國產300MW汽輪機、1025t/h燃煤鍋爐技術改造與節能減排

華能上海石洞口第一電廠 陳興興

1 前言

一座電廠一旦建成，其生命周期內的能源使用效率基本確定。華能國際電力股份有限公司上海石洞口第一電廠（簡稱“華能上海石洞口第一電廠”下稱“電廠”）是“七五”期間國家重點能源建設的項目之一，在中央和地方政府的重視、關心下，安裝了四臺上海汽輪機廠生產的汽輪機（型號為N300-165/535/535的第一批300MW亞臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽凝汽式）、上海鍋爐廠生產的直流爐(型號為SG-1025-170.5-540/540亞臨界UP型單爐膛)和上海電機廠生產的發電機組(300MW雙水內冷汽輪發電機)。四臺機組于1987年12月至1990年5月相繼投產，滿足了國民經濟發展和社會用電的客觀需要，發揮了主力電廠支撐電網的重要作用。

進入“十一五”時期，為滿足節能降耗和環保的要求，走可持續發展之路，電廠認為必須加快設備的技術更新，重點對汽輪機、鍋爐進行節能技術改造。

2 國產300MW汽輪機通流改造，改善老機組能耗指標

2.1 國產300MW汽輪機存在的主要問題

1）機組效率低，啟動時間長。

2）機組膨脹不暢，軸承座剛性差，變負荷能力差。

3）通流部分結垢，汽損嚴重。

4）軸承和軸封系統密封不嚴，造成主油箱油中含水量大和真空嚴密性差。

5）低壓末級及次末級葉片水蝕嚴重。

2.2 汽輪機通流部分節能技術改造

1）改造前能耗狀況

電廠4臺300MW汽輪機是我國上世紀七十年代初期自行開發、設計的產品，是國產125MW機組的翻版。限于當時的生產制造及技術水平低，與設計效率比較，高、中壓缸實際效率分別比設計值低1.64%與0.81%，低壓缸設計效率比同類型引進機組低4.5%，當初性能試驗熱耗值8537 kj/kWh，設計熱耗率8149kJ／kWh。大大高于目前國產引進型300MW機組的8000kj/kWh的水平。實際熱耗比設計值高388kJ/kWh。

為了走可持續發展之路，我們對熱耗大、煤耗高的老式國產300MW汽輪機組分步進行改造，改造內容：汽輪機形式采用反動式，更換通流部分，高、中壓內外缸，低壓內缸（保留低壓外缸），導汽連通管，高、中、低壓轉子，軸承系統，軸封系統，盤車裝置改為低速盤車等。

2）汽輪機通流改造采用的節能技術

（1）對汽輪機高、中、低壓通流部分進行徹底更新，采用無中心孔的整鍛轉子；高、中壓內外缸和低壓內缸調換；軸承和軸承座系統改進；汽封和汽加熱系統改進；中、低壓導汽管調換；改進疏水系統為集中自動控制疏水等。

（2）高壓缸通流部分主要采用新的子午面噴嘴型線，壓力級動葉片葉型為扭葉片系列，反動度平衡動葉采用減少根部氣流擾動的反動度平衡原理。

（3）中壓缸通流部分主要按三元流場確定沿葉高動靜葉片型線的最佳速比匹配,蒸汽在動靜葉出口為軸向排汽等新型技術。

（4）低壓缸通流部分主要按類似中壓缸技術之外,對葉片沖角還匹配有10°的自帶圍帶，更有利于速度分布，減少蒸汽余速損失0.8%等優化組合。

3）汽輪機通流部分改造后與原設計性能比較

汽輪機通流部分改造后，汽缸膨脹舒暢，調節品質好，在采用復合變壓運行方式中，能適應40%～100%BMCR調峰，并提高了變負荷響應速度，提高了軸系穩定性和可靠性，銘牌出力由300 MW提升至325MW。汽輪機在額定工況下的熱耗由8537kJ/kWh下降至8157kJ/kWh，各缸效較現役機組有較大幅度的提高，從改造后的機組在額定工況區域范圍內的發電設計熱耗率與性能考核值比較來看，達到了在額定工況下無煤耗增加出力25MW的預期目標。汽輪機通流改造項目實施前（后）的能源消耗由360g/kWh下降至340g/kWh，下降了20g/kWh，按18億kWh/臺電量計算，節能量36000t/a標準煤。

3 依靠科技進步，實施1025t/h直流爐“貧改煙”節能技術改造

3.1 改造前的鍋爐現狀

1）燃用貧瘦煤的1025t/h直流鍋爐，在適燃的貧瘦煤資源匱乏，煤價驚人增長，發電燃料成本上升使邊際利潤倒掛的情況下，改善貧煤鍋爐效率低和推廣適燃煤種的問題顯得尤為突出；

2）制粉系統采用中間儲倉式，配四套DTM350/600筒式鋼球磨，用電率比上海吳涇熱電廠和外高橋一電廠同容量鍋爐配置的HP型中速磨高出0.5%以上。

3）由于國產設備當時設計、制造工藝等因素，鍋爐的安全性、經濟性和可調性都比較差。

4）為了解決鍋爐的可調性，在1998年至2005年分別重點對4臺鍋爐進行燃燒器和水動力（水冷壁）變負荷能力（由70%增大到40%）改造，水冷壁改為螺線管式；燃燒器采用分級欠氧低NOx燃燒器，達到了低負荷穩燃。同時還使NOx排放量≤650 mg/Nm3，但生產供電煤耗上升3g/kWh～4g/kWh。

3.2 鍋爐改造可行性分析

1）鍋爐熱損失及熱負荷計算值見表1

表1 鍋爐熱損失及熱負荷計算值

表2 熱負荷指標對比

2）熱負荷指標與相似鍋爐的比較見表2

3）結論

（1）根據以上計算及常熟電廠和太倉電廠二期鍋爐的實際運行情況，結合本工程的熱負荷指標看，具備貧改煙工程實施后不會出現爐膛嚴重結渣現象。擴大煤種，提高爐效目的是可行的。

（2）鑒于上述原因，公司于2009年6月、2010年2月、2011年5月分別在#1、#2、#3鍋爐實施；#4鍋爐在結合電網負荷需要的前提下，將于2011年底繼續推廣應用。

3.3 鍋爐貧改煙的節能技術措施

1）爐本體

為了節能及減少投資，爐本體改造，在不影響改造效果的前提下，盡可能利用原有設備。

（1）原來燃燒貧煤改為燃燒大同煙煤，(可燃基揮發份Vdaf由 16%改為 35.3%)，鍋爐燃燒器六層改為五層。采用直吹式一次風機、冷正壓制粉系統，四角擺動式切向燃燒的煤粉燃燒器。煤粉細度R90=18.38%左右。

（2）制粉燃燒系統由于改為冷正壓一次風機直吹式后，低過側和低再側省煤器采用肋片管式，面積均由2103m2增加至3000m2，增加 50%。

（3）燃 燒方 式 采用 低NOx同軸燃燒系統（LNCFS）。與常規煤粉噴嘴設計比較，具有以下優點：

（a）強化著火（EI）煤粉噴嘴能使火焰穩定在噴嘴出口一定距離內；使揮發份在富燃料的氣氛下快速著火，保持火焰穩定，從而有效降低NOX的生成，延長焦碳的燃燒時間。

（b）在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置有1層輔助風噴嘴，其中包括2只CFS（偏置風）噴嘴，1只直吹風噴嘴。

（c）同心切圓（CFS）燃燒方式。采用同心切圓燃燒方式，部分二次風氣流在水平方向分級，在始燃燒階段推遲了空氣和煤粉的混合，NOx形成量少。見圖1所示

（d）UFA（Underfire Air，火下風）噴嘴設計。在每個主燃燒器最下部采用UFA噴嘴設計，通入部分空氣，以降低大渣含碳量。

（e）采用可水平擺動調節的SOFA噴嘴，控制爐膛出口煙溫偏差。

（f）爐膛出口煙溫偏差是爐膛內的流場造成的。圖2表示了可水平調整擺角的噴嘴設計，擺角可水平調整+15°到-15°。SOFA的水平調整，可通過燃燒調整得到一個燃燒效率最佳的角度。

（4）在組織良好爐膛空氣動力場，防止火焰直接沖刷水冷壁前提下，防止爐內結渣和高溫腐蝕的主要措施有：

（a）帶同心切圓燃燒方式（CFS）的多隔倉輔助風設計；

（b）合理的燃燒器各層一次風間距。

（5）燃燒器的設計、布置考慮降NOx的排放濃度不超過450mg/Nm3（O2=6%）的措施有：

（a）帶同心切圓燃燒方式（CFS）的多隔倉輔助風設計；

（b）采用CCOFA和SOFA實現對燃燒區域過量空氣系數的多級控制；

（c）強化著火（EI）煤粉噴嘴設計。

(6)燃燒器的設計、布置考慮實現不投油最低穩燃負荷的措施有：

（a）強化著火（EI）煤粉噴嘴設計；

（b）低負荷時相臨兩層煤粉噴嘴投入運行；

（c）煤粉細度達到設計值。

2）改造效果

通過本次改造，經性能試驗驗證，在不改變爐型的情況下達到擴大鍋爐適燒煤種范圍的目的，緩解了燃煤供應的壓力，通過計算校核增加省煤器受熱面積，確保排煙溫度不變，鍋爐效率由現在的90.2%提高到92.5%，煤耗下降7.77g/kWh；由原先的中間儲倉式350/600筒式鋼球磨制粉系統改為HP-860型中速磨正壓直吹式制粉系統，用電率下降0.6%，節能減排效果顯著。

4 主設備節能技術改造、降低能耗求發展

“十一五”期間，電廠以“合理利用能源，降低能耗指標，建設節能環保型企業”為能源管理方針；近幾年電廠投入資金1.5億元/臺（機爐），對“七五”時期的國產鍋爐、制粉系統、汽輪機設備進行節能技術改造，同時還落實了凝水系統變頻、電除塵智能控制、預熱器等設備的節能技術改造，努力提高節能工作水平和企業經濟效益，推進節能工作的現代化管理，實現能源轉換過程中GDP能耗逐年下降。見表3

通過表3可以看出，一座燃煤電廠一旦建成，能耗水平的改變，在加強基礎管理的同時，資金投入，設備更新顯得更為重要。電廠經過鍋爐、汽輪機節能項目的實施，節能減排的效果是顯著的，2010年的總能耗為14.5萬噸，工業總產值26.46億元。發電煤耗由設備改造前的339.3g/kWh下降至2010年的316.5g/kWh，下降了23g/kWh，（這其中還抵消了于2008年投資的脫硫設施 (環保成本)增加的1.1%用電率的能耗4g/kWh）。

電廠主設備改造后，“GDP”工業總產值能耗下降28.6%，節約標煤19.7萬t，為“十一五”期間國家“GDP”工業總產值能耗下降20%作出了貢獻。

為了承擔環境的社會責任，2010年電廠還投資2500萬元承擔了處理脫硫石膏的一條年產10萬t建筑石膏煅燒示范線項目。

表3 2006年-2010年能耗情況表

5 “十二五”期間節能減排設想

5.1 隨著資源能源緊缺壓力加大，對經濟社會發展的瓶頸制約日益突出，國家“十二五”規劃綱要將單位GDP能耗再降低16%，新一輪節能減排工作已經開始。參照GB21258-2007標準，亞臨界300MW濕冷機組供電煤耗≤340g/kWh，先進值≤327g/kWh。電廠建成二十多年來，到2010年完成供電煤耗≤334g/kWh，比先進值高7g/kWh，為此，還必須繼續有效地開展節能工作來實現“建設節約、環保型社會”的目標。

5.2 由于歷史因素，首先要根據燃料質量不穩定、設備老化、機組能耗水平落后等困難，制訂管理制度，從燃料管理入手，加強對設備的管理工作。

5.3 電廠力爭再用幾年時間，從#4鍋爐燃燒貧煤改煙煤的低氮燃燒工程著手，結合干排渣、鍋爐微油點火系統、脫氮、#1～#4汽輪機汽封、空預器密封等節能技術改造工作以進一步降低供電煤耗。

5.4 通過產業結構調整，拓展區域性供熱。

目前除雪花啤酒廠10t/天的供熱需求外，隨著區域發展，造紙廠等行業的區域性供熱也將逐步上馬。

5.5 從汽輪機設備結構來看，設想將原二級抽汽改為三級抽汽供汽，優化循環結構、減少凝汽器冷源損耗，達到更經濟適宜的投入產出比，使能耗、環保指標達到同類機組的先進水平。

5.6 爭取上大壓小，徹底淘汰老舊高能耗設備。