清潔煤電高效節能改造技術路線研究

(華電電力科學研究院，杭州 西湖 310030)

0 引 言

近年來，社會經濟增長放緩，用電需求受其影響增速較之前趨于緩和，整體供應形勢寬松。2016年，國家發改委、能源局發布《關于促進我國煤電有序發展的通知》(發改能源[2016]565號)，此后一系列文件密集出臺，對煤電發展提出新的政策要求。2017年7月，國家發改委、國家能源局等16部委聯合印發《關于推進供給側結構性改革、防范化解煤電產能過剩風險的意見》，有力促進煤電清潔高效發展。

現有機組高效節能改造技術路線主要有通流改造、雙轉子高背壓供熱改造、光軸改造、工業抽汽改造等。

1 通流升級改造

以2臺60萬kW超臨界機組為例，實施高中壓通流改造的工程靜態總投資約4 200萬元，實施高中低壓三缸通流改造的工程靜態總投資約9 500萬元。關于改造后機組發電煤耗的收益，與機組當前狀態有關，僅以某電廠1號機組改造為例，高中壓通流改造可降低發電標煤耗5 g/kWh,高中低壓三缸通流改造可降低發電標電標煤耗8 g/kWh。

1 雙轉子高背壓供熱改造

目前30萬等級采暖型機組采用中壓缸排汽進行供熱，由于受到低壓缸最小冷卻流量的限制，大約100 t/h左右的低壓缸排汽的汽化潛熱將被循環水帶走，不能得到利用。為了進一步增大機組供熱能力，同時又能進一步提高電廠的經濟效益，可將機組改為雙背壓雙轉子互換循環水供熱方式。具體方案如下：

首先把凝汽器的壓力提高，充分利用機組的冷源損失，把循環水變成熱網循環水，把背壓提高到45 kPa,熱網循環水首先經過循環水換熱器加熱至80 ℃，再通過機組抽汽的尖峰加熱器進行二次加熱提升到更高的溫度。熱網循環水在熱網首站充分換熱后，冷卻水再回到凝汽器吸熱，形成一個完整的熱力循環。這種方式不僅最大限度地降低了汽輪機冷端損失，而且增大了供熱能力，具有很高的經濟性。

供熱改造系統圖如圖1所示。

圖1

華電石家莊裕華熱電廠2#機組已完成雙轉子高背壓供熱改在，2#機組改造后，1#、2#機組共可滿足1 672萬m2最冷工況的供熱需求，相當于增加供熱面積(新達到的供熱面積-原有的實際供熱面積)1 672-1 306=366萬m2。

單臺機組雙轉子高背壓供熱改造的工程靜態總投資9 200萬元，年節煤量約6萬t，減少二氧化硫排放1 300 t，減少二氧化碳13.685萬t。改造適用于東北、華北、西北地區承擔大中型城市主力熱源的熱電廠。

2 光軸供熱改造

除了雙轉子高背壓供熱改造，汽輪機低壓缸光軸供熱改造同樣可在不增加機組容量的前提下提高機組供熱能力，減少冷源損失，達到節能減排的效果。改造基本原理為：汽輪機增加新的光軸型式低壓轉子，非采暖期使用原轉子純凝運行，采暖期將低壓轉子更換成光軸，背壓供汽，按照以熱定電方式運行。原汽輪機高壓缸、發電機及其本體輔助設備不變。汽輪發電機組進行背壓(光軸)改造。背壓機具有熱耗低、供熱效率高、無冷源損失、熱力系統簡單、節水、節電等特點。

改造詳細方案如下：

(1) 汽輪機本體改造方案

新增低壓光軸轉子，改造聯通管，聯通管整體改造、采用堵板結構，選用帶機械限位的全關蝶閥加小旁路方案。原有汽輪機中壓缸排汽直接從聯通管抽出去供熱。低壓光軸轉子連接中壓轉子與發電機，傳接扭矩，保證運行。在實際運行過程中，低壓缸內蒸汽與光軸摩擦會產生鼓風發熱現象，影響機組安全運行，必須通以10～15 t/h的蒸汽作為冷卻汽源，帶走鼓風發熱。此時進入凝汽器的蒸汽大大減少，需開啟凝汽器再循環門，正常運行真空泵，保證凝汽器真空維持在5～10 kPa。

汽輪機光軸改造中，需要注意以下幾個問題：①低壓轉子更換成光軸，光軸轉子的重量及轉動慣量和原轉子盡可能相同或相近，以保證臨界轉速盡可能不發生變化，軸承也能不必更換。②更換時，低壓的隔板、導葉也需要一并拆除。

(2)熱力系統改造方案

熱力系統改造主要涉及凝結水系統和熱網系統的設備、管道。

兩臺35萬kW機組實施光軸改造的工程靜態投資約6 900萬元，改造后多供熱約352萬GJ，發電煤耗率降低約19 g/kwh，年發電節煤量約16萬t，減少污染物CO2排放量約42萬t、SO2排放量約1 400 t、NOX排放量約1 200 t。本改造適用于東北、華北、西北地區承擔大中型城市主力熱源的熱電廠。

3 工業抽汽改造

目前國內很多機組實施了工業抽汽改造，以適應國家政策需要，達到節能減排的目的。

工業抽汽改造通常有回熱系統抽汽和再熱系統抽汽兩種方案，具體根據抽汽的壓力、溫度、流量進行選擇。

理論上各級回熱抽汽的抽汽量有以下限制：

①汽缸上回熱抽汽接口尺寸有限制要求，抽汽量過大會使汽流流速增大，從而引起回熱抽汽接口振動，嚴重影響機組安全運行。一般而言，一段抽汽的最大允許抽汽量為20 t/h，三段、四抽汽的最大允許抽汽量為50 t/h。

除此之外，從四段抽汽管道抽工業抽汽時，還應當考慮最大廠用汽工況時對工業抽汽的影響。

②由于六段及其以后的回熱抽汽蒸汽參數較低，難以滿足工業抽汽用戶側的需求，這里就不再討論其抽汽限制值。

③為了保證工業用汽的品質，除了考慮管道壓力損失和溫度損失的影響因素，一般都要求抽汽壓力要高于需求壓力0.3～0.5 MPa，經過減壓設備之后再進行工業使用，蒸汽熱能損失較大。

④除上述抽汽量的限制之外，汽輪機回熱抽汽管道開孔抽汽還需考慮抽汽品質參數與機組負荷之間的對應關系。當汽輪機在較低負荷運行的時候，回熱抽汽參數會相應降低，此時會出現不能滿足工業熱用戶用汽要求的可能，需要考慮可靠的備用汽源。

某電廠對四臺300 MW級亞臨界機組實施了再熱熱段抽汽改造，方案如下：

每臺機組的工業抽汽經再熱熱段引出后，經過電動隔離閥，減溫減壓器，止回閥、快關閥后合并為一根母管，并根據管道布置情況在合適的位置安裝流量測量孔板后對外供熱(*為防止減溫減壓器后管道減溫不均勻影響管道安全，減溫減壓器后管段應考慮P22過渡段)。減溫減壓器后的蒸汽參數設定為2.4 MPa，395 ℃。供熱系統如圖2所示。

圖2

4臺機組實施工業抽汽改造的項目總投資約12 00萬，改造后，4臺機組總對外抽汽能力300 t/h，年供熱量691.2萬GJ，與熱電分產相比，4臺機組年供熱節約標煤耗13.8萬t，年發電節約標煤耗4.4萬t，年減少煙塵排放量10 425 t，年減少二氧化硫排放量5 887 t，年減少氮氧化物排放量860 t，年減少二氧化碳排放量38萬t。本改造適用于有工業熱負荷需求地區的純凝機組，或采暖熱負荷相對較小、同時帶有工業熱負荷需求地區的抽凝機組。

4 結束語

我國煤炭在能源消費結構中仍占據主導地位。華電集團煤電裝機占火電裝機容量的88.2%，占總發電裝機容量的62.7%，因此煤電仍為主力。

在政策層面，集團應關注各省地方政策，關注熱負荷迫切的地區，并參與煤電基地建設。

國家發改委、國家能源局和國家環保部三部委聯合印發《關于印發煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)的通知》(發改能源〔2014〕2093號)中明確提出了新建和改造機組的平均供電煤耗標準。從現有煤電裝機構成及運行綜合煤耗來看，與國家要求具有一定的差距，需要加快實施節能改造。