清潔煤電高效節(jié)能改造技術(shù)路線研究

(華電電力科學(xué)研究院，杭州 西湖 310030)

0 引 言

近年來，社會經(jīng)濟增長放緩，用電需求受其影響增速較之前趨于緩和，整體供應(yīng)形勢寬松。2016年，國家發(fā)改委、能源局發(fā)布《關(guān)于促進我國煤電有序發(fā)展的通知》(發(fā)改能源[2016]565號)，此后一系列文件密集出臺，對煤電發(fā)展提出新的政策要求。2017年7月，國家發(fā)改委、國家能源局等16部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、防范化解煤電產(chǎn)能過剩風(fēng)險的意見》，有力促進煤電清潔高效發(fā)展。

現(xiàn)有機組高效節(jié)能改造技術(shù)路線主要有通流改造、雙轉(zhuǎn)子高背壓供熱改造、光軸改造、工業(yè)抽汽改造等。

1 通流升級改造

以2臺60萬kW超臨界機組為例，實施高中壓通流改造的工程靜態(tài)總投資約4 200萬元，實施高中低壓三缸通流改造的工程靜態(tài)總投資約9 500萬元。關(guān)于改造后機組發(fā)電煤耗的收益，與機組當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，僅以某電廠1號機組改造為例，高中壓通流改造可降低發(fā)電標煤耗5 g/kWh,高中低壓三缸通流改造可降低發(fā)電標電標煤耗8 g/kWh。

1 雙轉(zhuǎn)子高背壓供熱改造

目前30萬等級采暖型機組采用中壓缸排汽進行供熱，由于受到低壓缸最小冷卻流量的限制，大約100 t/h左右的低壓缸排汽的汽化潛熱將被循環(huán)水帶走，不能得到利用。為了進一步增大機組供熱能力，同時又能進一步提高電廠的經(jīng)濟效益，可將機組改為雙背壓雙轉(zhuǎn)子互換循環(huán)水供熱方式。具體方案如下：

首先把凝汽器的壓力提高，充分利用機組的冷源損失，把循環(huán)水變成熱網(wǎng)循環(huán)水，把背壓提高到45 kPa,熱網(wǎng)循環(huán)水首先經(jīng)過循環(huán)水換熱器加熱至80 ℃，再通過機組抽汽的尖峰加熱器進行二次加熱提升到更高的溫度。熱網(wǎng)循環(huán)水在熱網(wǎng)首站充分換熱后，冷卻水再回到凝汽器吸熱，形成一個完整的熱力循環(huán)。這種方式不僅最大限度地降低了汽輪機冷端損失，而且增大了供熱能力，具有很高的經(jīng)濟性。

供熱改造系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1

華電石家莊裕華熱電廠2#機組已完成雙轉(zhuǎn)子高背壓供熱改在，2#機組改造后，1#、2#機組共可滿足1 672萬m2最冷工況的供熱需求，相當(dāng)于增加供熱面積(新達到的供熱面積-原有的實際供熱面積)1 672-1 306=366萬m2。

單臺機組雙轉(zhuǎn)子高背壓供熱改造的工程靜態(tài)總投資9 200萬元，年節(jié)煤量約6萬t，減少二氧化硫排放1 300 t，減少二氧化碳13.685萬t。改造適用于東北、華北、西北地區(qū)承擔(dān)大中型城市主力熱源的熱電廠。

2 光軸供熱改造

除了雙轉(zhuǎn)子高背壓供熱改造，汽輪機低壓缸光軸供熱改造同樣可在不增加機組容量的前提下提高機組供熱能力，減少冷源損失，達到節(jié)能減排的效果。改造基本原理為：汽輪機增加新的光軸型式低壓轉(zhuǎn)子，非采暖期使用原轉(zhuǎn)子純凝運行，采暖期將低壓轉(zhuǎn)子更換成光軸，背壓供汽，按照以熱定電方式運行。原汽輪機高壓缸、發(fā)電機及其本體輔助設(shè)備不變。汽輪發(fā)電機組進行背壓(光軸)改造。背壓機具有熱耗低、供熱效率高、無冷源損失、熱力系統(tǒng)簡單、節(jié)水、節(jié)電等特點。

改造詳細方案如下：

(1) 汽輪機本體改造方案

新增低壓光軸轉(zhuǎn)子，改造聯(lián)通管，聯(lián)通管整體改造、采用堵板結(jié)構(gòu)，選用帶機械限位的全關(guān)蝶閥加小旁路方案。原有汽輪機中壓缸排汽直接從聯(lián)通管抽出去供熱。低壓光軸轉(zhuǎn)子連接中壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機，傳接扭矩，保證運行。在實際運行過程中，低壓缸內(nèi)蒸汽與光軸摩擦?xí)a(chǎn)生鼓風(fēng)發(fā)熱現(xiàn)象，影響機組安全運行，必須通以10～15 t/h的蒸汽作為冷卻汽源，帶走鼓風(fēng)發(fā)熱。此時進入凝汽器的蒸汽大大減少，需開啟凝汽器再循環(huán)門，正常運行真空泵，保證凝汽器真空維持在5～10 kPa。

汽輪機光軸改造中，需要注意以下幾個問題：①低壓轉(zhuǎn)子更換成光軸，光軸轉(zhuǎn)子的重量及轉(zhuǎn)動慣量和原轉(zhuǎn)子盡可能相同或相近，以保證臨界轉(zhuǎn)速盡可能不發(fā)生變化，軸承也能不必更換。②更換時，低壓的隔板、導(dǎo)葉也需要一并拆除。

(2)熱力系統(tǒng)改造方案

熱力系統(tǒng)改造主要涉及凝結(jié)水系統(tǒng)和熱網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)備、管道。

兩臺35萬kW機組實施光軸改造的工程靜態(tài)投資約6 900萬元，改造后多供熱約352萬GJ，發(fā)電煤耗率降低約19 g/kwh，年發(fā)電節(jié)煤量約16萬t，減少污染物CO2排放量約42萬t、SO2排放量約1 400 t、NOX排放量約1 200 t。本改造適用于東北、華北、西北地區(qū)承擔(dān)大中型城市主力熱源的熱電廠。

3 工業(yè)抽汽改造

目前國內(nèi)很多機組實施了工業(yè)抽汽改造，以適應(yīng)國家政策需要，達到節(jié)能減排的目的。

工業(yè)抽汽改造通常有回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽和再熱系統(tǒng)抽汽兩種方案，具體根據(jù)抽汽的壓力、溫度、流量進行選擇。

理論上各級回?zé)岢槠某槠坑幸韵孪拗疲?/p>

①汽缸上回?zé)岢槠涌诔叽缬邢拗埔?，抽汽量過大會使汽流流速增大，從而引起回?zé)岢槠涌谡駝?，嚴重影響機組安全運行。一般而言，一段抽汽的最大允許抽汽量為20 t/h，三段、四抽汽的最大允許抽汽量為50 t/h。

除此之外，從四段抽汽管道抽工業(yè)抽汽時，還應(yīng)當(dāng)考慮最大廠用汽工況時對工業(yè)抽汽的影響。

②由于六段及其以后的回?zé)岢槠羝麉?shù)較低，難以滿足工業(yè)抽汽用戶側(cè)的需求，這里就不再討論其抽汽限制值。

③為了保證工業(yè)用汽的品質(zhì)，除了考慮管道壓力損失和溫度損失的影響因素，一般都要求抽汽壓力要高于需求壓力0.3～0.5 MPa，經(jīng)過減壓設(shè)備之后再進行工業(yè)使用，蒸汽熱能損失較大。

④除上述抽汽量的限制之外，汽輪機回?zé)岢槠艿篱_孔抽汽還需考慮抽汽品質(zhì)參數(shù)與機組負荷之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)汽輪機在較低負荷運行的時候，回?zé)岢槠麉?shù)會相應(yīng)降低，此時會出現(xiàn)不能滿足工業(yè)熱用戶用汽要求的可能，需要考慮可靠的備用汽源。

某電廠對四臺300 MW級亞臨界機組實施了再熱熱段抽汽改造，方案如下：

每臺機組的工業(yè)抽汽經(jīng)再熱熱段引出后，經(jīng)過電動隔離閥，減溫減壓器，止回閥、快關(guān)閥后合并為一根母管，并根據(jù)管道布置情況在合適的位置安裝流量測量孔板后對外供熱(*為防止減溫減壓器后管道減溫不均勻影響管道安全，減溫減壓器后管段應(yīng)考慮P22過渡段)。減溫減壓器后的蒸汽參數(shù)設(shè)定為2.4 MPa，395 ℃。供熱系統(tǒng)如圖2所示。

圖2

4臺機組實施工業(yè)抽汽改造的項目總投資約12 00萬，改造后，4臺機組總對外抽汽能力300 t/h，年供熱量691.2萬GJ，與熱電分產(chǎn)相比，4臺機組年供熱節(jié)約標煤耗13.8萬t，年發(fā)電節(jié)約標煤耗4.4萬t，年減少煙塵排放量10 425 t，年減少二氧化硫排放量5 887 t，年減少氮氧化物排放量860 t，年減少二氧化碳排放量38萬t。本改造適用于有工業(yè)熱負荷需求地區(qū)的純凝機組，或采暖熱負荷相對較小、同時帶有工業(yè)熱負荷需求地區(qū)的抽凝機組。

4 結(jié)束語

我國煤炭在能源消費結(jié)構(gòu)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。華電集團煤電裝機占火電裝機容量的88.2%，占總發(fā)電裝機容量的62.7%，因此煤電仍為主力。

在政策層面，集團應(yīng)關(guān)注各省地方政策，關(guān)注熱負荷迫切的地區(qū)，并參與煤電基地建設(shè)。

國家發(fā)改委、國家能源局和國家環(huán)保部三部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于印發(fā)煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)的通知》(發(fā)改能源〔2014〕2093號)中明確提出了新建和改造機組的平均供電煤耗標準。從現(xiàn)有煤電裝機構(gòu)成及運行綜合煤耗來看，與國家要求具有一定的差距，需要加快實施節(jié)能改造。