國外燃煤電廠全壽命周期性能保證曲線的研究

李愛民

中國能源建設(shè)集團 廣東省電力設(shè)計研究院有限公司 廣州 510663

1 研究背景

隨著“一帶一路”倡議的實施,近年來,國內(nèi)企業(yè)走出國門投資建設(shè)電廠的項目逐漸增多。不同國家的電廠項目,開發(fā)建設(shè)流程各不相同,且各個國家會因項目投資方是政府還是私營獨立電力發(fā)展商而存在明顯差異。在項目前期審批及項目購電協(xié)議談判階段,大部分私營獨立電力發(fā)展商的電廠項目需要提供電廠全壽命周期性能保證曲線和數(shù)據(jù)給政府相關(guān)部門,并且將在電廠商業(yè)運營前進(jìn)行初始性能測試,在后期運行時每年初進(jìn)行驗證,作為電價審批和調(diào)度的依據(jù),若不達(dá)標(biāo),則面臨巨額罰款。在項目初期,往往方案設(shè)計還未全面展開,因此如何提出滿足當(dāng)?shù)卣蟮娜珘勖芷谛阅鼙ＷC曲線,既能便于項目電價審批,又可避免日后罰款風(fēng)險,至關(guān)重要。筆者以巴基斯坦瓜達(dá)爾港300 MW燃煤電廠為例,研究國外燃煤電廠全壽命周期性能保證曲線提出過程中的方法和策略,為今后類似問題提供參考。

2 項目概況

項目位于巴基斯坦俾路支省西南部的瓜達(dá)爾港。瓜達(dá)爾港是我國“一帶一路”倡議的重要節(jié)點,是中巴經(jīng)濟走廊的唯一出海口。瓜達(dá)爾港目前的電力供應(yīng)是從伊朗進(jìn)口,總?cè)萘績H為70 MW左右,需供整個梅克蘭地區(qū)使用,瓜達(dá)爾僅能分到約14 MW容量,連城區(qū)的需求都不能完全滿足。另外,瓜達(dá)爾地區(qū)沒有國家電網(wǎng)與外界相連,只有一個相對獨立的局部小電網(wǎng),將瓜達(dá)爾、圖爾伯特、旁吉古爾、帕斯尼連接。結(jié)合瓜達(dá)爾、俾路支省與全國電力負(fù)荷增長預(yù)測,以及前期業(yè)主與當(dāng)?shù)卣臏贤ㄇ闆r,項目在預(yù)可行性研究階段進(jìn)行了多種燃料及裝機方案的比選,最終確定按照300 MW裝機容量的進(jìn)口燃煤電廠方案建設(shè)?；诠╇娍煽啃院头€(wěn)定性要求較高的角度,結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)特點,推薦選用兩臺單機容量150 MW的國產(chǎn)先進(jìn)燃煤發(fā)電機組。根據(jù)電力系統(tǒng)接入報告結(jié)論,電廠出線考慮按照四回132 kV線路分別接入附近132 kV瓜達(dá)爾變電站和132 kV圖爾伯特變電站。

目前,對于容量為150 MW的燃煤發(fā)電機組而言,無論采用超高壓參數(shù)還是亞臨界參數(shù),我國國內(nèi)的主機及配套輔機制造、安裝、調(diào)試技術(shù)都是成熟可靠的。經(jīng)向三大主機廠家初步詢價,如機組由超高壓參數(shù)改為亞臨界參數(shù),則兩臺機組主機部分共增加投資約8 000萬元人民幣,連同其它輔助配套設(shè)備,項目總投資增加約1.3億元人民幣。根據(jù)主機廠家及其它工程參考數(shù)據(jù),由超高壓參數(shù)改為亞臨界參數(shù)后,單位機組熱耗可減少250 kJ/kWh～270 kJ/kWh,發(fā)電標(biāo)煤耗可減少約10.1 g/kWh。經(jīng)過經(jīng)濟性分析,增加的投資部分總投資收益率為5.36%,全投資回收期為11.43 a,與銀行貸款利率5.37%相比,不具有顯著經(jīng)濟效益。加之對應(yīng)容量的亞臨界參數(shù)機組少,后期運行維護備品備件獲取不方便,結(jié)合我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 754—2007《發(fā)電用汽輪機參數(shù)系列》與GB/T 753—2012《電站鍋爐 蒸汽參數(shù)系列》,優(yōu)先推薦采用最新國產(chǎn)改進(jìn)型超高壓參數(shù)機組。

根據(jù)巴基斯坦電監(jiān)局文件DecisionoftheAuthorityRegardingReconsiderationRequestFiledbyGovernmentofPakistanintheMatterofUpfrontTariffforCoalPowerProjects,要求電廠在投入商業(yè)運行性能測試時,全廠凈效率不低于37%,電廠設(shè)計壽命周期為30 a。該效率基準(zhǔn)實際基于毛輸出容量220 MW機組提出,對于毛輸出容量150 MW機組而言,要求還是相當(dāng)高的。

3 項目參數(shù)

基于東方電氣鍋爐有限公司提供的鍋爐性能衰減參考曲線,對上海電氣汽輪發(fā)電機廠和東方電氣汽輪發(fā)電機廠提供的汽輪發(fā)電機性能衰減參考曲線進(jìn)行對比,提出本項目的全壽命周期性能保證曲線。在將曲線提交當(dāng)?shù)卣畷r,還需要根據(jù)主機設(shè)備廠家提供的性能保證曲線進(jìn)行修正。

汽輪機最大連續(xù)輸出工況設(shè)計參考條件見表1,煤質(zhì)設(shè)計參數(shù)見表2。設(shè)計煤種為南非RB3,校核煤種為南非印尼5∶5。

表1 汽輪機最大連續(xù)輸出工況設(shè)計參考條件

表2 煤質(zhì)設(shè)計參數(shù)

4 鍋爐性能衰減曲線

本項目推薦鍋爐型式為超高壓汽包爐,自然循環(huán),單爐膛,露天布置,采用全鋼框架,為固態(tài)排渣。

根據(jù)上述設(shè)計條件,經(jīng)過鍋爐熱平衡計算,東方電氣鍋爐有限公司提供的本項目鍋爐效率衰減曲線如圖1所示,效率預(yù)測見表3。

廠家特別說明,鍋爐效率衰減曲線和預(yù)測數(shù)據(jù)僅供參考,效率以燃煤低位熱值為基準(zhǔn)。30 a壽命周期內(nèi),按照6 a一個大修期,在日常維護較好、大修及小修后機組設(shè)備性能達(dá)到較高恢復(fù)水平的前提下,對鍋爐效率進(jìn)行如表3所示預(yù)測。運行一段時間后,煤質(zhì)變化帶來爐膛結(jié)渣,吹灰不及時會降低鍋爐受熱面的換熱效果,磨煤機長運行時間后煤粉細(xì)度提高,空預(yù)器漏風(fēng)率提高,其它原因引起排煙溫度升高,這些都會降低鍋爐的效率。此外,日常維護和大修、小修的質(zhì)量,對鍋爐性能的影響也較大?？紤]諸多因素的影響,按照6 a一個大修期,在日常維護較好,大修及小修后機組設(shè)備性能達(dá)到較高恢復(fù)水平的前提下,預(yù)測得到如圖1所示鍋爐效率曲線。

圖1 鍋爐效率衰減曲線

表3 鍋爐效率預(yù)測

5 汽輪機性能衰減曲線

本項目采用150 MW超高壓、一次中間再熱、單軸、雙缸單排汽、反動凝汽式汽輪機,回?zé)峒墧?shù)為8級。

根據(jù)上海電氣汽輪發(fā)電機廠和東方電氣汽輪發(fā)電機廠提供的性能參考曲線進(jìn)行整理。兩家廠家均具有豐富的國內(nèi)外電廠項目經(jīng)驗,能夠代表國內(nèi)電力設(shè)備的先進(jìn)制造水平。

上海電氣汽輪發(fā)電機廠提供的本項目汽輪機性能衰減曲線如圖2所示,該廠生產(chǎn)的汽輪機組一個大修周期為12 a,機組可靠性較高。

圖2 上海電氣汽輪發(fā)電機廠汽輪機性能衰減曲線

根據(jù)圖2,整理得到30 a內(nèi)汽輪機機組的熱耗修正因數(shù),見表4。

東方電氣汽輪發(fā)電機廠提供的本項目汽輪機性能衰減曲線如圖3所示,該廠生產(chǎn)的汽輪機組一個大修周期為6 a。

表4 上海電氣汽輪發(fā)電機廠汽輪機熱耗修正因數(shù)

圖3 東方電氣汽輪發(fā)電機廠汽輪機性能衰減曲線

根據(jù)圖3,整理得到30 a內(nèi)汽輪機機組的熱耗修正因數(shù),見表5。

發(fā)電機效率按照98.5%考慮,上述兩家廠家均認(rèn)為30 a內(nèi)發(fā)電機發(fā)生性能衰減可不考慮,即在30 a內(nèi),發(fā)電機在額定功率150 MW、功率因數(shù)0.85下,效率為98.5%。

6 廠用電耗率

廠用電耗率通常只計算經(jīng)常連續(xù)運行的負(fù)荷,全廠性的公用負(fù)荷按機組容量比例分?jǐn)傊粮鳈C組。DL/T 5153—2014《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)程》推薦兩種不同的廠用電負(fù)荷計算方法,即換算因數(shù)法和軸功率法[1]。在項目前期,針對高壓負(fù)荷一般采用軸功率法,針對低壓負(fù)荷一般采用換算因數(shù)法。對廠用電進(jìn)行優(yōu)化,主要在于對高壓電動機軸功率的計算。常用高壓電動機包括電動給水泵、一次風(fēng)機、送風(fēng)機、引風(fēng)機、磨煤機、循環(huán)水泵等,這些高壓電動機在電廠廠用電占比高達(dá)90%,因此需重點關(guān)注。同時需要確定項目的考核工況點,因為不同的工況下軸功率不同。常規(guī)情況下,考核工況點為100%最大連續(xù)工況點[2-4]。

表5 東方電氣汽輪發(fā)電機廠汽輪機熱耗修正因數(shù)

由于各項目的廠用電耗率指標(biāo)有所不同,因此需要根據(jù)實際情況合理優(yōu)化廠用電耗,適當(dāng)考慮裕量。本項目實際統(tǒng)計廠用電耗率略低于9%,為避免購電協(xié)議性能罰款風(fēng)險,建議按照巴基斯坦電監(jiān)局規(guī)定的限值9%執(zhí)行。

7 發(fā)電廠全壽命周期性能

目前,由于對進(jìn)入鍋爐的燃煤量進(jìn)行測量的技術(shù)不過關(guān),采用正平衡法計算發(fā)電煤耗和電廠效率尚不能保證準(zhǔn)確性,因此往往采用反平衡法計算發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗和電廠效率。對于非供熱機組,電廠效率主要通過汽輪機組發(fā)電熱效率、鍋爐熱效率和管道效率三部分反平衡法進(jìn)行計算[5-7]。

ηcp=ηbηgηp

(1)

式中:ηcp為電廠效率;ηb為鍋爐熱效率;ηg為汽輪機組發(fā)電熱效率;ηp為管道效率。

ηg=3 600/HR

(2)

式中:HR為汽輪機組熱耗,kJ/kWh。

通常,汽輪機組熱耗由廠家考慮發(fā)電機效率后經(jīng)過汽輪機熱平衡計算提供。

ηcp(net)=ηcp(1-ηaux)

(3)

式中:ηcp(net)為電廠全廠凈效率;ηaux為廠用電耗率。

廠用電耗率通常為廠用電耗總和與裝機容量的比值。

根據(jù)主機招標(biāo)階段廠家提供的性能保證數(shù)據(jù),在設(shè)計背壓為7.4 kPa,汽輪機100%額定輸出工況下,上海電氣汽輪發(fā)電機廠提供的汽輪機熱耗值為7 994.4 kJ/kWh,東方電氣汽輪發(fā)電機廠提供的汽輪機熱耗值為8 019.0 kJ/kWh,假設(shè)投入商業(yè)運行測試時汽輪機性能可以達(dá)到主機招標(biāo)階段廠家承諾提供的熱耗數(shù)據(jù),筆者根據(jù)以上廠家數(shù)據(jù)整理發(fā)電廠全壽命周期性能計算值,見表6。其中,廠用電耗率按照政府規(guī)定的限值9%執(zhí)行,管道效率按98.5%計入[8]。

根據(jù)表6繪制本項目30 a全壽命周期全廠凈效率性能計算值衰減曲線,如圖4所示。

圖4 全壽命周期全廠凈效率性能計算值衰減曲線

由圖4可以看出,兩家廠家的全壽命周期全廠凈效率性能衰減曲線非常接近,且趨勢一致。由于性能試驗具有經(jīng)濟和技術(shù)利益的雙重價值[9],為避免購電協(xié)議性能罰款,建議投資方在與巴基斯坦電監(jiān)局及中央電力采購局談判過程中,基于大修周期較長的上海電氣汽輪發(fā)電機廠熱效率計算數(shù)據(jù),同時考慮其它設(shè)備性能差異及檢修維護水平等不確定因素,計算凈效率按0.5%折減預(yù)留裕量。建議提供的全壽命周期全廠凈效率性能保證曲線如圖5所示。

圖5 全壽命周期全廠凈效率性能保證曲線

8 結(jié)束語

電廠項目是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,全廠的性能衰減曲線與設(shè)備的性能衰減曲線密切相關(guān)。各個設(shè)備的性能又與產(chǎn)品質(zhì)量、安裝水平、電廠運行工況、運行維護人員操作水平、檢修維護頻率、備品備件質(zhì)量及更換頻率等密切相關(guān),因此,筆者在本文中所提供的全壽命周期性能保證曲線僅供參考。由于海外項目性能試驗一般基于美國機械工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,最終的性能保證曲線需在定標(biāo)廠家進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計后再基于資料計算[10-1]。

筆者以巴基斯坦瓜達(dá)爾港300 MW燃煤電廠為例,對影響電廠凈效率考核的三個關(guān)鍵指標(biāo)——鍋爐效率、汽輪機熱耗、廠用電耗率進(jìn)行重點分析,研究國外燃煤電廠全壽命周期性能保證曲線提出過程中的方法和策略,既能保證所提供的性能保證曲線合理可靠,又能有效規(guī)避購電協(xié)議性能罰款風(fēng)險,對今后處理類似問題具有參考價值。

表6 發(fā)電廠全壽命周期性能計算值