曹 沂，楊希剛，王雙童

(國電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210023)

0 引言

“十三五”時期是我國堅持節(jié)約、清潔、安全的能源發(fā)展戰(zhàn)略方針，實施節(jié)約優(yōu)先、立足國內(nèi)、綠色低碳和創(chuàng)新驅(qū)動四大戰(zhàn)略，加快構(gòu)建清潔高效安全可持續(xù)的現(xiàn)代能源體系的關(guān)鍵時期。

燃煤火電廠面臨著經(jīng)濟增長方式的轉(zhuǎn)變、資源約束、環(huán)境保護、市場競爭等嚴峻挑戰(zhàn)，節(jié)能減排要求的不斷提升、電能過?，F(xiàn)象日趨明顯、發(fā)電設(shè)備年利用小時持續(xù)走低等現(xiàn)實因素迫使燃煤電廠進入“雙降雙低”電力新狀態(tài)；國家發(fā)改委、能源局在《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出 “現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組經(jīng)改造平均供電煤耗低于310g/(kW·h)”的更高目標要求。

燃煤電廠在新的形勢和任務(wù)下應(yīng)通過實施有效措施提升機組安全、環(huán)保、節(jié)能水平，同時挖潛降耗、綜合提效實現(xiàn)燃煤電廠高效可持續(xù)發(fā)展。

1 燃煤電廠節(jié)能降耗現(xiàn)狀

1.1 燃煤機組供電煤耗情況

目前燃煤電廠已通過細化節(jié)能管理、優(yōu)化設(shè)備運行、推進節(jié)能改造，取得明顯的節(jié)能減排效益。

筆者對200臺300MW及以上機組能耗統(tǒng)計如下表1[1]。

表1 300MW及以上機組能耗統(tǒng)計

等級/MW1000600300數(shù)量/臺1263125容量/MW120003906040790供電煤耗/g·(kW·h)-1最低值266289.8256.5最高值288330366平均值277.9307.8312.9

由于機組設(shè)計理念、技術(shù)工藝、投產(chǎn)年限、所在區(qū)域等不同因素影響，導(dǎo)致同容量等級機組間能耗差距較大，其中，600MW級機組供電煤耗超過300g/(kW·h)占76%，300MW級機組供電煤耗超過310g/(kW·h)占67%，因此燃煤機組挖潛降耗、綜合提效的形勢相當嚴峻。

1.2 燃煤機組供電煤耗影響因素[2]

機組供電煤耗的主要影響因素為循環(huán)熱效率、鍋爐效率、管道效率、生產(chǎn)廠用電率這4項，其次，機組也受所在電網(wǎng)負荷率、燃用煤質(zhì)等因素影響。

1.2.1 循環(huán)熱效率

循環(huán)熱效率主要取決于汽輪機熱耗率，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，投產(chǎn)較早的300MW等級機組汽輪機實際運行熱耗率較設(shè)計值高出4%左右，約350～400kJ/(kW·h)，對煤耗的影響范圍12～16g/(kW·h)；近年投產(chǎn)的300MW和600MW等級機組汽輪機實際運行熱耗率較設(shè)計值高出2%～3%，約150～250kJ/(kW·h)，對煤耗的影響范圍6～8g/(kW·h)；主要是設(shè)計水平、制造技術(shù)、加工工藝及安裝水平等因素導(dǎo)致熱耗率存在2%差距，其次是國內(nèi)各制造廠考慮商務(wù)的因素導(dǎo)致熱耗率高出1%～2%。

1.2.2 鍋爐效率

鍋爐效率受實際燃用煤質(zhì)與設(shè)計煤質(zhì)偏差的影響較大，由于煤質(zhì)的不可控性及爐內(nèi)低氮燃燒器的改造，實際運行爐效普遍下降，但開展科學(xué)配煤摻燒后，鍋爐運行效率有所改善，為92.0%～93.5%，但“W”火焰鍋爐實際運行效率普遍較低，在91%左右，對煤耗的影響范圍為3～5g/(kW·h)。

1.2.3 管道效率

由于管道系統(tǒng)的優(yōu)化、新型保溫材料應(yīng)用及施工工藝的提高，管道效率能達到99%，對煤耗的影響非常小。

1.2.4 生產(chǎn)廠用電率

生產(chǎn)廠用電率根據(jù)機組容量等級而定，早期投產(chǎn)機組經(jīng)變頻等節(jié)電改造及運行優(yōu)化后生產(chǎn)廠用電率下降1%～2%，但隨著環(huán)保設(shè)施的大量改造，生產(chǎn)廠用電率有所上升，對煤耗的影響范圍為0.5～1.5g/(kW·h)。

1.2.5 其他因素

另一個影響能耗的重要因素是發(fā)電利用小時數(shù)低及頻繁啟停，由于裝機容量嚴重過剩，造成火電機組利用小時數(shù)大幅下降，且調(diào)峰頻繁，火電機組大部分時間處于低負荷區(qū)間運行。受傳統(tǒng)設(shè)計理念的影響，汽輪機的選型和設(shè)計及運行經(jīng)濟性最佳點選擇在THA工況點，機組部分負荷工況點偏離設(shè)計的最佳工況點后，其運行經(jīng)濟性變化較大。目前機組常規(guī)運行負荷工況普遍低于75%THA工況，部分地區(qū)常規(guī)運行負荷工況低達50%THA工況，其運行經(jīng)濟性明顯劣化，再加之機組頻繁啟停調(diào)峰，共影響機組運行煤耗升高5～12g/(kW·h)。

同時，受煤炭市場的影響，大多數(shù)鍋爐不能燃用設(shè)計煤種，導(dǎo)致排煙溫度和灰渣可燃物相對偏高，鍋爐效率難以達到設(shè)計水平，使機組發(fā)電煤升高約2～5g/(kW·h)。

綜上所述，影響機組供電煤耗的最大因素為早期投產(chǎn)機組的汽輪機熱耗率高和部分區(qū)域的低發(fā)電利用小時數(shù)；其次是鍋爐實際燃用煤種偏離設(shè)計煤種和鍋爐超低排放改造新增的設(shè)備等產(chǎn)生的影響。

2 燃煤機組綜合提效技術(shù)[3]

2.1 汽輪機通流改造先進提效技術(shù)

汽輪機通流部分改造技術(shù)隨著設(shè)計、制造、加工、材料等工藝水平的發(fā)展不斷更新，在提高通流效率、降低結(jié)構(gòu)損失上取得較大技術(shù)突破和創(chuàng)新。

(1)高效通流級設(shè)計技術(shù)，包含三元流設(shè)計技術(shù)、變反動度設(shè)計、先進葉型、彎扭三維葉片、薄出汽邊、子午面優(yōu)化等；

(2)調(diào)節(jié)級級段優(yōu)化技術(shù)，包含先進調(diào)節(jié)級設(shè)計、配汽方式優(yōu)化等；

(3)邊界層抽吸技術(shù)，包含優(yōu)化平衡孔尺寸等；

(4)未級葉片優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，包含高效低壓末級長葉片、防固體顆粒沖蝕設(shè)計等；

(5)進、排汽缸優(yōu)化技術(shù)，包含內(nèi)缸優(yōu)化、進汽段優(yōu)化、排汽擴散段優(yōu)化等；

(6)主機結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，包含焓降優(yōu)化分配；

(7)汽封優(yōu)化技術(shù)，先進汽封設(shè)計、動靜匹配技術(shù)多級聯(lián)合(含汽封)設(shè)計。

2.2 熱力參數(shù)提效技術(shù)

(1)汽輪機進汽參數(shù)

主蒸汽溫度每提高10℃，機組供電煤耗約下降0.9～1g/(kW·h)，再熱蒸汽溫度每提高10℃，機組供電煤耗下降0.7～0.8g/(kW·h)。

(2)汽輪機排汽參數(shù)

統(tǒng)計分析機組實際運行背壓，結(jié)合區(qū)域電網(wǎng)負荷、環(huán)境溫度及冷端優(yōu)化改造潛力等因素，優(yōu)化選擇改造機組的排汽壓力設(shè)計值。

2.3 熱力系統(tǒng)優(yōu)化提效技術(shù)

熱力系統(tǒng)優(yōu)化提效技術(shù)：0號高加提效技術(shù)；外置式蒸汽冷卻器提效技術(shù)；低(低)溫省煤器提效技術(shù)；能量(供熱)梯級利用提效技術(shù)。

2.4 輔助設(shè)備系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

輔助設(shè)備系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)：空預(yù)器密封、防堵技術(shù)；SCR全負荷運行技術(shù)；系統(tǒng)裕量匹配優(yōu)化技術(shù)；廠用電節(jié)能技術(shù)；輔助設(shè)備性能提升技術(shù)。

2.5 機組中、低負荷工況運行優(yōu)化提效技術(shù)

機組中、低負荷工況運行優(yōu)化提效技術(shù)：鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整；汽輪機滑壓優(yōu)化調(diào)整；汽輪機冷端優(yōu)化運行； 輔助系統(tǒng)、設(shè)備優(yōu)化運行；超低排放標準下環(huán)保設(shè)備節(jié)能提效的優(yōu)化運行。

綜上技術(shù)，通過機組的深度能耗診斷，提升設(shè)備系統(tǒng)精細化管理要求，“量身定制”機組下列集成技術(shù)改造方案：

(1)開展鍋爐制粉系統(tǒng)、空預(yù)器、風(fēng)機、汽輪機本體、汽機冷端、凝結(jié)水、熱力系統(tǒng)系列集成技術(shù)節(jié)能綜合技改。

(2)開展鍋爐燃燒調(diào)整、機組變工況滑壓運行曲線、輔機運行方式整體運行優(yōu)化；尤其是低負荷工況及機組啟停的整體運行優(yōu)化。

(3)開展多種技術(shù)組合的鍋爐超低排放綜合優(yōu)化提效改造、汽輪機通流綜合提效改造和機組供熱優(yōu)化改造。

最終實現(xiàn)綜合提效改造及機組整體運行優(yōu)化，提升機組整體性能。

3 燃煤機組綜合提效技術(shù)應(yīng)用案例

目前各燃煤發(fā)電企業(yè)正積極實施機組提效改造，從已完成改造的機組看，普遍存在改造前機組能耗診斷不深入、制訂的提效方案過于單一，前瞻性、全面性、區(qū)域電網(wǎng)及環(huán)境針對性不強。因此，首先要摸清機組在安全、環(huán)保、節(jié)能等方面存在問題，通過試驗和深度能耗診斷確定能耗基礎(chǔ)值，充分認識機組的能耗指標差距及問題原因，量化改造后能耗指標提升空間；其次是結(jié)合機組所在區(qū)域發(fā)電環(huán)境(包括區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、發(fā)電利用小時數(shù)、電網(wǎng)對機組增容的認可性、區(qū)域環(huán)境參數(shù)與現(xiàn)役機組的設(shè)計、運行的差距等)、供熱環(huán)境、靈活性要求和對機組的能耗指標要求，明確機組應(yīng)達改造目標和經(jīng)濟性；綜合以上因素，“量身定制”機組“綜合提效”技術(shù)路線。

3.1 某300MW亞臨界機組綜合提效技術(shù)案例

某300MW亞臨界濕冷機組2004年投產(chǎn)，汽輪機為N330-16.67/538/538一次中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機。鍋爐為1036-17.5-540/540型汽包爐，單爐膛切圓燃燒、中間一次再熱、自然循環(huán)、干式出渣、懸吊式燃煤汽包爐。通過深度能耗診斷，結(jié)合機組自身狀況、所在區(qū)域發(fā)電環(huán)境等因素“量身定制”機組的綜合提效技術(shù)方案，具體改造方案如下：

主機設(shè)備：汽輪機通流提效改造+鍋爐提汽溫參數(shù)+工業(yè)供熱改造。機組壓力參數(shù)不變，主汽溫提高5℃，提升至545℃，再熱汽溫提高27℃，提升至567℃。

汽機側(cè)：增加0號高加+鄰機加熱系統(tǒng)+循環(huán)水母管聯(lián)絡(luò)。

鍋爐側(cè)：磨煤機動態(tài)分離器+低溫余熱利用裝置+空預(yù)器密封裝置改造+分級省煤器改造。

表2 機組改造前后的技術(shù)指標對比

項 目改造前改造后指標改善量發(fā)電功率/MW3303300汽輪機熱耗率/kJ·(kW·h)-180907706-384鍋爐效率/%9293+1廠用電率/%5.15.10供電煤耗/g·(kW·h)-1328308.6-18.9

3.2 某600MW亞臨界機組綜合提效技術(shù)案例

某600MW亞臨界濕冷機組1991年投產(chǎn)，鍋爐是強制循環(huán)、帶輻射式一次中間再熱、固態(tài)排渣、Π型布置、單爐膛平衡通風(fēng)煤粉鍋爐。汽輪機為中間一次再熱、單軸四缸四排汽、雙背壓凝汽式汽輪機。通過深度能耗診斷，結(jié)合機組投產(chǎn)早、技術(shù)落后等因素制定機組的綜合提效技術(shù)方案如下：

主機設(shè)備：汽輪機通流提效改造+增容+鍋爐提汽溫參數(shù)+工業(yè)供熱改造。機組壓力參數(shù)不變，主汽溫提高30℃，提升至570℃，再熱汽溫提高20℃，提升至560℃。

汽機側(cè)：增加0號高加+鄰機加熱系統(tǒng)；

鍋爐側(cè)：燃燒器低氮改造+爐底濕排渣改干排渣裝置+低溫余熱利用裝置+空預(yù)器密封裝置改造+分級省煤器改造。

表3 機組改造前后的技術(shù)指標對比

3.3 某600MW超臨界機組綜合提效技術(shù)案例

某600MW超臨界濕冷機組2007年投產(chǎn)，鍋爐為變壓運行直流鍋爐，П型、螺旋水冷壁、單爐膛、前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全懸吊結(jié)構(gòu)，型號為HG1913/25.4/571/569-YM3。汽輪機為一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、八級回?zé)岢槠侥狡啓C,型號為：N650-24.2/566/566。通過深度能耗診斷，結(jié)合機組投產(chǎn)時間短、電網(wǎng)負荷率高等因素“量身定制”機組的綜合提效技術(shù)方案，具體如下：

主機設(shè)備：汽輪機通流提效改造+增容+工業(yè)、采暖供熱改造。

汽機側(cè)：增加外置式蒸汽冷卻+鄰機加熱系統(tǒng)；

鍋爐側(cè)：低溫余熱利用裝置+暖風(fēng)器改造+分級省煤器改造。

表4 機組改造前后的技術(shù)指標對比表

項 目改造前改造后指標改善量發(fā)電功率/MW600650+50汽輪機熱耗率/kJ·(kW·h)-178507600-250鍋爐效率/%9293+1廠用電率/%3.913.910供電煤耗/g·(kW·h)-1308295-13

3.4 綜合提效技術(shù)可改善機組煤耗情況[4]

(1)開展汽輪機全通流改造，可使300MW等級機組煤耗下降6.0～10.0g/(kW·h)，600MW等級機組煤耗下降5.0～8.0g/(kW·h)。

(2)通過汽輪機揭缸檢修，修復(fù)和調(diào)整汽封、局部采用新型汽封等措施，可使機組煤耗下降2.0～4.0g/(kW·h)。

(3)通過優(yōu)化汽輪機的高壓調(diào)門重疊度及滑壓運行方式，可使煤耗下降約1.0～2.0g/(kW·h)。

(4)通過冷端系統(tǒng)運行優(yōu)化，凝汽器清洗，抽真空系統(tǒng)改進，提高真空嚴密性等，可降低煤耗1.0～2.0g/(kW·h)，降低廠用電率0.1%～0.2%。

(5)通過科學(xué)配煤摻燒、燃燒優(yōu)化調(diào)整，改善排煙溫度，可使煤耗下降1.0～2.0g/(kW·h)。

(6)通過空預(yù)器受熱面及密封的改進、運行優(yōu)化SCR噴氨及吹灰、檢修及時維護清灰、改善漏風(fēng)等，可降低煤耗0.5～1.0g/(kW·h)。

(7)結(jié)合鍋爐超低排放設(shè)備系統(tǒng)優(yōu)化及煙風(fēng)系統(tǒng)阻力的優(yōu)化，對四大風(fēng)機進行高效葉輪改造、雙速改造、變頻改造、引增合一改造等措施，可降低廠用電率0.2%～1.0%。

(8)供熱改造機組煤耗的降低量與供熱量成正比，供熱量越大，煤耗的降低量越大，有較大采暖面積的可實施高背壓供熱改造，可使機組煤耗降低。

4 結(jié)語

通過綜合提效技術(shù)的實施，機組安全可靠性大幅提升，機組各項性能指標得以明顯提高，節(jié)能增效效果十分明顯。但要達到如期目標，必須開展好以下工作：通過試驗，深度診斷機組設(shè)備安全、環(huán)保、節(jié)能方面存在的問題狀況、能耗狀況，各主輔設(shè)備及系統(tǒng)的裕量及匹配情況；統(tǒng)計分析機組所在區(qū)域發(fā)電環(huán)境、供熱環(huán)境，包括區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、發(fā)電利用小時數(shù)、電網(wǎng)對機組增容的認可性及靈活性調(diào)峰要求等；收集機組先進提效技術(shù)、制造廠機組機組通流改造先進技術(shù)、同類型機組改造情況等；最終，“量身定制”具備前瞻性、全面性和先進性且集機組安全、環(huán)保、節(jié)能于一體的 “綜合提效”技術(shù)路線，實現(xiàn)燃煤電廠安全、高效、清潔的可持續(xù)發(fā)展。