小容量高參數(shù)燃煤熱電聯(lián)供機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性探討

王志峰，閻維平

(華北電力大學(xué)(保定) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

在“上大壓小”方針的影響下，目前火力發(fā)電工業(yè)正向著超臨界、超超臨界蒸汽參數(shù)、更大單機(jī)容量機(jī)組發(fā)展。提高蒸汽初參數(shù)可以提高火力發(fā)電機(jī)組的熱效率，并且由文獻(xiàn)[1]可知，提高溫度比提高壓力對效率的貢獻(xiàn)更大。然而，近年來全國發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)持續(xù)下降，大容量機(jī)組不能滿負(fù)荷運(yùn)行，其發(fā)電效率必然降低，其熱經(jīng)濟(jì)性會受到很大影響[2-3]。

在許多分散的小型燃煤鍋爐被逐漸淘汰之后，造成了供熱量不足與供電量過剩之間的矛盾[4]。尤其是對于縣級城市的供熱，由文獻(xiàn)[5]可知供熱面積為250萬m2時技術(shù)經(jīng)濟(jì)半徑為4～6 km，若使用百萬兆瓦級別的大機(jī)組集中供熱，由于供熱半徑將達(dá)到12 km，會造成很大的散熱損失，供熱管道的鋪設(shè)成本也會很高。

為緩解以上問題，提出了用小容量高蒸汽參數(shù)機(jī)組供熱的構(gòu)想，突破小容量機(jī)組與低蒸汽參數(shù)匹配的傳統(tǒng)概念,并充分利用目前廣泛應(yīng)用的600℃等級耐高溫金屬。小容量高蒸汽參數(shù)機(jī)組無再熱，采暖期采用熱電聯(lián)供，供熱半徑小，供熱管道散熱損失少、投資少，并且可滿負(fù)荷運(yùn)行。非采暖期純凝發(fā)電運(yùn)行，機(jī)組年利用小時數(shù)高。

閻維平[6]等研究了主汽溫度達(dá)到700℃時，設(shè)計亞臨界、無再熱發(fā)電機(jī)組的可行性及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，認(rèn)為在全面考慮各種經(jīng)濟(jì)因素的情況下，同等容量的亞臨界無再熱機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于超超臨界一次再熱機(jī)組。另外，我國現(xiàn)役綜合參數(shù)最高機(jī)組為華能安源電廠的32.45 MPa/605℃/623℃/623℃超超臨界二次再熱機(jī)組，再熱汽溫已經(jīng)可以達(dá)到623℃。劉堃[7]以600 MW亞臨界鍋爐為研究對象，對提高蒸汽參數(shù)后為配合汽輪機(jī)通流及參數(shù)變更進(jìn)行的鍋爐本體適配性改造進(jìn)行了研究。劉太德[8]分析了主蒸汽參數(shù)對汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電能力的影響，通過提高鍋爐主蒸汽參數(shù)提高了汽輪發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量。張培基[9]研究了中小容量背壓機(jī)組升為次高壓參數(shù)的可行性。

根據(jù)熱力學(xué)焓熵圖，結(jié)合汽輪機(jī)高壓級葉片高度的合理性和末級排汽濕度的要求，將蒸汽參數(shù)選為625℃，12 MPa。由于壓力遠(yuǎn)低于超超臨界機(jī)組，因此，高溫受熱管壁厚僅約為超超臨界機(jī)組的1/2，高溫受熱面金屬重量相應(yīng)減少，最高壁溫也有所降低。目前對于小容量機(jī)組提高蒸汽參數(shù)以及其經(jīng)濟(jì)性的研究還未見文獻(xiàn)報道，分析其經(jīng)濟(jì)性可以為日后此類工程項目的開展提供切實可行的理論依據(jù)。

1 小容量高蒸汽參數(shù)汽輪機(jī)組與鍋爐基本參數(shù)概念設(shè)計分析

小容量高蒸汽參數(shù)機(jī)組(以下稱高參數(shù)機(jī)組)采用高中壓合缸的形式。機(jī)組設(shè)8段回?zé)岢槠捎靡粋€混合式加熱器作為除氧器和七臺表面式加熱器，其中，低壓加熱器四臺，高壓加熱器三臺。機(jī)組的原則性熱力系統(tǒng)圖如圖1所示。同時考慮最優(yōu)的汽輪機(jī)側(cè)循環(huán)熱效率和鍋爐效率，給水溫度確定為270℃。比照同樣配備220t/h鍋爐的現(xiàn)役50 MW(8.82 MPa/535℃)機(jī)組，選取高參數(shù)機(jī)組的基本參數(shù)。兩機(jī)組設(shè)計基本參數(shù)如表1所示[10]。其中高參數(shù)機(jī)組給水泵壓力高，但因燃煤量略少，產(chǎn)生的煙氣量少，送、引風(fēng)機(jī)耗電量少，因此和現(xiàn)役50 MW機(jī)組相比，廠用電略高，估取為6.5%。

提高主蒸汽參數(shù)后，汽輪機(jī)進(jìn)口葉柵高度以及末級排汽濕度是否合理是汽輪機(jī)制造的兩個限制因素。參照現(xiàn)役50 MW機(jī)組的相關(guān)數(shù)據(jù)判斷高參數(shù)機(jī)組在技術(shù)上是否可行。

查得高參數(shù)機(jī)組主蒸汽熵值，結(jié)合兩機(jī)組熵增量，由排汽熵值及排汽壓力查焓熵圖可得排汽濕度為10.4%，滿足8%～12%的范圍[11]。由表1可知，和現(xiàn)役50 MW機(jī)組相比，汽輪機(jī)進(jìn)汽體積流量不變，因此葉柵高度相同；葉輪摩擦損失僅增加了0.1 kJ/kg。參考相關(guān)資料[10]，預(yù)計比現(xiàn)役50 MW機(jī)組高壓級增加兩級，低壓級增加一級。由此初步確定了汽輪機(jī)的設(shè)計可行性。

圖1 小容量高蒸汽參數(shù)機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)圖

表1高參數(shù)機(jī)組與現(xiàn)役50 MW機(jī)組設(shè)計基本參數(shù)

項目高參數(shù)機(jī)組50 MW機(jī)組鍋爐額定蒸發(fā)量/t·h-1220220主蒸汽壓力/MPa128.82主蒸汽溫度/℃625535給水溫度/℃270217除氧器壓力/MPa0.760.588給水泵壓力/MPa17.9613.73凝結(jié)水泵出口壓力/MPa1.731.33凝汽器壓力/kPa4.64.6鍋爐效率/[%] 93.293.2機(jī)械效率/[%] 9998發(fā)電機(jī)效率/[%] 9998管道效率/[%] 9998廠用電率/[%]6.56汽輪機(jī)進(jìn)汽量/t·h-1220220進(jìn)汽體積流量/m3·s-122葉輪摩擦損失/kJ·kg-12.82.7計算燃料消耗量/kg·h-126 08926 765發(fā)電功率/MW6750

如表1所示，與現(xiàn)役50 MW機(jī)組相比，高參數(shù)機(jī)組主汽溫度升高，給水溫度也升高，最終使高參數(shù)機(jī)組的燃煤量減少2.5%，鍋爐效率不變。如圖2所示，在整個工質(zhì)吸熱過程中，與50 MW機(jī)組相比，高參數(shù)機(jī)組的過熱吸熱份額增加，約增加11%；加熱吸熱份額減少6%，蒸發(fā)吸熱份額減少5%。綜上可知，鍋爐側(cè)的制造也是可行的，并且不用再熱器，增加成本不會過高。提高蒸汽參數(shù)后，鍋爐額定蒸發(fā)量均為220 t/h的情況下，機(jī)組滿負(fù)荷的發(fā)電功率為67 MW，增加了17 MW。

圖2 蒸汽參數(shù)變化前后的理想朗肯循環(huán)

2 小容量高蒸汽參數(shù)純凝機(jī)組熱指標(biāo)計算及對比

基于等效焓降法計算模型[12]并采用Thermoflow對熱力系統(tǒng)進(jìn)行模擬，計算主蒸汽參數(shù)為12 MPa/625℃的67 MW凝汽式機(jī)組的熱耗率、循環(huán)熱效率、電廠凈效率、煤耗率，并與現(xiàn)役50 MW機(jī)組(8.82 MPa/535℃)、亞臨界600 MW機(jī)組(16.7 MPa/538℃/538℃)、超超臨界1 000 MW機(jī)組(25 MPa/600℃/600℃)進(jìn)行比較。

首先計算新蒸汽的等效焓降，忽略各個加熱器熱阻，按等溫升原則確定各個加熱器出口水溫；在得到抽汽壓力之后，利用等壓線與汽輪機(jī)理想過程線相交來確定抽汽焓值。根據(jù)等效焓降法計算得到各段抽汽以及新蒸汽的等效焓降。如表2所示。

表2各段抽汽的等效焓降

加熱器H1H2H3H4H5H6H7H8Hm等效焓降/kJ·kg-11 044.1939.3783.4689.5596.6516.1480.2305.31 186.88

此處Hm為毛等效焓降，需減去給水泵損失、門桿損失以及軸封漏氣損失，計算可得到總損失為20 kJ/kg，則實際等效焓降為1 166.88 kJ/kg；給水吸熱量為2 486.074 kJ/kg，則高參數(shù)機(jī)組實際循環(huán)熱效率為二者之比，結(jié)果為46.9%。使用Thermoflow軟件包對熱力系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，可得其他熱指標(biāo)，如表3所示[13-14]。

由表3可知，小容量高參數(shù)機(jī)組純凝運(yùn)行時供電煤耗為309 g/kW·h，滿足現(xiàn)役燃煤機(jī)組供電煤耗低于310 g/kW·h的要求，比現(xiàn)役50 MW機(jī)組低63 g/kW·h。循環(huán)熱效率、電廠凈效率分別比50 MW機(jī)組高6.9%，6.6%，熱耗率比50 MW機(jī)組降低了約16%。可知，和同等容量水平的現(xiàn)役50 MW機(jī)組相比，主蒸汽參數(shù)的提高使得機(jī)組的純凝發(fā)電熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均有了較大幅度的改善。高參數(shù)機(jī)組的壓力比600 MW機(jī)組低約5 MPa，溫度高了將近90℃，根據(jù)表3結(jié)果，高參數(shù)機(jī)組的熱耗率比600 MW機(jī)組高12 kJ/kW·h，電廠凈效率僅比600 MW機(jī)組低0.6%，供電煤耗高4 g/kW·h，純凝發(fā)電指標(biāo)達(dá)到了600 MW機(jī)組的水平。高參數(shù)機(jī)組溫度比1 000 MW機(jī)組高了25℃，但壓力僅約為其壓力的1/2，因此各項指標(biāo)與100%負(fù)荷的1 000 MW機(jī)組相比相差較大，但是當(dāng)1 000 MW機(jī)組負(fù)荷低至50%時，熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均在高參數(shù)機(jī)組之下。

表3純凝發(fā)電熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

項目現(xiàn)役50 MW高參數(shù)機(jī)組600 MW1 000 MW(100%負(fù)荷)1 000 MW(50%負(fù)荷)熱耗率/kJ·kW-1·h-19 3417 8327 8207 3827 900循環(huán)熱效率/[%] 4046.9475046.5電廠凈效率/[%] 33.139.740.343.439.5供電標(biāo)煤耗率/g·kW-1·h-1372309305283311發(fā)電標(biāo)煤耗率/g·kW-1·h-1349289291271297

3 小容量高蒸汽參數(shù)機(jī)組供熱的分析

3.1 小容量高蒸汽參數(shù)機(jī)組供熱指標(biāo)的計算

由于機(jī)組容量小，在采暖期可使用背壓機(jī)組，實行熱電聯(lián)供，可提高熱利用率，使熱電廠熱經(jīng)濟(jì)性大為提高，節(jié)約能源[15]。以華北某縣城為例，探討采用主蒸汽參數(shù)為12 MPa，625℃的小容量背壓機(jī)組近距離供熱和采用超超臨界1 000 MW凝汽式機(jī)組遠(yuǎn)距離供熱的經(jīng)濟(jì)性。

該縣城供熱面積為250萬m2，據(jù)該地區(qū)氣象條件：采暖期室外計算溫度-9℃，采暖期平均溫度-1.2℃，采暖期為122天，選取綜合采暖熱指標(biāo)為45 W/m2。一次網(wǎng)設(shè)計供回水溫度為120℃/70℃，二次網(wǎng)設(shè)計供回水溫度為95℃/65℃[16-18]。熱網(wǎng)效率取95%?；赥hermoflow模型得到小容量高蒸汽參數(shù)背壓機(jī)組供熱的指標(biāo)，可得其供熱熱效率為87%，供熱標(biāo)煤耗率為39.208 kg/GJ。

3.2 小容量高蒸汽參數(shù)機(jī)組與超超臨界1 000 MW機(jī)組供熱的經(jīng)濟(jì)性比較

小容量機(jī)組供熱，供熱半徑為4 km，管道鋪設(shè)長度10 km。而1 000 MW機(jī)組供熱的供熱半徑為12 km，管道鋪設(shè)長度25 km。熱水在管道中單位長度的溫降為0.75℃/km[17]。根據(jù)一次網(wǎng)循環(huán)水流量及比摩阻取值范圍，確定比摩阻為125 Pa/m[19]。管道的鋪設(shè)費(fèi)用為250萬元/km(其中包括材料費(fèi)，人工費(fèi)，安裝費(fèi)等)。循環(huán)水泵輸出功率按下式計算[20]

(1)

式中G——循環(huán)水流量/t·h-1；

ΔP——循環(huán)水泵揚(yáng)程/MPa；

η——循環(huán)水泵效率。

比較兩機(jī)組供熱的經(jīng)濟(jì)性，如表4所示。

表4小容量高參數(shù)機(jī)組與1 000 MW機(jī)組供熱經(jīng)濟(jì)性比較(250萬m2)

項目高參數(shù)機(jī)組1 000 MW機(jī)組發(fā)電功率/MW401 000年供熱天數(shù)/天122122標(biāo)煤價格/元·t-1700700年供熱量/GJ·年-11 185 8401 185 840供熱標(biāo)煤耗率/kg·GJ-139.20837.351年供熱標(biāo)煤耗/t·年-146 49444 292管道散熱損失折算標(biāo)煤耗/t·年-16 06915 173供熱標(biāo)煤年總成本/萬元3 6794 162一次網(wǎng)循環(huán)水量/t·h-11 9351 935循環(huán)水泵揚(yáng)程/MPa1.253.125循環(huán)水泵效率/[%]0.60.6循環(huán)水泵輸出功率/kW1 1202 799供熱管道投資成本/萬元2 5006 250

由表4可知，對250萬m2供熱面積的縣城供熱來說，小容量高蒸汽參數(shù)機(jī)組的供熱標(biāo)煤耗率比1 000 MW機(jī)組僅高1.857 kg/GJ，但由于供熱距離短，管道散熱損失折算的標(biāo)煤耗比1 000 MW機(jī)組每年少9 104 t。綜合來看，小容量高參數(shù)機(jī)組的供熱標(biāo)煤年成本比1 000 MW機(jī)組每年節(jié)約483萬元。1 000 MW機(jī)組的循環(huán)水泵輸出功率為小容量機(jī)組的2.5倍，供熱管道的投資成本為小容量機(jī)組的2.5倍。

4 結(jié)論

本文計算了將現(xiàn)役50 MW燃煤機(jī)組的主蒸汽參數(shù)提高到12 MPa，625℃的可行性及純凝發(fā)電與熱電聯(lián)產(chǎn)的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并進(jìn)行了對比分析。結(jié)論如下：

(1)綜合汽輪機(jī)和鍋爐的概念設(shè)計可知，設(shè)計和制造在12 MPa，625℃的主蒸汽參數(shù)下運(yùn)行的小容量機(jī)組是可行的，并且成本不會過高。

(2)小容量高參數(shù)機(jī)組純凝運(yùn)行的供電煤耗率為309 g/kW·h，比現(xiàn)役50 MW機(jī)組低63 g/kW·h，熱耗率低16%，電廠凈效率高6.6%；與亞臨界600 MW機(jī)組相比，高參數(shù)機(jī)組供電煤耗率高4 g/kW·h，熱耗率高12 kJ/kW·h，電廠凈效率低0.6%；與50%負(fù)荷的超超臨界1 000 MW機(jī)組相比，高參數(shù)機(jī)組熱耗率低68 g/kW·h，電廠凈效率高0.2%，供電煤耗率低2 g/kW·h。

(3)全面考慮供熱標(biāo)煤耗，供熱管道的散熱損失，管道鋪設(shè)成本，循環(huán)水泵功率等因素，就縣鎮(zhèn)級城市的供熱來說，使用小容量高蒸汽參數(shù)背壓機(jī)組供熱，供熱標(biāo)煤耗率比1 000 MW機(jī)組高5%，但供熱標(biāo)煤年成本是1 000 MW機(jī)組的88%，循環(huán)水泵輸出功率是1 000 MW機(jī)組的40%，供熱管道投資成本是1 000 MW機(jī)組的40%。使用小容量高蒸汽參數(shù)機(jī)組供熱的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于1 000 MW機(jī)組。