0 引言

我國(guó)火電行業(yè)為中國(guó)近30年的改革開放和經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)，并且今后很長(zhǎng)一段時(shí)間，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)以煤為主的火電結(jié)構(gòu)不會(huì)改變。與此同時(shí)，國(guó)際上政府間氣候變化專門委員會(huì)稱，到2050年全球CO2排放量必須減少50%到80%，這一指標(biāo)相當(dāng)于把目前400億噸的年平均排放減少到2050年 的80億噸到200億噸。

因此CO2排放成為制約我國(guó)燃煤火電機(jī)組發(fā)展好主要的因素之一。

同時(shí)我國(guó)資源分布不均，如：北方富煤地區(qū)嚴(yán)重缺水，缺水就需要考慮上空冷機(jī)組并采取其它節(jié)水措施，節(jié)水就需要消耗能源，而我國(guó)內(nèi)蒙古大部分地區(qū)不光缺水，而且燃用煤質(zhì)為褐煤，褐煤煤質(zhì)較差，這就意味著發(fā)電煤耗和供電煤耗都將大幅度增加,煤耗增加就意味著CO2排放增加。

目前好現(xiàn)實(shí)的降低CO2排放的技術(shù)就是盡可能提高發(fā)電效率和減少供電能耗。這就意味著發(fā)出相同的電力可少燒煤，從而可少排放CO2 。因此，超超臨界煤粉爐火電廠成為當(dāng)前中國(guó)和世界新建火電廠的主要方向，同時(shí)超超臨界設(shè)計(jì)技術(shù)集成化研究也成為電力設(shè)計(jì)部門當(dāng)前好主要的任務(wù)。

1 國(guó)內(nèi)火電機(jī)組與國(guó)外先進(jìn)機(jī)組的主要差距

1.1 我國(guó)燃煤火電機(jī)組發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1裝機(jī)容量

截止到2009年底，我國(guó)電廠的總裝機(jī)容量已達(dá)8.74億千瓦，其中火電裝機(jī)容量已超過6.52億千瓦，占總裝機(jī)容量的74.6%。

1.1.2 煤耗

2009年全國(guó)運(yùn)行火電機(jī)組的平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率為 340g/kWh。

1.1.3 廠用電率

近幾年來，隨著火電機(jī)組環(huán)保治理措施的逐漸完善，廠用電設(shè)備有所增加，但由于電網(wǎng)中新增機(jī)組單機(jī)容量逐步加大，原有小機(jī)組逐步關(guān)停，因此，火電機(jī)組平均廠用電率有所下降。

1.2 國(guó)內(nèi)火電機(jī)組與國(guó)外先進(jìn)機(jī)組的主要差距

1.2.1機(jī)組平均供電煤耗率比較

盡管我國(guó)燃煤機(jī)組的平均供電煤耗率在不斷降低，但平均供電煤耗率仍高于世界發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。以下是我國(guó)與幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家的供電煤耗率和廠用電率對(duì)比情況。

我國(guó)火電機(jī)組平均供電煤耗與發(fā)達(dá)國(guó)家存在的主要差距如下：

（1）我國(guó)火電機(jī)組采用超臨界、超超臨界機(jī)組的參數(shù)比例仍較低，約占火電裝機(jī)容量的13%，而日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家超臨界、超超臨界機(jī)組占火電機(jī)組的50%以上。

（2）我國(guó)北方缺水地區(qū)新上燃褐煤空冷機(jī)組大多采用亞臨界參數(shù)，因此供電煤耗較高，350g/kWh~360g/kWh之間。

1.2.2新建燃煤機(jī)組的供電煤耗率比較

國(guó)外近10年投運(yùn)的部分超超臨界機(jī)組主要參數(shù)及發(fā)電煤耗指標(biāo)和廠用電率見表1。

近幾年來，我國(guó)新裝火電機(jī)組的參數(shù)和單機(jī)容量有了較大的飛躍，參數(shù)從過去的亞臨界機(jī)組升級(jí)到超臨界和超超臨界機(jī)組；單機(jī)容量由300MW和600MW升級(jí)為600MW和1000MW。600MW濕冷機(jī)組基本上采用了超臨界或超超臨界參數(shù)，1000MW機(jī)組全部采用了超超臨界參數(shù)，并且都已積累了一定的商業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。超（超）臨界火電機(jī)組在我國(guó)火電結(jié)構(gòu)中已經(jīng)有相當(dāng)大的比例，國(guó)內(nèi)通過600℃超超臨界機(jī)組的技術(shù)開發(fā)及工程實(shí)踐，已投運(yùn)21臺(tái)600℃百萬(wàn)機(jī)組，在建和規(guī)劃的超超臨界機(jī)組超過其他國(guó)家總和，機(jī)組制造、安裝和運(yùn)行水平大幅度提高，建立了完成的設(shè)計(jì)體系，擁有了相應(yīng)的先進(jìn)制造裝備和工藝技術(shù)，建立一支完整的人才隊(duì)伍。已經(jīng)投運(yùn)的部分超超臨界機(jī)組發(fā)電煤耗指標(biāo)和廠用電率見表2。

表2 國(guó)內(nèi)近幾年投運(yùn)的部分超超臨界機(jī)組主要參數(shù)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

注：表中廠用電率包括脫硫部分。

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)新上燃煙煤超超臨界火電機(jī)組已經(jīng)與國(guó)際先進(jìn)水平接近，有些超超臨界機(jī)組（如：外高橋三期）已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)煤耗水平，但在設(shè)計(jì)理念上與德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家仍有一些差距，比如：德國(guó)從20世紀(jì)末開始實(shí)施燃褐煤的BOA超超臨界機(jī)組計(jì)劃，完成火電設(shè)計(jì)技術(shù)的集成，在2004年BOA1/3計(jì)劃電廠Niederaussem電廠（1′1027MW）運(yùn)行，成為目前世界好先進(jìn)的燃褐煤超超臨界機(jī)組，而我國(guó)目前僅有2臺(tái)燃褐煤超臨界機(jī)組準(zhǔn)備投入運(yùn)行（華能九臺(tái)電廠2′660MW機(jī)組），其余全部為燃褐煤亞臨界機(jī)組。

2 超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)的集成化發(fā)展

2.1 日本超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化的發(fā)展

日本是目前除我國(guó)外，投入 600 0C超超臨界機(jī)組好多的國(guó)家。在缺乏資源、環(huán)保要求十分的條件下，形成了本國(guó)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化的特點(diǎn)。

----提高超超臨界機(jī)組參數(shù)

2009年日本投運(yùn)的新磯子電廠2號(hào)機(jī)組主要特點(diǎn)與2004年投運(yùn)的新磯子電廠1號(hào)機(jī)組相比,2009年7月日本投運(yùn)的新磯子電廠2號(hào)機(jī)組部分蒸汽參數(shù)又有變化,從25MPa/600°C/610℃變成25MPa/600℃/620℃，第1次在日本采用塔式鍋爐，并達(dá)到世界高水平的高效。

——采用新型節(jié)能型高效煙氣處理系統(tǒng)

日本橘灣等電廠采用低低溫電除塵器技術(shù)，由于煙氣體積流量小、煙氣比電阻小及ESP采用低溫靜電除塵器，四電場(chǎng)改為三電場(chǎng)，并采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)，使電除塵器的電耗大大降低。與傳統(tǒng)的電除塵器+濕法煙氣脫硫工藝（帶GGH）相比，在除塵效率提高的情況下,爐后綜合廠用電率降低0.286%。

2.2 德國(guó)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化的發(fā)展

德國(guó)目前投運(yùn)的6000C超超臨界機(jī)組不多，但它是目前世界上開展超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化好成熟的國(guó)家。

德國(guó)的“BOA計(jì)劃”簡(jiǎn)介

1996年，德國(guó)開始執(zhí)行“BOA計(jì)劃”，“BOA計(jì)劃”全稱lignite-basedpower generation with optimised plant engineering，燃褐煤的超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成技術(shù)。包括：采用超超臨界參數(shù)、冷端優(yōu)化、褐煤干燥、鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化、汽輪機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化、熱力系統(tǒng)優(yōu)化、環(huán)保島工藝系統(tǒng)優(yōu)化、區(qū)域供熱等設(shè)計(jì)技術(shù)的工程集成應(yīng)用（我國(guó)的“外三”工程借鑒了其中除褐煤干燥技術(shù)外的所有理念，并用投資造價(jià)較高的塔式爐實(shí)現(xiàn)了首臺(tái)超超臨界燃煙煤機(jī)組應(yīng)用）。

“BOA計(jì)劃”發(fā)展路線分成3個(gè)步驟實(shí)施：

“BOA計(jì)劃”的1/3項(xiàng)目：燃褐煤超超臨界機(jī)組示范電站1′1027MW機(jī)組Nicderausem電廠，580℃/600℃，商業(yè)行動(dòng)時(shí)間為2004年1月，該項(xiàng)目用2200Kcal/kg，燃煤水份53.3%褐煤好終達(dá)到了45.2%的效率，機(jī)組年平均供電煤耗292g/kwh。

“BOA計(jì)劃”的2/3項(xiàng)目：燃褐煤超超臨界機(jī)組，單機(jī)容量2′1100MW，6000C/6050C/29.5MPa。可適應(yīng)預(yù)期燃用的褐煤特性。煤熱值1818kcal/kg~2775kcal/kg（水分42%以上），根據(jù)德國(guó)CO2排放分配計(jì)劃，并且是大型以大代小工程（2′300MW機(jī)組+2′600MW機(jī)組），該項(xiàng)目2010年投產(chǎn)。

“BOA計(jì)劃”的3/3項(xiàng)目：為700oC蒸汽參數(shù)的大機(jī)組示范應(yīng)用。

2.3 我國(guó)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化的發(fā)展

我國(guó)的外三是世界上應(yīng)用于燃煙煤超超臨界火電機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化好成功的范例。

外三采用了包括：采用超超臨界參數(shù)、冷端優(yōu)化、鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化、汽輪機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化、熱力系統(tǒng)優(yōu)化、余熱回收等集成技術(shù)，使平均供電煤耗達(dá)到282.16g/kwh(2009年全年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）。

3 我國(guó)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展可采用的技術(shù)

超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化主要步驟：

（1）提高發(fā)電效率；

（2）降低廠用電率。

3.1提高發(fā)電效率主要措施

3.1.1采用超超臨界機(jī)組

典型超臨界循環(huán)的參數(shù)為:24.1MPa/566°C/566°C，提高到超超臨界參數(shù): 25MPa/600℃/600℃，提高了電廠的熱效率，可降低標(biāo)煤耗5~9g/kWh。

3.1.2燃褐煤機(jī)組采用褐煤預(yù)干燥技術(shù)

利用蒸汽干燥可以使得設(shè)備體積減小，熱效率提高，且安全可靠。因此,國(guó)外近幾年對(duì)高水分褐煤的干燥的研究大都是采用蒸汽干燥。根據(jù)國(guó)際上的發(fā)展趨勢(shì),針對(duì)褐煤的先進(jìn)干燥技術(shù)主要圍繞以下幾方面進(jìn)行研究和應(yīng)用: 水分蒸發(fā)廢熱可以循環(huán)利用；干燥強(qiáng)度大,以利于大型化；通過與電廠熱力循環(huán)集成,提高電廠整體效率。與未采用褐煤預(yù)干燥機(jī)組相比，可降低發(fā)電煤耗6g/kwh以上。

3.1.3 降低汽輪機(jī)背壓

對(duì)于600MW級(jí)超超臨界汽輪機(jī)來說，汽輪機(jī)背壓下降0.5kPa、1kPa、2kPa，熱耗分別降低13.9 kJ/kWh 、31kJ/kWh、65.3 kJ/kWh左右。

3.1.4 選用合適的汽輪機(jī)排氣面積

600MW級(jí)機(jī)組汽輪機(jī)可以有三缸四排汽型式和兩缸兩排汽型式兩種結(jié)構(gòu)。在相同的背壓條件下，由于三缸四排汽型式汽輪機(jī)比兩缸兩排汽型式汽輪機(jī)排氣面積大23%，機(jī)組標(biāo)煤耗值降低約0.75g/kWh。

3.1.5 燃煙煤機(jī)組磨煤機(jī)采用動(dòng)態(tài)分離器

磨煤機(jī)采用動(dòng)態(tài)分離器可提高鍋爐效率約0.3%。

3.1.6 采用煙氣余熱回收技術(shù)或低低溫高效煙氣處理系統(tǒng)

采用煙氣余熱回收技術(shù)或低低溫高效煙氣處理系統(tǒng)可降低煤耗1g/kWh以上。

表3采用高效措施后機(jī)組標(biāo)煤耗降低情況表

3.2 降低機(jī)組額定負(fù)荷下廠用電率措施

3.2.1 電動(dòng)給水泵采用調(diào)速行星齒輪裝置調(diào)速

調(diào)速行星比齒輪式液力偶合器平均高出約2%，在低負(fù)荷較寬調(diào)節(jié)范圍上，效率相比齒輪式液力偶合器平均高出約10%，節(jié)能效果明顯，降低全廠廠用電率約0.08%。

3.2.2制粉系統(tǒng)合理選擇磨煤機(jī)

針對(duì)不同煤質(zhì)，可選用不同型式的中速磨煤機(jī)達(dá)到節(jié)能的目的。

針對(duì)燃褐煤機(jī)組，可選擇磨煤電耗較低的中速磨煤機(jī)。與采用其它傳統(tǒng)中速磨煤機(jī)相比，其制粉系統(tǒng)全廠廠用電率降低約0.05%~0.11%。

對(duì)于部分燃煙煤機(jī)組，也可選擇阻力較小的中速磨煤機(jī)，使磨煤機(jī)本體阻力降低，從而降低一次風(fēng)機(jī)阻力，與采用其它型式中速磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)相比，其制粉系統(tǒng)全廠廠用電率可降低0.02%。

3.2.3 吸風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)選型優(yōu)化

在采用高效電除塵器后，粉塵濃度降低到30mg/Nm3以下，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，可選擇動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)做引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)。動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)與靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)相比，在額定負(fù)荷時(shí)，效率相差在5%以上，在機(jī)組負(fù)荷越低時(shí)，相對(duì)靜葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)效率越高。

選擇動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)做引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)后，可降低全廠廠用電率0.07%~0.09%。

3.2.4 電氣系統(tǒng)綜合優(yōu)化

——合理選擇變壓器

——選用高效率電動(dòng)機(jī)

——優(yōu)化廠用電接線配置

在電氣系統(tǒng)綜合優(yōu)化后，可降低全廠廠用電率0.16%。

4 我國(guó)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展面臨的主要問題

4.1 煤質(zhì)變化問題

我國(guó)從南到北、從東到西，火電機(jī)組燃用煤質(zhì)條件完全不同，這就需要對(duì)具體問題進(jìn)行具體分析，采用不同的方案。舉一個(gè)例子：當(dāng)考慮余熱回收時(shí)，即可以考慮低低溫靜電除塵器方案、又可以考慮除塵器后低溫省煤器方案。關(guān)鍵要看電廠燃用的設(shè)計(jì)煤質(zhì)和校核煤質(zhì)中灰分和硫分，進(jìn)行分析比較。

4.2 褐煤干燥技術(shù)及整體化設(shè)計(jì)技術(shù)方面存在的問題

褐煤干燥過程中水分的蒸發(fā)是一個(gè)大量消耗熱量的過程。傳統(tǒng)熱煙氣對(duì)高水分煤干燥后,由于蒸發(fā)的水分中含有大量的空氣，因此水分的潛熱不可能得到利用。因此傳統(tǒng)的干燥技術(shù)不能適應(yīng)高水分褐煤的干燥。此外由于褐煤揮發(fā)分含量高，著火溫度低，因此容易產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，發(fā)生自燃或爆炸。如：為防止爆炸,采用較低的煙氣溫度,干燥強(qiáng)度低、速度慢，不適合工業(yè)生產(chǎn)要求。

所以針對(duì)高水分的褐煤干燥，必須采取其它的干燥介質(zhì)和設(shè)備來進(jìn)行。目前國(guó)外已開發(fā)了多項(xiàng)褐煤干燥技術(shù)，如：蒸汽滾筒管式干燥技術(shù)、流化床蒸汽干燥技術(shù)、蒸汽空氣聯(lián)合干燥技術(shù)、床混式干燥(BMD)技術(shù) 、熱機(jī)械脫水(MTE) 技術(shù)等,其中蒸汽滾筒管式干燥技術(shù)、流化床蒸汽干燥技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于國(guó)外大型燃褐煤發(fā)電機(jī)組（黑泵電廠和Niederaussem電廠）。國(guó)內(nèi)目前雖然已經(jīng)開發(fā)出滾筒煙氣褐煤干燥工藝（目前主要應(yīng)用業(yè)績(jī)?cè)谠诿禾肯到y(tǒng)各個(gè)礦業(yè)集團(tuán)用于干燥煤中部分水分，達(dá)到煤提質(zhì)的目的）、振動(dòng)混流煙氣干燥褐煤工藝、褐煤蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥工藝。

電廠褐煤預(yù)干燥技術(shù)是煤炭系統(tǒng)設(shè)計(jì)與電力工藝系統(tǒng)的結(jié)合，對(duì)于各自獨(dú)立的技術(shù)都是成熟的，但在整體化設(shè)計(jì)方面存在著欠缺。表現(xiàn)在三個(gè)方面，一是系統(tǒng)的整合，二是與鍋爐燃燒系統(tǒng)的整合，三是有關(guān)整合技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化的投資及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性問題

（1）大部分集成技術(shù)措施的應(yīng)用會(huì)造成工程造價(jià)的增加，但是，按照目前我國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，增加的工程造價(jià)是可以承受的。

（2）有些集成技術(shù)的應(yīng)用不會(huì)增加工程造價(jià)或增加的較少，但由于運(yùn)行費(fèi)用的降低，使得上網(wǎng)電價(jià)有所下降。隨著我國(guó)燃料和用水價(jià)格以及污染物排放征費(fèi)的上漲，電廠獲得的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更加明顯。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

至2020年，我國(guó)以火電機(jī)組為主、特別是以超超臨界為主的電力裝機(jī)發(fā)展不會(huì)改變，按照目前的電力發(fā)展形勢(shì)分析，到2020年，我國(guó)火電機(jī)組裝機(jī)容量將增加4億至5億千瓦（不包括以大代小機(jī)組容量）左右。因此必須采取各種措施實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)能減排目標(biāo)。

未來燃煤火電機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展可以歸納為2個(gè)層次：

第yi個(gè)層次：實(shí)現(xiàn)超超臨界參數(shù)工程設(shè)計(jì)。完成包括目前的6000C參數(shù)超超臨界機(jī)組、以及2020年前可能出現(xiàn)的6500C或7000C參數(shù)超超臨界機(jī)組工程設(shè)計(jì)。

第二個(gè)層次：在獨(dú)立火電機(jī)組上采用一切可以使用的新型火電技術(shù)集成，提高機(jī)組效率（包括采用超超臨界參數(shù)、褐煤干燥、冷端優(yōu)化、鍋爐系統(tǒng)優(yōu)化、汽輪機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化、熱力系統(tǒng)優(yōu)化、環(huán)保島工藝系統(tǒng)優(yōu)化、區(qū)域供熱等），使供電煤耗達(dá)到國(guó)際一流水平。

為應(yīng)對(duì)未來我國(guó)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，我們應(yīng)及早準(zhǔn)備，在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)發(fā)展、跨行業(yè)發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)技術(shù)的自主化發(fā)展。

5.2 建議

通過對(duì)國(guó)內(nèi)、外超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢(shì)的分析，建議我國(guó)超超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展路線如下。

我國(guó)超超臨界火電機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)集成化發(fā)展建議

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