高溫超高壓一次再熱機(jī)組在小型燃煤電站中的應(yīng)用研究

馮帥，翟英強(qiáng)，王彩霞

在電力市場(chǎng)中，對(duì)于50MW以下級(jí)別的小型燃煤電站，目前普遍采用高溫高壓的機(jī)組參數(shù)，而對(duì)于50MW以上級(jí)別的燃煤電站、50MW以下級(jí)別的生物質(zhì)電站以及鋼廠煤氣電站，主要采用的是超高壓一次再熱參數(shù)。其主要原因是，對(duì)于50MW以下級(jí)別的燃煤電站，其鍋爐單位燃料的煙氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于生物質(zhì)電站與煤氣電站，給爐膛后端尾部煙道內(nèi)的過(guò)熱器和再熱器布置以及熱平衡帶來(lái)巨大的困難，無(wú)法穩(wěn)定控制再熱器出口的蒸汽溫度。本文以國(guó)內(nèi)某總承包企業(yè)在巴基斯坦某水泥工廠配套建設(shè)的30MW 高溫超高壓一次再熱燃煤自備電站為例，對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行介紹和分析。

1 熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)介

根據(jù)熱力學(xué)原理，提高電站整體效率有四種主要途徑，分別為：提高系統(tǒng)初參數(shù)，降低系統(tǒng)排汽背壓，采用回?zé)岱绞剑捎迷贌岱绞健?/p>

目前燃煤電站已普遍設(shè)置了高壓、低壓加熱器等回?zé)嵩O(shè)施，對(duì)于660MW以上的大機(jī)組，普遍采用“超超臨界+兩級(jí)再熱”的方式，電站整體效率接近45%。

對(duì)于50MW以下級(jí)別的燃煤電站，目前普遍采用高溫高壓熱力參數(shù)，配置高壓、低壓加熱器等回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)。為進(jìn)一步提高電站的整體熱力效率，降低項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期間的燃煤消耗，降低運(yùn)營(yíng)成本，在巴基斯坦某水泥廠配套建設(shè)的30MW燃煤電站中，首次提出使用13.7MPa-540℃的高溫超高壓參數(shù)以及使用一次再熱方式。

由于本項(xiàng)目所在地水資源匱乏，采用了直接空冷冷凝系統(tǒng)。

電站系統(tǒng)工作流程為：燃煤電站原煤來(lái)自于原煤堆場(chǎng)并設(shè)置電站的原煤預(yù)處理設(shè)施，經(jīng)預(yù)處理后的燃煤進(jìn)入中速磨煤機(jī)，磨煤機(jī)磨碎后的煤粉經(jīng)鍋爐一次熱風(fēng)送入煤粉爐的燃燒器，經(jīng)低氮燃燒器噴入爐膛內(nèi)，以四角切圓方式進(jìn)行燃燒。煤粉爐產(chǎn)生的高溫超高壓蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)的高壓缸，推動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電；做了一部分功的蒸汽經(jīng)汽機(jī)高壓缸排汽口排出，繼續(xù)回到煤粉爐的再熱器進(jìn)行再熱；溫度提高的再熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)低壓缸，推動(dòng)汽輪機(jī)繼續(xù)做功發(fā)電。汽輪機(jī)低壓缸排汽經(jīng)排汽裝置送入到直接空冷島，冷凝后的凝結(jié)水由凝結(jié)水泵升壓后，經(jīng)軸封冷卻器及兩級(jí)低壓加熱器加熱后送至高壓熱力除氧器，除氧后再經(jīng)鍋爐給水泵加壓，由兩級(jí)高壓加熱器加熱送入到鍋爐省煤器進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的熱力循環(huán)。

2 再熱汽輪發(fā)電機(jī)組簡(jiǎn)介

中間再熱汽輪機(jī)是蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)部做了一部分功后，從中間引出，通過(guò)燃煤鍋爐的再熱器提高溫度后，再回到汽輪機(jī)繼續(xù)做功，最后排入機(jī)組的冷凝設(shè)備。采用中間再熱方式提高蒸汽溫度，不僅減少了汽輪機(jī)排氣濕度，還改善了汽輪機(jī)末端幾級(jí)葉片的工作條件，減輕了濕蒸汽對(duì)葉片的沖蝕，提高了低壓部分的內(nèi)效率，提高了汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率。同時(shí)，采用中間再熱循環(huán)，正確選擇再熱壓力后，系統(tǒng)循環(huán)效率可以提高3.6%～4.2%。

30MW 級(jí)再熱機(jī)組與非再熱機(jī)組的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1，各等級(jí)非再熱、再熱機(jī)組性能收益對(duì)比見(jiàn)圖1。

由表1 和圖1 可見(jiàn)，對(duì)于30MW 級(jí)別燃煤機(jī)組（濕冷），采用再熱機(jī)組，相較于采用非再熱機(jī)組，系統(tǒng)熱效率由37.19%提高至40.83%，提高了3.64%，全年燃料消耗費(fèi)用大幅減少。雖然采用高溫超高壓一次再熱機(jī)組增加了1 280 萬(wàn)元的投資，但汽輪機(jī)的汽耗率降低～16%，每年僅售電收益即可增加～1 286.4 萬(wàn)元，1 年內(nèi)即可收回投資，剩余生產(chǎn)周期內(nèi)每年多收益～1 286.4 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。圖2為30MW級(jí)超高壓一次再熱凝汽式汽輪機(jī)。

3 高溫超高壓一次再熱燃煤鍋爐

巴基斯坦某水泥廠配備有一臺(tái)30MW 高溫超高壓一次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐為煤粉鍋爐形式，超高壓參數(shù)、自然循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架的汽包爐。該爐型采用低氮直流燃燒器、四角噴燃燃燒方式和尾部分煙道布置，采用噴水減溫調(diào)節(jié)再熱器汽溫，采用兩級(jí)噴水調(diào)節(jié)過(guò)熱器汽溫，尾部豎井下設(shè)置管殼式空氣預(yù)熱器。

為解決以往50MW 以下級(jí)別燃煤煤粉爐增加再熱器后，再熱器出口蒸汽溫度無(wú)法穩(wěn)定控制的問(wèn)題，決定采用擺動(dòng)燃燒器的方式調(diào)節(jié)再熱器出口溫度，噴水減溫用于微調(diào)汽溫及事故工況。爐膛采用切向布置的擺動(dòng)燃燒器，在熱態(tài)運(yùn)行中，一、二次風(fēng)均可上下擺動(dòng)。噴口的擺動(dòng)由能反饋電信號(hào)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)有足夠的力矩，能使燃燒器擺動(dòng)靈活、四角同步，燃燒器上應(yīng)設(shè)有擺動(dòng)角度指示標(biāo)志。同時(shí)，重新精準(zhǔn)核算鍋爐爐膛的長(zhǎng)寬以及爐膛容積熱負(fù)荷和截面熱負(fù)荷，燃燒器的層數(shù)以及每層的間距也需重新布置。

通過(guò)采取以上技術(shù)措施，解決了30MW燃煤電站鍋爐采用超高壓一次再熱技術(shù)造成的鍋爐整體熱負(fù)荷無(wú)法平衡計(jì)算以及再熱器出口溫度無(wú)法穩(wěn)定控制的難題，為本項(xiàng)目采用新技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。圖3 為30MW 級(jí)超高壓一次再熱煤粉鍋爐總圖。

表1 30MW級(jí)再熱機(jī)組與非再熱機(jī)組技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

圖1 各等級(jí)非再熱、再熱機(jī)組性能收益對(duì)比圖

4 再熱機(jī)組在小型燃煤電站中的應(yīng)用

巴基斯坦某水泥工廠配套建設(shè)的30MW 高溫超高壓一次再熱燃煤電站系統(tǒng)，配套建設(shè)1 套30MW 高溫超高壓一次再熱汽輪發(fā)電機(jī)組，1 臺(tái)120t/h煤粉鍋爐，1套制粉系統(tǒng)，1套直接空冷系統(tǒng)，以及電站配套上煤、除灰渣、壓縮空氣等輔機(jī)系統(tǒng)，裝機(jī)規(guī)模為30MW的高溫超高壓一次再熱機(jī)組。

項(xiàng)目主要系統(tǒng)參數(shù)配置如下：

（1）熱力系統(tǒng)參數(shù)。本項(xiàng)目采用13.7MPa-540℃的高溫超高壓一次再熱熱力系統(tǒng)，由于項(xiàng)目所在地水資源匱乏，機(jī)組采用直接空冷冷卻方式。

（2）原煤及煤粉制備。燃煤電站原煤來(lái)自于水泥線原煤堆場(chǎng)并設(shè)置有電站的原煤預(yù)處理設(shè)施，經(jīng)預(yù)處理后的燃煤進(jìn)入中速磨煤機(jī)，磨碎后的煤粉由鍋爐一次熱風(fēng)送入煤粉爐的低氮燃燒器，在爐膛內(nèi)以四角切圓方式燃燒。

（3）熱力系統(tǒng)。煤粉爐產(chǎn)生的高溫超高壓蒸汽送入汽輪機(jī)的高壓缸，主汽閥推動(dòng)汽輪機(jī)高壓缸葉片做功發(fā)電，做了一部分功的蒸汽經(jīng)高壓缸排汽口排出，回送到煤粉爐的再熱器進(jìn)行再熱，提高溫度后的再熱蒸汽送入到汽輪機(jī)的低壓缸進(jìn)汽閥，繼續(xù)推動(dòng)汽輪機(jī)低壓缸葉片做功發(fā)電。汽輪機(jī)排汽經(jīng)排汽裝置送入到直接空冷島，冷凝后的凝結(jié)水由凝結(jié)水泵升壓后，經(jīng)過(guò)軸封冷卻器以及兩級(jí)低壓加熱器加熱后送至高壓熱力除氧器除氧，再經(jīng)鍋爐給水泵加壓、兩級(jí)高壓加熱器加熱后送入到鍋爐的省煤器進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的熱力循環(huán)。

（4）煙氣處理設(shè)施。為滿足巴基斯坦當(dāng)?shù)豐O2、NOx以及粉塵的排放要求，本項(xiàng)目在煤粉爐后設(shè)置CFB-FGD 的循環(huán)流化床式半干法脫硫系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)置布袋除塵器。煤粉鍋爐采用低氮燃燒器。

（5）煤粉爐底設(shè)置濕式除渣設(shè)施并配套渣倉(cāng)，產(chǎn)生的爐渣將回送至水泥磨，用作水泥混合材。

（6）為便于后期的檢修和維護(hù)，電站的整體除灰方式采用與水泥線相同的機(jī)械除灰方式，同時(shí)配套灰倉(cāng)，將爐灰也送至水泥磨，用作水泥混合材。

（7）由于項(xiàng)目所在地水資源匱乏，不僅汽輪機(jī)的排汽采用直接空冷冷卻方式冷卻，電站的所有輔機(jī)冷卻水系統(tǒng)也采用復(fù)合空冷冷卻方式冷卻，化學(xué)水車(chē)間產(chǎn)生的廢水也回用于FGD 脫硫塔的噴淋，多種方式相結(jié)合，大幅降低了項(xiàng)目的整體耗水量。

（8）本項(xiàng)目屬于孤網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)電氣設(shè)計(jì)的要求更高。為保證電站的平穩(wěn)可靠運(yùn)行，配套設(shè)置孤網(wǎng)電氣監(jiān)控系統(tǒng)和負(fù)荷調(diào)整裝置。孤網(wǎng)情況下負(fù)荷在大功率電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致電站崩潰，本項(xiàng)目利用負(fù)荷平衡裝置，提前進(jìn)行蓄能，以保證大功率設(shè)備的啟動(dòng)。針對(duì)孤網(wǎng)，需對(duì)機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻優(yōu)化，同時(shí)配置二次調(diào)頻系統(tǒng)，以滿足孤網(wǎng)下的自備電站頻率的自動(dòng)調(diào)整。

圖2 30MW等級(jí)超高壓一次再熱凝汽式汽輪機(jī)

圖3 30MW級(jí)超高壓一次再熱煤粉鍋爐總圖

本項(xiàng)目30MW 高溫超高壓一次再熱全廠熱力系統(tǒng)圖如圖4所示。

5 實(shí)際應(yīng)用效果

（1）電站運(yùn)行效率明顯提高，煤耗顯著降低。本項(xiàng)目熱力系統(tǒng)采用了高溫超高壓一次再熱熱力系統(tǒng)，機(jī)組冷卻方式采用了直接空冷，本項(xiàng)目高溫超高壓一次再熱系統(tǒng)與常規(guī)高溫高壓系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

從表2看到，采用空冷型高溫超高壓一次再熱熱力系統(tǒng)后，電站總熱效率從30.6% 提高到34.28%，提高了3.68%；煤耗由468g/kW·h 降低至418g/kW·h，降低幅度為10.7%；自用電率從12%降低到11.5%。

圖4 30MW燃煤電站高溫超高壓一次再熱全廠熱力系統(tǒng)圖

表2 本項(xiàng)目高溫超高壓一次再熱系統(tǒng)與常規(guī)高溫高壓系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表（空冷）

表3 本項(xiàng)目高溫超高壓一次再熱系統(tǒng)與常規(guī)高溫高壓系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)對(duì)比表（空冷）

（2）經(jīng)濟(jì)效益可觀。本項(xiàng)目高溫超高壓一次再熱系統(tǒng)與常規(guī)高溫高壓系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比見(jiàn)表3。從表3 看到，全年8 112h 的運(yùn)行周期內(nèi)，在二者發(fā)電量相同的情況下，再熱機(jī)組全年節(jié)省用煤量12 168t，按照巴基斯坦當(dāng)?shù)剡M(jìn)口南非煤每噸110美元計(jì)算，全年可節(jié)省燃料費(fèi)用1 338 480美元，折合人民幣～9 503 200元。同時(shí)，全年凈發(fā)電量提高了1 216 800kW·h，按照當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.084 5 美元/kW·h計(jì)算，全年發(fā)電多收益102 828 美元，折合人民幣～730 800 元。節(jié)煤收益和發(fā)電收益總計(jì)～1 023.328萬(wàn)元。在20 年的運(yùn)行周期內(nèi)，扣除項(xiàng)目額外增加的～1 329.36 萬(wàn)元后，再熱機(jī)組相較于常規(guī)高溫高壓機(jī)組總計(jì)可多收益～19 137.2 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。同時(shí)，項(xiàng)目投資回收期可縮短～1.04年，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

（3）節(jié)能減排、社會(huì)效益顯著，全年減少標(biāo)煤消耗約10 430t，約可減少二氧化碳排放23 700t。本項(xiàng)目將鍋爐產(chǎn)生的0.26t/h 的底渣和1.97t/h 的飛灰全部回送至水泥磨，作為水泥的混合材料，每年可增加約18 100t的水泥產(chǎn)量。本項(xiàng)目的排放指標(biāo)為SOx（SO2）＜400mg/m3（標(biāo)）、NOx＜600mg/m3（標(biāo)）、粉塵顆粒＜20mg/m3（標(biāo)），遠(yuǎn)優(yōu)于巴基斯坦國(guó)內(nèi)平均排放指標(biāo)。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，中國(guó)企業(yè)在國(guó)外投資建設(shè)水泥、鋼鐵等高耗能項(xiàng)目，尤其在印尼、巴基斯坦、菲律賓、印度等電力匱乏的地區(qū)，由于電網(wǎng)不發(fā)達(dá)，在建設(shè)工廠的同時(shí)還需建設(shè)小型燃煤自備電站。該項(xiàng)目的成功建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，大幅提高了國(guó)內(nèi)總承包企業(yè)燃煤自備電站的技術(shù)水平，帶動(dòng)了電力行業(yè)小型燃煤自備電站技術(shù)水平和電站總熱效率的提高，大幅降低了燃料消耗，同時(shí)也給電站運(yùn)營(yíng)者帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，環(huán)境效益和社會(huì)效益顯著。