu)良的環(huán)境足跡提供現(xiàn)有退役電廠10倍左右的清潔電力。

由于IGCC技術(shù)的固有特點(diǎn)，Edwardsport IGCC電廠具有開展碳捕集和封存的良好條件，2009年Duke Energy獲得Indiana公用事業(yè)委員會同意開展碳捕集FEED研究的批復(fù)，碳捕集FEED研究預(yù)計(jì)2011年3月完成，Edwardsport IGCC電廠有望進(jìn)入美國能源部支持的碳捕集示范工程。作為采用GE標(biāo)準(zhǔn)化IGCC概念設(shè)計(jì)的第一個商業(yè)化電廠，Edwardsport IGCC電廠將對IGCC技術(shù)在世界范圍內(nèi)的發(fā)展和推廣起到重要的推動應(yīng)用。

減緩以至最終控制能源生產(chǎn)利用中的CO2對大氣的排放，保護(hù)人類賴以生存的地球環(huán)境，是全球能源生產(chǎn)面臨的前所未有的重大挑戰(zhàn)。2012年4月份美國首個新建電廠碳減排標(biāo)準(zhǔn)出臺，新建發(fā)電廠只允許排放453.6kg CO2/MWh(相當(dāng)于目前先進(jìn)的天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠的碳排放水平)，以煤為主并且在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)難以根本改變的一次能源狀況決定了未來中國將面臨更加巨大的碳減排壓力。IGCC發(fā)電技術(shù)以潛在的高效率和CO2減排優(yōu)勢將在國內(nèi)具有一定的發(fā)展前景。

[1]Duke Energy Indiana Edwardsport IGCC Project Update，2008 Gasification Technology Conference[C]．USA:Washington，2008．

[2]GE and Bechtel Alliance IGCC Reference Plant Update，2008 Gasification Technology Conference[C]．USA:Washington，2008．

[3]GE Gasification Project Update，2011 Gasification Technology Conference[C]．USA:San Francisco，2011．

[4]Gas Turbine World[J]．Volume，2009，(27)．