大型燃煤機(jī)組供熱改造經(jīng)濟(jì)性分析

尹書劍YIN Shu-jian；苗井泉MIAO Jing-quan

（山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆瑵?jì)南 250100）

關(guān)健詞： 大型燃煤機(jī)組；供熱改造；經(jīng)濟(jì)性分析

0 引言

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，加快構(gòu)建清潔低碳、安全環(huán)保的能源及供熱體系已成為行業(yè)共識(shí)。當(dāng)前，我國(guó)燃煤機(jī)組供暖改造主要面臨兩個(gè)問題：一是新能源的大規(guī)模增長(zhǎng)增加電網(wǎng)消納困難，電網(wǎng)加強(qiáng)對(duì)調(diào)峰能力的考核，使得供暖季燃煤機(jī)組的調(diào)峰能力成為影響電廠盈利的重要因素；二是熱電機(jī)組受煤價(jià)上漲和熱價(jià)、電價(jià)的限制，存在盈利困難的問題[1-2]。

受以上問題的影響，當(dāng)前大型燃煤機(jī)組供暖改造主要有三個(gè)目的：一是降低煤耗，滿足國(guó)家政策要求，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性；二是提高機(jī)組供熱能力，增加供暖面積；三是提高供暖季運(yùn)行靈活性，增強(qiáng)調(diào)峰能力。這三個(gè)目的根據(jù)不同電廠實(shí)際需求，有時(shí)需要同時(shí)滿足。

目前國(guó)內(nèi)已有多家企業(yè)及多位學(xué)者專家圍繞大型燃煤機(jī)組的供熱改造技術(shù)開展研究。哈汽、東汽、上汽三家國(guó)內(nèi)主機(jī)設(shè)備廠家都結(jié)合生產(chǎn)的主機(jī)設(shè)備特點(diǎn)推出了多種供熱技術(shù)方案。以西安熱工院為代表的電科院結(jié)合工程實(shí)踐提出了切除低壓缸等靈活性供熱改造技術(shù)。方旭對(duì)多種燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)冷段余能供熱改造進(jìn)行研究[3]。陳力力對(duì)多種供熱改造技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比，并選取了合理的改造方案[4]。劉振宇對(duì)燃煤電廠回收乏汽供熱的技術(shù)路線進(jìn)行了研究[5]。戈志華對(duì)大型純凝機(jī)組的供熱改造的節(jié)能收益進(jìn)行了建模分析，提出了基于能量梯級(jí)利用的節(jié)能改進(jìn)方案[6]。但在經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方面，對(duì)常見改造技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)的報(bào)道相對(duì)欠缺。

本文首先對(duì)大型燃煤機(jī)組供熱改造技術(shù)進(jìn)行了分類和說明，并針對(duì)應(yīng)用最廣泛的采暖改造技術(shù)，選取山東某電廠打孔抽汽供熱改造、內(nèi)蒙某電廠濕冷機(jī)組高背壓改造、山東某電廠雙背壓雙轉(zhuǎn)子改造、遼寧某電廠切缸改造四個(gè)典型案例，從熱經(jīng)濟(jì)性與經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)角度研究分析這四種常見供熱改造技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。

1 大型燃煤機(jī)組供熱改造技術(shù)

大型燃煤機(jī)組一般為配有凝汽器或空冷器的凝汽式機(jī)組，采用的供熱改造技術(shù)種類繁多，根據(jù)改造原理的不同主要包括三個(gè)方面：一是基于能量梯級(jí)利用原理的供暖改造技術(shù)，包括在汽機(jī)本體或連通管等管道上的打孔抽汽、加裝小背壓機(jī)或壓力匹配器的抽汽改造等技術(shù)；二是基于余熱回收原理的供暖改造技術(shù)，包括高背壓改造、加裝熱泵的供暖改造等技術(shù)；三是為了實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰（熱電解耦）的供暖改造技術(shù)，包括切缸改供暖造技術(shù)、電鍋爐、蓄熱罐、旁路供暖技術(shù)等。

以上供熱改造技術(shù)有不同的適用范圍，經(jīng)濟(jì)性、施工難度和對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行的影響也不同。從目前北方地區(qū)電廠應(yīng)用實(shí)際情況來看，應(yīng)用較多的改造技術(shù)為打孔抽汽、高背壓改造、加裝熱泵、切缸改造技術(shù)[7]。

1.1 打孔抽汽改造

打孔抽汽改造技術(shù)是根據(jù)熱負(fù)荷需求的蒸汽參數(shù)，在凝汽式汽輪機(jī)本體或相關(guān)管道打孔引出一根抽汽管道，通過逆止閥、快關(guān)閥及調(diào)節(jié)閥接至熱網(wǎng)首站加熱器，經(jīng)熱網(wǎng)加熱器加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，以滿足地區(qū)所需采暖負(fù)荷。主要包括汽輪機(jī)本體打孔抽汽、中低壓連通管上打孔抽汽、再熱管道打孔抽汽。當(dāng)抽汽參數(shù)高于熱網(wǎng)加熱需求蒸汽參數(shù)時(shí)，可以通過設(shè)置小背壓機(jī)和發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)抽汽能量的梯級(jí)利用，減少?gòu)S用電率和供電煤耗。

1.2 高背壓改造

高背壓改造的原理是提高凝汽器冷卻水溫度，將凝汽器改為供熱系統(tǒng)的熱網(wǎng)加熱器，冷卻水升直接用作熱網(wǎng)的循環(huán)水。通過改造可以充分利用機(jī)組排汽的汽化潛熱，降低冷源損失，從而提高機(jī)組的循環(huán)熱效率。對(duì)于濕冷機(jī)組，高背壓改造是將凝汽器中乏汽的壓力提高；對(duì)于空冷機(jī)組，需增設(shè)凝汽器，將本該排入空冷島的蒸汽引入增設(shè)凝汽器換熱以加熱熱網(wǎng)循環(huán)水。

1.3 加裝熱泵改造

熱泵可以從溫度較低的介質(zhì)吸收能量，并傳遞給溫度較高的介質(zhì)。供熱改造中應(yīng)用較多的為吸收式熱泵技術(shù)，通過抽汽驅(qū)動(dòng)吸收式熱泵，從低品位熱源即低溫循環(huán)水中回收熱量，加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，提高了電廠整體循環(huán)效率。

1.4 切除低壓缸供熱改造

切除低壓缸方案是在供熱期采用可完全密封的液壓蝶閥切除低壓缸原進(jìn)汽管道進(jìn)汽，將該部分蒸汽用來供熱，同時(shí)，通過新增旁路管道通入少量的冷卻蒸汽，用于帶走低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量，使低壓缸在高真空條件下“空轉(zhuǎn)”運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)低壓缸“零出力”，從而大幅減少冷源損失，顯著降低發(fā)電功率，在保障供熱需求或提高機(jī)組供熱能力的情況下，提高機(jī)組的調(diào)峰能力和供熱經(jīng)濟(jì)性。

2 供熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

以下結(jié)合實(shí)際大型燃煤機(jī)組供熱改造具體項(xiàng)目，對(duì)打孔抽汽、高背壓改造、切除低壓缸改造等改造技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

2.1 打孔抽汽改造經(jīng)濟(jì)性分析

①項(xiàng)目概況。山東某電廠一期建有兩臺(tái)350MW 亞臨界燃煤機(jī)組，為滿足城區(qū)供熱需求，電廠進(jìn)行了打孔抽汽改造。在汽輪機(jī)中、低壓缸連通管上開孔（更換新的連通管），順汽流方向在開孔后的管道上加裝蝶閥，通過蝶閥調(diào)整抽汽壓力，實(shí)現(xiàn)調(diào)整抽汽的目的。此方案抽汽壓力調(diào)整范圍為0.45MPa（a）左右，溫度為252℃，額定抽汽量350t/h，最大抽汽量420t/h，可滿足外網(wǎng)熱負(fù)荷需要。此方案在蝶閥前引出抽汽口進(jìn)行抽汽，機(jī)組高、中壓缸本體不做改動(dòng)。只需汽機(jī)廠對(duì)低壓缸進(jìn)行核算，對(duì)汽輪機(jī)通流間隙和葉型進(jìn)行小量改造，不需作大的改動(dòng)，相對(duì)改造工作比較簡(jiǎn)單，施工工作量較小，造價(jià)也相對(duì)較低。

②熱經(jīng)濟(jì)性分析。表1 列出了該項(xiàng)目一臺(tái)350MW 機(jī)組改造投產(chǎn)后的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。項(xiàng)目改造后，該電廠熱負(fù)荷熱首站設(shè)計(jì)最大供熱能力為700t/h，單臺(tái)最大供熱能力為350t/h，設(shè)計(jì)供熱量為1843GJ/h，設(shè)計(jì)供熱面積約為930 萬平方米。改造后單臺(tái)機(jī)組發(fā)電年均標(biāo)準(zhǔn)煤耗下降17g/kWh，年節(jié)約標(biāo)煤量25.86 萬噸。工程改造后，可替代關(guān)停供熱范圍內(nèi)10 處共計(jì)560t 分散燃煤供熱鍋爐，對(duì)改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境起到重要作用。

表1 熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總表（單臺(tái)）

③盈利能力分析。表2 為該項(xiàng)目一期2×350MW 機(jī)組進(jìn)行抽汽供熱改造的盈利能力指標(biāo)表。根據(jù)項(xiàng)目投資的財(cái)務(wù)指標(biāo)，該項(xiàng)目所得稅后的內(nèi)部收益率為8.03%，大于基準(zhǔn)收益率7.0%，在經(jīng)濟(jì)效益方面可行。項(xiàng)目投資回收期為10.93 年，小于項(xiàng)目的建設(shè)和經(jīng)營(yíng)期（20 年），表明項(xiàng)目運(yùn)作后經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)良好。在7.0%的基準(zhǔn)收益率下，項(xiàng)目的財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值為384.45 萬元，從財(cái)務(wù)角度評(píng)價(jià)，項(xiàng)目具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 盈利能力指標(biāo)表

2.2 高背壓改造項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性分析

①項(xiàng)目概況。內(nèi)蒙古某電廠建有2×350MW 燃煤機(jī)組。為滿足市內(nèi)落后產(chǎn)能關(guān)停后的熱網(wǎng)供熱需求，對(duì)1 號(hào)機(jī)采用高背壓循環(huán)水供熱改造。將熱網(wǎng)回水接入1 號(hào)機(jī)組凝汽器作為冷卻水源，凝汽器作為一級(jí)熱網(wǎng)加熱器，熱網(wǎng)回水經(jīng)吸熱升溫后送至熱網(wǎng)循環(huán)水泵入口，升壓后送至熱網(wǎng)加熱器進(jìn)行二次吸熱再升溫至熱網(wǎng)設(shè)計(jì)要求的溫度后，送至一次網(wǎng)各熱力站。

②熱經(jīng)濟(jì)性分析。項(xiàng)目改造后，該電廠1 號(hào)機(jī)組在采暖期最大采暖供熱能力由176MW 上升到193MW，額定采暖供熱能力由153MW 上升到180MW。由表2 可以看出，改造后單臺(tái)機(jī)組發(fā)電年均標(biāo)準(zhǔn)煤耗下降48.8g/kWh，年節(jié)約標(biāo)煤量3.66 萬噸。1 號(hào)機(jī)改造后與機(jī)組冬季設(shè)計(jì)工況相比循環(huán)冷卻水量由約8360t/h 降為2720t/h，根據(jù)冬季采暖期183 天計(jì)算，改造后相對(duì)改造前，減少水耗約為11.64萬噸。該項(xiàng)目高背壓供熱改造后的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)具體見表3。

表3 熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總表

③盈利能力分析。表4 列出了該項(xiàng)目進(jìn)行高背壓供熱改造的盈利能力指標(biāo)。由財(cái)務(wù)計(jì)算結(jié)果可以看出，該項(xiàng)目總投資收益率為48.7%，內(nèi)部收益率為50.39%，遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)收益率7.0%。投資回收年限為2.89 年，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值為8407 萬元，從財(cái)務(wù)角度分析，項(xiàng)目具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表4 盈利能力指標(biāo)表

2.3 山東某電廠雙高背壓雙轉(zhuǎn)子改造經(jīng)濟(jì)性分析

①項(xiàng)目概況。山東某電廠一期工程原為2×300MW 亞臨界凝汽式燃煤發(fā)電機(jī)組，后進(jìn)行了打孔抽汽形式的供熱改造，改造后額定供暖抽汽量為344t/h。為滿足熱負(fù)荷的增長(zhǎng)需求，實(shí)施1 號(hào)機(jī)組雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換改造，在滿足熱負(fù)荷需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)供熱節(jié)能最大化，保障供熱安全。改造工程包括對(duì)1 號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)低壓缸通流部分進(jìn)行改造，保留現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子及通流部件，重新制作一個(gè)供熱轉(zhuǎn)子及相應(yīng)通流部件，供暖期使用動(dòng)靜葉片級(jí)數(shù)相對(duì)減少的低壓轉(zhuǎn)子，非采暖期使用原設(shè)計(jì)配備的純凝轉(zhuǎn)子。采暖期凝汽器運(yùn)行高背壓，排汽背壓提升至54kPa，對(duì)應(yīng)排汽溫度83.3℃，進(jìn)行循環(huán)水供熱。當(dāng)供熱期結(jié)束后，再恢復(fù)至原純凝狀態(tài)，汽輪機(jī)排汽背壓同時(shí)恢復(fù)至5.4kPa。

②熱經(jīng)濟(jì)性分析。表5 列出了該項(xiàng)目1 號(hào)機(jī)組雙背壓雙轉(zhuǎn)子改造后的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。本機(jī)改造后不抽汽供熱，壓缸排汽熱量完全被熱網(wǎng)循環(huán)水吸收。1 號(hào)機(jī)組高背壓雙轉(zhuǎn)子改造后，相當(dāng)于在不增加熱源的情況下，增加供暖面積約350 萬m2，全廠年節(jié)約標(biāo)煤約6.06 萬噸，同時(shí)可減少或關(guān)停對(duì)應(yīng)供熱面積的分散供熱鍋爐，改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境。改造后，凝汽器成為供熱系統(tǒng)的熱網(wǎng)加熱器，冷卻水直接用作熱網(wǎng)的循環(huán)水，冷卻塔停運(yùn)，其蒸發(fā)損失、風(fēng)吹及排污損失均接近于零，年節(jié)水量約80 萬噸。

表5 熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總表

③盈利能力分析。表6 為該項(xiàng)目1 號(hào)機(jī)組雙背壓雙轉(zhuǎn)子改造的盈利能力指標(biāo)表。由財(cái)務(wù)計(jì)算結(jié)果可以看出，該項(xiàng)目總投資收益率為45.81%，內(nèi)部收益率分別為88.94%，遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)收益率7.0%；項(xiàng)目投資回收年限為1.54 年，財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值為14314.27 萬元，從財(cái)務(wù)角度分析項(xiàng)目盈利能力強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好。

表6 盈利能力指標(biāo)表

2.4 切除低壓缸改造項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性分析

①項(xiàng)目概況。河南某電廠現(xiàn)共有2×330MW 抽汽凝汽式燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組（編號(hào)分別為6 號(hào)和7 號(hào)）。鍋爐為武漢鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界自然循環(huán)汽包爐，汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)生產(chǎn)的亞臨界一次中間再熱、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。為滿足當(dāng)?shù)乜焖僭鲩L(zhǎng)的供暖熱負(fù)荷，電廠對(duì)7 號(hào)機(jī)組進(jìn)行切除低壓缸供熱改造，并配套改造相關(guān)設(shè)施。根據(jù)低壓缸零出力供熱技術(shù)運(yùn)行要求，將原有中低壓連通管上不能完全密封（關(guān)閉后仍能保證低壓缸最小進(jìn)汽）的供熱蝶閥更換為可完全密封的液壓蝶閥，以保證低壓缸完全切除。閥門閥口徑與中低壓連通管一致。增加低壓缸通流部分冷卻蒸汽系統(tǒng)，同時(shí)在管路上設(shè)置調(diào)節(jié)閥以及相應(yīng)的壓力、溫度和流量測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)指導(dǎo)運(yùn)行。改造后為實(shí)現(xiàn)全廠節(jié)能最大化，電廠7 號(hào)機(jī)組切缸后以額定進(jìn)汽工況滿負(fù)荷運(yùn)行，供熱不足部分由6 號(hào)機(jī)組補(bǔ)充。

②熱經(jīng)濟(jì)性分析。表7 列出了該項(xiàng)目全廠兩臺(tái)機(jī)組在7 號(hào)機(jī)除低壓缸供熱改造后，按照7 號(hào)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，供熱不足部分由6 號(hào)機(jī)組補(bǔ)充方式運(yùn)行情況對(duì)應(yīng)的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。項(xiàng)目實(shí)施后，在原熱負(fù)荷不變的情況下，全廠全年可節(jié)約標(biāo)煤量約2.26 萬t，按照超低排放標(biāo)準(zhǔn)，年可減少污染物排放量約為煙塵1.3t/a、SO2共8.9t/a、NOX共12.8t/a、灰渣0.68 萬t/a，具有良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

③盈利能力分析。表8 為本項(xiàng)目7 號(hào)機(jī)除低壓缸供熱改造后，全廠兩臺(tái)機(jī)按照7 號(hào)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，供熱不足部分由6 號(hào)機(jī)組補(bǔ)充的運(yùn)行工況下的盈利能力指標(biāo)表。該項(xiàng)目總投資收益率為13.61%，內(nèi)部收益率分別10.64%，高于基準(zhǔn)收益率7.0%，項(xiàng)目投資回收年限為10.55 年，小于項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期15 年；項(xiàng)目?jī)衄F(xiàn)值分別為484.03 萬元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

表8 項(xiàng)目盈利能力指標(biāo)表

3 結(jié)論

通過對(duì)山東某電廠打孔抽汽供熱改造項(xiàng)目、內(nèi)蒙某電廠高背壓循環(huán)水供熱改造項(xiàng)目、山東某電廠雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換供熱改造項(xiàng)目、河南某電廠切除低壓缸供熱改造項(xiàng)目進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)分析，表明打孔抽汽供熱改造技術(shù)、高背壓循環(huán)水供熱改造技術(shù)、雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換供熱技術(shù)和切除低壓缸供熱改造技術(shù)都具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。其中高背壓供熱改造項(xiàng)目、雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換供熱改造項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益突出，具有較強(qiáng)的盈利能力。本文的研究結(jié)果可為燃煤機(jī)組供熱改造提供經(jīng)濟(jì)性方面的參考。