1000 MW超超臨界二次再熱機組系統(tǒng)比較及經(jīng)濟性分析

李官鵬，劉義達，安 強，張樂川

(山東電力工程咨詢院有限公司， 山東 濟南 250013)

隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，國內(nèi)對能源(特別是電力)的需求增長異常迅猛，由此帶來的能源緊缺、資源浪費、環(huán)境污染等問題已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。因此，提升效率、節(jié)能減排將成為我國今后很長一段時間內(nèi)的戰(zhàn)略選擇。建設(shè)“高效、節(jié)能、環(huán)保”的電廠成為當(dāng)前電力發(fā)展的主題。提高蒸汽參數(shù)(蒸汽的初始壓力和溫度)、增加再熱次數(shù)都是提高機組效率的有效方法。截止2017年12月，國內(nèi)投產(chǎn)1000 MW超超臨界機組數(shù)量超過100臺，其中二次再熱超超臨界機組6臺。2015年12月30日，我國首個700℃關(guān)鍵部件驗證試驗平臺在華能南京電廠成功投運，標志著我國新一代先進發(fā)電技術(shù)——700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)工作取得了重要階段性成果，邁出了關(guān)鍵一步。

1 國內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1 國外超超臨界二次再熱機組情況

二次再熱技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀50年代，多在上世紀70年代前投運。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界至少有52臺二次再熱超(超)臨界機組投入運行，其中德國11臺、美國23臺、日本13臺、丹麥2臺，美國和日本的機組采用Π型鍋爐，丹麥的機組采用塔式鍋爐。當(dāng)前國外有日本和丹麥少數(shù)幾臺二次再熱機組保持運行。

國外最大容量的二次再熱機組為日本川越火力發(fā)電廠1號、2號700 MW機組，參數(shù)31 MPa/566℃/566℃/566℃，燃用液化天然氣。

1998年之后國外沒有新投運的二次再熱機組。據(jù)分析可能的原因有：(1)發(fā)達國家電力容量飽和，沒有新建火電機組的需求；(2)二次再熱機組較為復(fù)雜；(3)在燃料費用相對較低條件下二次再熱機組技術(shù)經(jīng)濟性能不具備優(yōu)勢。

1.2 國內(nèi)二次再熱機組情況

二次再熱發(fā)電技術(shù)是《國家能源科技“十二五”規(guī)劃》重點攻關(guān)技術(shù)，是《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014年—2020年)》推進示范技術(shù)。二次再熱發(fā)電技術(shù)在節(jié)能、環(huán)保方面優(yōu)勢明顯，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。

國內(nèi)三大電氣集團自2010年相繼啟動了二次再熱技術(shù)的研發(fā)工作，且均由訂貨業(yè)績。國內(nèi)首臺二次再熱發(fā)電機組于2015年6月在華能安源電廠投產(chǎn)，機組容量660MW，汽輪機進汽參數(shù)為31 MPa.a/600℃/620℃/620℃。2015年9月，我國1000 MW超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電示范項目國電泰州電廠二期3號機組順利通過168 h連續(xù)滿負荷試運行，汽輪機進汽參數(shù)為31 MPa.a/600℃/610℃/610℃。2015年12月，隨著華能萊蕪電廠三期6號機的順利投產(chǎn)，世界上參數(shù)最高的1000 MW超超臨界二次再熱燃煤機組由此誕生，其汽輪機進汽參數(shù)為31 MPa.a/600℃/620℃/620℃。

2017年12月，山東省發(fā)改委印發(fā)文件，正式核準同意大唐鄆城630℃超超臨界二次再熱國家電力示范項目，其汽輪機進汽參數(shù)為35MPa.a/615℃/630℃/630℃，全廠熱效率高于50%，經(jīng)濟指標進一步提升。

2 一、二次再熱主要系統(tǒng)比較

與一次再熱機組相比，二次再熱機組結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置及優(yōu)化、鍋爐受熱面的能量分配、再熱蒸汽溫度控制等方面是二次再熱機組的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)難點。

2.1 熱力系統(tǒng)比較

主蒸汽、再熱蒸汽系統(tǒng)：二次再熱機組與一次再熱機組相比，在一次再熱基礎(chǔ)上又增加了二次再熱系統(tǒng)，因此，再熱蒸汽系統(tǒng)分為一次再熱和二次再熱兩個系統(tǒng)。

回?zé)嵯到y(tǒng)：與一次再熱機組相比，二次再熱的最高給水溫度提高了將近30℃，現(xiàn)階段的二次再熱濕冷機組，回?zé)峒墧?shù)一般設(shè)置為10級，比一次再熱機組多一級或兩級。

外置蒸汽冷卻器：常規(guī)一次再熱設(shè)置一臺3號外置蒸汽冷卻器，而對于二次再熱，再熱后中壓部分的蒸汽過熱度較高，系統(tǒng)設(shè)置兩臺蒸汽冷卻器，其中外置蒸汽冷卻器殼側(cè)與給水系統(tǒng)串聯(lián)，汽輪機回?zé)岢槠谡衾淦魍瓿蔁峤粨Q后進入2號和4號高壓加熱器中，通過外置蒸汽冷卻器提高給水溫度，提高機組的經(jīng)濟性。

2.2 煙、風(fēng)、制粉系統(tǒng)比較

與一次再熱相比，二次再熱機組使鍋爐增加了一級二次再熱的循環(huán)。隨著再熱級數(shù)的增加，鍋爐受熱面布置趨于復(fù)雜，鍋爐汽溫控制的復(fù)雜性和難度也相應(yīng)增加，其中最主要的在于兩級再熱汽溫的控制，對再熱蒸汽的汽溫調(diào)節(jié)提出了更高的要求，也是技術(shù)難點，有的鍋爐廠采用煙氣再循環(huán)作為再熱蒸汽的汽溫調(diào)節(jié)手段之一，增加了煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。對于其它煙、風(fēng)、制粉系統(tǒng)，二次再熱與一次再熱沒有本質(zhì)上的區(qū)別。

3 二次再熱技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟比較

參數(shù)為31 MPa/600℃/620℃/620℃的1000 MW超超臨界二次再熱機組，相對于蒸汽參數(shù)為26.25 MPa/600℃/600℃的1000 MW一次再熱超超臨界機組降低供電煤耗約9.22 g/(kWh)。根據(jù)泰州及萊蕪電廠二次再熱機組設(shè)計及投產(chǎn)情況看，1000 MW二次再熱機組發(fā)電煤耗在256～257 g/(kWh)水平，而蒸汽參數(shù)為28 MPa/600℃/620℃的高效超超臨界1000 MW一次再熱機組發(fā)電煤耗在262～263 g/(kWh)左右，二者相差約6～7 g/(kWh)。二次再熱是提高火電機組效率的有效措施，但初投資相對一次再熱增加較高，其經(jīng)濟性受標煤價、初投資、機組年利用小時數(shù)以及貸款利率等因素制約，因此，有必要對其影響因素作敏感性分析。

3.1 技術(shù)指標及初投資分析

本文以國華壽光1000 MW工程一期及二期的兩種不同裝機方案為依據(jù)，對高效一次再熱和二次再熱方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較，得出回收年限與各影響因素曲線圖，為機組選型提供參考。技術(shù)指標及初投資增加值詳見表1。

表1 技術(shù)指標及初投資增加值

表1中未考慮采用二次再熱鍋爐燃煤量降低變化帶來的運行費用變化，運行廠用電相對同容量一次再熱機組會略有下降。

3.2 經(jīng)濟比較分析

經(jīng)濟性比較采用最小年費用法計算，根據(jù)年費用公式：

式中：A為年費用；P為初投資；R為年運行維護費；I為貸款利率；n為經(jīng)濟生產(chǎn)年。

基本輸入數(shù)據(jù)：

初投資增加額：P=5.491億元

貸款利率I：4.9%

年運行維護費R：暫不考慮，取0

機組降低發(fā)電標煤耗：6.8 g/kWh

機組年利用小時數(shù)：5500 h

年節(jié)約標煤量：7.48×104t/a

標煤價：740元/t

輸出結(jié)果：

根據(jù)基本輸入數(shù)據(jù)，在假定某一條件不變的情況下，可得出回收年限與標煤價、初投資增加額、機組年利用小時數(shù)及貸款利率的相對關(guān)系曲線，分別見圖1、2、3和4。

圖1 回收年限與標煤價關(guān)系圖

圖2 回收年限與初投資差額關(guān)系圖

圖3 回收年限與利用小時關(guān)系圖

圖4 回收年限與貸款利率關(guān)系圖

由圖1可看出，若要收回增加的初投資，標煤價在750元/t時，需要13.65年的運營期，當(dāng)回收期為10年時，標煤價需要約950元/t，因此，按機組壽命30年考慮，按照目前市場煤價(標煤價格740元/t)現(xiàn)狀二次再熱方案在技術(shù)經(jīng)濟上有一定的收益。

通過圖2，初投資增加額在4.3億元時，回收期為10年，隨著國家經(jīng)濟情況的調(diào)整以及設(shè)備競爭價格的走低，如果投資差額減少，在其他條件不變情況下，回收年限會逐步縮短。

由圖3，當(dāng)機組運行利用小時數(shù)為5500 h時，回收年限約為13.92年，如果全年機組運行利用小時數(shù)減少，在其他條件不變情況下，回收年限會增加，按國內(nèi)目前機組運行情況分析，利用小時數(shù)每年呈現(xiàn)出遞減的趨勢，對投資回收和電廠經(jīng)濟效益不利。

由圖4，在其他條件不變情況下，回收年限隨貸款利率增加而增加，但幅度不大。

從上述可以看出，從經(jīng)濟角度考慮，二次再熱機組適應(yīng)于煤價高、機組運行利用小時數(shù)較高地區(qū)。以上分析僅僅作為核心設(shè)備的主、輔機相關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)增加與所帶來的收益的比較，全廠的經(jīng)濟性分析還需要結(jié)合接入系統(tǒng)、社會效益以及各可變影響因素等全方面的因素來綜合考慮。

4 二次再熱技術(shù)的環(huán)保效益

二次再熱機組效率更高，從節(jié)煤角度考慮，在相同的污染物治理效率下，減少了的CO2、SO2、NOx、粉塵排放量，具有一定的環(huán)保和社會效益。結(jié)合鋼鐵生產(chǎn)工序流程二氧化碳排放量，對CO2排放進行定量計算，分析二次再熱機組對全球溫室效應(yīng)的貢獻。

工程燃煤收到基碳含量為57.33%，收到基低溫發(fā)熱量為21.23 MJ/kg，按經(jīng)濟比較中技術(shù)指標計算，二次再熱相比一次再熱，每臺機組減少CO2排放量為10.8×105t/a。從主、輔機設(shè)備以及熱力系統(tǒng)、煙風(fēng)制粉系統(tǒng)用鋼量比較，每臺二次再熱機組大約多105t。目前，高爐流程為國內(nèi)生鐵的生產(chǎn)主流工藝，且在短期內(nèi)不會有較大改變，暫按高爐+轉(zhuǎn)爐(噴煤250 kg)的生產(chǎn)流程下噸鋼CO2產(chǎn)量為2170 kg/t計算，由于用鋼量的增加而產(chǎn)生的CO2排放量為21.7×105t，二次再熱機組運行兩年即可彌補其因用鋼量的增加而在鋼鐵生產(chǎn)過程中多排放的CO2。

因此，從電廠運行周期考慮，二次再熱機組對二氧化碳減排貢獻巨大，社會效益顯著。

5 結(jié)論

本文綜述了國內(nèi)、外二次再熱機組的發(fā)展現(xiàn)狀，分別從標煤價、初投資、機組年利用小時數(shù)以及貸款利率等制約因素，對二次再熱機組經(jīng)濟性作出了敏感性分析，為國內(nèi)電力建設(shè)者提供參考。

(1)從技術(shù)指標考慮，二次再熱機組與高效一次再熱相比，具有一定的優(yōu)越性，機組發(fā)電效率可達48%，二者發(fā)電煤耗相差約6～7 g/(kWh)，機組效率達同類機組世界領(lǐng)先水平，符合國家控制一次能源消耗量的產(chǎn)業(yè)政策，可確保機組投運后在電網(wǎng)節(jié)能、經(jīng)濟調(diào)度中處于優(yōu)勢購電的競爭優(yōu)勢地位。

(2)從初投資及經(jīng)濟性考慮，二次再熱機組初投資高，在現(xiàn)今競價中標的情況下，主、輔機價格的變化對初投資影響非常大。同時，電廠經(jīng)濟效益受標煤價、機組年運行利用小時數(shù)、貸款利率等因素的影響，因此，判斷電廠的經(jīng)濟性應(yīng)從各個方面全面綜合考慮。

(3)從環(huán)保和社會效益考慮，二次再熱機組效率更高，從節(jié)煤角度考慮，在相同的污染物治理效率下，減少了的CO2、SO2、NOx、粉塵排放量，具有一定的環(huán)保和社會效益。

(4)從運行角度考慮，國內(nèi)二次再熱機組屬于起步階段，雖然已有機組運行，但時間短，運行經(jīng)驗少，且二次再熱系統(tǒng)更為復(fù)雜，再熱調(diào)溫屬其中技術(shù)難點之一，只有不斷的積累，才能更好的掌控。

參考文獻：

[1] 蔣德勇．淺談1000 MW超超臨界二次再熱鍋爐技術(shù)[J]．價值工程，2015，(1)．

[2] 徐通模，等．超大容量超超臨界鍋爐的發(fā)展趨勢[J]．動力工程，2003，23(3)．

[3] 高昊天，等．超超臨界二次再熱機組的發(fā)展[J]．鍋爐技術(shù)，2014，45(4)．

[4] 谷雅秀，王生鵬．一種超超臨界二次再熱發(fā)電系統(tǒng)及其熱經(jīng)濟性分析[J]．西安理工大學(xué)學(xué)報，2013，29(3)．

[5] 陳繼輝，程旭．鋼鐵企業(yè)二氧化碳減排技術(shù)淺析[J]．冶金能源，2012，31(5)．