中國火電的質量與國際競爭力

◆馮偉忠 / 文

中國火電的質量與國際競爭力

◆馮偉忠 / 文

上海外高橋第三發電有限責任公司1000MW超超臨界機組，在建設期及投產后，通過全面的優化和持續的創新，使目前的機組效率遠遠超過了設計值，創世界之最。另外，采用“一種高低位分軸布置的汽輪發電機”專利技術，結合“外三”的節能創新，能將機組的凈效率進一步提升至48.5%以上，遠超一次再熱700℃高效超臨界機組的期望值，并能一舉打開700℃計劃的材料和造價瓶頸，開辟更高效機組的發展新路。

國際競爭力；質量；火力發電；節能；環保

引言

上海外高橋第三發電有限責任公司（以下簡稱外三）作為中國第一批的四個超超臨界機組之一，鍋爐和汽輪機分別由上海鍋爐廠（引進ALSTOM技術）和上海汽輪機廠（引進SIEMENS技術）制造。2005年開始建設，并于2008年投入商業運行。主蒸汽壓力28MPa，主蒸汽/熱再溫度為605℃/603℃,額定蒸汽流量為2732T/H。

在基建階段和機組投入運行5年以來，外三開展了一系列的持續優化創新，并在公司2×1000MW超超臨界燃煤發電機組上予以實施和應用，取得了顯著的成效。

基于上海外高橋電廠一期（4×300MW亞臨界機組）、二期（2×900MW超臨界機組）、三期（2×1000MW）燃煤發電機組的基建、調試和運行經歷，外三做了大量的改進，并使其性能遠優于其設計值。

圖1　外三機組實際運行供電煤耗柱狀圖*

外三兩臺機組的年平均凈效率（含脫硫、脫硝）已從2008年（負荷率75%）的42.73%（已遠優于設計值）提升至2011年的44.5%（負荷率81%）以及2012年的44.57%（負荷率79%）,這意味著在額定工況下，凈效率將達到46.5%（參見圖1）。

廠址所在的循環水溫度變化范圍在7-33℃，平均溫度為20℃。

外三在基建階段就已開始優化創新，而且在機組投入商業運行后，外三并沒有停止創新的步伐，利用每年的機組停機檢修階段進行了集中的優化創新工程。

外三主要實施的優化創新工程包含節能、減排、保效（SPE防治系列技術）以及配套的FCB技術（在電網故障時，機組快速甩負荷并帶廠用電運行）（參見圖2）。

圖2　外三技術創新節能成效圖

展望未來，隨著優化創新的持續進行，一項跨越式提效項目將會進一步應用于外三，將使其機組效率達到49%，即在現有的蒸汽參數條件下，利用高低位雙軸布置兩次再熱（靠近鍋爐聯箱處，高位布置HP和IP1；低位布置IP2和LP）。

1　節能

應用于外三的系列節能技術是基于對電廠深入的理解，并將之看待為一個整體的系統。這些技術包含：空預器全向柔性密封技術、新型機組啟動技術、零能耗脫硫技術和廣義回熱技術等。

1.1空預器全向柔性密封技術

外三空預器采用傳統的回轉式空預器（轉子直徑達17米，高度達2.5米），設計漏風率小于5%，但是廠用電的增量是與空預器漏風率增量成立方比關系，因而，即使微量的漏風率變化也會導致比較明顯的效率變化。為此，外三實施了“空預器全向柔性密封技術”，在徑向、軸向和環向均加裝了磨損率可控的接觸式柔性密封，利用其柔性特點補償動靜間隙的非線性變化，從而大大提升了其密封性能。在不改變原有設備結構的前提下，“空預器全向柔性密封技術”可明顯降低空預器的漏風率及鍋爐風機的廠用電消耗。帶FGD（煙氣脫硫）和SCR（選擇性催化還原法）脫硝運行條件下，機組效率提升約0.37%,投資可在3年內回收。

1.2新型機組啟動技術

利用蒸汽替代燃油來加熱鍋爐，即在鍋爐點火前，通過蒸汽加熱鍋爐給水，并加熱到一定的溫度和壓力，當鍋爐風機啟動時，風在空預器中吸收煙氣熱量，再送進鍋爐，因此形成一個有利于鍋爐燃燒的環境。

通過利用蒸汽加熱鍋爐，機組的啟動可加快，這可節約大量的燃油和煤；另外，由于鍋爐的加熱，輔助設備不需要投運，因此，廠用電消耗減少，鍋爐燃燼率大幅提升，機組啟動程度更為簡單和安全。

外三機組的冷態啟動，從點火到并網時間小于2小時，油消耗小于15噸，廠用電消耗約80000kWh，煤消耗小于200噸（含加熱用的蒸汽）（參見圖3）。

對于已投入運行的機組，投資可在5-8次鍋爐啟動予以回收（而新建機組利用本技術，由于在調試期間的頻繁啟動，因此可受益更大）。

1.3零能耗脫硫技術

在增壓風機和脫硫吸收塔之間安裝煙氣余熱回收裝置，并將回收的熱量送至汽輪機熱力系統，增加汽輪機的作功，汽輪機熱耗的降低可補償FGD設備的能耗。

特制的煙氣余熱回收裝置可抗結露、腐蝕和堵塞功能。并且該裝置可回收引風機和增壓風機在運行中的焓增。通過系統設計和運行模式的優化，FGD設備的能耗顯著降低，該技術應用于外三后，機組凈效率增加0.4%，用于脫硫吸收塔的水耗降低45T/H。投資回收期在3-4年。

1.4廣義回熱技術

將基于以單一的給水為媒介的經典回熱熱循環拓展至以鍋爐的水、風、煤等為媒介的廣義回熱循環，從而提高鍋爐效率，降低汽輪機冷源損失。

在機組啟動時，可加快鍋爐燃料的投入，提升了鍋爐低負荷穩燃性，同時避免空預器的結露、腐蝕及堵塞。在運行階段，充分利用了汽輪機抽汽，降低了汽輪機的冷源損失，提升了機組的整體效率。

2　環保效益

圖3　外三機組與900MW機組能耗、時耗對比

圖4　NOx排放標準與外三實際排放比較

以上所述的系列節能技術，再與其它優化改進相結合，可取得重大的環保效益。

1）高效節能型電除塵技術。由于采用低氧高效燃燒技術以及整體效率的提升，總的煙氣容積會顯著地減少。另外，采用了電除塵高頻供電電源，對電除塵的運行模式進行了改進。

2）零能耗脫硫技術。如前面所述，通過對系統設計和運行模式的優化，FGD設備的能耗得到降低，另外，通過采用特殊的煙氣余熱回收裝置，煙氣余熱和引、增壓風機的作功焓增得到回收利用，充分補償了FGD設備的能耗。

3）節能型高效全天候脫硝技術。如前面所述，低負荷下，機組抽汽得到增加，提升了鍋爐低負荷下的給水溫度，因此提升了煙氣溫度，結合調整鍋爐受熱面，催化劑可寬負荷下高效安全運行。

4）空預器抗腐蝕、防堵塞技術。如前面所述，通過擴展回熱媒介，充分利用汽輪機的抽汽，進風溫度可大幅提升，進而空預器冷端的平均運行溫度也得到提升，因此，結露粘附大幅降低，并確保煙氣（灰）流的沖刷能力大于附著物粘結速率，避免了空預器的腐蝕和堵塞。

5）安全節能型脫硝催化劑延壽技術。如前面所述的新型啟動技術，除了前面所提及的環保效益外，還可防止催化劑中毒，避免催化劑燒結等現象，從而確保催化劑良好活性、延長其運行壽命。

所有這些技術的整體效果是降低了機組的排放。外三電廠的主要環保指標如下：塵排放，11mg/m3；SO2排放，60mg/m3；NOx≤30mg/ m3；同時，SCR效率≥89%（40%-100%負荷范圍內），催化劑壽命得到延長，消除了空預器腐蝕及堵塞現象（參見圖4）。

SPE綜合預防保效技術

隨著蒸汽參數的提高，特別是溫度的提高，一個突出問題——管道的蒸汽側氧化及由此引起的固體顆粒侵蝕（SPE）對機組的安全和經濟運行產生了嚴重威脅。

鍋爐蒸汽側的氧化降低了傳熱性能，隨著管壁溫度的升高，氧化程度更加嚴重，剝落的氧化層減少了管內的流動區域，因此造成管道的堵塞，引起超溫甚至爆管。

氧化層形成的固體顆粒，進入汽輪機，會侵蝕汽輪機葉片和旁路閥，降低機組效率。葉片的侵蝕導致的機組效率是不可逆的，機組運行時間越長，汽輪機效率也越低。

SPE問題在中國新建大型燃煤發電機組尤為普遍，由于鍋爐管道氧化層堵塞導致的超溫和爆管頻繁發生。

SPE問題嚴重的情況下，可在三年運行時間內，降低機組效率8%。

SPE問題原本是一個世界難題，困擾了世界超臨界技術領域幾十年，但在外三目前已經得到徹底解決！

從中國的“中醫全身療法”找到靈感，研發出一整套蒸汽氧化和固體顆粒侵蝕綜合治理的系列技術。

總體思路為：

1）設法防止或減緩氧化物產生；

2）避免或減少已生成的氧化物脫落；

3）盡快和盡量清除已脫落的氧化物；

4）減輕未清除的固體顆粒對葉片的沖擊。

SPE防治系列技術，涵蓋了系統設計、設備選型、施工及調試、機組控制、啟動和運行方式等方面的一系列的改進和創新。

該SPE防治系列技術在外三發電的兩臺1000MW機組應用后，機組運行了30個月，汽輪機葉片依然光亮如新。這意味著汽輪機效率自第一次啟動以來仍然保持不變，旁路閥也沒有任何泄漏。

FCB技術

一般，當電網崩潰時，網內電廠通常被迫停役，如無外來電源，將無法再次啟動，這將使電網陷入癱瘓。

但是，外三已經開發出FCB技術，萬一電網崩潰，機組便可快速減負荷并自動轉為帶廠用電作“孤島運行”，當電網故障消除后，便可迅速恢復向外供電，除對社會重要用戶供電外，還能向系統內其他火電機組提供啟動用電，使“星星之火”迅速燎原，極大地提高了電網的安全性。

FCB技術已在外三得到成功實施和應用。主要包括：

（1）機組大聯鎖原則——停線不停電（FCB）；停電不停機；停機不停爐；

（2）合理的旁路及安全門容量配置；

（3）合理的給水泵、除氧器、凝汽器、高加等配置；

（4）合理的設備運行方式及系統設計；

（5）配套的熱控策略及電氣聯鎖保護技術。

100%負荷FCB試驗已經在外三獲得成功。

圖5　

3　兩次再熱雙軸高、低位布置技術

采用該技術（專利號ZL 2007 2 0069418.3），并結合以上所述的系列技術，可使熱耗相對下降約5%，汽輪機的效率可達劃時代的48.92%（含脫硫、脫硝，循環冷卻水20℃）。而一旦700℃材料技術成熟，機組凈效率可進一步提升至52%以上。

如圖5所示，兩根軸系取高低位分軸布置，包括高壓缸在內的高位機設置在緊靠鍋爐聯箱聯接處，而包括低壓缸和凝汽器在內的低位機按照常規低位布置。

通過這一布置，使得機組的高溫高壓蒸汽管道長度大大縮短了，從而大量減少了高溫高壓材料的使用量，同時還降低了高溫高壓蒸汽管道的壓力損失和散熱損失。

（作者系上海外高橋第三發電有限責任公司總經理）

*原世界運行效率最高的丹麥Nordjylland電廠3號411MW兩次再熱，低溫海水冷卻機組，2009年供電煤耗（不含供熱）286.08克/千瓦時（凈效率42.93%），平均發電負荷89%。折合75%負荷率下的供電煤耗288.48克/千瓦時。