超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展探討

龍輝，嚴(yán)舒，王盾

（1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司，北京市，100120；

2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司東北電力設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春市，130033）

超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展探討

龍輝1，嚴(yán)舒2，王盾1

（1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司，北京市，100120；

2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司東北電力設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春市，130033）

0 引言

近年來(lái)，隨著一批600℃超超臨界機(jī)組的投運(yùn)，我國(guó)的超超臨界機(jī)組整體設(shè)計(jì)、制造能力和運(yùn)行水平均得到較大提高[1-10]。電力設(shè)計(jì)部門(mén)配合火電集團(tuán)公司圓滿完成了超超臨界機(jī)組工程設(shè)計(jì)，并在這一過(guò)程中不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，不斷進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，使新建超超臨界機(jī)組技術(shù)水平和主要技術(shù)指標(biāo)均有一定的提高，形成了與超超臨界機(jī)組相對(duì)應(yīng)的一些成熟的設(shè)計(jì)技術(shù)。將這些設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)并針對(duì)不同條件火電機(jī)組進(jìn)行集成化技術(shù)研究，同時(shí)與發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)設(shè)計(jì)水平進(jìn)行對(duì)比尋找差距，并提出未來(lái)設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展的主要研究方向?qū)ΤR界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要。

1 我國(guó)燃煤火電機(jī)組發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 裝機(jī)容量

近幾年我國(guó)電力的裝機(jī)總量和火電機(jī)組裝機(jī)容量如圖1所示。截止到2009年底，我國(guó)電力的總裝機(jī)容量已達(dá)8.74億kW，其中火電裝機(jī)容量已超過(guò)6.52億kW，占總裝機(jī)容量的74.6％。

1.2 煤耗

近幾年我國(guó)火電機(jī)組的平均供電煤耗如圖2所示。由圖2可知，2009年我國(guó)運(yùn)行火電機(jī)組的平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率為340 g/（kW·h）。

1.3 廠用電率

近幾年來(lái)，隨著火電機(jī)組環(huán)保治理措施的逐漸完善，廠用電設(shè)備有所增加，但由于電網(wǎng)中新增機(jī)組單機(jī)容量逐步加大，原有小機(jī)組逐步關(guān)停，因此火電機(jī)組平均廠用電率有所下降，如圖3所示。

2 國(guó)內(nèi)火電機(jī)組與國(guó)外先進(jìn)機(jī)組的主要差距

2.1 機(jī)組平均供電煤耗率比較

盡管我國(guó)燃煤機(jī)組的平均供電煤耗率在不斷降低，但平均供電煤耗率仍高于世界發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。我國(guó)與幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家的供電煤耗率對(duì)比情況見(jiàn)圖4。

我國(guó)火電機(jī)組平均供電煤耗與發(fā)達(dá)國(guó)家存在的主要差距如下：

（1）我國(guó)火電機(jī)組采用超臨界、超超臨界機(jī)組的參數(shù)比例仍較低，約占火電裝機(jī)容量的13％，而日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家超臨界、超超臨界機(jī)組占火電機(jī)組的50％以上。

（2）我國(guó)北方缺水地區(qū)新上燃褐煤空冷機(jī)組大多采用亞臨界參數(shù)，供電煤耗較高，在350～360 g/（kW·h）之間。

2.2 新建燃煤機(jī)組的供電煤耗率比較

國(guó)外近10年投運(yùn)的部分超超臨界機(jī)組主要參數(shù)及發(fā)電煤耗指標(biāo)和廠用電率見(jiàn)表1。

表1 國(guó)外近1100年投運(yùn)的部分超超臨界機(jī)組主要參數(shù)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Tab.1 The main parameters and technical economic indicators of USC units put into operation in foreign countries inrecent 10 years

近幾年來(lái)，我國(guó)新裝火電機(jī)組的參數(shù)和單機(jī)容量有了較大的飛躍，參數(shù)從過(guò)去的亞臨界升級(jí)到超臨界和超超臨界，單機(jī)容量由300MW和600MW升級(jí)為600MW和1 000MW。600MW濕冷機(jī)組基本上采用了超臨界或超超臨界參數(shù)，1 000MW機(jī)組全部采用了超超臨界參數(shù)，并且都已積累了一定的商業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。超（超）臨界火電機(jī)組在我國(guó)火電結(jié)構(gòu)中已經(jīng)有相當(dāng)大的比例，國(guó)內(nèi)通過(guò)600℃超超臨界機(jī)組的技術(shù)開(kāi)發(fā)及工程實(shí)踐，已投運(yùn)29臺(tái)600℃百萬(wàn)千瓦超超臨界機(jī)組，在建和規(guī)劃的超超臨界機(jī)組超過(guò)其他國(guó)家總和，機(jī)組制造、安裝和運(yùn)行水平大幅度提高，建立了完善的設(shè)計(jì)體系，擁有了相應(yīng)的先進(jìn)制造裝備和工藝技術(shù)。已經(jīng)投運(yùn)的部分超超臨界機(jī)組主要參數(shù)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表2。

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)新上燃煙煤超超臨界火電機(jī)組已經(jīng)與國(guó)際先進(jìn)水平接近，有些超超臨界機(jī)組（如外高橋電廠三期工程機(jī)組）已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)煤耗水平，但在設(shè)計(jì)理念上與德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家仍有一些差距，比如：德國(guó)從20世紀(jì)末開(kāi)始提出并實(shí)施燃褐煤的超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成計(jì)劃（lignite-based power generation w ith optimized plant engineering，BOA計(jì)劃），該技術(shù)的特點(diǎn)是在新建火電機(jī)組完成各種新的設(shè)計(jì)技術(shù)的集成，在2004年BOA 1/3計(jì)劃電廠Niederaussem電廠（1×1 027MW）運(yùn)行，成為目前世界最先進(jìn)的燃褐煤超超臨界機(jī)組，而我國(guó)目前僅有2臺(tái)燃褐煤超臨界機(jī)組（華能九臺(tái)電廠2× 660MW機(jī)組）準(zhǔn)備投入運(yùn)行，其余全部為燃褐煤亞臨界機(jī)組。

表2 國(guó)內(nèi)近幾年投運(yùn)的部分超超臨界機(jī)組主要參數(shù)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Tab.2 The main parameters and technical economic indicators of Chinese USC units put into operation in recent years

汽及再熱蒸汽溫度分別為580、600℃。該項(xiàng)目用9 205 kJ/kg，燃煤水份53.3％褐煤最終達(dá)到了45.2％的效率，機(jī)組年平均供電煤耗292 g/（kW·h）。與傳統(tǒng)亞臨界 35.5％[346.5 g/（kW·h）]效率相比，Nidederaussem電廠采取的各項(xiàng)設(shè)計(jì)集成措施取得的效率提高見(jiàn)表3。

3 超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 日本超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展

日本是除我國(guó)外，投入600℃超超臨界機(jī)組最多的國(guó)家，其超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化的特點(diǎn)如下：

（1）提高超超臨界機(jī)組參數(shù)。

2009年日本投運(yùn)的新磯子電廠2號(hào)機(jī)組主要特點(diǎn)與2004年投運(yùn)的新磯子電廠1號(hào)機(jī)組相比，部分蒸汽參數(shù)又有變化，從25 MPa/600℃/610℃變成25MPa/600℃/620℃，并且在日本第1次采用塔式鍋爐技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了目前日本火電機(jī)組最高的效率。

（2）采用新型節(jié)能型高效煙氣處理系統(tǒng)。

日本橘灣等電廠采用低低溫電除塵器技術(shù)，由于煙氣體積流量小、煙氣比電阻小及采用低溫靜電除塵器，四電場(chǎng)改為三電場(chǎng)，并采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)，使電除塵器的電耗大大降低。與傳統(tǒng)的電除塵器+濕法煙氣脫硫工藝（帶煙氣加熱器）相比，在除塵效率提高的情況下，爐后綜合廠用電率降低0.286％。

3.2 德國(guó)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展

德國(guó)目前投運(yùn)的600℃超超臨界機(jī)組不多，但它是目前世界上開(kāi)展超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化最成熟的國(guó)家。

1996年，德國(guó)開(kāi)始執(zhí)行“BOA計(jì)劃”，包括采用超超臨界參數(shù)、冷端優(yōu)化、褐煤干燥、鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化、汽輪機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化、熱力系統(tǒng)優(yōu)化、環(huán)保島工藝系統(tǒng)優(yōu)化、區(qū)域供熱等設(shè)計(jì)技術(shù)的工程集成應(yīng)用?！癇OA計(jì)劃”發(fā)展路線分成3個(gè)步驟實(shí)施。

（1）“BOA計(jì)劃”的1/3項(xiàng)目：Nicderausem電廠燃褐煤超超臨界機(jī)組示范電站1×1 027MW機(jī)組，主蒸

表3 Nidederausem電廠與傳統(tǒng)燃褐煤亞臨界機(jī)組比較Tab.3 Comparison of Nidederaussem powerplant and d traditional lignite-fired sub-criticalu units

（2）“BOA計(jì)劃”的2/3項(xiàng)目：燃褐煤超超臨界機(jī)組，單機(jī)容量2×1 100 MW，蒸汽參數(shù)29.5 MPa/ 600℃/605℃?？蛇m應(yīng)預(yù)期燃用的褐煤特性。煤熱值7.6～11.6MJ/kg（水分42％以上），根據(jù)德國(guó)CO2排放分配計(jì)劃，并且是大型以大代小工程（2×300MW機(jī)組+2×600MW機(jī)組），該項(xiàng)目2010年投產(chǎn)。

（3）“BOA計(jì)劃”的3/3項(xiàng)目：700℃蒸汽參數(shù)的大機(jī)組示范應(yīng)用。

3.3 我國(guó)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化的發(fā)展

我國(guó)的外高橋三期是我國(guó)應(yīng)用燃煙煤超超臨界火電機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化最成功的范例。外高橋三期工程采用了包括采用超超臨界參數(shù)、冷端優(yōu)化、鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化、汽輪機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化、熱力系統(tǒng)優(yōu)化、余熱回收等集成技術(shù)，使平均供電煤耗達(dá)到282.16 g/（kW·h）（2009年全年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）。

4 我國(guó)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展可采用的技術(shù)

（1）采用超超臨界機(jī)組。典型超臨界循環(huán)的參數(shù)為24.1MPa/566℃/566℃，提高到超超臨界參數(shù)為25MPa/600℃/600℃，提高了電廠的熱效率，可降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗5～9 g/（kW·h）。

（2）燃褐煤機(jī)組采用褐煤預(yù)干燥技術(shù)。利用蒸汽干燥可以使得設(shè)備體積減小，熱效率提高，且安全可靠，因此國(guó)外近幾年對(duì)高水分褐煤的干燥的研究大都集中于采用蒸汽干燥。根據(jù)國(guó)際上的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)褐煤的先進(jìn)干燥技術(shù)主要圍繞以下幾方面進(jìn)行研究和應(yīng)用：水分蒸發(fā)廢熱可以循環(huán)利用；干燥強(qiáng)度大，以利于大型化；通過(guò)與電廠熱力循環(huán)集成，提高電廠整體效率。

（3）降低汽輪機(jī)背壓。對(duì)于600MW級(jí)超超臨界汽輪機(jī)而言，汽輪機(jī)背壓下降0.5、1、2 kPa，熱耗分別降低13.9、31、65.3 kJ/（kW·h）左右。

（4）選用合適的汽輪機(jī)排汽面積。600MW級(jí)機(jī)組汽輪機(jī)可以有三缸四排汽型式和兩缸兩排汽型式兩種結(jié)構(gòu)。在相同的背壓條件下，由于三缸四排汽型式汽輪機(jī)比兩缸兩排汽型式汽輪機(jī)排汽面積大23％，機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)煤耗值降低約0.75 g/（kW·h）。

（5）燃煙煤機(jī)組磨煤機(jī)采用動(dòng)態(tài)分離器。磨煤機(jī)采用動(dòng)態(tài)分離器可提高鍋爐效率約0.3％。

（6）采用煙氣余熱回收技術(shù)或低低溫高效煙氣處理系統(tǒng)。采用煙氣余熱回收技術(shù)或低低溫高效煙氣處理系統(tǒng)，可降低煤耗1 g/（kW·h）以上。

5 我國(guó)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展面臨的主要問(wèn)題

5.1 煤質(zhì)變化

我國(guó)火電機(jī)組燃用煤質(zhì)條件完全不同，這就需要對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行具體分析，采用不同的方案。例如，當(dāng)考慮余熱回收時(shí)，既可以考慮低低溫靜電除塵器方案，又可以考慮除塵器后低溫省煤器方案，其關(guān)鍵要看電廠燃用的設(shè)計(jì)煤質(zhì)和校核煤質(zhì)中灰分和硫分，進(jìn)行分析比較后確定。

5.2 褐煤干燥及整體化設(shè)計(jì)技術(shù)

褐煤干燥過(guò)程中水分的蒸發(fā)是一個(gè)大量消耗熱量的過(guò)程。傳統(tǒng)熱煙氣對(duì)高水分煤干燥后，由于蒸發(fā)的水分中含有大量的空氣，因此水分的潛熱不可能得到利用。因此傳統(tǒng)的干燥技術(shù)不能適應(yīng)高水分褐煤的干燥。此外由于褐煤揮發(fā)分含量高，著火溫度低，因此容易產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象，發(fā)生自燃或爆炸。如為防止爆炸，采用較低的煙氣溫度，干燥強(qiáng)度低、速度慢，不適合工業(yè)生產(chǎn)要求。

所以針對(duì)高水分的褐煤干燥，必須采取其他的干燥介質(zhì)和設(shè)備來(lái)進(jìn)行。目前國(guó)外已開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)褐煤干燥技術(shù)，如：蒸汽滾筒管式干燥技術(shù)、流化床蒸汽干燥技術(shù)、蒸汽空氣聯(lián)合干燥技術(shù)、床混式干燥（bed m ixing drying）技術(shù)、熱機(jī)械脫水（mechanical thermal expression dewatering）技術(shù)等，其中蒸汽滾筒管式干燥技術(shù)、流化床蒸汽干燥技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于國(guó)外大型燃褐煤發(fā)電機(jī)組（黑泵電廠和Niederaussem電廠）。國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出滾筒煙氣褐煤干燥工藝（目前主要應(yīng)用業(yè)績(jī)?cè)诿禾肯到y(tǒng)各個(gè)礦業(yè)集團(tuán)，用于干燥煤中部分水分，以達(dá)到煤提質(zhì)的目的）、振動(dòng)混流煙氣干燥褐煤工藝、褐煤蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥工藝。

電廠褐煤預(yù)干燥技術(shù)是煤炭系統(tǒng)設(shè)計(jì)與電力工藝系統(tǒng)的結(jié)合，對(duì)于各自獨(dú)立的技術(shù)都是成熟的，但在整體化設(shè)計(jì)方面存在著欠缺，表現(xiàn)在3個(gè)方面：一是系統(tǒng)的整合，二是與鍋爐燃燒系統(tǒng)的整合，三是有關(guān)整合技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化的投資及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

（1）大部分集成技術(shù)措施的應(yīng)用會(huì)造成工程造價(jià)的增加，但是，按照目前我國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，增加的工程造價(jià)是可以承受的。

（2）有些集成技術(shù)的應(yīng)用不會(huì)增加工程造價(jià)或增加的較少，但由于運(yùn)行費(fèi)用的降低，使得上網(wǎng)電價(jià)有所下降。隨著我國(guó)燃料和用水價(jià)格以及污染物排放征費(fèi)的上漲，電廠獲得的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更加明顯。

6 結(jié)論

至2020年，我國(guó)以火電機(jī)組為主、特別是以超超臨界為主的電力裝機(jī)發(fā)展態(tài)勢(shì)不會(huì)改變。按照目前的電力發(fā)展形勢(shì)分析，到2020年，我國(guó)火電機(jī)組裝機(jī)容量將增加4億～5億kW（不包括以大代小機(jī)組容量），因此必須采取各種措施實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)能減排目標(biāo)。未來(lái)燃煤火電機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展可以歸納為2個(gè)層次：第1個(gè)層次，實(shí)現(xiàn)超超臨界參數(shù)工程設(shè)計(jì)。完成包括目前的600℃參數(shù)超超臨界機(jī)組、以及2020年前可能出現(xiàn)的650℃或700℃參數(shù)超超臨界機(jī)組工程設(shè)計(jì)。第2個(gè)層次：在獨(dú)立火電機(jī)組上采用一切可以使用的新型火電技術(shù)集成，提高機(jī)組效率（包括采用超超臨界參數(shù)、褐煤干燥、冷端優(yōu)化、鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化、汽輪機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化、熱力系統(tǒng)優(yōu)化、環(huán)保島工藝系統(tǒng)優(yōu)化、區(qū)域供熱等），使供電煤耗達(dá)到國(guó)際一流水平。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的分析，建議我國(guó)未來(lái)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展路線如下：（1）“十二五”期間實(shí)現(xiàn)燃煙煤濕冷超超臨界機(jī)組、燃褐煤超超臨界機(jī)組、空冷超超臨界機(jī)組幾個(gè)模塊設(shè)計(jì)集成技術(shù)的全面發(fā)展，并開(kāi)展700℃超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)集成技術(shù)研究。（2）“十三五”期間開(kāi)展并完成700℃超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)集成技術(shù)示范項(xiàng)目。

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Integrated Design Technology Developm ent of U ltra Supercritical Unit

LONGHui1，YANShu2，WANGDun1
（1.China Power Engineering Consulting Group Corporation，Beijing 100120，China；2.NortheastElectric PowerDesign Institute ofPower Engineering Consulting Group Corporation Changchun 130033，China）

This paper analyzes the status of Chinese ultra-supercritical coal-fired power unit（USC unit）and its gap w ith the design technologies of advanced coal-fired units abroad， and especially points out that the integrated design technology is the development trend for international USC units.The main process of integrated design technology applied in Japan and German is also investigated，as well as the feasible technology and main problems for application of this technology in Chinese USC unit.In addition，proposals are made for advancement of integrated design technology of USC units in China.

ultra-supercritical；design technology；integrated development；power supply coal consumption；technical and econom ic index；unitparameter

通過(guò)對(duì)我國(guó)超超臨界火電機(jī)組發(fā)展現(xiàn)狀及與國(guó)外先進(jìn)火電機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)方面主要差距的研究，提出了國(guó)際上超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展。分析了日本和德國(guó)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成的主要工藝，匯總了我國(guó)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展可采用的技術(shù)和所面臨的主要問(wèn)題，并對(duì)我國(guó)未來(lái)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化如何發(fā)展提出了建議。

超超臨界；設(shè)計(jì)技術(shù)；集成化發(fā)展；供電煤耗；技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；機(jī)組參數(shù)

10.3969/j.issn.1000-7229.2011.02.017

2010-11-20

2010-12-16

龍輝（1960），男，高級(jí)工程師（教授級(jí)），從事電廠熱機(jī)、環(huán)保技術(shù)發(fā)展方向研發(fā)工作，E-mail：hlong@cpecc.net；

嚴(yán)舒（1972），男，學(xué)士，工程師，從事電廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究工作，E-mail：yanshu@nepdi.net；

王盾（1965），男，高級(jí)工程師，從事電廠新技術(shù)發(fā)展方向研究工作，E-mail：dwang@cpecc.net。

何鵬）

TK 284.7

A

1000-7229（2011）02-0076-04