中國火電的質(zhì)量與國際競爭力

◆馮偉忠 / 文

中國火電的質(zhì)量與國際競爭力

◆馮偉忠 / 文

上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司1000MW超超臨界機組，在建設(shè)期及投產(chǎn)后，通過全面的優(yōu)化和持續(xù)的創(chuàng)新，使目前的機組效率遠遠超過了設(shè)計值，創(chuàng)世界之最。另外，采用“一種高低位分軸布置的汽輪發(fā)電機”專利技術(shù)，結(jié)合“外三”的節(jié)能創(chuàng)新，能將機組的凈效率進一步提升至48.5%以上，遠超一次再熱700℃高效超臨界機組的期望值，并能一舉打開700℃計劃的材料和造價瓶頸，開辟更高效機組的發(fā)展新路。

國際競爭力；質(zhì)量；火力發(fā)電；節(jié)能；環(huán)保

引言

上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡稱外三）作為中國第一批的四個超超臨界機組之一，鍋爐和汽輪機分別由上海鍋爐廠（引進ALSTOM技術(shù)）和上海汽輪機廠（引進SIEMENS技術(shù)）制造。2005年開始建設(shè)，并于2008年投入商業(yè)運行。主蒸汽壓力28MPa，主蒸汽/熱再溫度為605℃/603℃,額定蒸汽流量為2732T/H。

在基建階段和機組投入運行5年以來，外三開展了一系列的持續(xù)優(yōu)化創(chuàng)新，并在公司2×1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機組上予以實施和應(yīng)用，取得了顯著的成效。

基于上海外高橋電廠一期（4×300MW亞臨界機組）、二期（2×900MW超臨界機組）、三期（2×1000MW）燃煤發(fā)電機組的基建、調(diào)試和運行經(jīng)歷，外三做了大量的改進，并使其性能遠優(yōu)于其設(shè)計值。

圖1　外三機組實際運行供電煤耗柱狀圖*

外三兩臺機組的年平均凈效率（含脫硫、脫硝）已從2008年（負荷率75%）的42.73%（已遠優(yōu)于設(shè)計值）提升至2011年的44.5%（負荷率81%）以及2012年的44.57%（負荷率79%）,這意味著在額定工況下，凈效率將達到46.5%（參見圖1）。

廠址所在的循環(huán)水溫度變化范圍在7-33℃，平均溫度為20℃。

外三在基建階段就已開始優(yōu)化創(chuàng)新，而且在機組投入商業(yè)運行后，外三并沒有停止創(chuàng)新的步伐，利用每年的機組停機檢修階段進行了集中的優(yōu)化創(chuàng)新工程。

外三主要實施的優(yōu)化創(chuàng)新工程包含節(jié)能、減排、保效（SPE防治系列技術(shù)）以及配套的FCB技術(shù)（在電網(wǎng)故障時，機組快速甩負荷并帶廠用電運行）（參見圖2）。

圖2　外三技術(shù)創(chuàng)新節(jié)能成效圖

展望未來，隨著優(yōu)化創(chuàng)新的持續(xù)進行，一項跨越式提效項目將會進一步應(yīng)用于外三，將使其機組效率達到49%，即在現(xiàn)有的蒸汽參數(shù)條件下，利用高低位雙軸布置兩次再熱（靠近鍋爐聯(lián)箱處，高位布置HP和IP1；低位布置IP2和LP）。

1　節(jié)能

應(yīng)用于外三的系列節(jié)能技術(shù)是基于對電廠深入的理解，并將之看待為一個整體的系統(tǒng)。這些技術(shù)包含：空預(yù)器全向柔性密封技術(shù)、新型機組啟動技術(shù)、零能耗脫硫技術(shù)和廣義回?zé)峒夹g(shù)等。

1.1空預(yù)器全向柔性密封技術(shù)

外三空預(yù)器采用傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)式空預(yù)器（轉(zhuǎn)子直徑達17米，高度達2.5米），設(shè)計漏風(fēng)率小于5%，但是廠用電的增量是與空預(yù)器漏風(fēng)率增量成立方比關(guān)系，因而，即使微量的漏風(fēng)率變化也會導(dǎo)致比較明顯的效率變化。為此，外三實施了“空預(yù)器全向柔性密封技術(shù)”，在徑向、軸向和環(huán)向均加裝了磨損率可控的接觸式柔性密封，利用其柔性特點補償動靜間隙的非線性變化，從而大大提升了其密封性能。在不改變原有設(shè)備結(jié)構(gòu)的前提下，“空預(yù)器全向柔性密封技術(shù)”可明顯降低空預(yù)器的漏風(fēng)率及鍋爐風(fēng)機的廠用電消耗。帶FGD（煙氣脫硫）和SCR（選擇性催化還原法）脫硝運行條件下，機組效率提升約0.37%,投資可在3年內(nèi)回收。

1.2新型機組啟動技術(shù)

利用蒸汽替代燃油來加熱鍋爐，即在鍋爐點火前，通過蒸汽加熱鍋爐給水，并加熱到一定的溫度和壓力，當(dāng)鍋爐風(fēng)機啟動時，風(fēng)在空預(yù)器中吸收煙氣熱量，再送進鍋爐，因此形成一個有利于鍋爐燃燒的環(huán)境。

通過利用蒸汽加熱鍋爐，機組的啟動可加快，這可節(jié)約大量的燃油和煤；另外，由于鍋爐的加熱，輔助設(shè)備不需要投運，因此，廠用電消耗減少，鍋爐燃燼率大幅提升，機組啟動程度更為簡單和安全。

外三機組的冷態(tài)啟動，從點火到并網(wǎng)時間小于2小時，油消耗小于15噸，廠用電消耗約80000kWh，煤消耗小于200噸（含加熱用的蒸汽）（參見圖3）。

對于已投入運行的機組，投資可在5-8次鍋爐啟動予以回收（而新建機組利用本技術(shù)，由于在調(diào)試期間的頻繁啟動，因此可受益更大）。

1.3零能耗脫硫技術(shù)

在增壓風(fēng)機和脫硫吸收塔之間安裝煙氣余熱回收裝置，并將回收的熱量送至汽輪機熱力系統(tǒng)，增加汽輪機的作功，汽輪機熱耗的降低可補償FGD設(shè)備的能耗。

特制的煙氣余熱回收裝置可抗結(jié)露、腐蝕和堵塞功能。并且該裝置可回收引風(fēng)機和增壓風(fēng)機在運行中的焓增。通過系統(tǒng)設(shè)計和運行模式的優(yōu)化，F(xiàn)GD設(shè)備的能耗顯著降低，該技術(shù)應(yīng)用于外三后，機組凈效率增加0.4%，用于脫硫吸收塔的水耗降低45T/H。投資回收期在3-4年。

1.4廣義回?zé)峒夹g(shù)

將基于以單一的給水為媒介的經(jīng)典回?zé)釤嵫h(huán)拓展至以鍋爐的水、風(fēng)、煤等為媒介的廣義回?zé)嵫h(huán)，從而提高鍋爐效率，降低汽輪機冷源損失。

在機組啟動時，可加快鍋爐燃料的投入，提升了鍋爐低負荷穩(wěn)燃性，同時避免空預(yù)器的結(jié)露、腐蝕及堵塞。在運行階段，充分利用了汽輪機抽汽，降低了汽輪機的冷源損失，提升了機組的整體效率。

2　環(huán)保效益

圖3　外三機組與900MW機組能耗、時耗對比

圖4　NOx排放標(biāo)準(zhǔn)與外三實際排放比較

以上所述的系列節(jié)能技術(shù)，再與其它優(yōu)化改進相結(jié)合，可取得重大的環(huán)保效益。

1）高效節(jié)能型電除塵技術(shù)。由于采用低氧高效燃燒技術(shù)以及整體效率的提升，總的煙氣容積會顯著地減少。另外，采用了電除塵高頻供電電源，對電除塵的運行模式進行了改進。

2）零能耗脫硫技術(shù)。如前面所述，通過對系統(tǒng)設(shè)計和運行模式的優(yōu)化，F(xiàn)GD設(shè)備的能耗得到降低，另外，通過采用特殊的煙氣余熱回收裝置，煙氣余熱和引、增壓風(fēng)機的作功焓增得到回收利用，充分補償了FGD設(shè)備的能耗。

3）節(jié)能型高效全天候脫硝技術(shù)。如前面所述，低負荷下，機組抽汽得到增加，提升了鍋爐低負荷下的給水溫度，因此提升了煙氣溫度，結(jié)合調(diào)整鍋爐受熱面，催化劑可寬負荷下高效安全運行。

4）空預(yù)器抗腐蝕、防堵塞技術(shù)。如前面所述，通過擴展回?zé)崦浇椋浞掷闷啓C的抽汽，進風(fēng)溫度可大幅提升，進而空預(yù)器冷端的平均運行溫度也得到提升，因此，結(jié)露粘附大幅降低，并確保煙氣（灰）流的沖刷能力大于附著物粘結(jié)速率，避免了空預(yù)器的腐蝕和堵塞。

5）安全節(jié)能型脫硝催化劑延壽技術(shù)。如前面所述的新型啟動技術(shù)，除了前面所提及的環(huán)保效益外，還可防止催化劑中毒，避免催化劑燒結(jié)等現(xiàn)象，從而確保催化劑良好活性、延長其運行壽命。

所有這些技術(shù)的整體效果是降低了機組的排放。外三電廠的主要環(huán)保指標(biāo)如下：塵排放，11mg/m3；SO2排放，60mg/m3；NOx≤30mg/ m3；同時，SCR效率≥89%（40%-100%負荷范圍內(nèi)），催化劑壽命得到延長，消除了空預(yù)器腐蝕及堵塞現(xiàn)象（參見圖4）。

SPE綜合預(yù)防保效技術(shù)

隨著蒸汽參數(shù)的提高，特別是溫度的提高，一個突出問題——管道的蒸汽側(cè)氧化及由此引起的固體顆粒侵蝕（SPE）對機組的安全和經(jīng)濟運行產(chǎn)生了嚴重威脅。

鍋爐蒸汽側(cè)的氧化降低了傳熱性能，隨著管壁溫度的升高，氧化程度更加嚴重，剝落的氧化層減少了管內(nèi)的流動區(qū)域，因此造成管道的堵塞，引起超溫甚至爆管。

氧化層形成的固體顆粒，進入汽輪機，會侵蝕汽輪機葉片和旁路閥，降低機組效率。葉片的侵蝕導(dǎo)致的機組效率是不可逆的，機組運行時間越長，汽輪機效率也越低。

SPE問題在中國新建大型燃煤發(fā)電機組尤為普遍，由于鍋爐管道氧化層堵塞導(dǎo)致的超溫和爆管頻繁發(fā)生。

SPE問題嚴重的情況下，可在三年運行時間內(nèi)，降低機組效率8%。

SPE問題原本是一個世界難題，困擾了世界超臨界技術(shù)領(lǐng)域幾十年，但在外三目前已經(jīng)得到徹底解決！

從中國的“中醫(yī)全身療法”找到靈感，研發(fā)出一整套蒸汽氧化和固體顆粒侵蝕綜合治理的系列技術(shù)。

總體思路為：

1）設(shè)法防止或減緩氧化物產(chǎn)生；

2）避免或減少已生成的氧化物脫落；

3）盡快和盡量清除已脫落的氧化物；

4）減輕未清除的固體顆粒對葉片的沖擊。

SPE防治系列技術(shù)，涵蓋了系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備選型、施工及調(diào)試、機組控制、啟動和運行方式等方面的一系列的改進和創(chuàng)新。

該SPE防治系列技術(shù)在外三發(fā)電的兩臺1000MW機組應(yīng)用后，機組運行了30個月，汽輪機葉片依然光亮如新。這意味著汽輪機效率自第一次啟動以來仍然保持不變，旁路閥也沒有任何泄漏。

FCB技術(shù)

一般，當(dāng)電網(wǎng)崩潰時，網(wǎng)內(nèi)電廠通常被迫停役，如無外來電源，將無法再次啟動，這將使電網(wǎng)陷入癱瘓。

但是，外三已經(jīng)開發(fā)出FCB技術(shù)，萬一電網(wǎng)崩潰，機組便可快速減負荷并自動轉(zhuǎn)為帶廠用電作“孤島運行”，當(dāng)電網(wǎng)故障消除后，便可迅速恢復(fù)向外供電，除對社會重要用戶供電外，還能向系統(tǒng)內(nèi)其他火電機組提供啟動用電，使“星星之火”迅速燎原，極大地提高了電網(wǎng)的安全性。

FCB技術(shù)已在外三得到成功實施和應(yīng)用。主要包括：

（1）機組大聯(lián)鎖原則——停線不停電（FCB）；停電不停機；停機不停爐；

（2）合理的旁路及安全門容量配置；

（3）合理的給水泵、除氧器、凝汽器、高加等配置；

（4）合理的設(shè)備運行方式及系統(tǒng)設(shè)計；

（5）配套的熱控策略及電氣聯(lián)鎖保護技術(shù)。

100%負荷FCB試驗已經(jīng)在外三獲得成功。

圖5　

3　兩次再熱雙軸高、低位布置技術(shù)

采用該技術(shù)（專利號ZL 2007 2 0069418.3），并結(jié)合以上所述的系列技術(shù)，可使熱耗相對下降約5%，汽輪機的效率可達劃時代的48.92%（含脫硫、脫硝，循環(huán)冷卻水20℃）。而一旦700℃材料技術(shù)成熟，機組凈效率可進一步提升至52%以上。

如圖5所示，兩根軸系取高低位分軸布置，包括高壓缸在內(nèi)的高位機設(shè)置在緊靠鍋爐聯(lián)箱聯(lián)接處，而包括低壓缸和凝汽器在內(nèi)的低位機按照常規(guī)低位布置。

通過這一布置，使得機組的高溫高壓蒸汽管道長度大大縮短了，從而大量減少了高溫高壓材料的使用量，同時還降低了高溫高壓蒸汽管道的壓力損失和散熱損失。

（作者系上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司總經(jīng)理）

*原世界運行效率最高的丹麥Nordjylland電廠3號411MW兩次再熱，低溫海水冷卻機組，2009年供電煤耗（不含供熱）286.08克/千瓦時（凈效率42.93%），平均發(fā)電負荷89%。折合75%負荷率下的供電煤耗288.48克/千瓦時。