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

李官鵬，劉義達(dá)，安 強(qiáng)，張樂(lè)川

(山東電力工程咨詢?cè)河邢薰荆?山東 濟(jì)南 250013)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)能源(特別是電力)的需求增長(zhǎng)異常迅猛，由此帶來(lái)的能源緊缺、資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問(wèn)題已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。因此，提升效率、節(jié)能減排將成為我國(guó)今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的戰(zhàn)略選擇。建設(shè)“高效、節(jié)能、環(huán)?！钡碾姀S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?jí)毫蜏囟?、增加再熱次數(shù)都是提高機(jī)組效率的有效方法。截止2017年12月，國(guó)內(nèi)投產(chǎn)1000 MW超超臨界機(jī)組數(shù)量超過(guò)100臺(tái)，其中二次再熱超超臨界機(jī)組6臺(tái)。2015年12月30日，我國(guó)首個(gè)700℃關(guān)鍵部件驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)在華能南京電廠成功投運(yùn)，標(biāo)志著我國(guó)新一代先進(jìn)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(guó)內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外超超臨界二次再熱機(jī)組情況

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

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

1998年之后國(guó)外沒(méi)有新投運(yùn)的二次再熱機(jī)組。據(jù)分析可能的原因有：(1)發(fā)達(dá)國(guó)家電力容量飽和，沒(méi)有新建火電機(jī)組的需求；(2)二次再熱機(jī)組較為復(fù)雜；(3)在燃料費(fèi)用相對(duì)較低條件下二次再熱機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能不具備優(yōu)勢(shì)。

1.2 國(guó)內(nèi)二次再熱機(jī)組情況

二次再熱發(fā)電技術(shù)是《國(guó)家能源科技“十二五”規(guī)劃》重點(diǎn)攻關(guān)技術(shù)，是《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014年—2020年)》推進(jìn)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(shì)明顯，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

國(guó)內(nèi)三大電氣集團(tuán)自2010年相繼啟動(dòng)了二次再熱技術(shù)的研發(fā)工作，且均由訂貨業(yè)績(jī)。國(guó)內(nèi)首臺(tái)二次再熱發(fā)電機(jī)組于2015年6月在華能安源電廠投產(chǎn)，機(jī)組容量660MW，汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)為31 MPa.a/600℃/620℃/620℃。2015年9月，我國(guó)1000 MW超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電示范項(xiàng)目國(guó)電泰州電廠二期3號(hào)機(jī)組順利通過(guò)168 h連續(xù)滿負(fù)荷試運(yùn)行，汽輪機(jī)進(jìn)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(hào)機(jī)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(jī)組由此誕生，其汽輪機(jī)進(jìn)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(zhǔn)同意大唐鄆城630℃超超臨界二次再熱國(guó)家電力示范項(xiàng)目，其汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)為35MPa.a/615℃/630℃/630℃，全廠熱效率高于50%，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)一步提升。

2 一、二次再熱主要系統(tǒng)比較

與一次再熱機(jī)組相比，二次再熱機(jī)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(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)難點(diǎn)。

2.1 熱力系統(tǒng)比較

主蒸汽、再熱蒸汽系統(tǒng)：二次再熱機(jī)組與一次再熱機(jī)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(gè)系統(tǒng)。

回?zé)嵯到y(tǒng)：與一次再熱機(jī)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(jī)組，回?zé)峒?jí)數(shù)一般設(shè)置為10級(jí)，比一次再熱機(jī)組多一級(jí)或兩級(jí)。

外置蒸汽冷卻器：常規(guī)一次再熱設(shè)置一臺(tái)3號(hào)外置蒸汽冷卻器，而對(duì)于二次再熱，再熱后中壓部分的蒸汽過(guò)熱度較高，系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)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(jī)回?zé)岢槠谡衾淦魍瓿蔁峤粨Q后進(jìn)入2號(hào)和4號(hào)高壓加熱器中，通過(guò)外置蒸汽冷卻器提高給水溫度，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)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(jī)組使鍋爐增加了一級(jí)二次再熱的循環(huán)。隨著再熱級(jí)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(jí)再熱汽溫的控制，對(duì)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(diǎn)，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(duì)于其它煙、風(fēng)、制粉系統(tǒng)，二次再熱與一次再熱沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別。

3 二次再熱技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

參數(shù)為31 MPa/600℃/620℃/620℃的1000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組，相對(duì)于蒸汽參數(shù)為26.25 MPa/600℃/600℃的1000 MW一次再熱超超臨界機(jī)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(jī)組設(shè)計(jì)及投產(chǎn)情況看，1000 MW二次再熱機(jī)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(jī)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(jī)組效率的有效措施，但初投資相對(duì)一次再熱增加較高，其經(jīng)濟(jì)性受標(biāo)煤價(jià)、初投資、機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)以及貸款利率等因素制約，因此，有必要對(duì)其影響因素作敏感性分析。

3.1 技術(shù)指標(biāo)及初投資分析

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

表1 技術(shù)指標(biāo)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(lái)的運(yùn)行費(fèi)用變化，運(yùn)行廠用電相對(duì)同容量一次再熱機(jī)組會(huì)略有下降。

3.2 經(jīng)濟(jì)比較分析

經(jīng)濟(jì)性比較采用最小年費(fèi)用法計(jì)算，根據(jù)年費(fèi)用公式：

式中：A為年費(fèi)用；P為初投資；R為年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)；I為貸款利率；n為經(jīng)濟(jì)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(yùn)行維護(hù)費(fèi)R：暫不考慮，取0

機(jī)組降低發(fā)電標(biāo)煤耗：6.8 g/kWh

機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)：5500 h

年節(jié)約標(biāo)煤量：7.48×104t/a

標(biāo)煤價(jià)：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(biāo)煤價(jià)、初投資增加額、機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)及貸款利率的相對(duì)關(guān)系曲線，分別見(jiàn)圖1、2、3和4。

圖1 回收年限與標(biāo)煤價(jià)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(shí)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(biāo)煤價(jià)在750元/t時(shí)，需要13.65年的運(yùn)營(yíng)期，當(dāng)回收期為10年時(shí)，標(biāo)煤價(jià)需要約950元/t，因此，按機(jī)組壽命30年考慮，按照目前市場(chǎng)煤價(jià)(標(biāo)煤價(jià)格740元/t)現(xiàn)狀二次再熱方案在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上有一定的收益。

通過(guò)圖2，初投資增加額在4.3億元時(shí)，回收期為10年，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)情況的調(diào)整以及設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)價(jià)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(huì)逐步縮短。

由圖3，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行利用小時(shí)數(shù)為5500 h時(shí)，回收年限約為13.92年，如果全年機(jī)組運(yùn)行利用小時(shí)數(shù)減少，在其他條件不變情況下，回收年限會(huì)增加，按國(guó)內(nèi)目前機(jī)組運(yùn)行情況分析，利用小時(shí)數(shù)每年呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)，對(duì)投資回收和電廠經(jīng)濟(jì)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(jì)角度考慮，二次再熱機(jī)組適應(yīng)于煤價(jià)高、機(jī)組運(yùn)行利用小時(shí)數(shù)較高地區(qū)。以上分析僅僅作為核心設(shè)備的主、輔機(jī)相關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)增加與所帶來(lái)的收益的比較，全廠的經(jīng)濟(jì)性分析還需要結(jié)合接入系統(tǒng)、社會(huì)效益以及各可變影響因素等全方面的因素來(lái)綜合考慮。

4 二次再熱技術(shù)的環(huán)保效益

二次再熱機(jī)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(huì)效益。結(jié)合鋼鐵生產(chǎn)工序流程二氧化碳排放量，對(duì)CO2排放進(jìn)行定量計(jì)算，分析二次再熱機(jī)組對(duì)全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)。

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(jì)比較中技術(shù)指標(biāo)計(jì)算，二次再熱相比一次再熱，每臺(tái)機(jī)組減少CO2排放量為10.8×105t/a。從主、輔機(jī)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(tái)二次再熱機(jī)組大約多105t。目前，高爐流程為國(guó)內(nèi)生鐵的生產(chǎn)主流工藝，且在短期內(nèi)不會(huì)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(jì)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(jī)組運(yùn)行兩年即可彌補(bǔ)其因用鋼量的增加而在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中多排放的CO2。

因此，從電廠運(yùn)行周期考慮，二次再熱機(jī)組對(duì)二氧化碳減排貢獻(xiàn)巨大，社會(huì)效益顯著。

5 結(jié)論

本文綜述了國(guó)內(nèi)、外二次再熱機(jī)組的發(fā)展現(xiàn)狀，分別從標(biāo)煤價(jià)、初投資、機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)以及貸款利率等制約因素，對(duì)二次再熱機(jī)組經(jīng)濟(jì)性作出了敏感性分析，為國(guó)內(nèi)電力建設(shè)者提供參考。

(1)從技術(shù)指標(biāo)考慮，二次再熱機(jī)組與高效一次再熱相比，具有一定的優(yōu)越性，機(jī)組發(fā)電效率可達(dá)48%，二者發(fā)電煤耗相差約6～7 g/(kWh)，機(jī)組效率達(dá)同類機(jī)組世界領(lǐng)先水平，符合國(guó)家控制一次能源消耗量的產(chǎn)業(yè)政策，可確保機(jī)組投運(yùn)后在電網(wǎng)節(jié)能、經(jīng)濟(jì)調(diào)度中處于優(yōu)勢(shì)購(gòu)電的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)地位。

(2)從初投資及經(jīng)濟(jì)性考慮，二次再熱機(jī)組初投資高，在現(xiàn)今競(jìng)價(jià)中標(biāo)的情況下，主、輔機(jī)價(jià)格的變化對(duì)初投資影響非常大。同時(shí)，電廠經(jīng)濟(jì)效益受標(biāo)煤價(jià)、機(jī)組年運(yùn)行利用小時(shí)數(shù)、貸款利率等因素的影響，因此，判斷電廠的經(jīng)濟(jì)性應(yīng)從各個(gè)方面全面綜合考慮。

(3)從環(huán)保和社會(huì)效益考慮，二次再熱機(jī)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(huì)效益。

(4)從運(yùn)行角度考慮，國(guó)內(nèi)二次再熱機(jī)組屬于起步階段，雖然已有機(jī)組運(yùn)行，但時(shí)間短，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)之一，只有不斷的積累，才能更好的掌控。

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