超臨界技術在印度電力領域的應用

文/印度電氣電子制造商協(xié)會 發(fā)電系統(tǒng)部 P K Agarwal主席//中國電器工業(yè)協(xié)會 國際合作部 張爽 翻譯

印度的能源需求在過去十年幾乎翻倍，也沒有跡象表明在今后十年印度的電能需求將會減弱。目前印度擁有世界第五大發(fā)電能力，同時又是世界上第六大能源消耗國家，約占全球能源總消耗的3.4%。

一、印度能源展望

采用先進技術提高燃煤機組的效率，實現(xiàn)節(jié)能減排，減少環(huán)境污染，一直是電力行業(yè)發(fā)展的最首要和緊迫的任務。在過去五年，印度成為全球發(fā)展最快的經濟體之一，僅次于中國8%-9%的GDP發(fā)展速度。這也使印度有不斷增長的電能需求，以維持其經濟的快速增長勢頭。印度的能源需求在過去十年幾乎翻倍，也沒有跡象表明在今后十年印度的電能需求將會減弱。目前印度擁有世界第五大發(fā)電能力，同時又是世界上第六大能源消耗國家，約占全球能源總消耗的3.4%。

由于印度經濟的快速發(fā)展，在過去30年，印度的能源需求量平均年增長率為3.6%。據(jù)最近報道，截止到2011年3月31日，印度總裝機容量達173626 兆瓦。盡管印度總裝機容量取得了令人矚目的進展，但在總體需求上，我們仍然面臨著10.3%的電力缺口，約7.5%的能源赤字。印度電力緊缺，電力需求的增長超過了發(fā)電量的增長。在許多城市停電事故仍然時有發(fā)生。印度農村甚至存在40%的電力缺口。隨著農村電氣化工作的深入開展，對電力的需求將進一步上升，印度需要更多的裝機容量。隨著印度8%至9%的高GDP增長，過快的城市化與日益繁榮對于電能需求已經大大超出現(xiàn)有的電能供應。對于發(fā)展中經濟體來說，僅僅依靠降低能耗，不是可行的根本解決辦法，尤其是當人均用電量已經低于世界平均水平的三分之一。因此，只有盡快增加現(xiàn)有的發(fā)電能力才能彌補這方面的需求，是填補電能供應缺口的唯一解決方案。

二、印度能源預測與印度裝機容量增加計劃

根據(jù)印度政府的能源政策，目前印度的總電力需求為173吉瓦（1吉瓦=10億瓦特），2031-2032年需要增加到960吉瓦。印度政府不斷努力，想要通過增加發(fā)電能力以滿足經濟飛速增長對電力的需求。每個五年計劃預計都會實現(xiàn)一定水平裝機容量的增加，這些目標是由中央、省以及私營電力部門的電源結構決定的。目前，煤炭仍然是印度占主導地位的燃料來源。中央電力部門為增加裝機容量作了最大努力。印度政府在過去通常實現(xiàn)不了計劃目標。“第十五計劃”（2002-2007）目標是實現(xiàn)產能41000兆瓦，但實際只實現(xiàn)產能21000兆瓦。截至2012年3月31日，第十一五計劃于2012年3月31日結束，但截至到2011年3月31日新增容量的目標78700兆瓦僅實現(xiàn)了34462兆瓦（44%）。因此，我們需要做得更多才能滿足印度日益增長的電力缺口。

三、前進的道路

印度經濟的快速增長需要越來越多的能源以滿足國家的快速發(fā)展。因此，能源安全已經成為政府的一個核心焦點。雖然印度石油和天然氣儲量不是很豐富，但印度的煤炭儲量很大，這也導致印度許多能源依賴進口。近年來，政府不斷努力，力圖使國家的能源結構多元化。然而，由于印度有限的能源儲備以及對核電與水電項目帶來環(huán)境問題的擔憂而放緩。實際上，煤炭仍然是印度唯一豐富的能源來源，絕大多數(shù)人預計印度的能源儲備還可以再支撐一個多世紀。煤炭仍然是印度在未來二十到三十年間的發(fā)電支柱。

印度發(fā)電行業(yè)一直被兩大問題所困擾:發(fā)電能力增加步伐緩慢與發(fā)電機組的匱乏。首先是國家的設備制造能力不足以及無法確保燃料供應的問題；其次由于國內發(fā)電主要燃料來源-煤炭的灰分含量高，使用亞臨界技術是相對低效的技術。發(fā)電容量的增加對印度的電力發(fā)展計劃至關重要，印度政府只有克服一系列障礙，才能取得預期目標。發(fā)電機組的增加有助于實現(xiàn)發(fā)電規(guī)模、節(jié)約時間。使用更高效的技術如超臨界技術來增加裝機容量是唯一的出路。印度政府也清醒地認識到了這一點，正計劃研發(fā)本土超臨界技術及發(fā)展超大發(fā)電廠及超大超臨界發(fā)電廠。

四、超臨界技術

印度的燃煤發(fā)電占國內總裝機容量的54%以上，占實際發(fā)電的80%以上，在印度電力行業(yè)起著舉足輕重的作用。盡管煤炭是印度最為豐富的燃料來源，其儲量也是有限的。最大化的利用此資源，減少導致全球氣候變暖的二氧化碳排放量，實現(xiàn)更高的電能效率是非常必要的。超臨界技術，就是這樣一種技術。超臨界技術正通過一系列超臨界機組引入印度。2008年，印度政府決定由印度國家火電公司（NTPC）與印度拉古納電廠（DVC）大幅招標超臨界電廠，這些電廠單機容量通常是660兆瓦/800兆瓦。引進超大發(fā)電廠的主要目標之一是實現(xiàn)超臨界技術的逐步本土化。有幾家公司表示出興趣想要在全國增加或設置超臨界機組制造設施，包括BHEL（鍋爐和汽輪發(fā)電機）、安薩爾多Caldie - GB（鍋爐）、L&T-MHI（鍋爐與汽輪發(fā)電機）、東芝-JSW（汽輪發(fā)電機）和阿爾斯通-巴拉特鍛造公司（汽輪發(fā)電機）。

五、關于超臨界技術

1、背景

1992年氣候條約規(guī)定，發(fā)達國家對溫室氣體排放必須要承擔責任，在應對氣候變化中要起到帶頭作用，發(fā)展中國家在保護全球氣候中也要發(fā)揮一定作用。1997年，“京都議定書”強制工業(yè)化國家承諾減少溫室氣體的排放量具有法律約束力。盡管發(fā)展中國家，包括印度和中國因為較低的人均排放以及不能承擔轉換清潔燃料的初始成本，沒有承諾立即減排，但也面臨這樣的壓力。中國與印度受到能源需求和燃煤發(fā)電來源的限制，預計兩國將會成為世界主要的碳排放國。

2、什么是超臨界？

“超臨界”是熱力學描述的一種物質狀態(tài)，在超臨界狀態(tài)下，液態(tài)和氣態(tài)沒有明確區(qū)分。液、氣兩相呈平衡狀態(tài)的點叫臨界點，在臨界點的溫度和壓力稱為臨界溫度（Tc）和臨界壓力（Pc），當流體的溫度和壓力處于Tc和Pc之上時，流體就處于超臨界狀態(tài)（supercritical狀態(tài)，簡稱SC 狀態(tài)）。超臨界流體的許多物理化學性質介于氣體和液體之間，且具有兩者的優(yōu)點，如具有與液體相近的溶解能力和傳熱系數(shù)，具有與氣體相近的黏度系數(shù)和擴散系數(shù)。超臨界（SC）發(fā)電廠使溫度和壓力高于水的臨界點，即溫度（≈373攝氏度）以上，壓力（≈221.4 kg/cm2），水的液態(tài)和氣態(tài)共存，在這一臨界點上水氣和液態(tài)水沒有差異，從而產生更高的效率。

燃煤發(fā)電廠熱力過程中的“效率”描述的是循環(huán)中有多少熱能被轉化成為電能。一定能量輸入，輸出的電能越多，電能的效率就越高。如果周期能量輸入保持不變，可通過升高水蒸汽循環(huán)壓力與溫度提高產能。由于超臨界機組的設計、運行參數(shù)與煤原材料的不同，效率從37 - 45%不等，比亞臨界機組的效率提高了約2-3個百分點。對典型的700兆瓦裝置來說，30年內一個百分點效率的提高可以減少2.4%的燃料成本，從而有效減少使用量和二氧化碳排放量。印度現(xiàn)階段燃煤發(fā)電技術主要以常規(guī)亞臨界發(fā)電技術為主。據(jù)預測，通過建設超臨界機組電廠，到2025年印度可明顯減少二氧化碳排放量。

3、為什么要建超臨界電站

超臨界電廠運行會產生更高的效率，超臨界電廠的發(fā)電效率高達45%，而且比傳統(tǒng)的（亞臨界）燃煤發(fā)電廠的碳排放量要低。超臨界電廠使用鍋爐/渦輪系統(tǒng)，運行溫度為華氏560度以上，亞臨界電廠的運行溫度為535華氏度。超臨界電廠的效率要遠高于亞臨界電廠的效率，會節(jié)省燃煤，降低碳排放。先進的超臨界電廠的優(yōu)勢包括:降低燃料成本，提高工廠效率，顯著減少二氧化碳排放量，電廠的成本比其他清潔燃煤技術要低。

可以大大減少氮氧化物、硫氧化物和微粒排放。可與生物質混燒，并且與二氧化碳捕捉技術相結合。擁有最佳污染控制技術的高效電廠將大大減少現(xiàn)有的污染水平，減少生產每兆瓦時的煤炭燃燒。印度現(xiàn)階段最先進的超臨界燃煤電廠的發(fā)電效率超過45%，除了提高發(fā)電效率，降低碳排放水平，超臨界電廠還采用經過驗證的碳排放控制技術減少氮氧化物排放量:通過結合使用低一氧化氮燃燒器和選擇性催化還原技術，氮氧化物的排放量明顯減少。減少氧化硫和二氧化硫排放:采用石膏濕法煙氣脫硫（FGD）工藝流程捕捉硫氧化物和二氧化硫。石膏還可循環(huán)再利用為墻板、灰泥或化肥等產品。

4、超臨界燃煤發(fā)電技術

想要大力發(fā)展新增發(fā)電裝機容量，印度現(xiàn)有的國內發(fā)電能力就要得到提升和改善。基于上述原因，印度必須應用超臨界技術。“十二五計劃”中約60%的燃煤發(fā)電，“十三五計劃”中100%燃煤發(fā)電將主要基于超臨界燃煤發(fā)電技術。截至2012年初世界約有500多超臨界機組已經得到應用。在印度，多數(shù)新的火力發(fā)電站都正計劃實施560-590度超臨界參數(shù)技術。截至2011年6月，印度660/700/800兆瓦超臨界發(fā)電機組已獲得50000兆瓦發(fā)電量訂單。

六、超臨界發(fā)電廠——更高效率、更可靠

1、運營問題

在歐洲、美國、日本、俄羅斯、中國、印度及其他一些國家，450多家電站中有超過600 超臨界/超超臨界（SC /USC）發(fā)電機組，功率從200兆瓦至1300兆瓦不等，而且正在規(guī)劃建設大于330吉瓦的總裝機容量。超臨界/超超臨界SC /USC因此也被視為是經過驗證的、成熟的先進發(fā)電技術。

相比鍋筒鍋爐，直流鍋爐并沒有操作上的限制。事實上，直流鍋爐比鍋筒鍋爐更適于負載的頻繁變化，因為鍋筒是壁厚的一個組成部分，需要控制加熱，負荷變化率一般每分鐘3%，而直流鍋爐每分鐘升壓5%的負荷。這使得直流鍋爐更適于快速啟動及瞬變狀態(tài)。

2、超臨界燃煤電廠的生命周期費用

超臨界電廠目前的安裝成本設計只比亞臨界電廠安裝成本高出2%。但因為能提高效率、降低運營成本，而大大降低燃料成本。具體的每兆瓦（MW）安裝成本費用隨著工廠規(guī)模擴大而減小。印度政府提出把清潔煤（碳）技術作為應對氣候變化的國家行動計劃的第九項任務，發(fā)展電廠的超臨界技術（ADV - USC）是其四項子任務之一，目標是印度本土發(fā)展和建設800兆瓦的ADV - USC示范電站。ADV - USC技術的主要優(yōu)勢是能效更高，每兆瓦時發(fā)電可以降低煤耗，并且減少碳二氧化物排放。

印度巴拉特重型電力設備有限公司（BHEL）正聯(lián)合英迪拉甘地原子能研究中心（IGCAR）與印度國家火電公司（NTPC）共同開發(fā)800兆瓦超超臨界電站項目，作為發(fā)展蒸汽參數(shù)300bar, 溫度C /700度清潔煤（碳）技術的部分國家任務。該項目預計耗資約1000億盧比。預計將超過目前超臨界技術5%產能，將于2017年開發(fā)。通過這一行動，印度會加入發(fā)展此項技術的國家行列。

七、結論

新的煤粉燃燒系統(tǒng)利用超臨界和超超臨界技術，在更高的溫度和壓力下運行，比傳統(tǒng)亞臨界機組實現(xiàn)更高的效率，并顯著減少二氧化碳排放。發(fā)電廠比以往任何時候都要更確保高效，并盡可能減少對環(huán)境的影響，這就需要實現(xiàn)蒸汽輪機及其他主要部件如鍋爐、煙氣凈化設備的經濟、有效以及水蒸氣循環(huán)的優(yōu)化。超臨界發(fā)電廠可以滿足平衡可靠電力供應、現(xiàn)有資源的可持續(xù)利用以及經濟運行的所有需求。