毛健雄

(清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京 海淀 100083)

0 引言

為了應(yīng)對(duì)全球氣候變化的挑戰(zhàn)，我國能源結(jié)構(gòu)將加快升級(jí)，能源的低碳化、清潔化水平正在顯著提高。目前，我國電力的低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型成效顯著，至2019年底，我國非化石能源電力裝機(jī)容量已達(dá)8.4×108kW，占全國總裝機(jī)容量的41.9%；發(fā)電量2.39×1012kW·h，占32.7%[1]。作為高碳燃料的煤炭被替代程度將正在逐步加深，這是我國電源結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在這種形勢(shì)下，我國目前的電源結(jié)構(gòu)仍然還是“煤電為主”，電力工業(yè)正在面臨著巨大的挑戰(zhàn)。2018年煤電總裝機(jī)容量已經(jīng)超過10×108kW，2019年我國在建的燃煤火電機(jī)組總?cè)萘繛?.21×108kW。這意味著即使不再增加新建的煤電機(jī)組，在近2～3年內(nèi)，我國的煤電裝機(jī)總?cè)萘繉?huì)超過12×108kW。從能源安全的角度，總裝機(jī)容量超過10×108kW的煤電，作為我國電力的“壓艙石”，其作用是不可替代的。因此，從能源和電力安全的角度看，煤電在未來相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)必須是可持續(xù)、高質(zhì)量、低碳的發(fā)展。

此外，燃煤發(fā)電是最清潔、高效的用煤方式。2018年，我國原煤產(chǎn)量36.8×108t，消費(fèi)量39×108t，分別占一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)的69.6%和59%[2]，但我國煤電的用煤比重只占全國煤炭消費(fèi)總量的50.6%，不但遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家如美國(煤電用煤比重占91%)、經(jīng)合組織國家(占80.2%)、歐盟國家(占76.2%)，而且低于世界平均比重(67.2%)。因此，如果能夠大大提高電煤在全國煤炭總消耗中的比重，在供給側(cè)最大限度地將煤炭用于高效、清潔發(fā)電，在需求側(cè)將電力最大限度地用于交通(火車和電動(dòng)汽車等)、工業(yè)和民用等一切可能的領(lǐng)域，以真正實(shí)現(xiàn)我國全面高水平的“電氣化”。和發(fā)達(dá)國家相比，我國的電氣化水平還存在一定的差距，2019年我國的人均用電量和人均生活用電量分別為5 161、732 kW·h，與美國2018年的數(shù)據(jù)相比，分別低2.2倍和6.8倍。因此，使我國的電氣化水平趕上發(fā)達(dá)國家，將會(huì)大大促進(jìn)我國的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和改善人民的生活水平及環(huán)境空氣質(zhì)量。如果我國電煤在全國煤炭總消耗中的比重能夠達(dá)到世界平均水平的67.2%或更高，不但能夠有效解決煤炭產(chǎn)生的污染，而且可以顯著降低由于使用煤炭而產(chǎn)生的碳排放。所以，從煤炭資源高效、清潔利用的角度看，我國煤炭利用應(yīng)該進(jìn)一步向“煤電”集中，而這反過來又對(duì)煤電的高效、清潔和低碳提出了更高的要求。本文聚焦煤電高質(zhì)量發(fā)展，為提高現(xiàn)役的大量亞臨界機(jī)組效率，重點(diǎn)介紹亞臨界機(jī)組600 ℃升溫綜合改造技術(shù)及其效果。

1 煤電的高質(zhì)量發(fā)展

煤電高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)容可以包括很多，如發(fā)展“數(shù)字化、智慧化、物聯(lián)網(wǎng)化”等等，但是，核心應(yīng)該是對(duì)應(yīng)于煤電所面臨的最主要挑戰(zhàn)并加以解決的發(fā)展，也就是：(1)應(yīng)對(duì)氣候變化的“低碳發(fā)展”；(2)應(yīng)對(duì)更高質(zhì)量環(huán)境要求的“清潔發(fā)展”；(3)應(yīng)對(duì)可有效消納迅速發(fā)展的可再生能源電力的需求，可安全、穩(wěn)定、高效、低排放地適應(yīng)負(fù)荷和電網(wǎng)頻率的“靈活性發(fā)展”[3-4]。

面對(duì)我國超過10×108kW在役煤電機(jī)組的這“三大挑戰(zhàn)”，煤電應(yīng)該把牢高質(zhì)量發(fā)展的定力，通過創(chuàng)新技術(shù)，對(duì)所有在役煤電機(jī)組進(jìn)行實(shí)現(xiàn)上述“三個(gè)發(fā)展”目標(biāo)的技術(shù)改造，這就是煤電的高質(zhì)量發(fā)展。

早在2014年，《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》提出：到2020年，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組改造后平均供電煤耗低于310 g/(kW·h)，其中現(xiàn)役60×104kW及以上機(jī)組(除空冷機(jī)組外)改造后平均供電煤耗低于300 g/(kW·h)；繼續(xù)淘汰落后產(chǎn)能，到2020年，力爭淘汰落后火電機(jī)組1 000×104kW以上；實(shí)施綜合節(jié)能改造。重點(diǎn)對(duì)30×104kW和60×104kW等級(jí)亞臨界、超臨界機(jī)組實(shí)施綜合性、系統(tǒng)性節(jié)能改造，改造后供電煤耗力爭達(dá)到同類型機(jī)組先進(jìn)水平。2019年9月，國家能源局會(huì)同科技部提出要在2030以前，實(shí)現(xiàn)我國煤電的低負(fù)荷調(diào)峰能力達(dá)到100%～20%。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，我國煤電高質(zhì)量發(fā)展的重點(diǎn)應(yīng)該首先放在對(duì)總裝機(jī)容量約3.5×108kW的現(xiàn)役亞臨界機(jī)組的升級(jí)改造。這是因?yàn)?，?duì)于大量現(xiàn)役的水冷純凝汽式無供熱的亞臨界機(jī)組，其在額定工況下的實(shí)際供電煤耗普遍高于320 g/(kW·h)，相當(dāng)部分機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行供電煤耗超過340 g/(kW·h)，不僅明顯高于超臨界和超超臨界機(jī)組，而且距離國家頒布實(shí)施的煤電“六年行動(dòng)計(jì)劃”的規(guī)定要求還相距甚遠(yuǎn)。

2 亞臨界機(jī)組600 ℃升溫改造技術(shù)

與超超臨界機(jī)組相比，亞臨界機(jī)組效率差距的最主要原因就是亞臨界機(jī)組(16.7 MPa/538/538 ℃)的蒸汽壓力和溫度均明顯低于超超臨界機(jī)組(26 MPa/600/600 ℃)，而根據(jù)熱力學(xué)原理，提升蒸汽壓力帶來的效率收益明顯低于提升蒸汽溫度，且效率增量隨著壓力的升高不斷遞減，如圖1所示。由圖1可見，主/再熱蒸汽溫度從538/538 ℃提高到600/600 ℃ ，僅機(jī)組循環(huán)效率就可提高近4%。但蒸汽壓力從亞臨界16.7 MPa提高到超超臨界28 MPa，機(jī)組循環(huán)效率僅提高不到0.5%。

圖1 蒸汽熱力循環(huán)中蒸汽壓力和溫度與效率的關(guān)系Fig.1 Relationship between steam pressure, temperature and efficiency in steam thermal cycle

實(shí)際上，蒸汽溫度是影響火電機(jī)組熱效率的主要因素，在研究決定新建機(jī)組的初參數(shù)時(shí)，為了提高機(jī)組的熱效率，要根據(jù)工程上具備使用條件的耐熱合金材料性能，盡可能提高汽輪機(jī)的進(jìn)汽溫度，溫度越高，機(jī)組的熱效率越高。溫度確定后，則需根據(jù)機(jī)組容量，以機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性最佳為目標(biāo)，對(duì)進(jìn)汽輪機(jī)的進(jìn)汽壓力進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比選。通常情況下，隨著溫度的提升，壓力也會(huì)隨著提升，這不僅是為了進(jìn)一步提高機(jī)組熱效率，也是為了減少水蒸汽的容積流量，從而減少鍋爐過熱器和再熱器及高溫管道的金屬用量，降低工程造價(jià)。

對(duì)于亞臨界機(jī)組，最初汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度確定為538 ℃，這是當(dāng)時(shí)可用的耐熱合金材料的使用上限溫度。而進(jìn)汽壓力選為16.7 MPa，則是按照上述的優(yōu)化原則確定的。隨著高溫材料的技術(shù)進(jìn)步，現(xiàn)在工程中可以使用的耐熱合金材料的工作溫度已超過600 ℃，這就為亞臨界機(jī)組的進(jìn)汽溫度由538 ℃提升到超超臨界的600 ℃提供了條件。但對(duì)于300 MW等級(jí)的亞臨界機(jī)組，將蒸汽壓力也相應(yīng)提升至超超臨界機(jī)組的水平并不合理，這不能達(dá)到機(jī)組的最佳經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，其原因是由于這一容量等級(jí)機(jī)組的主蒸汽質(zhì)量流量較小，如果將亞臨界16.7 MPa/538 ℃壓力提升至超超臨界24 MPa/538 ℃ ，則蒸汽比容會(huì)從0.019 893 9 m3/kg下降至0.013 006 4 m3/kg，容積流量下降了34.6%，這樣汽輪機(jī)進(jìn)汽側(cè)葉片高度則會(huì)相應(yīng)下降。由于該容量等級(jí)的汽輪機(jī)，汽缸內(nèi)效率對(duì)葉片高度非常敏感。當(dāng)蒸汽壓力提高后，雖然機(jī)組的熱力循環(huán)效率會(huì)升高，但汽缸內(nèi)效率下降，兩者相抵，在性能上得到的收益不大。所以對(duì)300 MW等級(jí)的亞臨界機(jī)組，與提升壓力會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)內(nèi)效率下降的現(xiàn)象相比，提升溫度則恰恰相反，蒸汽比容上升對(duì)改善汽輪機(jī)內(nèi)效率有利。

事實(shí)上，從經(jīng)濟(jì)學(xué)和性價(jià)比角度，對(duì)于亞臨界機(jī)組改造項(xiàng)目，將現(xiàn)役亞臨界機(jī)組汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力進(jìn)行提升，會(huì)大大增加機(jī)組設(shè)備的改造范圍，包括水冷壁、汽包和所有對(duì)流受熱面在內(nèi)的鍋爐所有承壓部件都需要更換，鍋爐的重量也會(huì)增大，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)能否滿足安全要求也需要核算，同時(shí)給水泵、高壓加熱器等承壓設(shè)備都需要更換。盡管提高汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力，可以小幅度提高機(jī)組效率，也可以減少鍋爐高溫受熱面的的金屬用量，但付出的代價(jià)太高，在經(jīng)濟(jì)上得不償失。

為進(jìn)一步提升亞臨界機(jī)組600 ℃升溫改造技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)還提出了廣義回?zé)?、可調(diào)式回?zé)岢闅庋a(bǔ)充加熱鍋爐給水技術(shù)。廣義回?zé)峁?jié)能技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)的汽輪機(jī)抽汽加熱給水回?zé)峒夹g(shù)的發(fā)展，其基本原理是通過抽汽加熱所有進(jìn)入鍋爐的物質(zhì)，包括給水、燃料和空氣，抽汽不但降低了汽輪機(jī)的熱耗，并最大限度地減少冷凝器的冷端損失，與此同時(shí)，大大優(yōu)化了鍋爐的性能，其工作原理如圖2所示。

圖2 廣義回?zé)峁?jié)能技術(shù)原理Fig.2 Principle diagram of generalized regenerative technology

如圖3所示的可調(diào)式回?zé)岢槠a(bǔ)充加熱鍋爐給水技術(shù)，該技術(shù)的特點(diǎn)是回?zé)岢槠a(bǔ)充加熱鍋爐給水，根據(jù)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的特點(diǎn)，以提高低負(fù)荷下的給水溫度作為突破口，增設(shè)一抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)，使機(jī)組在整個(gè)負(fù)荷運(yùn)行范圍內(nèi)保證給水維持在一個(gè)較高的溫度，不但可保持在低負(fù)荷時(shí)鍋爐水動(dòng)力性能的穩(wěn)定，而且可在低負(fù)荷時(shí)省煤器反向加熱煙氣，不但提高了機(jī)組低負(fù)荷時(shí)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)解決了機(jī)組在低負(fù)荷狀態(tài)下脫硝系統(tǒng)由于煙氣溫度降低而使脫硝效率大幅度下降甚至退出運(yùn)行的問題[5]。

圖3 可調(diào)式回?zé)岢闅庋a(bǔ)充加熱鍋爐給水技術(shù)原理Fig.3 Technical principle of adjustable regenerative air extraction supplementary heating boiler feed water

基于以上，在主、再熱蒸汽溫度升溫至600 ℃基礎(chǔ)上對(duì)亞臨界機(jī)組的綜合改造后，不但亞臨界機(jī)組效率可達(dá)到現(xiàn)役超超臨界機(jī)組水平，而且，上述技術(shù)還兼具使鍋爐在超低負(fù)荷下穩(wěn)燃、高效和選擇性催化還原技術(shù)(selective catalytic reduction，SCR)脫硝系統(tǒng)正常運(yùn)行等效果，從而大大提升了機(jī)組的(超)低負(fù)荷性能。對(duì)于該系列技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的改造效果，經(jīng)測(cè)算，對(duì)于300 MW等級(jí)亞臨界機(jī)組(純凝無供熱機(jī)組，背壓4.9 kPa)，實(shí)施機(jī)組600 ℃升溫改造后，額定工況下供電煤耗可達(dá)到低于290 g/(kW·h)(600 MW機(jī)組可以低于285 g/(kW·h))。

3 亞臨界機(jī)組600 ℃升溫改造技術(shù)的實(shí)際效果

華潤電力率先與開發(fā)亞臨界機(jī)組600 ℃升溫改造技術(shù)的申能電力科技合作，在徐州電廠的3號(hào)機(jī)組開展亞臨界機(jī)組升溫600 ℃綜合改造，從改造后投產(chǎn)至今，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定良好，煤耗指標(biāo)優(yōu)于合同要求，改造后的各項(xiàng)性能的第三方測(cè)試結(jié)果如表1—4所示，測(cè)試日期2019年12月9—11日。本試驗(yàn)汽輪機(jī)采用ASME標(biāo)準(zhǔn)，鍋爐采用歐盟標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)期間實(shí)際管道損失已包含在汽輪機(jī)、鍋爐和機(jī)組的效率試驗(yàn)結(jié)果中；不需做老化和主、再熱溫度修正。從表1可以看出，機(jī)組負(fù)荷在100%時(shí)，鍋爐效率為94.32%，供電煤耗為282 g/(kW·h),供電效率為43.59%，從以上第三方正式性能測(cè)試結(jié)果可以看出，申能電力科技用于改造現(xiàn)役亞臨界機(jī)組的包括大幅升溫在內(nèi)的一系列創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)，至少具有以下一些主要的特點(diǎn)：

表1 亞臨界機(jī)組600 ℃升溫改造后性能測(cè)試結(jié)果Table 1 Performance test results ofretrofit technology of raising temperature to 600 ℃ for subcritical units

(1) 把亞臨界機(jī)組的效率和煤耗提升到超超臨界水平。

華潤徐州電廠3號(hào)機(jī)組在進(jìn)行亞臨界機(jī)組600 ℃升溫改造前實(shí)測(cè)額定負(fù)荷下的供電煤耗是318 g/(kW·h)，改造后的實(shí)測(cè)額定負(fù)荷下的供電煤耗為282 g/(kW·h)，供電煤耗降低了36 g/(kW·h)。43.56%的供電效率和282 g/(kW·h)的供電煤耗，已經(jīng)達(dá)到甚至超過一次再熱超超臨界機(jī)組的較先進(jìn)水平。

(2) 大大提升了亞臨界機(jī)組的低負(fù)荷穩(wěn)燃和調(diào)峰調(diào)頻性能。

從表2可看出：改造后，該3號(hào)亞臨界機(jī)組的排放達(dá)標(biāo)(即SCR不退出運(yùn)行，保持在低負(fù)荷時(shí)NOx排放仍然達(dá)到超低排放要求)的穩(wěn)燃負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍，從改造前的100%～55%提升到改造后的100%～19%，不但提前11年實(shí)現(xiàn)了國家能源局和科技部提出的煤電靈活性負(fù)荷調(diào)節(jié)能力達(dá)到100%～20%的目標(biāo)，而且實(shí)現(xiàn)了在超低負(fù)荷下穩(wěn)定燃燒，高效發(fā)電，超低排放。從表1可看出：即使在50%負(fù)荷時(shí)，該機(jī)組的供電效率仍可達(dá)到40.36%， 供電煤耗達(dá)到304.3 g/(kW·h)，仍然優(yōu)于國家6年行動(dòng)計(jì)劃中要求的額定負(fù)荷的供電煤耗310 g/(kW·h)的要求。從表3可看出：其在19%的超低負(fù)荷時(shí)，各項(xiàng)污染物的排放值仍然可保持在極低的超低排放水平。

表2 亞臨界機(jī)組600 ℃升溫改造后最低穩(wěn)燃負(fù)荷性能測(cè)試結(jié)果Table 2 Performance test results of minimum stable combustion load of retrofit technology of raising temperature to 600 ℃ for subcritical units

表3 徐州電廠3號(hào)機(jī)組在19%最低穩(wěn)燃負(fù)荷時(shí)的污染物排放測(cè)試結(jié)果Table 3 Pollutant emission test results of unit 3 of Xuzhou power plant at 19% minimum stable combustion load

(3) 高性價(jià)比。

華潤徐州電廠亞臨界機(jī)組600 ℃升溫改造工程，其總投資約為3.5×108元，折算單位投資約為1 100元/kW，其投資成本僅為新建超超臨界機(jī)組的三分之一，而巨大的節(jié)能量帶來的是較短的回收年限。按照改造后年利用小時(shí)數(shù)5 500 h，標(biāo)煤單價(jià)760元/t測(cè)算，其改造的靜態(tài)回報(bào)期限小于7年。

表4 徐州電廠3號(hào)機(jī)組亞臨界機(jī)組600 ℃升溫改造前后的性能比較Table 4 Performance comparison of unit 3 in Xuzhou power plant before and after retrofit technology of raising temperature to 600 ℃ for subcritical units

此外，在機(jī)組煤耗達(dá)到超超臨界水平后，其年發(fā)電量計(jì)劃(年利用小時(shí)) 可以顯著上升，再加上電網(wǎng)對(duì)調(diào)峰調(diào)頻的獎(jiǎng)勵(lì)，實(shí)際效益可能更好，遠(yuǎn)優(yōu)于新建煤電機(jī)組的投資收益。同時(shí)，由于改造后機(jī)組核心高溫部件和材料均得到更新升級(jí)，具備大幅延長使用壽命的條件，因此可以為社會(huì)和電廠創(chuàng)造出更多的效益，因而無論是對(duì)于電廠本身，還是對(duì)于行業(yè)和社會(huì)，亞臨界機(jī)組600 ℃升溫改造都具有很高的性價(jià)比。

4 結(jié)論

本文介紹了一種亞臨界燃煤機(jī)組600 ℃升溫改造技術(shù)，該技術(shù)在保持汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽壓力(16.7 MPa)不變的條件下，把汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽汽溫從537 ℃提升到600 ℃，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合廣義回?zé)?、可調(diào)式回?zé)岢闅庋a(bǔ)充加熱鍋爐給水等創(chuàng)新技術(shù)，對(duì)機(jī)組和熱力系統(tǒng)舉行改造。通過第三方機(jī)構(gòu)測(cè)試表明：

(1) 該技術(shù)可顯著提高機(jī)組的熱效率，同時(shí)還可進(jìn)一步顯著提高亞臨界機(jī)組的調(diào)峰和調(diào)頻能力。額定工況下供電效率從改造前的38.63%提高到改造后的43.56%，提高了近5%；供電煤耗從改造前的318 g/(kW·h)降低到改造后的282 g/(kW·h)，降低了36 g/(kW·h)。

(2) 實(shí)現(xiàn)了在保持超低排放條件下機(jī)組的穩(wěn)燃負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍從改造前的100%～55%提升到改造后的100%～19%，使該亞臨界機(jī)組具有了極好的靈活性調(diào)峰調(diào)頻能力。