波蘭某1000 MW等級機組的設(shè)計要求及特點

馮琰磊，余佳琳，林 磊，鄧文祥，劉炳池

(1.華東電力設(shè)計院，上海 200063；2.上海電氣電站集團工程公司，上海 201100)

波蘭作為歐洲產(chǎn)煤大國，探明硬煤儲量5.09×1010t、褐煤儲量1.41×1010t，煤儲量居世界第五位。能源結(jié)構(gòu)注定要以火電為主，該國絕大部分煤電機組容量在260 MW以下，多數(shù)機組已達報廢年限，未來大容量、高參數(shù)火電發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

截止到2013年1月份，我國共投產(chǎn)1000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機組53臺，具有豐富的1000 MW等級超超臨界燃煤發(fā)電機組的設(shè)計、建設(shè)和運行經(jīng)驗。根據(jù)我們對波蘭某468 MW超臨界機組的調(diào)研，雖為擴建工程，其單臺機組投資仍高達6億歐元，歐洲新建火力發(fā)電廠單位千瓦造價大致為我國建設(shè)造價的3倍左右，中國設(shè)備制造商及工程總承包商必將對歐洲火電市場產(chǎn)生極大的沖擊。

1 項目背景

從2011年12月起，華東電力設(shè)計院先后進行了4個波蘭燃煤發(fā)電機組項目的EPC投標設(shè)計。

四個項目投標方案的主機均采用上海鍋爐廠有限公司的超超臨界參數(shù)、一次再熱、塔式鍋爐，SIEMENS(德國)生產(chǎn)的四缸四排汽(或五缸六排汽)、一次再熱凝汽式汽輪機和SIEMENS(德國)生產(chǎn)的發(fā)電機。

波蘭全面采用歐盟標準，除少數(shù)例外，投標均需滿足歐盟標準要求。招標方式采用二次開標法：對于各投標方，先進行一輪投標，然后進行第一輪澄清。全部滿足招標方的要求后業(yè)主方對招標書進行修訂，各投標方進行第二輪的投標并報價。其建造過程也需要滿足波蘭當?shù)氐姆桑ㄔO(shè)程序為：選址－設(shè)計－建設(shè)－調(diào)試－移交生產(chǎn)；其中在設(shè)計階段，需要先進行Building Permit(以下簡稱“BP”設(shè)計)的設(shè)計，此文件必須由有資質(zhì)的工程師進行簽字，并報政府部門批準。BP設(shè)計一般由業(yè)主方在招標前完成，各投標方根據(jù)BP設(shè)計文件進行初步設(shè)計，然后對BP設(shè)計文件進行升版(按需要)，并重新報批。所有的施工文件應同批準的BP文件一致。另外，在波蘭的建設(shè)項目，所有的壓力管道(部件)、轉(zhuǎn)動機器、電梯等均應獲得CE市場認證，滿足歐盟要求。

2 性能保證要求

2.1 主機出力及效率

波蘭業(yè)主方關(guān)心的主要指標是機組凈出力和供電效率，且對主機的參數(shù)給出了范圍。四個波蘭項目對機組的供電效率要求很高，基本上均要求≥45%，比我國同類機組約高1%～2%。招標文件中要求的機組出力和效率見表1。

表1 波蘭招標文件對主機出力、主要參數(shù)和效率要求

根據(jù)上海鍋爐廠有限公司提供的鍋爐效率保證值和德國SIEMENS公司提供的熱平衡圖，我們投標方案中的全廠供電效率能夠滿足波蘭業(yè)主方的要求。其主要特點如下：

主機參數(shù)略高于國內(nèi)同類機組，典型的方案為汽機入口參數(shù)28 MPa/600℃/610℃。國內(nèi)已經(jīng)投運的一批1000 MW等級機組多采用26.25(25) MPa/600℃/600℃的蒸汽參數(shù)，新建的機組已有再熱蒸汽采用610℃或620℃的合同業(yè)績。

汽輪機采用了“最優(yōu)配置”方案，根據(jù)出力要求，在機組出力滿足要求和招標文件允許的條件下，SIEMENS采用了五缸六排汽的方案(低背壓設(shè)計)，并優(yōu)化了回熱系統(tǒng)，循環(huán)水采用二次循環(huán)，采用電動給水泵，在不考慮煙氣余熱利用條件下，汽機熱耗約6800 kJ/kwh數(shù)量級。同國內(nèi)的采用汽動給水泵，熱耗約7300 kJ/kWh有大幅降低。

鍋爐采用煙氣余熱利用系統(tǒng)(Flue Gas Heat Recovery system ,簡稱 FGHRs)。考慮到當?shù)氐沫h(huán)境溫度(典型的煙氣余熱利用系統(tǒng)見圖1)，采用間接換熱系統(tǒng)，氣溫較低時可以為二次風加熱，相當于二次風暖風器；環(huán)境溫度高時可以加熱凝結(jié)水系統(tǒng)。由華東電力設(shè)計院設(shè)計的上海漕涇電廠1000 MW機組煙氣余熱利用系統(tǒng)已經(jīng)運行，實測可以降低發(fā)電煤耗約1.5 g/kWh，已經(jīng)證明煙氣余熱利用系統(tǒng)可以有效提供機組的效率。

2.2 環(huán)保排放指標

波蘭使用歐盟的排放標準，對于煙氣排放以及轉(zhuǎn)動機械噪音、廠界噪音、振動、廢水水質(zhì)、石膏、灰渣品質(zhì)等都有嚴格的要求，本文僅對煙氣排放要求進行介紹。波蘭業(yè)主方對各煙氣排放指標要求見表2。

上述的煙氣指標同國內(nèi)《火力發(fā)電廠大氣污染物排放標準》GB13223－2011基本相當，其中的NOx和SO2排放當前的指標要求不高于GB13223－2011標準，粉塵排放高于GB13223－2011中對“重點地區(qū)”要求。

從波蘭業(yè)主方的要求來看，環(huán)保設(shè)施的設(shè)置主要有如下幾個特點：

執(zhí)行要求高。對于主要排放指標，各項目均作為拒收條款。對機組在建設(shè)以及試運期均要求各排放指標嚴格執(zhí)行。要求機組在0%～100%BMCR負荷范圍內(nèi)均嚴格遵守排放指標，即要求機組全負荷脫硫、脫硝、除塵運行。甚至規(guī)定了啟動鍋爐的排放指標要求。

圖1 典型的煙氣余熱利用系統(tǒng)流程圖(FGHRs)

表2 波蘭招標文件中對煙氣排放指標的要求

重視規(guī)劃。各項目均規(guī)定預留脫除二氧化碳(CO2capture and storage，簡稱CCS)的場地。目前雖無成熟的全廠CCS系統(tǒng)配置方案，但是均要求預留場地。脫硫系統(tǒng)采用N+1噴淋層配置，N層滿足現(xiàn)有SO2排放要求；脫硝再預留一層安裝催化劑的空間，為以后進一步降低NOx預留空間。

技術(shù)成熟。脫硫采用石灰石－石膏濕法脫硫；脫硝采用SCR法脫硝技術(shù)，采用24%濃度的氨水作為還原劑；采用五電場靜電除塵器；采用排煙冷卻塔排煙。從波蘭業(yè)主方的基本方案來看，尚有部分環(huán)保工藝同國內(nèi)常規(guī)配置不同，包括除塵器采用四通道方案等。其脫硫、除霧器設(shè)備、除塵器設(shè)備的效率要高于國內(nèi)常規(guī)性能保證值，估計國內(nèi)制造技術(shù)同歐盟尚有一定差距，也可能與國外機組煤源相對比較穩(wěn)定有關(guān)。

3 主要系統(tǒng)配置

3.1 熱力系統(tǒng)

同國內(nèi)常規(guī)配置相比，波蘭業(yè)主方更重視全廠供電功率和供電效率。其熱力系統(tǒng)同國內(nèi)配置主要在以下幾個方面存在不同：

多數(shù)項目采用3×50%電動給水泵，采用行星齒輪調(diào)速機構(gòu)提高系統(tǒng)運行效率。也有項目要求可選擇采用1×100%容量汽動給水泵。

凝汽器配合汽機五缸六排汽，設(shè)置三個凝汽器殼體。凝汽采用并聯(lián)布置方案(單背壓)。

3.2 燃燒制粉系統(tǒng)

上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的超超臨界參數(shù)、一次再熱、固態(tài)排渣、全鋼結(jié)構(gòu)塔式鍋爐采用的是四角切圓燃燒系統(tǒng)，國內(nèi)外高橋三期、漕涇電廠等配置的均為48只煤粉燃燒器，每角布置12層，每兩層對應一臺磨煤機，磨煤機按照5+1進行配置。而波蘭業(yè)主方的建議方案為每臺機組配置4+1臺磨煤機，對應每角布置10層燃燒器；由于1000 MW等級塔式鍋爐燃燒器數(shù)量較多，因此減少兩層燃燒器后，單個燃燒器的熱負荷仍在允許的熱負荷范圍內(nèi)。但是爐膛的大小和高度需要調(diào)整。總體上，采用4+1臺磨煤機方案制粉系統(tǒng)能降低造價，但是鍋爐本體燃燒系統(tǒng)復雜。

波蘭當?shù)氐哪昶骄h(huán)境氣溫約8℃～12℃左右，鍋爐采用全封閉室內(nèi)布置方式，均考慮設(shè)置爐頂吸風系統(tǒng)。冷風吸風口為爐頂和室外兩路，可以互相切換。按照上鍋廠資料，1000 MW鍋爐輸入總輸入熱量約9200 GJ/h，輻射及對流散熱熱損失約為0.18%。輔機的散熱損失可忽略不計，按上述熱量全部被二次風吸收，則冷二次風溫可以上升5℃～7℃左右。但是風機、風道的布置相當復雜。

另外，國內(nèi)常規(guī)一次風和二次風配置為并聯(lián)系統(tǒng)，一次風機和送風機分別設(shè)置吸風口；波蘭業(yè)主方要求全部燃燒用風由送風機吸風，經(jīng)送風機加壓后，分為兩路，一路作為二次風直接進空預器；另外一路再經(jīng)由一次風機加壓送入磨煤機，即送、一次風采用串連系統(tǒng)。總體上，我們認為送、一次風機串連系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)能耗相當；并聯(lián)系統(tǒng)控制、調(diào)節(jié)簡單；串連系統(tǒng)可以降低一次風機的噪音，但是系統(tǒng)比較復雜。

3.3 生物質(zhì)燃燒

目前歐洲國家已經(jīng)在大容量的燃煤電站采用生物質(zhì)燃料摻燒技術(shù)，摻燒比例約占燃料總重量的20%～30%。在波蘭當?shù)匾灿胸S富的生物質(zhì)原料。

波蘭 IV 1×1000 MW機組項目要求設(shè)置生物質(zhì)摻燒系統(tǒng)，摻燒的生物質(zhì)比例為20%(按照重量計算)。其生物質(zhì)成分見表3。

根據(jù)了解，國外生物質(zhì)燃燒有磨前預混和獨立噴燃兩個方案，同國內(nèi)機組摻燒褐煤的方式比較相似。

表3 生物質(zhì)成分分析

圖2 生物質(zhì)獨立噴燃方案流程圖

磨前預混方案系統(tǒng)非常簡單。該方案僅在現(xiàn)有上煤系統(tǒng)前加裝了一套生物質(zhì)上料系統(tǒng)，直接將生物質(zhì)顆粒混入鍋爐燃煤中后，混合燃料進入磨煤機，磨制成混合粉末后，通過一次風送入煤粉燃燒器。但是目前國內(nèi)尚未有磨煤機磨制生物質(zhì)的經(jīng)驗，現(xiàn)有中速磨煤機能否適應磨制生物質(zhì)尚待進一步研究。

獨立噴燃方案為設(shè)置獨立的生物質(zhì)磨制和輸送、噴燃系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，生物質(zhì)由來料經(jīng)皮帶或者斗提送入筒倉，然后經(jīng)轉(zhuǎn)運皮帶送至日用料倉，再經(jīng)錘磨機(Hammer Mill)磨制后，送至粉倉，燃油采用正壓氣力輸送至獨立的生物質(zhì)燃燒器進行燃燒。該系統(tǒng)的核心設(shè)備為錘磨機，預處理系統(tǒng)出口的生物質(zhì)粉末粒度可控制在2 mm左右，通過正壓管路氣力輸送的方式送入鍋爐。總體而言，獨立噴燃方案除錘磨機要求較高外，其余系統(tǒng)配置不存在困難。如果錘磨機采用進口產(chǎn)品，則方案實施相對比較容易。

3.3 輔助系統(tǒng)

波蘭對機組的安全、穩(wěn)定運行要求較高，成本不是優(yōu)先考慮的因素。本文僅說明其中幾個典型輔助系統(tǒng)如下：

啟動鍋爐。國內(nèi)《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》GB50660要求，1000 MW等級鍋爐機組設(shè)置1×50 t/h～2×50 t/h的啟動鍋爐，而波蘭項目則要求啟動鍋爐的蒸汽嚴格滿足機組啟動的要求，即滿足啟動給水除氧的要求。典型配置為采用3×50 t/h的啟動鍋爐，考慮到以后供熱的需要，總共要求設(shè)置5×50 t/h的啟動鍋爐，作為主機停運其間供熱的備用熱源。啟動鍋爐設(shè)置單獨的供油泵，不和鍋爐的供油泵合并。

油罐和氨水儲罐。波蘭業(yè)主方要求油罐和氨水儲罐采用雙層儲罐。油罐的容量為約2×2000 m3，較國內(nèi)油罐容量要大。

空壓機的閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。由于波蘭項目建設(shè)模式多為每個項目建設(shè)1臺機組，考慮到機組停運其間，壓縮空氣系統(tǒng)仍需要運行，因此要求空壓機和后處理設(shè)備設(shè)置單獨的閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。對于2×1000 MW機組，也要求空壓機和后處理設(shè)備設(shè)置單獨的閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

4 主廠房布置要求

同國內(nèi)1000 MW等級燃煤發(fā)電機組相比，波蘭項目主廠房布置有如下幾個特點：檢修場地要求高、流場順暢、室內(nèi)布置、鋼結(jié)構(gòu)和側(cè)煤倉布置方式。

波蘭業(yè)主方對檢修場地的要求高，要求在汽機房設(shè)置一條鐵路，對主廠房的主要設(shè)備可以通過鐵路進行運輸檢修；鍋爐房兩側(cè)分別設(shè)置3 t的客梯和5 t的人貨兩用電梯；要求除塵器、脫硫控制樓等設(shè)置電梯。

波蘭項目對A排柱至冷卻塔的距離沒有特別的要求，爐后區(qū)域占地面積長，煙道能夠布置順暢，滿足風機出口直段要求。波蘭項目工期要求較高，并考慮當?shù)氐牧晳T，主廠房、風機支架等均采用鋼結(jié)構(gòu)，節(jié)省建設(shè)工期，節(jié)約資源。

另外的一個特點是采用側(cè)煤倉布置形式。但是其同國內(nèi)的區(qū)別是仍然設(shè)置集控樓，采用集中控制。設(shè)置側(cè)煤倉僅考慮減少四大管道的長度和上煤皮帶的優(yōu)化布置方式。對于2臺機組同時建設(shè)的項目，甚至要求兩臺機組各設(shè)置一座側(cè)煤倉間，兩臺機組的側(cè)煤倉間順列布置。

5 結(jié)語

隨著裝備制造業(yè)的進步，我國成為1000 MW等級超超臨界燃煤發(fā)電機組運行數(shù)量最多的國家之一，為中國設(shè)備制造商及工程總承包商進軍歐美市場創(chuàng)造了條件。目前，由于技術(shù)壁壘等因素，本文中所述的投標項目結(jié)果難以預測，但是本次投標，波蘭業(yè)主方的高技術(shù)標準和長遠規(guī)劃考慮，仍給我們很大的啟示。包括如下幾個方面。

機組的供電效率高。目前國內(nèi)電力建設(shè)考慮到成本等因素，仍采用批量生產(chǎn)的方式，機組供電效率同歐洲仍有一定差距。

環(huán)保排放要求嚴。我國環(huán)保要求的排放指標基本同歐盟相當，但是歐盟對過程控制的更嚴，包括各指標的嚴格執(zhí)行以及指標的全程控制等。

長期的建設(shè)規(guī)劃。波蘭項目對環(huán)保、檢修場地等都有長遠的規(guī)劃，要求脫硫、脫硝預留改進的空間，并預留建設(shè)CCS系統(tǒng)的場地。同國內(nèi)經(jīng)常的建設(shè)完成就需要改造相比，非常值得我們借鑒。

[1]張建中，陳戍生．外高橋第三發(fā)電廠2×1000 MW超超臨界機組工程建設(shè)中的重大技術(shù)創(chuàng)新和項目優(yōu)化[J]．電力建設(shè)，2008，(8)．