波蘭某1000 MW等級(jí)機(jī)組的設(shè)計(jì)要求及特點(diǎn)

馮琰磊，余佳琳，林 磊，鄧文祥，劉炳池

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

波蘭作為歐洲產(chǎn)煤大國(guó)，探明硬煤儲(chǔ)量5.09×1010t、褐煤儲(chǔ)量1.41×1010t，煤儲(chǔ)量居世界第五位。能源結(jié)構(gòu)注定要以火電為主，該國(guó)絕大部分煤電機(jī)組容量在260 MW以下，多數(shù)機(jī)組已達(dá)報(bào)廢年限，未來(lái)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(guó)共投產(chǎn)1000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組53臺(tái)，具有豐富的1000 MW等級(jí)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)我們對(duì)波蘭某468 MW超臨界機(jī)組的調(diào)研，雖為擴(kuò)建工程，其單臺(tái)機(jī)組投資仍高達(dá)6億歐元，歐洲新建火力發(fā)電廠單位千瓦造價(jià)大致為我國(guó)建設(shè)造價(jià)的3倍左右，中國(guó)設(shè)備制造商及工程總承包商必將對(duì)歐洲火電市場(chǎng)產(chǎn)生極大的沖擊。

1 項(xiàng)目背景

從2011年12月起，華東電力設(shè)計(jì)院先后進(jìn)行了4個(gè)波蘭燃煤發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目的EPC投標(biāo)設(shè)計(jì)。

四個(gè)項(xiàng)目投標(biāo)方案的主機(jī)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(guó))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(jī)和SIEMENS(德國(guó))生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)。

波蘭全面采用歐盟標(biāo)準(zhǔn)，除少數(shù)例外，投標(biāo)均需滿足歐盟標(biāo)準(zhǔn)要求。招標(biāo)方式采用二次開(kāi)標(biāo)法：對(duì)于各投標(biāo)方，先進(jìn)行一輪投標(biāo)，然后進(jìn)行第一輪澄清。全部滿足招標(biāo)方的要求后業(yè)主方對(duì)招標(biāo)書(shū)進(jìn)行修訂，各投標(biāo)方進(jìn)行第二輪的投標(biāo)并報(bào)價(jià)。其建造過(guò)程也需要滿足波蘭當(dāng)?shù)氐姆?，建設(shè)程序?yàn)椋哼x址－設(shè)計(jì)－建設(shè)－調(diào)試－移交生產(chǎn)；其中在設(shè)計(jì)階段，需要先進(jìn)行Building Permit(以下簡(jiǎn)稱“BP”設(shè)計(jì))的設(shè)計(jì)，此文件必須由有資質(zhì)的工程師進(jìn)行簽字，并報(bào)政府部門(mén)批準(zhǔn)。BP設(shè)計(jì)一般由業(yè)主方在招標(biāo)前完成，各投標(biāo)方根據(jù)BP設(shè)計(jì)文件進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，然后對(duì)BP設(shè)計(jì)文件進(jìn)行升版(按需要)，并重新報(bào)批。所有的施工文件應(yīng)同批準(zhǔn)的BP文件一致。另外，在波蘭的建設(shè)項(xiàng)目，所有的壓力管道(部件)、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器、電梯等均應(yīng)獲得CE市場(chǎng)認(rèn)證，滿足歐盟要求。

2 性能保證要求

2.1 主機(jī)出力及效率

波蘭業(yè)主方關(guān)心的主要指標(biāo)是機(jī)組凈出力和供電效率，且對(duì)主機(jī)的參數(shù)給出了范圍。四個(gè)波蘭項(xiàng)目對(duì)機(jī)組的供電效率要求很高，基本上均要求≥45%，比我國(guó)同類機(jī)組約高1%～2%。招標(biāo)文件中要求的機(jī)組出力和效率見(jiàn)表1。

表1 波蘭招標(biāo)文件對(duì)主機(jī)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(guó)SIEMENS公司提供的熱平衡圖，我們投標(biāo)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(diǎn)如下：

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

汽輪機(jī)采用了“最優(yōu)配置”方案，根據(jù)出力要求，在機(jī)組出力滿足要求和招標(biāo)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(jì))，并優(yōu)化了回?zé)嵯到y(tǒng)，循環(huán)水采用二次循環(huán)，采用電動(dòng)給水泵，在不考慮煙氣余熱利用條件下，汽機(jī)熱耗約6800 kJ/kwh數(shù)量級(jí)。同國(guó)內(nèi)的采用汽動(dòng)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(jiǎn)稱 FGHRs)?？紤]到當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境溫度(典型的煙氣余熱利用系統(tǒng)見(jiàn)圖1)，采用間接換熱系統(tǒng)，氣溫較低時(shí)可以為二次風(fēng)加熱，相當(dāng)于二次風(fēng)暖風(fēng)器；環(huán)境溫度高時(shí)可以加熱凝結(jié)水系統(tǒng)。由華東電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的上海漕涇電廠1000 MW機(jī)組煙氣余熱利用系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行，實(shí)測(cè)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(jī)組的效率。

2.2 環(huán)保排放指標(biāo)

波蘭使用歐盟的排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于煙氣排放以及轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械噪音、廠界噪音、振動(dòng)、廢水水質(zhì)、石膏、灰渣品質(zhì)等都有嚴(yán)格的要求，本文僅對(duì)煙氣排放要求進(jìn)行介紹。波蘭業(yè)主方對(duì)各煙氣排放指標(biāo)要求見(jiàn)表2。

上述的煙氣指標(biāo)同國(guó)內(nèi)《火力發(fā)電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB13223－2011基本相當(dāng)，其中的NOx和SO2排放當(dāng)前的指標(biāo)要求不高于GB13223－2011標(biāo)準(zhǔn)，粉塵排放高于GB13223－2011中對(duì)“重點(diǎn)地區(qū)”要求。

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

執(zhí)行要求高。對(duì)于主要排放指標(biāo)，各項(xiàng)目均作為拒收條款。對(duì)機(jī)組在建設(shè)以及試運(yùn)期均要求各排放指標(biāo)嚴(yán)格執(zhí)行。要求機(jī)組在0%～100%BMCR負(fù)荷范圍內(nèi)均嚴(yán)格遵守排放指標(biāo)，即要求機(jī)組全負(fù)荷脫硫、脫硝、除塵運(yùn)行。甚至規(guī)定了啟動(dòng)鍋爐的排放指標(biāo)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(biāo)文件中對(duì)煙氣排放指標(biāo)的要求

重視規(guī)劃。各項(xiàng)目均規(guī)定預(yù)留脫除二氧化碳(CO2capture and storage，簡(jiǎn)稱CCS)的場(chǎng)地。目前雖無(wú)成熟的全廠CCS系統(tǒng)配置方案，但是均要求預(yù)留場(chǎng)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(yù)留一層安裝催化劑的空間，為以后進(jìn)一步降低NOx預(yù)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(chǎng)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(lái)看，尚有部分環(huán)保工藝同國(guó)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(guó)內(nèi)常規(guī)性能保證值，估計(jì)國(guó)內(nèi)制造技術(shù)同歐盟尚有一定差距，也可能與國(guó)外機(jī)組煤源相對(duì)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(guó)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(guó)內(nèi)配置主要在以下幾個(gè)方面存在不同：

多數(shù)項(xiàng)目采用3×50%電動(dòng)給水泵，采用行星齒輪調(diào)速機(jī)構(gòu)提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。也有項(xiàng)目要求可選擇采用1×100%容量汽動(dòng)給水泵。

凝汽器配合汽機(jī)五缸六排汽，設(shè)置三個(gè)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(guó)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?jī)蓪訉?duì)應(yīng)一臺(tái)磨煤機(jī)，磨煤機(jī)按照5+1進(jìn)行配置。而波蘭業(yè)主方的建議方案為每臺(tái)機(jī)組配置4+1臺(tái)磨煤機(jī)，對(duì)應(yīng)每角布置10層燃燒器；由于1000 MW等級(jí)塔式鍋爐燃燒器數(shù)量較多，因此減少兩層燃燒器后，單個(gè)燃燒器的熱負(fù)荷仍在允許的熱負(fù)荷范圍內(nèi)。但是爐膛的大小和高度需要調(diào)整?？傮w上，采用4+1臺(tái)磨煤機(jī)方案制粉系統(tǒng)能降低造價(jià)，但是鍋爐本體燃燒系統(tǒng)復(fù)雜。

波蘭當(dāng)?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(fēng)系統(tǒng)。冷風(fēng)吸風(fēng)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(duì)流散熱熱損失約為0.18%。輔機(jī)的散熱損失可忽略不計(jì)，按上述熱量全部被二次風(fēng)吸收，則冷二次風(fēng)溫可以上升5℃～7℃左右。但是風(fēng)機(jī)、風(fēng)道的布置相當(dāng)復(fù)雜。

另外，國(guó)內(nèi)常規(guī)一次風(fēng)和二次風(fēng)配置為并聯(lián)系統(tǒng)，一次風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)分別設(shè)置吸風(fēng)口；波蘭業(yè)主方要求全部燃燒用風(fēng)由送風(fēng)機(jī)吸風(fēng)，經(jīng)送風(fēng)機(jī)加壓后，分為兩路，一路作為二次風(fēng)直接進(jìn)空預(yù)器；另外一路再經(jīng)由一次風(fēng)機(jī)加壓送入磨煤機(jī)，即送、一次風(fēng)采用串連系統(tǒng)?？傮w上，我們認(rèn)為送、一次風(fēng)機(jī)串連系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)能耗相當(dāng)；并聯(lián)系統(tǒng)控制、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單；串連系統(tǒng)可以降低一次風(fēng)機(jī)的噪音，但是系統(tǒng)比較復(fù)雜。

3.3 生物質(zhì)燃燒

目前歐洲國(guó)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(dāng)?shù)匾灿胸S富的生物質(zhì)原料。

波蘭 IV 1×1000 MW機(jī)組項(xiàng)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(jì)算)。其生物質(zhì)成分見(jiàn)表3。

根據(jù)了解，國(guó)外生物質(zhì)燃燒有磨前預(yù)混和獨(dú)立噴燃兩個(gè)方案，同國(guó)內(nèi)機(jī)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(dú)立噴燃方案流程圖

磨前預(yù)混方案系統(tǒng)非常簡(jiǎn)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?；烊脲仩t燃煤中后，混合燃料進(jìn)入磨煤機(jī)，磨制成混合粉末后，通過(guò)一次風(fēng)送入煤粉燃燒器。但是目前國(guó)內(nèi)尚未有磨煤機(jī)磨制生物質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)有中速磨煤機(jī)能否適應(yīng)磨制生物質(zhì)尚待進(jìn)一步研究。

獨(dú)立噴燃方案為設(shè)置獨(dú)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(lái)料經(jīng)皮帶或者斗提送入筒倉(cāng)，然后經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)皮帶送至日用料倉(cāng)，再經(jīng)錘磨機(jī)(Hammer Mill)磨制后，送至粉倉(cāng)，燃油采用正壓氣力輸送至獨(dú)立的生物質(zhì)燃燒器進(jìn)行燃燒。該系統(tǒng)的核心設(shè)備為錘磨機(jī)，預(yù)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(guò)正壓管路氣力輸送的方式送入鍋爐?？傮w而言，獨(dú)立噴燃方案除錘磨機(jī)要求較高外，其余系統(tǒng)配置不存在困難。如果錘磨機(jī)采用進(jìn)口產(chǎn)品，則方案實(shí)施相對(duì)比較容易。

3.3 輔助系統(tǒng)

波蘭對(duì)機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行要求較高，成本不是優(yōu)先考慮的因素。本文僅說(shuō)明其中幾個(gè)典型輔助系統(tǒng)如下：

啟動(dòng)鍋爐。國(guó)內(nèi)《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50660要求，1000 MW等級(jí)鍋爐機(jī)組設(shè)置1×50 t/h～2×50 t/h的啟動(dòng)鍋爐，而波蘭項(xiàng)目則要求啟動(dòng)鍋爐的蒸汽嚴(yán)格滿足機(jī)組啟動(dòng)的要求，即滿足啟動(dòng)給水除氧的要求。典型配置為采用3×50 t/h的啟動(dòng)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(dòng)鍋爐，作為主機(jī)停運(yùn)其間供熱的備用熱源。啟動(dòng)鍋爐設(shè)置單獨(dú)的供油泵，不和鍋爐的供油泵合并。

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

空壓機(jī)的閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。由于波蘭項(xiàng)目建設(shè)模式多為每個(gè)項(xiàng)目建設(shè)1臺(tái)機(jī)組，考慮到機(jī)組停運(yùn)其間，壓縮空氣系統(tǒng)仍需要運(yùn)行，因此要求空壓機(jī)和后處理設(shè)備設(shè)置單獨(dú)的閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。對(duì)于2×1000 MW機(jī)組，也要求空壓機(jī)和后處理設(shè)備設(shè)置單獨(dú)的閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

4 主廠房布置要求

同國(guó)內(nèi)1000 MW等級(jí)燃煤發(fā)電機(jī)組相比，波蘭項(xiàng)目主廠房布置有如下幾個(gè)特點(diǎn)：檢修場(chǎng)地要求高、流場(chǎng)順暢、室內(nèi)布置、鋼結(jié)構(gòu)和側(cè)煤倉(cāng)布置方式。

波蘭業(yè)主方對(duì)檢修場(chǎng)地的要求高，要求在汽機(jī)房設(shè)置一條鐵路，對(duì)主廠房的主要設(shè)備可以通過(guò)鐵路進(jìn)行運(yùn)輸檢修；鍋爐房?jī)蓚?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(xiàng)目對(duì)A排柱至冷卻塔的距離沒(méi)有特別的要求，爐后區(qū)域占地面積長(zhǎng)，煙道能夠布置順暢，滿足風(fēng)機(jī)出口直段要求。波蘭項(xiàng)目工期要求較高，并考慮當(dāng)?shù)氐牧?xí)慣，主廠房、風(fēng)機(jī)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(gè)特點(diǎn)是采用側(cè)煤倉(cāng)布置形式。但是其同國(guó)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(cāng)僅考慮減少四大管道的長(zhǎng)度和上煤皮帶的優(yōu)化布置方式。對(duì)于2臺(tái)機(jī)組同時(shí)建設(shè)的項(xiàng)目，甚至要求兩臺(tái)機(jī)組各設(shè)置一座側(cè)煤倉(cāng)間，兩臺(tái)機(jī)組的側(cè)煤倉(cāng)間順列布置。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著裝備制造業(yè)的進(jìn)步，我國(guó)成為1000 MW等級(jí)超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)量最多的國(guó)家之一，為中國(guó)設(shè)備制造商及工程總承包商進(jìn)軍歐美市場(chǎng)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(biāo)項(xiàng)目結(jié)果難以預(yù)測(cè)，但是本次投標(biāo)，波蘭業(yè)主方的高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃考慮，仍給我們很大的啟示。包括如下幾個(gè)方面。

機(jī)組的供電效率高。目前國(guó)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(jī)組供電效率同歐洲仍有一定差距。

環(huán)保排放要求嚴(yán)。我國(guó)環(huán)保要求的排放指標(biāo)基本同歐盟相當(dāng)，但是歐盟對(duì)過(guò)程控制的更嚴(yán)，包括各指標(biāo)的嚴(yán)格執(zhí)行以及指標(biāo)的全程控制等。

長(zhǎng)期的建設(shè)規(guī)劃。波蘭項(xiàng)目對(duì)環(huán)保、檢修場(chǎng)地等都有長(zhǎng)遠(yuǎn)的規(guī)劃，要求脫硫、脫硝預(yù)留改進(jìn)的空間，并預(yù)留建設(shè)CCS系統(tǒng)的場(chǎng)地。同國(guó)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(jī)組工程建設(shè)中的重大技術(shù)創(chuàng)新和項(xiàng)目?jī)?yōu)化[J]．電力建設(shè)，2008，(8)．