李愛(ài)民

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510663

1 研究背景

隨著“一帶一路”倡議的實(shí)施,近年來(lái),國(guó)內(nèi)企業(yè)走出國(guó)門投資建設(shè)電廠的項(xiàng)目逐漸增多。不同國(guó)家的電廠項(xiàng)目,開(kāi)發(fā)建設(shè)流程各不相同,且各個(gè)國(guó)家會(huì)因項(xiàng)目投資方是政府還是私營(yíng)獨(dú)立電力發(fā)展商而存在明顯差異。在項(xiàng)目前期審批及項(xiàng)目購(gòu)電協(xié)議談判階段,大部分私營(yíng)獨(dú)立電力發(fā)展商的電廠項(xiàng)目需要提供電廠全壽命周期性能保證曲線和數(shù)據(jù)給政府相關(guān)部門,并且將在電廠商業(yè)運(yùn)營(yíng)前進(jìn)行初始性能測(cè)試,在后期運(yùn)行時(shí)每年初進(jìn)行驗(yàn)證,作為電價(jià)審批和調(diào)度的依據(jù),若不達(dá)標(biāo),則面臨巨額罰款。在項(xiàng)目初期,往往方案設(shè)計(jì)還未全面展開(kāi),因此如何提出滿足當(dāng)?shù)卣蟮娜珘勖芷谛阅鼙ＷC曲線,既能便于項(xiàng)目電價(jià)審批,又可避免日后罰款風(fēng)險(xiǎn),至關(guān)重要。筆者以巴基斯坦瓜達(dá)爾港300 MW燃煤電廠為例,研究國(guó)外燃煤電廠全壽命周期性能保證曲線提出過(guò)程中的方法和策略,為今后類似問(wèn)題提供參考。

2 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于巴基斯坦俾路支省西南部的瓜達(dá)爾港。瓜達(dá)爾港是我國(guó)“一帶一路”倡議的重要節(jié)點(diǎn),是中巴經(jīng)濟(jì)走廊的唯一出海口。瓜達(dá)爾港目前的電力供應(yīng)是從伊朗進(jìn)口,總?cè)萘績(jī)H為70 MW左右,需供整個(gè)梅克蘭地區(qū)使用,瓜達(dá)爾僅能分到約14 MW容量,連城區(qū)的需求都不能完全滿足。另外,瓜達(dá)爾地區(qū)沒(méi)有國(guó)家電網(wǎng)與外界相連,只有一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的局部小電網(wǎng),將瓜達(dá)爾、圖爾伯特、旁吉古爾、帕斯尼連接。結(jié)合瓜達(dá)爾、俾路支省與全國(guó)電力負(fù)荷增長(zhǎng)預(yù)測(cè),以及前期業(yè)主與當(dāng)?shù)卣臏贤ㄇ闆r,項(xiàng)目在預(yù)可行性研究階段進(jìn)行了多種燃料及裝機(jī)方案的比選,最終確定按照300 MW裝機(jī)容量的進(jìn)口燃煤電廠方案建設(shè)?；诠╇娍煽啃院头€(wěn)定性要求較高的角度,結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)特點(diǎn),推薦選用兩臺(tái)單機(jī)容量150 MW的國(guó)產(chǎn)先進(jìn)燃煤發(fā)電機(jī)組。根據(jù)電力系統(tǒng)接入報(bào)告結(jié)論,電廠出線考慮按照四回132 kV線路分別接入附近132 kV瓜達(dá)爾變電站和132 kV圖爾伯特變電站。

目前,對(duì)于容量為150 MW的燃煤發(fā)電機(jī)組而言,無(wú)論采用超高壓參數(shù)還是亞臨界參數(shù),我國(guó)國(guó)內(nèi)的主機(jī)及配套輔機(jī)制造、安裝、調(diào)試技術(shù)都是成熟可靠的。經(jīng)向三大主機(jī)廠家初步詢價(jià),如機(jī)組由超高壓參數(shù)改為亞臨界參數(shù),則兩臺(tái)機(jī)組主機(jī)部分共增加投資約8 000萬(wàn)元人民幣,連同其它輔助配套設(shè)備,項(xiàng)目總投資增加約1.3億元人民幣。根據(jù)主機(jī)廠家及其它工程參考數(shù)據(jù),由超高壓參數(shù)改為亞臨界參數(shù)后,單位機(jī)組熱耗可減少250 kJ/kWh～270 kJ/kWh,發(fā)電標(biāo)煤耗可減少約10.1 g/kWh。經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析,增加的投資部分總投資收益率為5.36%,全投資回收期為11.43 a,與銀行貸款利率5.37%相比,不具有顯著經(jīng)濟(jì)效益。加之對(duì)應(yīng)容量的亞臨界參數(shù)機(jī)組少,后期運(yùn)行維護(hù)備品備件獲取不方便,結(jié)合我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 754—2007《發(fā)電用汽輪機(jī)參數(shù)系列》與GB/T 753—2012《電站鍋爐 蒸汽參數(shù)系列》,優(yōu)先推薦采用最新國(guó)產(chǎn)改進(jìn)型超高壓參數(shù)機(jī)組。

根據(jù)巴基斯坦電監(jiān)局文件DecisionoftheAuthorityRegardingReconsiderationRequestFiledbyGovernmentofPakistanintheMatterofUpfrontTariffforCoalPowerProjects,要求電廠在投入商業(yè)運(yùn)行性能測(cè)試時(shí),全廠凈效率不低于37%,電廠設(shè)計(jì)壽命周期為30 a。該效率基準(zhǔn)實(shí)際基于毛輸出容量220 MW機(jī)組提出,對(duì)于毛輸出容量150 MW機(jī)組而言,要求還是相當(dāng)高的。

3 項(xiàng)目參數(shù)

基于東方電氣鍋爐有限公司提供的鍋爐性能衰減參考曲線,對(duì)上海電氣汽輪發(fā)電機(jī)廠和東方電氣汽輪發(fā)電機(jī)廠提供的汽輪發(fā)電機(jī)性能衰減參考曲線進(jìn)行對(duì)比,提出本項(xiàng)目的全壽命周期性能保證曲線。在將曲線提交當(dāng)?shù)卣畷r(shí),還需要根據(jù)主機(jī)設(shè)備廠家提供的性能保證曲線進(jìn)行修正。

汽輪機(jī)最大連續(xù)輸出工況設(shè)計(jì)參考條件見(jiàn)表1,煤質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。設(shè)計(jì)煤種為南非RB3,校核煤種為南非印尼5∶5。

表1 汽輪機(jī)最大連續(xù)輸出工況設(shè)計(jì)參考條件

表2 煤質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)

4 鍋爐性能衰減曲線

本項(xiàng)目推薦鍋爐型式為超高壓汽包爐,自然循環(huán),單爐膛,露天布置,采用全鋼框架,為固態(tài)排渣。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)條件,經(jīng)過(guò)鍋爐熱平衡計(jì)算,東方電氣鍋爐有限公司提供的本項(xiàng)目鍋爐效率衰減曲線如圖1所示,效率預(yù)測(cè)見(jiàn)表3。

廠家特別說(shuō)明,鍋爐效率衰減曲線和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)僅供參考,效率以燃煤低位熱值為基準(zhǔn)。30 a壽命周期內(nèi),按照6 a一個(gè)大修期,在日常維護(hù)較好、大修及小修后機(jī)組設(shè)備性能達(dá)到較高恢復(fù)水平的前提下,對(duì)鍋爐效率進(jìn)行如表3所示預(yù)測(cè)。運(yùn)行一段時(shí)間后,煤質(zhì)變化帶來(lái)爐膛結(jié)渣,吹灰不及時(shí)會(huì)降低鍋爐受熱面的換熱效果,磨煤機(jī)長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間后煤粉細(xì)度提高,空預(yù)器漏風(fēng)率提高,其它原因引起排煙溫度升高,這些都會(huì)降低鍋爐的效率。此外,日常維護(hù)和大修、小修的質(zhì)量,對(duì)鍋爐性能的影響也較大?？紤]諸多因素的影響,按照6 a一個(gè)大修期,在日常維護(hù)較好,大修及小修后機(jī)組設(shè)備性能達(dá)到較高恢復(fù)水平的前提下,預(yù)測(cè)得到如圖1所示鍋爐效率曲線。

圖1 鍋爐效率衰減曲線

表3 鍋爐效率預(yù)測(cè)

5 汽輪機(jī)性能衰減曲線

本項(xiàng)目采用150 MW超高壓、一次中間再熱、單軸、雙缸單排汽、反動(dòng)凝汽式汽輪機(jī),回?zé)峒?jí)數(shù)為8級(jí)。

根據(jù)上海電氣汽輪發(fā)電機(jī)廠和東方電氣汽輪發(fā)電機(jī)廠提供的性能參考曲線進(jìn)行整理。兩家廠家均具有豐富的國(guó)內(nèi)外電廠項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),能夠代表國(guó)內(nèi)電力設(shè)備的先進(jìn)制造水平。

上海電氣汽輪發(fā)電機(jī)廠提供的本項(xiàng)目汽輪機(jī)性能衰減曲線如圖2所示,該廠生產(chǎn)的汽輪機(jī)組一個(gè)大修周期為12 a,機(jī)組可靠性較高。

圖2 上海電氣汽輪發(fā)電機(jī)廠汽輪機(jī)性能衰減曲線

根據(jù)圖2,整理得到30 a內(nèi)汽輪機(jī)機(jī)組的熱耗修正因數(shù),見(jiàn)表4。

東方電氣汽輪發(fā)電機(jī)廠提供的本項(xiàng)目汽輪機(jī)性能衰減曲線如圖3所示,該廠生產(chǎn)的汽輪機(jī)組一個(gè)大修周期為6 a。

表4 上海電氣汽輪發(fā)電機(jī)廠汽輪機(jī)熱耗修正因數(shù)

圖3 東方電氣汽輪發(fā)電機(jī)廠汽輪機(jī)性能衰減曲線

根據(jù)圖3,整理得到30 a內(nèi)汽輪機(jī)機(jī)組的熱耗修正因數(shù),見(jiàn)表5。

發(fā)電機(jī)效率按照98.5%考慮,上述兩家廠家均認(rèn)為30 a內(nèi)發(fā)電機(jī)發(fā)生性能衰減可不考慮,即在30 a內(nèi),發(fā)電機(jī)在額定功率150 MW、功率因數(shù)0.85下,效率為98.5%。

6 廠用電耗率

廠用電耗率通常只計(jì)算經(jīng)常連續(xù)運(yùn)行的負(fù)荷,全廠性的公用負(fù)荷按機(jī)組容量比例分?jǐn)傊粮鳈C(jī)組。DL/T 5153—2014《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》推薦兩種不同的廠用電負(fù)荷計(jì)算方法,即換算因數(shù)法和軸功率法[1]。在項(xiàng)目前期,針對(duì)高壓負(fù)荷一般采用軸功率法,針對(duì)低壓負(fù)荷一般采用換算因數(shù)法。對(duì)廠用電進(jìn)行優(yōu)化,主要在于對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)軸功率的計(jì)算。常用高壓電動(dòng)機(jī)包括電動(dòng)給水泵、一次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)、循環(huán)水泵等,這些高壓電動(dòng)機(jī)在電廠廠用電占比高達(dá)90%,因此需重點(diǎn)關(guān)注。同時(shí)需要確定項(xiàng)目的考核工況點(diǎn),因?yàn)椴煌墓r下軸功率不同。常規(guī)情況下,考核工況點(diǎn)為100%最大連續(xù)工況點(diǎn)[2-4]。

表5 東方電氣汽輪發(fā)電機(jī)廠汽輪機(jī)熱耗修正因數(shù)

由于各項(xiàng)目的廠用電耗率指標(biāo)有所不同,因此需要根據(jù)實(shí)際情況合理優(yōu)化廠用電耗,適當(dāng)考慮裕量。本項(xiàng)目實(shí)際統(tǒng)計(jì)廠用電耗率略低于9%,為避免購(gòu)電協(xié)議性能罰款風(fēng)險(xiǎn),建議按照巴基斯坦電監(jiān)局規(guī)定的限值9%執(zhí)行。

7 發(fā)電廠全壽命周期性能

目前,由于對(duì)進(jìn)入鍋爐的燃煤量進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)不過(guò)關(guān),采用正平衡法計(jì)算發(fā)電煤耗和電廠效率尚不能保證準(zhǔn)確性,因此往往采用反平衡法計(jì)算發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗和電廠效率。對(duì)于非供熱機(jī)組,電廠效率主要通過(guò)汽輪機(jī)組發(fā)電熱效率、鍋爐熱效率和管道效率三部分反平衡法進(jìn)行計(jì)算[5-7]。

ηcp=ηbηgηp

(1)

式中:ηcp為電廠效率;ηb為鍋爐熱效率;ηg為汽輪機(jī)組發(fā)電熱效率;ηp為管道效率。

ηg=3 600/HR

(2)

式中:HR為汽輪機(jī)組熱耗,kJ/kWh。

通常,汽輪機(jī)組熱耗由廠家考慮發(fā)電機(jī)效率后經(jīng)過(guò)汽輪機(jī)熱平衡計(jì)算提供。

ηcp(net)=ηcp(1-ηaux)

(3)

式中:ηcp(net)為電廠全廠凈效率;ηaux為廠用電耗率。

廠用電耗率通常為廠用電耗總和與裝機(jī)容量的比值。

根據(jù)主機(jī)招標(biāo)階段廠家提供的性能保證數(shù)據(jù),在設(shè)計(jì)背壓為7.4 kPa,汽輪機(jī)100%額定輸出工況下,上海電氣汽輪發(fā)電機(jī)廠提供的汽輪機(jī)熱耗值為7 994.4 kJ/kWh,東方電氣汽輪發(fā)電機(jī)廠提供的汽輪機(jī)熱耗值為8 019.0 kJ/kWh,假設(shè)投入商業(yè)運(yùn)行測(cè)試時(shí)汽輪機(jī)性能可以達(dá)到主機(jī)招標(biāo)階段廠家承諾提供的熱耗數(shù)據(jù),筆者根據(jù)以上廠家數(shù)據(jù)整理發(fā)電廠全壽命周期性能計(jì)算值,見(jiàn)表6。其中,廠用電耗率按照政府規(guī)定的限值9%執(zhí)行,管道效率按98.5%計(jì)入[8]。

根據(jù)表6繪制本項(xiàng)目30 a全壽命周期全廠凈效率性能計(jì)算值衰減曲線,如圖4所示。

圖4 全壽命周期全廠凈效率性能計(jì)算值衰減曲線

由圖4可以看出,兩家廠家的全壽命周期全廠凈效率性能衰減曲線非常接近,且趨勢(shì)一致。由于性能試驗(yàn)具有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)利益的雙重價(jià)值[9],為避免購(gòu)電協(xié)議性能罰款,建議投資方在與巴基斯坦電監(jiān)局及中央電力采購(gòu)局談判過(guò)程中,基于大修周期較長(zhǎng)的上海電氣汽輪發(fā)電機(jī)廠熱效率計(jì)算數(shù)據(jù),同時(shí)考慮其它設(shè)備性能差異及檢修維護(hù)水平等不確定因素,計(jì)算凈效率按0.5%折減預(yù)留裕量。建議提供的全壽命周期全廠凈效率性能保證曲線如圖5所示。

圖5 全壽命周期全廠凈效率性能保證曲線

8 結(jié)束語(yǔ)

電廠項(xiàng)目是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,全廠的性能衰減曲線與設(shè)備的性能衰減曲線密切相關(guān)。各個(gè)設(shè)備的性能又與產(chǎn)品質(zhì)量、安裝水平、電廠運(yùn)行工況、運(yùn)行維護(hù)人員操作水平、檢修維護(hù)頻率、備品備件質(zhì)量及更換頻率等密切相關(guān),因此,筆者在本文中所提供的全壽命周期性能保證曲線僅供參考。由于海外項(xiàng)目性能試驗(yàn)一般基于美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,最終的性能保證曲線需在定標(biāo)廠家進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)后再基于資料計(jì)算[10-1]。

筆者以巴基斯坦瓜達(dá)爾港300 MW燃煤電廠為例,對(duì)影響電廠凈效率考核的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)——鍋爐效率、汽輪機(jī)熱耗、廠用電耗率進(jìn)行重點(diǎn)分析,研究國(guó)外燃煤電廠全壽命周期性能保證曲線提出過(guò)程中的方法和策略,既能保證所提供的性能保證曲線合理可靠,又能有效規(guī)避購(gòu)電協(xié)議性能罰款風(fēng)險(xiǎn),對(duì)今后處理類似問(wèn)題具有參考價(jià)值。

表6 發(fā)電廠全壽命周期性能計(jì)算值