杜域超

(湛江中粵能源有限公司，廣東 湛江 524099)

提高某600 MW亞臨界機(jī)組節(jié)能經(jīng)濟(jì)性途徑研究

杜域超

(湛江中粵能源有限公司，廣東 湛江 524099)

為滿(mǎn)足國(guó)家《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020)》的要求，針對(duì)湛江中粵能源有限公司600 MW機(jī)組能耗指標(biāo)偏高的問(wèn)題，研究了通過(guò)節(jié)能一體化改造技術(shù)提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)路線，主要研究?jī)?nèi)容包括：汽輪機(jī)通流改造、鍋爐受熱面改造、增設(shè)外置式蒸汽冷卻器、真空系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化、熱力系統(tǒng)優(yōu)化、空預(yù)器降阻、循泵高低速改造以及提升主、再熱汽溫改造等項(xiàng)目。通過(guò)理論計(jì)算并結(jié)合同類(lèi)型機(jī)組的改造經(jīng)驗(yàn)可知，改造后機(jī)組額定工況下的供電煤耗預(yù)計(jì)可降低約19 g/(kW·h)，本項(xiàng)目的研究結(jié)果可為同類(lèi)型機(jī)組節(jié)能改造提供有益的參考。

燃煤機(jī)組；綜合提效；經(jīng)濟(jì)性；節(jié)能

1 設(shè)備概況及改造分析

湛江中粵能源有限公司2臺(tái)600 MW機(jī)組汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的N600-16.7/538/538型、亞臨界、一次中間再熱、四缸四排汽凝汽式汽輪機(jī)，設(shè)計(jì)背壓為5.88 KPa；鍋爐為東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的DG2030/17.5- II8型自然循環(huán)汽包爐。機(jī)組燃用低硫煙煤，采用開(kāi)式循環(huán)水冷卻方式。

機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)已陸續(xù)實(shí)施了凝結(jié)水泵永磁調(diào)速改造、空氣預(yù)熱器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)空預(yù)器)密封改造、真空泵及抽氣方式改造等多項(xiàng)節(jié)能措施。但目前機(jī)組廠用電率及供電煤耗均較高，與同類(lèi)型機(jī)組先進(jìn)水平、行動(dòng)計(jì)劃要求均有較大差距。

為積極響應(yīng)國(guó)家《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020)》[1]和“十三五”電力節(jié)能減排展望[2]提出的要求，湛江中粵能源有限公司根據(jù)當(dāng)前機(jī)組設(shè)備、系統(tǒng)及運(yùn)行現(xiàn)狀以及燃煤機(jī)組節(jié)能技術(shù)的最新進(jìn)展，采用一機(jī)一策的理念，通過(guò)深入論證和分析，提出了汽輪機(jī)通流技術(shù)改造、鍋爐受熱面改造、增設(shè)外置式蒸汽冷卻器、抽真空系統(tǒng)節(jié)能改造、熱力系統(tǒng)優(yōu)化、空預(yù)器降阻力改造和提升參數(shù)(機(jī)組蒸汽溫度)改造等7項(xiàng)節(jié)能改造措施，并對(duì)各項(xiàng)改造措施的節(jié)能量、投資費(fèi)用以及投資收益比進(jìn)行了核算[3-4]，見(jiàn)表1。

由表1可知，如果以上措施均得以實(shí)施，則在當(dāng)前能耗指標(biāo)的基礎(chǔ)上，機(jī)組供電煤耗可進(jìn)一步下降19.5 g/(kW·h)。若不考慮機(jī)組提升參數(shù)改造，機(jī)組供電煤耗可下降16.3 g/(kW·h)。

同時(shí)從表中數(shù)據(jù)可知，汽輪機(jī)通流技術(shù)改造、鍋爐受熱面改造、抽真空系統(tǒng)節(jié)能改造、熱力系統(tǒng)優(yōu)化、空預(yù)器降阻力改造等5項(xiàng)改造措施投資收益較好，增設(shè)外置式蒸汽冷卻器及提升參數(shù)改造等2項(xiàng)改造措施投資收益則相對(duì)較差。

表1 主要節(jié)能技改項(xiàng)目匯總

2 主要節(jié)能改造措施

2.1 汽輪機(jī)通流改造

根據(jù)湛江中粵能源有限公司#1機(jī)組大修后性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，機(jī)組實(shí)際性能與設(shè)計(jì)值和同類(lèi)型機(jī)組的先進(jìn)水平相比均存在一定的差距，其熱耗率在額定工況下高達(dá)8 219.8 kJ/(kW·h)，高出設(shè)計(jì)值約436.4 kJ/(kW·h)。熱耗率高的主要原因是各缸效率偏低(見(jiàn)表2)，同時(shí)該類(lèi)型機(jī)組還存在#5，#6低壓加熱器抽汽溫度較高的問(wèn)題。

表2 汽輪機(jī)各缸效率與熱耗率

#1亞臨界600 MW機(jī)組，設(shè)計(jì)背壓5.88 kPa，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外汽輪機(jī)通流改造的技術(shù)水平，改造后熱耗率可達(dá)到7 880 kJ/(kW·h)左右。

根據(jù)湛江中粵能源有限公司2臺(tái)600 MW亞臨界機(jī)組當(dāng)前性能狀況，通流改造后汽輪機(jī)本體熱耗如能達(dá)到7 880 kJ/(kW·h)，則高、中、低壓缸效率均可提高3～4百分點(diǎn)，機(jī)組熱耗率可下降約340 kJ/(kW·h)，相應(yīng)的供電煤耗可下降12.6 g/(kW·h)。

目前各制造廠針對(duì)600 MW亞臨界機(jī)組汽輪機(jī)的改造方案略有不同，但主要技術(shù)路線基本相似，一般包括：高中低壓缸動(dòng)靜葉、內(nèi)缸、轉(zhuǎn)子更換；高、中壓采取整體內(nèi)缸；采用新型先進(jìn)葉型；對(duì)進(jìn)汽及排汽部分進(jìn)行優(yōu)化，減少進(jìn)汽及排汽損失；汽封改造；增加低壓缸剛度，減少級(jí)間漏汽等。另外，針對(duì)當(dāng)前機(jī)組利用小時(shí)數(shù)不高的問(wèn)題，還需注意提高汽輪機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行的性能。

2.2 鍋爐受熱面改造

#1，#2鍋爐自投運(yùn)以來(lái)一直存在過(guò)熱器和再熱器減溫水量大的問(wèn)題，影響了機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。目前#1，#2機(jī)組各負(fù)荷區(qū)間內(nèi)的平均過(guò)熱減溫水量分別約為120.0 t/h和158.0 t/h，平均再熱減溫水量分別為11.1 t/h和36.8 t/h，個(gè)別負(fù)荷工況下甚至高達(dá)140.0～160.0 t/h。根據(jù)核算由于減溫水量大，分別使#1，#2機(jī)組發(fā)電煤耗升高1.3 g/(kW·h)和1.4 g/(kW·h)。

分析計(jì)算表明，機(jī)組的受熱面設(shè)計(jì)方案與實(shí)際運(yùn)行情況的偏離較大，目前僅通過(guò)采用燃燒調(diào)整等手段已無(wú)法解決減溫水量大的問(wèn)題。

根據(jù)過(guò)熱器及再熱器減溫水量均較大的狀況，說(shuō)明鍋爐爐膛出口位置的煙溫較高，即煙氣在大屏及尾部高、低溫過(guò)熱器和再熱器區(qū)域所攜帶的熱量高于實(shí)際需要值。由此可推斷爐膛水冷壁區(qū)域的吸熱量較少，即水冷壁換熱面積不足；其次，雖然爐膛出口煙溫較高，但機(jī)組的排煙溫度并不高，由此可知，鍋爐高低溫過(guò)熱器和再熱器的換熱面積較大。因此，#1，#2機(jī)組受熱面布置的主要問(wèn)題在于鍋爐爐膛部分輻射受熱面面積不足，爐膛及尾部輻射及對(duì)流受熱面面積較大。

根據(jù)上述分析結(jié)果，解決機(jī)組過(guò)熱器、再熱器減溫水量大的問(wèn)題，應(yīng)從以下幾方面入手：(1)減少爐膛水冷壁區(qū)域需要的總熱量；(2)強(qiáng)化爐膛水冷壁區(qū)域吸熱能力；(3)減少屏區(qū)及尾部高、低溫過(guò)熱器及再熱器吸熱量。

具體實(shí)施方案如下：從設(shè)備改造的角度分析，增加省煤器換熱面積、增加水冷壁面積、減少過(guò)熱器和再熱器換熱面積均可以起到減少減溫水量的作用。從運(yùn)行的角度分析，投運(yùn)下層燃燒器降低火焰中心高度，加強(qiáng)吹灰效果等也可以起到減少減溫水量的作用。針對(duì)該電廠實(shí)際情況，通過(guò)改造后減溫水量可降低到正常水平，則可使供電煤耗降低約1.0 g/(kW·h)。

2.3 外置式蒸汽冷卻器

由于汽輪機(jī)三段抽汽是蒸汽再熱之后的第1級(jí)抽汽，因此壓力相對(duì)較低，而溫度較高，具有230～260 ℃過(guò)熱度。為利用該部分蒸汽的過(guò)熱度，可在三段抽汽進(jìn)入#3高壓加熱器前，增設(shè)外置式蒸汽冷卻器，利用該段抽汽的高過(guò)熱度來(lái)加熱最終給水，并提高最終給水溫度，提升機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

外置式蒸汽冷卻器的布置方式較多，通過(guò)對(duì)各種方案的論證分析，采用將外置式蒸汽冷卻器串接在#1高壓加熱器出口給水管路上(如圖1所示)，經(jīng)濟(jì)性最好。改造后汽輪機(jī)熱耗下降約12 kJ/(kW·h)，供電煤耗下降約0.5 g/(kW·h)。

由于蒸汽通過(guò)外置式冷卻器后，可能被冷卻至飽和狀態(tài)，并進(jìn)入濕蒸汽區(qū)，因此會(huì)對(duì)#3高壓加熱器的管束產(chǎn)生沖蝕，故應(yīng)對(duì)#3高壓加熱器內(nèi)部進(jìn)行局部改造或整體更換，以防止加熱器損壞。同時(shí)受到現(xiàn)場(chǎng)布置位置的限制，需要對(duì)現(xiàn)有給水管路進(jìn)行改造。上述原因會(huì)造成投資費(fèi)用過(guò)大。

圖1 外置蒸汽冷卻器串聯(lián)布置示意

2.4 抽真空系統(tǒng)節(jié)能改造

湛江中粵能源有限公司600 MW機(jī)組每臺(tái)配套3臺(tái)50%容量的水環(huán)真空泵(功率為130 kW)。目前真空系統(tǒng)嚴(yán)密性較好，但由于真空泵選型依據(jù)為真空嚴(yán)密性大于400 Pa/min，且在此基礎(chǔ)上仍考慮部分裕量，故抽真空系統(tǒng)裕量相對(duì)過(guò)大；另外，真空泵冷卻水源采用海水，易造成換熱器結(jié)垢和堵塞，使真空泵工作液溫度過(guò)高，限制真空泵抽吸能力，同時(shí)高、低壓凝汽器兩側(cè)壓差偏小，因此常年2臺(tái)水環(huán)真空泵運(yùn)行，分別保證高、低壓凝汽器真空度，導(dǎo)致真空泵耗電率偏大。可增加2套羅茨-水環(huán)真空泵組(功率約為40 kW)，與原水環(huán)真空泵并聯(lián)布置，如圖2所示。在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，依靠原水環(huán)真空泵組快速抽出系統(tǒng)中的空氣，建立真空，再投運(yùn)羅茨-水環(huán)真空泵組維持真空，以降低抽空氣系統(tǒng)能耗。該2套泵組分別供高、低壓凝汽器使用，保證高、低壓凝汽器在不同壓力下運(yùn)行。項(xiàng)目實(shí)施后，折合年平均供電煤耗降低約0.1 g/(kW·h)。

圖2 湛江中粵能源有限公司機(jī)組真空系統(tǒng)改造示意

2.5 熱力系統(tǒng)優(yōu)化改造

當(dāng)前機(jī)組熱力系統(tǒng)存在系統(tǒng)設(shè)置冗余、閥門(mén)泄漏嚴(yán)重(高溫高壓工質(zhì)泄漏嚴(yán)重，如主蒸汽供軸封系統(tǒng)、再熱熱段疏水、一段、三段抽汽疏水、高排逆止門(mén)后疏水、高旁減溫水及汽泵再循環(huán)等存在泄漏)、部分工質(zhì)有效能未充分利用、系統(tǒng)熱備用設(shè)置不合理等問(wèn)題，致使機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性降低，同時(shí)還降低了運(yùn)行的可靠性和安全性，增加了運(yùn)行維護(hù)難度和工作量，因此，熱力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造十分必要。

根據(jù)機(jī)組實(shí)際狀況，并參考同類(lèi)型機(jī)組改造經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)前先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，提出切實(shí)可行的熱力系統(tǒng)改造方案。對(duì)主再熱蒸汽系統(tǒng)、汽輪機(jī)本體疏水系統(tǒng)、抽汽及小機(jī)蒸汽系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、凝結(jié)水和給水系統(tǒng)、加熱器疏水及排氣系統(tǒng)以及過(guò)熱減溫水水源進(jìn)行了完善和優(yōu)化。

熱力系統(tǒng)改造后，預(yù)計(jì)供電煤耗下降1.6 g/(kW·h)。

2.6 空預(yù)器降低阻力改造

由于脫硝入口煙氣溫度較低，中、低負(fù)荷時(shí)，脫硝入口煙溫低于催化劑反應(yīng)要求的溫度下限為310 ℃，導(dǎo)致脫硝效率下降。為保證NOx排放達(dá)到當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中噴氨量較大，氨逃逸率較高，并生產(chǎn)大量的硫酸氫氨，黏附煙氣中的飛灰顆粒后，形成板結(jié)和堵灰。目前鍋爐A，B側(cè)空預(yù)器阻力在600 MW負(fù)荷下已接近2 500 Pa，遠(yuǎn)高于正常值1 200 Pa，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的能耗上升。同時(shí)，空預(yù)器換熱元件由于堵灰，換熱能力下降，必然導(dǎo)致鍋爐效率降低。當(dāng)空預(yù)器堵塞嚴(yán)重時(shí)，機(jī)組高負(fù)荷工況運(yùn)行氧量無(wú)法提高，還會(huì)導(dǎo)致飛灰可燃物含量上升，使鍋爐效率進(jìn)一步下降，空預(yù)器阻力大到一定程度時(shí)甚至?xí)萍s機(jī)組最大帶負(fù)荷的能力。

針對(duì)以上機(jī)組存在的問(wèn)題，提出了分級(jí)省煤器改造、熱風(fēng)循環(huán)改造；同時(shí)，為了進(jìn)一步降低能耗，還針對(duì)空預(yù)器的吹灰汽源進(jìn)行了改造，其中分級(jí)省煤器改造放在超凈排放改造中實(shí)施，投資費(fèi)用不再重復(fù)列出。

改造后，煙風(fēng)系統(tǒng)阻力降低，風(fēng)機(jī)能耗下降；空預(yù)器發(fā)生嚴(yán)重堵塞的概率降低；高負(fù)荷運(yùn)行氧量可在目前基礎(chǔ)上適當(dāng)提高，提高鍋爐效率。空預(yù)器降阻約可使機(jī)組供電煤耗下降0.5 g/(kW·h)。

2.7 提升參數(shù)(蒸汽溫度)改造

目前主、再熱蒸汽出口溫度為538 ℃，可提升至566 ℃，對(duì)應(yīng)于鍋爐出口蒸汽溫度570 ℃，達(dá)到超臨界機(jī)組的主蒸汽溫度水平，而主蒸汽運(yùn)行壓力仍維持在亞臨界水平。此時(shí)鍋爐可僅對(duì)過(guò)熱器和再熱器等受熱面進(jìn)行更換，而省煤器、水冷壁系統(tǒng)、低溫過(guò)熱器蛇形管及出口集箱等均無(wú)需改造，可極大地減小改造范圍，降低投資費(fèi)用。

通過(guò)核算，原設(shè)計(jì)屏式過(guò)熱器管材強(qiáng)度將無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)組安全運(yùn)行要求，須進(jìn)行升級(jí)改造，改造管材以12 Cr1MoVG，T 91，TP 304 H為主，管壁厚度較原設(shè)計(jì)值增加。屏過(guò)進(jìn)出口集箱及連接管、高溫過(guò)熱器整體管材須升級(jí)改造。高再集箱及連接管、低溫再熱器和高溫再熱器段需全部升級(jí)改造。

另外，由于改造前設(shè)計(jì)參數(shù)下主、再熱蒸汽和冷再熱蒸汽管道的設(shè)計(jì)裕量相對(duì)較小，同時(shí)考慮機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中管道已經(jīng)出現(xiàn)的老化、磨損等原因，可能造成管道壁厚的減薄，因此，現(xiàn)有主、再熱蒸汽和冷再熱蒸汽管道強(qiáng)度無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)組升參數(shù)改造后的運(yùn)行要求，需整體更換。

雖然與同時(shí)提高主蒸汽壓力相比較，改造費(fèi)用已大幅降低，但單臺(tái)改造費(fèi)用仍高達(dá)約1.7億人元。

主、再熱器出口蒸汽溫度升高后，可以提高機(jī)組循環(huán)效率，機(jī)組供電煤耗可下降約3.2 g/(kW·h)。

由于主、再熱蒸汽溫度的升高，汽輪機(jī)高、中壓進(jìn)汽部分也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的改造。為了節(jié)省改造費(fèi)用，該項(xiàng)改造應(yīng)與汽輪機(jī)通流改造一起實(shí)施。

3 結(jié)束語(yǔ)

汽輪機(jī)通流技術(shù)改造、鍋爐受熱面改造、增設(shè)外置式蒸汽冷卻器、抽真空系統(tǒng)節(jié)能改造、熱力系統(tǒng)優(yōu)化、空預(yù)器降阻力改造和提升參數(shù)改造等7項(xiàng)措施均得以實(shí)施，在機(jī)組當(dāng)前能耗基礎(chǔ)上，機(jī)組供電煤耗可進(jìn)一步下降約19.5g/(kW·h)，同時(shí)進(jìn)一步提高了機(jī)組的安全可靠性水平。汽輪機(jī)通流技術(shù)改造、鍋爐受熱面改造、抽真空系統(tǒng)節(jié)能改造、熱力系統(tǒng)優(yōu)化、空預(yù)器降阻力改造等5項(xiàng)改造措施投資收益較好，應(yīng)積極考慮實(shí)施；增設(shè)外置式蒸汽冷卻器及提升主、再熱汽溫改造等2項(xiàng)改造措施投資收益則相對(duì)較差，可酌情實(shí)施。

[1]國(guó)家發(fā)展改革委,環(huán)境保護(hù)部,國(guó)家能源局.關(guān)于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》的通知[Z].(2014-09-12)[2016-11-20].http://bgt.ndrc.gov.cn/zcfb/201409/t20140919_626242.html.

[2]潘荔，“十三五”電力節(jié)能減排展望[J].中國(guó)電力企業(yè)管理, 2015(11)：18-20.

[3]林萬(wàn)超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論[M].西安:西安交通大學(xué)出版社, 1994.

[4]王加旋.熱力發(fā)電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行[M].北京:中國(guó)電力出版社, 1997.

(本文責(zé)編：齊琳)

2016-11-28；

2016-12-30

TK 621

B

1674-1951(2017)02-0057-03

杜域超(1984—)，男，江西九江人，工程師，從事火電廠節(jié)能技術(shù)熱能與動(dòng)力工程方面的工作(E-mail:85748165@qq.com)。