華能上海石洞口第一電廠 陳興興

1 前言

一座電廠一旦建成，其生命周期內(nèi)的能源使用效率基本確定。華能國(guó)際電力股份有限公司上海石洞口第一電廠（簡(jiǎn)稱“華能上海石洞口第一電廠”下稱“電廠”）是“七五”期間國(guó)家重點(diǎn)能源建設(shè)的項(xiàng)目之一，在中央和地方政府的重視、關(guān)心下，安裝了四臺(tái)上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的汽輪機(jī)（型號(hào)為N300-165/535/535的第一批300MW亞臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽凝汽式）、上海鍋爐廠生產(chǎn)的直流爐(型號(hào)為SG-1025-170.5-540/540亞臨界UP型單爐膛)和上海電機(jī)廠生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)組(300MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī))。四臺(tái)機(jī)組于1987年12月至1990年5月相繼投產(chǎn)，滿足了國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)用電的客觀需要，發(fā)揮了主力電廠支撐電網(wǎng)的重要作用。

進(jìn)入“十一五”時(shí)期，為滿足節(jié)能降耗和環(huán)保的要求，走可持續(xù)發(fā)展之路，電廠認(rèn)為必須加快設(shè)備的技術(shù)更新，重點(diǎn)對(duì)汽輪機(jī)、鍋爐進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造。

2 國(guó)產(chǎn)300MW汽輪機(jī)通流改造，改善老機(jī)組能耗指標(biāo)

2.1 國(guó)產(chǎn)300MW汽輪機(jī)存在的主要問(wèn)題

1）機(jī)組效率低，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。

2）機(jī)組膨脹不暢，軸承座剛性差，變負(fù)荷能力差。

3）通流部分結(jié)垢，汽損嚴(yán)重。

4）軸承和軸封系統(tǒng)密封不嚴(yán)，造成主油箱油中含水量大和真空嚴(yán)密性差。

5）低壓末級(jí)及次末級(jí)葉片水蝕嚴(yán)重。

2.2 汽輪機(jī)通流部分節(jié)能技術(shù)改造

1）改造前能耗狀況

電廠4臺(tái)300MW汽輪機(jī)是我國(guó)上世紀(jì)七十年代初期自行開發(fā)、設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，是國(guó)產(chǎn)125MW機(jī)組的翻版。限于當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)制造及技術(shù)水平低，與設(shè)計(jì)效率比較，高、中壓缸實(shí)際效率分別比設(shè)計(jì)值低1.64%與0.81%，低壓缸設(shè)計(jì)效率比同類型引進(jìn)機(jī)組低4.5%，當(dāng)初性能試驗(yàn)熱耗值8537 kj/kWh，設(shè)計(jì)熱耗率8149kJ／kWh。大大高于目前國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型300MW機(jī)組的8000kj/kWh的水平。實(shí)際熱耗比設(shè)計(jì)值高388kJ/kWh。

為了走可持續(xù)發(fā)展之路，我們對(duì)熱耗大、煤耗高的老式國(guó)產(chǎn)300MW汽輪機(jī)組分步進(jìn)行改造，改造內(nèi)容：汽輪機(jī)形式采用反動(dòng)式，更換通流部分，高、中壓內(nèi)外缸，低壓內(nèi)缸（保留低壓外缸），導(dǎo)汽連通管，高、中、低壓轉(zhuǎn)子，軸承系統(tǒng)，軸封系統(tǒng)，盤車裝置改為低速盤車等。

2）汽輪機(jī)通流改造采用的節(jié)能技術(shù)

（1）對(duì)汽輪機(jī)高、中、低壓通流部分進(jìn)行徹底更新，采用無(wú)中心孔的整鍛轉(zhuǎn)子；高、中壓內(nèi)外缸和低壓內(nèi)缸調(diào)換；軸承和軸承座系統(tǒng)改進(jìn)；汽封和汽加熱系統(tǒng)改進(jìn)；中、低壓導(dǎo)汽管調(diào)換；改進(jìn)疏水系統(tǒng)為集中自動(dòng)控制疏水等。

（2）高壓缸通流部分主要采用新的子午面噴嘴型線，壓力級(jí)動(dòng)葉片葉型為扭葉片系列，反動(dòng)度平衡動(dòng)葉采用減少根部氣流擾動(dòng)的反動(dòng)度平衡原理。

（3）中壓缸通流部分主要按三元流場(chǎng)確定沿葉高動(dòng)靜葉片型線的最佳速比匹配,蒸汽在動(dòng)靜葉出口為軸向排汽等新型技術(shù)。

（4）低壓缸通流部分主要按類似中壓缸技術(shù)之外,對(duì)葉片沖角還匹配有10°的自帶圍帶，更有利于速度分布，減少蒸汽余速損失0.8%等優(yōu)化組合。

3）汽輪機(jī)通流部分改造后與原設(shè)計(jì)性能比較

汽輪機(jī)通流部分改造后，汽缸膨脹舒暢，調(diào)節(jié)品質(zhì)好，在采用復(fù)合變壓運(yùn)行方式中，能適應(yīng)40%～100%BMCR調(diào)峰，并提高了變負(fù)荷響應(yīng)速度，提高了軸系穩(wěn)定性和可靠性，銘牌出力由300 MW提升至325MW。汽輪機(jī)在額定工況下的熱耗由8537kJ/kWh下降至8157kJ/kWh，各缸效較現(xiàn)役機(jī)組有較大幅度的提高，從改造后的機(jī)組在額定工況區(qū)域范圍內(nèi)的發(fā)電設(shè)計(jì)熱耗率與性能考核值比較來(lái)看，達(dá)到了在額定工況下無(wú)煤耗增加出力25MW的預(yù)期目標(biāo)。汽輪機(jī)通流改造項(xiàng)目實(shí)施前（后）的能源消耗由360g/kWh下降至340g/kWh，下降了20g/kWh，按18億kWh/臺(tái)電量計(jì)算，節(jié)能量36000t/a標(biāo)準(zhǔn)煤。

3 依靠科技進(jìn)步，實(shí)施1025t/h直流爐“貧改煙”節(jié)能技術(shù)改造

3.1 改造前的鍋爐現(xiàn)狀

1）燃用貧瘦煤的1025t/h直流鍋爐，在適燃的貧瘦煤資源匱乏，煤價(jià)驚人增長(zhǎng)，發(fā)電燃料成本上升使邊際利潤(rùn)倒掛的情況下，改善貧煤鍋爐效率低和推廣適燃煤種的問(wèn)題顯得尤為突出；

2）制粉系統(tǒng)采用中間儲(chǔ)倉(cāng)式，配四套DTM350/600筒式鋼球磨，用電率比上海吳涇熱電廠和外高橋一電廠同容量鍋爐配置的HP型中速磨高出0.5%以上。

3）由于國(guó)產(chǎn)設(shè)備當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、制造工藝等因素，鍋爐的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可調(diào)性都比較差。

4）為了解決鍋爐的可調(diào)性，在1998年至2005年分別重點(diǎn)對(duì)4臺(tái)鍋爐進(jìn)行燃燒器和水動(dòng)力（水冷壁）變負(fù)荷能力（由70%增大到40%）改造，水冷壁改為螺線管式；燃燒器采用分級(jí)欠氧低NOx燃燒器，達(dá)到了低負(fù)荷穩(wěn)燃。同時(shí)還使NOx排放量≤650 mg/Nm3，但生產(chǎn)供電煤耗上升3g/kWh～4g/kWh。

3.2 鍋爐改造可行性分析

1）鍋爐熱損失及熱負(fù)荷計(jì)算值見表1

表1 鍋爐熱損失及熱負(fù)荷計(jì)算值

表2 熱負(fù)荷指標(biāo)對(duì)比

2）熱負(fù)荷指標(biāo)與相似鍋爐的比較見表2

3）結(jié)論

（1）根據(jù)以上計(jì)算及常熟電廠和太倉(cāng)電廠二期鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)合本工程的熱負(fù)荷指標(biāo)看，具備貧改煙工程實(shí)施后不會(huì)出現(xiàn)爐膛嚴(yán)重結(jié)渣現(xiàn)象。擴(kuò)大煤種，提高爐效目的是可行的。

（2）鑒于上述原因，公司于2009年6月、2010年2月、2011年5月分別在#1、#2、#3鍋爐實(shí)施；#4鍋爐在結(jié)合電網(wǎng)負(fù)荷需要的前提下，將于2011年底繼續(xù)推廣應(yīng)用。

3.3 鍋爐貧改煙的節(jié)能技術(shù)措施

1）爐本體

為了節(jié)能及減少投資，爐本體改造，在不影響改造效果的前提下，盡可能利用原有設(shè)備。

（1）原來(lái)燃燒貧煤改為燃燒大同煙煤，(可燃基揮發(fā)份Vdaf由 16%改為 35.3%)，鍋爐燃燒器六層改為五層。采用直吹式一次風(fēng)機(jī)、冷正壓制粉系統(tǒng)，四角擺動(dòng)式切向燃燒的煤粉燃燒器。煤粉細(xì)度R90=18.38%左右。

（2）制粉燃燒系統(tǒng)由于改為冷正壓一次風(fēng)機(jī)直吹式后，低過(guò)側(cè)和低再側(cè)省煤器采用肋片管式，面積均由2103m2增加至3000m2，增加 50%。

（3）燃 燒方 式 采用 低NOx同軸燃燒系統(tǒng)（LNCFS）。與常規(guī)煤粉噴嘴設(shè)計(jì)比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（a）強(qiáng)化著火（EI）煤粉噴嘴能使火焰穩(wěn)定在噴嘴出口一定距離內(nèi)；使揮發(fā)份在富燃料的氣氛下快速著火，保持火焰穩(wěn)定，從而有效降低NOX的生成，延長(zhǎng)焦碳的燃燒時(shí)間。

（b）在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置有1層輔助風(fēng)噴嘴，其中包括2只CFS（偏置風(fēng)）噴嘴，1只直吹風(fēng)噴嘴。

（c）同心切圓（CFS）燃燒方式。采用同心切圓燃燒方式，部分二次風(fēng)氣流在水平方向分級(jí)，在始燃燒階段推遲了空氣和煤粉的混合，NOx形成量少。見圖1所示

（d）UFA（Underfire Air，火下風(fēng)）噴嘴設(shè)計(jì)。在每個(gè)主燃燒器最下部采用UFA噴嘴設(shè)計(jì)，通入部分空氣，以降低大渣含碳量。

（e）采用可水平擺動(dòng)調(diào)節(jié)的SOFA噴嘴，控制爐膛出口煙溫偏差。

（f）爐膛出口煙溫偏差是爐膛內(nèi)的流場(chǎng)造成的。圖2表示了可水平調(diào)整擺角的噴嘴設(shè)計(jì)，擺角可水平調(diào)整+15°到-15°。SOFA的水平調(diào)整，可通過(guò)燃燒調(diào)整得到一個(gè)燃燒效率最佳的角度。

（4）在組織良好爐膛空氣動(dòng)力場(chǎng)，防止火焰直接沖刷水冷壁前提下，防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣和高溫腐蝕的主要措施有：

（a）帶同心切圓燃燒方式（CFS）的多隔倉(cāng)輔助風(fēng)設(shè)計(jì)；

（b）合理的燃燒器各層一次風(fēng)間距。

（5）燃燒器的設(shè)計(jì)、布置考慮降NOx的排放濃度不超過(guò)450mg/Nm3（O2=6%）的措施有：

（a）帶同心切圓燃燒方式（CFS）的多隔倉(cāng)輔助風(fēng)設(shè)計(jì)；

（b）采用CCOFA和SOFA實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒區(qū)域過(guò)量空氣系數(shù)的多級(jí)控制；

（c）強(qiáng)化著火（EI）煤粉噴嘴設(shè)計(jì)。

(6)燃燒器的設(shè)計(jì)、布置考慮實(shí)現(xiàn)不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷的措施有：

（a）強(qiáng)化著火（EI）煤粉噴嘴設(shè)計(jì)；

（b）低負(fù)荷時(shí)相臨兩層煤粉噴嘴投入運(yùn)行；

（c）煤粉細(xì)度達(dá)到設(shè)計(jì)值。

2）改造效果

通過(guò)本次改造，經(jīng)性能試驗(yàn)驗(yàn)證，在不改變爐型的情況下達(dá)到擴(kuò)大鍋爐適燒煤種范圍的目的，緩解了燃煤供應(yīng)的壓力，通過(guò)計(jì)算校核增加省煤器受熱面積，確保排煙溫度不變，鍋爐效率由現(xiàn)在的90.2%提高到92.5%，煤耗下降7.77g/kWh；由原先的中間儲(chǔ)倉(cāng)式350/600筒式鋼球磨制粉系統(tǒng)改為HP-860型中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，用電率下降0.6%，節(jié)能減排效果顯著。

4 主設(shè)備節(jié)能技術(shù)改造、降低能耗求發(fā)展

“十一五”期間，電廠以“合理利用能源，降低能耗指標(biāo)，建設(shè)節(jié)能環(huán)保型企業(yè)”為能源管理方針；近幾年電廠投入資金1.5億元/臺(tái)（機(jī)爐），對(duì)“七五”時(shí)期的國(guó)產(chǎn)鍋爐、制粉系統(tǒng)、汽輪機(jī)設(shè)備進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，同時(shí)還落實(shí)了凝水系統(tǒng)變頻、電除塵智能控制、預(yù)熱器等設(shè)備的節(jié)能技術(shù)改造，努力提高節(jié)能工作水平和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，推進(jìn)節(jié)能工作的現(xiàn)代化管理，實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中GDP能耗逐年下降。見表3

通過(guò)表3可以看出，一座燃煤電廠一旦建成，能耗水平的改變，在加強(qiáng)基礎(chǔ)管理的同時(shí)，資金投入，設(shè)備更新顯得更為重要。電廠經(jīng)過(guò)鍋爐、汽輪機(jī)節(jié)能項(xiàng)目的實(shí)施，節(jié)能減排的效果是顯著的，2010年的總能耗為14.5萬(wàn)噸，工業(yè)總產(chǎn)值26.46億元。發(fā)電煤耗由設(shè)備改造前的339.3g/kWh下降至2010年的316.5g/kWh，下降了23g/kWh，（這其中還抵消了于2008年投資的脫硫設(shè)施 (環(huán)保成本)增加的1.1%用電率的能耗4g/kWh）。

電廠主設(shè)備改造后，“GDP”工業(yè)總產(chǎn)值能耗下降28.6%，節(jié)約標(biāo)煤19.7萬(wàn)t，為“十一五”期間國(guó)家“GDP”工業(yè)總產(chǎn)值能耗下降20%作出了貢獻(xiàn)。

為了承擔(dān)環(huán)境的社會(huì)責(zé)任，2010年電廠還投資2500萬(wàn)元承擔(dān)了處理脫硫石膏的一條年產(chǎn)10萬(wàn)t建筑石膏煅燒示范線項(xiàng)目。

表3 2006年-2010年能耗情況表

5 “十二五”期間節(jié)能減排設(shè)想

5.1 隨著資源能源緊缺壓力加大，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的瓶頸制約日益突出，國(guó)家“十二五”規(guī)劃綱要將單位GDP能耗再降低16%，新一輪節(jié)能減排工作已經(jīng)開始。參照GB21258-2007標(biāo)準(zhǔn)，亞臨界300MW濕冷機(jī)組供電煤耗≤340g/kWh，先進(jìn)值≤327g/kWh。電廠建成二十多年來(lái)，到2010年完成供電煤耗≤334g/kWh，比先進(jìn)值高7g/kWh，為此，還必須繼續(xù)有效地開展節(jié)能工作來(lái)實(shí)現(xiàn)“建設(shè)節(jié)約、環(huán)保型社會(huì)”的目標(biāo)。

5.2 由于歷史因素，首先要根據(jù)燃料質(zhì)量不穩(wěn)定、設(shè)備老化、機(jī)組能耗水平落后等困難，制訂管理制度，從燃料管理入手，加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的管理工作。

5.3 電廠力爭(zhēng)再用幾年時(shí)間，從#4鍋爐燃燒貧煤改煙煤的低氮燃燒工程著手，結(jié)合干排渣、鍋爐微油點(diǎn)火系統(tǒng)、脫氮、#1～#4汽輪機(jī)汽封、空預(yù)器密封等節(jié)能技術(shù)改造工作以進(jìn)一步降低供電煤耗。

5.4 通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，拓展區(qū)域性供熱。

目前除雪花啤酒廠10t/天的供熱需求外，隨著區(qū)域發(fā)展，造紙廠等行業(yè)的區(qū)域性供熱也將逐步上馬。

5.5 從汽輪機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)來(lái)看，設(shè)想將原二級(jí)抽汽改為三級(jí)抽汽供汽，優(yōu)化循環(huán)結(jié)構(gòu)、減少凝汽器冷源損耗，達(dá)到更經(jīng)濟(jì)適宜的投入產(chǎn)出比，使能耗、環(huán)保指標(biāo)達(dá)到同類機(jī)組的先進(jìn)水平。

5.6 爭(zhēng)取上大壓小，徹底淘汰老舊高能耗設(shè)備。