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燃煤電廠機組調峰與供熱節(jié)能減排降碳改造探討

2023-01-02 09:10尹華雷張振
中國設備工程 2022年11期
關鍵詞:調峰生物質燃煤

尹華雷,張振

(1.中石化勝利石油管理局有限公司勝利發(fā)電廠市場運營部;2.東營勝利國電有限公司,山東 東營 257087)

隨著低碳綠色經濟轉型步伐加快,水電、核電、風電、太陽能發(fā)電等清潔能源以及大容量、低能耗、超超臨界的600MW、1000MW級煤電機組的投產,我國電力市場供大于求的現象已成為新常態(tài)。據國家能源局統計,“2021年1~8月份,全國發(fā)電設備累計平均利用2560h,特別是火電廠,設備利用小時數連續(xù)幾年下降,已低于3000h/年?!背耸⑾挠秒姼叻搴投竟嵩路萃猓话霗C組常年閑置。運行機組經常只帶60%~75%的負荷,此區(qū)間運行機組運行能效和污染物控制能力明顯降低,經濟效益下降。特別是2021年以來煤炭價格暴漲(年內煤炭價格漲了1倍多,5500大卡的電煤已經漲到了1600元/t左右),成本倒掛,燃煤電廠的日子越來越難過,尤其是300MW以下機組的電廠舉步維艱,連續(xù)虧損,到了破產或即將破產的境地。那么,如何應對這些多重困難和挑戰(zhàn)尋找生存之路?鑒于我國要在2030年前實現碳達峰和2060年前實現碳中和目標及燃煤電量仍占60%的現實,煤電企業(yè)要想生存發(fā)展,亟需因地制宜、因機制宜實施對機組的靈活性調峰改造、機組擴容長距離供熱改造、機組節(jié)能降耗及減排降碳改造。這些技術改造互相關聯,相輔相成,牽一發(fā)而動全身,必須高瞻遠矚、統籌謀劃。下面就三大技改應遵循的原則和如何把握技術方向路線談一些粗淺看法,供相關人員參考。

1 機組調峰靈活改造,兼顧安全經濟兩相宜

機組靈活性改造直接關系著安全生產平穩(wěn)運行,與節(jié)能降耗、經濟指標密不可分。實施前要針對機組自身的特性和系統以及調峰幅度,統籌制定集設備安全、穩(wěn)定運行、節(jié)能降耗、減排環(huán)保四位一體的相互匹配的技術方案。目前,比較成熟可靠的調峰靈活性改造實用技術主要有:

(1)鍋爐專業(yè)方面。鍋爐加裝等離子點火穩(wěn)燃裝置,油槍改為微油槍;燃燒器改為穩(wěn)燃型;采用富氧燃燒技術等;空預器改造采用東方電氣公司研發(fā)的“三改二”技術,可解決漏風率高的問題;在本爐2臺送風機、引風機之間加裝聯絡風煙道及擋板,以實現機組啟動初期和低負荷時采用單套系統運行;在兩鄰爐相近的2臺空氣預熱器煙道出口加1個聯絡煙道及擋板,將臨爐熱煙氣引至送風機入口,用熱煙氣對冷爐進行點火前的烘爐暖爐;直吹式鍋爐,在磨煤機熱一次風管道裝設加熱系統(旁路暖風器),使磨煤機早制粉、早向爐內送粉,中間儲倉式煤粉爐則可采用鄰爐輸粉,調峰深度主要取決于鍋爐低負荷時的燃燒穩(wěn)定性和助燃用油量及鍋爐啟停燃油量。以上改造技術大都圍繞這個根本問題開發(fā)應用。

(2)汽機專業(yè)方面。凝結水泵和凝汽器真空系統節(jié)能改造;循環(huán)水系統改造,如在2臺機循環(huán)水系統的母管上加1個聯絡管及聯絡門,并在各自的水塔進水管上加1個旁路及隔絕門,可實現由“一機一塔”變?yōu)椤皟蓹C一塔”運行,節(jié)水、節(jié)電效果顯著。

(3)電氣專業(yè)方面。主要是對鍋爐、汽機、灰硫、燃料等專業(yè)的輔機設備實施變頻、變速改造。如引風機、送風機、一次風機(排粉機)、氧化風機等6kV設備變頻改造,燃油泵、污水泵等400V設備變頻改造,循環(huán)水泵變頻、變速改造。

上述改造項目,多為局部改造和公用系統通聯改造,技術成熟、風險小,機組中、小修中就可實施完成,投資相對小、回收期不長,既利于機組深度調峰安全運行,又減少機組啟動和調峰費用,經濟實惠,企業(yè)比較容易接受。

2 機組供熱擴容改造,長遠供熱需搶占先機

冬季供熱采暖是關乎社會穩(wěn)定、百姓安居樂業(yè)的民生工程,是我國北方地區(qū)千家萬戶冬季的必需,對于燃煤電廠來說仍有較大的潛在市場,因為那些遠離火電廠的社區(qū)住戶、商場、影院多數用的是參數低、高能耗、高污染、分散的小容量鍋爐供熱,或是電耗高的空調。隨著國家對環(huán)保指標日趨嚴格和民用電的漲價,由火電廠集中供熱成為必然趨勢。2021年11月3日,國家發(fā)改委、國家能源局對外發(fā)布《全國煤電機組改造升級實施方案》中指出在供熱改造方面,鼓勵現有燃煤發(fā)電機組替代供熱,積極關停采暖和工業(yè)供汽小鍋爐,對具備供熱條件的純凝機組開展供熱改造,在落實熱負荷需求的前提下,“十四五”期間改造規(guī)模力爭達到5000萬kW。因此,對于周邊有熱用戶(包括潛在熱用戶)的燃煤電廠應積極申請延壽,將其改為供熱機組。一可使電廠產能有固定消費用戶保障;二可使電廠總效率由35%~38%提高到80%以上,煤耗大幅度下降,增收節(jié)支效果顯著;三可減少環(huán)境污染,凈化空氣質量,降低了環(huán)保減排壓力(由于集中供熱可替代原有大片供熱燃煤小鍋爐)。這樣做既替代了新增規(guī)模,又節(jié)省了大量煤電投資,還降低了投資收益風險,成為存量火電資產處置的一條可行出路。隨著長距離供熱技術迅速的發(fā)展,l5~20km以上的長距離供熱已經常態(tài)化,為大批遠離城市的煤電機組改為供熱取代分散的燃煤供熱鍋爐提供了有利條件。煤電企業(yè)(尤其是地處城市經濟開發(fā)區(qū)和郊區(qū)的煤電廠),應積極主動與當地政府和用戶(不論是民用還是工業(yè)用)聯系溝通,通過對電廠存量機組的供熱改造,滿足不斷增長的熱用戶需求。

煤電機組供熱改造的先進工藝技術和案例較多,可供借鑒參考技術改造的主要有:熱電機組切除低壓缸進汽及凝、抽、背工況在線實時切換技術;燃煤電廠低位能供熱技術、節(jié)能技術改造;熱電機組冷端近零損失供熱與電力調峰協同的技術;汽輪機旁路供熱技術;汽輪機轉子光軸供熱改造低品位蒸汽供熱改造技術;“太古”長遠距離供熱等技術,推進集中供熱,逐步替代燃煤小鍋爐,為國家政策落實提供了有力的技術支撐,值得研究學習借鑒。

3 超低排放改造與降碳,技術方法亟待新突破

燃煤電廠是煙塵、二氧化硫(SO2)、二氧化碳(CO2)和氮氧化物(NOX)等大氣污染物的主要排放源。超低排放就是通過多污染物高效協同控制技術,使火電機組對大氣主要污染物排放標準達到天然氣燃氣機組的排放標準。隨著環(huán)保監(jiān)管工作趨嚴,環(huán)保工作將進入后超低排放時代,雖然目前暫未出臺能耗底限的相關標準,但預計,污染物超低排放限值有望成為火電廠未來大氣污染物排放的新標準,能耗限值有望出臺,能效與環(huán)保“硬約束”帶來的“去產能”將逐步開展。除政策明確規(guī)定淘汰的機組容量目標外,能效與環(huán)保有可能成為煤電落后產能淘汰的最大推動力。然而,煤電企業(yè)減排空間越來越小,難度越來越大,成本越來越高。路在何方?從國家能源、環(huán)保政策和國民經濟發(fā)展大局看,應因地制宜采取不同的布局策略和措施:(1)在液化氣具備儲運條件,能夠保障充分供應的港口地區(qū)和一線城市應考慮發(fā)展燃氣輪機組發(fā)電供熱,燃氣輪機組具備投產工期短、啟動速度快、調峰性能好、效率高、清潔環(huán)保等性能優(yōu)勢。(2)對在役鍋爐進行摻燒生物質、摻燒沼氣耦合發(fā)電技術改造。在超高壓大容量鍋爐中耦合燃燒部分生物質原料,既可以提高生物質原料在電力系統中的利用率,也可以減少溫室氣體排放。由于現代燃煤電廠規(guī)模較大、性能優(yōu)越,與新建或改造100%的生物質發(fā)電廠相比較,燃煤電廠生物質耦合發(fā)電具有投資成本低、生物質燃料利用效率高、規(guī)模經濟性好、發(fā)電成本低等優(yōu)點。與其他可再生能源相比,生物質耦合燃燒發(fā)電是一種建設周期短、改造成本低的選擇。通過用生物質原料作為大型燃煤發(fā)電廠鍋爐的部分替代燃料,高效、清潔地將生物質轉化為電能。(3)浙能集團與浙江大學產學研用合作研發(fā)的“燃煤機組超低排放關鍵技術研發(fā)及應用”項目一系列技術對燃煤機組具有普適性,進一步完善后值得在燃煤電廠廣泛推廣應用。

另外,碳排放的減少和控制問題也需著重探討,眾所周知,我國要在2030年前實現碳達峰和2060年前實現碳中和目標,能源行業(yè)是主戰(zhàn)場,煤電企業(yè)是主力軍,鍋爐是重中之重。當前和今后8年乃至30年,“雙碳”達標是我國一項非常艱巨的任務,壓力非常大,好在我國的科研院所已經做了大量的前期研究,國有大型企業(yè)集團公司也在不停地探索試驗,并取得了可喜的成績。如早在2010年中石化就曾在勝利油田自備電廠—勝利電廠實施過二氧化碳捕集純化先導試驗工程項目,從煙氣中捕集高純度二氧化碳每年達到100多萬t,用于3次采油提高采收率,積累了一些有益經驗。2021年7月5日,中石化又宣布開啟我國首個百萬噸級CCUS項目建設——齊魯石化勝利油田CCUS項目。將煉化企業(yè)產生的二氧化碳捕集提純后運輸注入油井地下,可實現二氧化碳驅油與減排的雙贏。該工程竣工投產后,為地處油田和周邊的燃煤電廠的未來發(fā)展打開了希望之門,將會爭取到更多的煤炭指標和發(fā)電量指標,在碳交易市場上會有更多話語權、主動權。近期又有好消息傳來,由大連化物所研究團隊和珠海市福田能源科技有限公司聯合開發(fā)的全球首套1000t/年二氧化碳加氫氣油中試裝置,在山東鄒城工業(yè)園區(qū)開車成功,生產出符合VI標準的清潔汽油產品。該技術于今年3月4日在上海通過了中國石油和化學工業(yè)聯合會組織的科技成果鑒定評價,認為整體技術處于國際領先水平,該技術為后續(xù)萬噸級工業(yè)裝置的運行提供了有力支撐。二氧化碳加氫轉化制液體燃料和化學品,不僅可實現溫室氣體二氧化碳的資源化利用,還有利于可再生能源的儲運。筆者認為,只有將二氧化碳捕集回收利用、變廢為寶才是標本兼治、一勞永逸的長久根本之計。

4 把握改造基本原則,統籌謀劃防決策失誤

首先要認清全國電力市場現狀和發(fā)展大勢,了解國家能源、環(huán)保政策和新舊動能轉換的內涵,學習研究國家能源新政策和電力、供熱市場及技術進步方面的前沿信息,找準方向定位。對即將達到服役年限暫未列入關停拆除名單的機組,改造應遵守以下3項基本原則:一是要對改造的必要性、可行性、費效比、可用年限等充分論證,對在役機組進行延壽評估;二是改造要因地、因廠、因機施策,區(qū)別對待,不能簡單照搬,盲目硬套;三是改造要保證安全低耗、清潔環(huán)保、高質量。

尤其是投資較大的技改項目立項實施前,一定要科學決策、統籌謀劃,不可顧此失彼。要針對機組自身的特性和系統以及調峰幅度,統籌制定集設備安全、穩(wěn)定運行、節(jié)能降耗、減排環(huán)保四位一體的相互匹配的技術方案。如對現有和潛在的用戶及用電量、用熱量、年限、可供煤量等指標考察調研,并測算投入產出比和投資回收期,以免因前瞻性、預見性不夠,做出不合當地實際發(fā)展需要的錯誤決策。

只有通過技術、經濟、資產評估、法律等各方面的專家會診,科學、全面、審慎的論證,共同把脈給出良方,才可能有效防止決策失誤,防止改前感情用事、興致勃勃的“拍腦袋”,改后捶胸頓足“拍大腿”。十幾年前北方的某坑口電廠,曾斥資2億元對1臺30萬kV發(fā)電機組進行技A級檢修改造,1年后被關停拆除,投資打了水漂,這種“雞飛蛋打”勞民傷財的深刻教訓不能不引以為戒。

5 結語

我國已經進入電力供應寬松常態(tài)化、電源結構清潔化、電力系統智能化、電力發(fā)展國際化、體制機制市場化的新時代?!笆奈濉逼陂g,將圍繞“清潔低碳安全高效”8個字推動能源結構綠色低碳轉型。煤電行業(yè)的熱點、重點是大容量高參數燃煤發(fā)電技術、靈活發(fā)電技術、二氧化碳捕集利用和封存技術、二氧化碳加氫轉化制液體燃料和化學品技術、IGF發(fā)電技術、煤與可再生能源進行耦合發(fā)電技術、超臨界二氧化碳發(fā)電技術。對煤電企業(yè)來說,不論進行哪方面的技術改造,都應根據當地資源條件和用電、用熱分布需求,因地、因機制宜實施推行,決不可一刀切、一陣風,盲目從事。

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