高效绿色煤电技术发展与探索

高效绿色煤电技术发展与探索 上海外高桥第三发电有限责任公司 上海申能能源科技有限公司 二 一五年元月 2 上海外高桥第三发电有限责任公司 ， 建设两台 1000 2005年 9月开工建设 ， 2008年 6月全部建成 。 锅炉： 塔式，超超临界，一次再热，平衡通风，四角切圆燃烧，螺旋水冷壁，固态排渣燃煤（粉）锅炉。炉顶标高 129m。 由上海锅炉厂引进德国 基本参数： 主汽压力： 28 主、再热蒸汽温度： 605 / 603 ， 额定蒸汽流量： 2732T/H 主设备概况 3 汽轮机： 超超临界，单轴，四缸四排汽，反动式，双背压，凝汽式汽轮机。由上海汽轮机厂引进德国 基本参数： 主蒸汽压力： 、再热蒸汽温： 600 /600 ， 功率： 1000程概况 主设备概况 4 发电机： 水，氢，氢冷，同轴无刷励磁。由上海电机厂引进德国 基本参数： 定子电压 27额定电流 23759A， 额定功率1000功率因数 工程概况 主设备概况 5 公司从建厂起，就以工程 为契机，以节能减排为重点，开展了一大批综合优化和科技创新项目。这些节能减排技术涵盖了系统设计优化；设备改进；研发专门节能设备；机组启动和运行方式及控制策略的优化和创新等 。 由于 部分技术不但节能和减排效果显著，还因简化了系统，提高了安全性，且显著降低了投资，故项目的总投资并不因为这一系列技术的实施而增加 。 机组投产后 ， 为进一步提升机组的环保水平 ， 同时又能兼顾机组能耗和运行费用的降低 ， 几年来 ， 又先后研发和实施了 “ 零能耗脱硫技术 ” ； “ 节能型高效除尘技术 ” 以及 “ 节能型高效全天候脱硝技术 ” 等 ， 使机组的节能和环保水平又有了新的飞跃 。 目前外三机组的理论净效率 （ 含脱硫 、 脱硝 ） 已提升至 ， 这已与目前 700 计划的期望效率相当 ， 在世界上遥遥领先 。 6 汽轮机参数和运行调节方式的优化 , 机组再热系统压降优化 , 汽轮机背压优化 , 汽轮机凝结水联合调频技术 , 给水系统优化 , 回转式空预器全向柔性密封技术 , 蒸汽氧化与固体颗粒侵蚀的综合防治 , 直流锅炉节能启动技术 , 零能耗脱硫技术 , 广义回热技术 , 弹性回热技术 , 其他节能技术 , 上海外高桥第三发电有限公司 节 能 新 技 术 成 效 图 (净效率增量 %) 节能技术成效 7 2702722742762782802822842862882008 2009 2010 2011 电煤耗（克/千瓦时）运行年份 年平均运行供电煤耗（含脱硫、脱硝） 年 平均负荷率： 75% 75% 74% 81% 77% 原世界运行效率最高的丹麦 号 411温海水冷却机组，2009年供电煤耗（ 不含 供热） 千瓦时（净效率 ，平均发电负荷率 89%。折合 75%负荷率下的供电煤耗 千瓦时。 8 突破经典热力循环理论 广义回热 理论： 从传统的以锅炉 给水 为回热媒介的 经典回热循环 ，拓展为以锅炉输入的 水 、 风 、 煤 等均作为回热媒介的 广义回热循环 。 拓宽汽轮机回热抽汽的应用范畴，增加回热抽汽量，降低汽轮机排汽损失（冷源损失）。 广义回热理论适用于所有燃煤机组，能突破火电机组热效率进一步提升的瓶颈，并能解决一系列的环保问题。 一、 广义回热 理论及系列技术 9 节能技术案例 给水 加热 给水 补充加热 给水 排烟（损失） 送粉（煤粉、风、水蒸汽混合物） 进风 排烟（ 损失不变 ） 加热 进风 广义回热系列技术原理示意图 蒸汽（利用） 降低机组的能耗，节能减排 。 拓展汽轮机回热抽汽利用的领域和载体 。 发电机 汽轮机 凝汽器 锅 炉 降低机组的能耗，节能减排 。加热 送粉（煤粉、风、水蒸汽混合物） 10 二、火电机组集中式变频总电源技术 由于上海地区煤电的调峰范围大，达 40在低负荷时，辅机均处于低效运行工况，若能进行变速运行，其运行效率将大为改善。但传统的电子式大功率高电压变频技术，可靠性低，占地大，性价比较低。 集中式变频总电源技术，利用单独设置的转速可调的小汽轮机推动一个发电机，通过改变小汽轮机的转速，从而改变发电机输出的交流电的频率。这个发电机为连接在同一母线上的所有辅机提供变频动力电源。与此同时，所有连接在该母线上的辅机都连接有一路工频电源，作为备用。 集中式变频总电源根据机组的负荷情况，为连接在其上的所有辅机提供初步调整的调频电源，每一个辅机上的调节 结构如动叶、阀门、挡板等各自 进行微调，以 保证满足运行要求 。 11 节能技术案例 本集中式变频电源的小汽轮机为凝汽式，自带凝汽器。汽源取自主汽轮机抽汽。变频小汽轮机选用了 21电机选用了北重的30 两台机组的变频总电源系统已于 2013年全部建成投产，目前的厂用电率已降至 2%水平。 集中式变频总电源原理图 12 机组变频总电源系统 13 三、防止机组效率下降 遭氧化皮阻塞的管子 被固体颗粒侵蚀的叶片 被固体颗粒侵蚀的旁路阀芯 管道的蒸汽侧氧化；氧化皮阻塞引起的炉管超温和爆管；氧化皮破碎形成的颗粒引起的汽轮机叶片及旁路阀芯等侵蚀 （ 固体颗粒侵蚀 ， 导致机组效率不断下降 ，是超 （ 超 ） 临界机组面临的突出问题 ， 并已经困扰国际发电技术领域几十年 。 中国近年来投产的超临界和超超临界机组也出现了这方面较严重的倾向 ， 若不加以重视 ， 相当部分的节能减排成果就会被其吞噬 。 14 节能技术案例 德国运行效率最高的 025产仅一年，就因 高压缸的内效率就下降了 世界设计效率最高的丹麦 号机组 （ 411 次再热，超超临界，低温海水冷却，排汽压力 ， 如果不是因为严重的组在 89%发电负荷率下的运行效率不应低于外三机组。 日本运行效率最高的矶子电厂新一号机 600计含脱硫、脱硝的净效率 43%（供电煤耗 千瓦时），在全年大部分时间都是满负荷运行的情况下，其运行效率最高的年份（ 2002年）的实际运行净效率也仅为 供电煤耗 千瓦时 ）。这里也明显反映出了 15 随着我国超（超）临界机组的大规模建设，以及一些机组系统设计及启动方式的不当，这一问题也日益突出。除了因氧化皮阻塞引起的炉管超温和爆管事故呈频发之势外，其隐形的后果 固体颗粒侵蚀导致的机组效率下降也已逐步显现，部分机组已相当严重。 以下是 3个 1000网 2 线运行汽耗的比较 ： 8月中旬 对比机组 配置 负荷 给水流量 汽耗比 2台 1000型炉 有调节级汽轮机 一级旁路 h 2台 1000型炉 无调节级汽轮机 40%/65%旁路 h 外三电厂 2台 1000式炉 无调节级汽轮机 100%/65%旁路 h / 6 针对这类问题产生的机理进行了全面和深入的研究，提出了综合治理的技术路线，其基本思路为： 1、 应设法防止和减缓高温蒸汽金属氧化物的生成； 2、 对于已生成的金属氧化物应避免其脱落； 3、 对已脱落的金属氧化物应尽快予以清除； 4、 对未能清除的金属氧化物应尽量减轻其对汽轮机叶片的破坏等 。 根据这一思路和技术路线，研发了一整套所谓的中医全身疗法的蒸汽氧化和固体颗粒侵蚀综合治理的系列技术，他涵盖了系统设计、设备选型、施工及调试、机组控制、启动和运行方式等方面的一系列的改进和创新。从而使 这一困扰了世界发电领域几十年的顽症被彻底根治 蒸汽氧化 及 17 600德国 025某 1000900外高桥三发电锅炉运行 30个月后炉管情况 外高桥三发电锅炉运行 30个月后炉管情况 18 某 600某 600轮机叶片 某 600轮机叶片 运行 30个月后，外三机组汽轮机叶片 19 四、 节能型全天候脱硝技术 外三两台锅炉配置的 脱硝装置 ， 采用选择性催化还原法 (艺 。 反应器采用高飞灰布置方式，位于省煤器不空预器之间。催化剂为美国康宁公司生产的蜂窝式催化剂。用液态纯氨作还原剂，不烟气中 的 行反应生成氮气和水，从而降低烟气中的 第一台 装 2层共550计寿命 16000小时。不机组同步建设。第二台 013年 6月完成改造幵投产。 节能型环保技术案例 脱硝运行存在的问题： 1、 中国发电的主要方式为煤电，其调峰丌可避免。上海的调峰范围为 40100%。在低负荷下的 此时锅炉的 意味着在更需要脱硝的情况下， 2、 有少量的 不烟气中的 造成空预器低温段的强烈腐蚀及堵灰，继而风机用电显著增加，严重的甚至可危及锅炉的运行安全及出力。 外三的 预器就发生了较严重的堵塞。 3、 催化剂寿命有限，需定期更换，费用高，工作量大，废旧催化剂的后处理困难。 国外解决 1、 装有 。 2、 加装锅炉省煤器旁路烟道。在省煤器前直接引一部分烟气至高低负荷下的 ，这种方法的代价是煤耗显著增加。 3、 将锅炉的省煤器设计成两部分，其低温部分置于 而解决低负荷烟温过低无法运行的问题 。由于偏离了催化剂的最佳反应温度范围，脱硝效率会有所下降。此外，该方法仅适用于新建机组。 弹性回热技术 可调式抽汽补充加热锅炉给水 于高压缸处选择一个合适的抽汽点，幵相应增加一个抽汽可调式的给水加热器 在负荷降低时，通过调节门可控制该加热器的入口压力基本丌变，从而能维持给水温度基本丌变。 回热抽汽补充加热锅炉给水流程图 回热抽汽补充加热锅炉给水原理图 弹性回热技术的作用及成效： 1、解决了 低负荷下省煤器入口水温的提高，使其出口烟温相应上升，可确保 011年的外三脱硝系统全年投入率达 真正实现了全天侯脱硝。 经上海市环保局统计，外三一台机组全年的 2、使环保和节能达到完美统一。 低负荷下汽轮机抽汽量的增加，提高了热力系统的循环效率。根据 50%负荷工况下，可降低汽轮机热耗57kJ/当于降低煤耗 千瓦时，投资可在 3年内回收。 3、提高锅炉水动力安全性。 省煤器入口水温的提高，使省煤器出口即水冷壁入口水温亦相应提高，减少了水冷壁入口欠焓，显著提高了低负荷工况下的水动力特性，大大提高了水冷壁的运行安全性。 4、提高锅炉低负荷燃烧效率和稳燃性能。 省煤器出口烟温的上升，通过空气预热器，相应提高了一次风和二次风的热风温度，即提高了制粉系统的干燥出力，又改善了低负荷下锅炉的燃烧效率和稳燃性能，提高了安全性。 5、 显著提高机组的调频能力和调频经济性。 在机组需快速加 （减）负荷时可使用抽汽调节阀快速减少（增加）抽汽量予以响应，待锅炉热负荷跟上后，再迚行反向调节，最终仍满足平均给水温度丌变。结合凝结水调频技术，可使汽轮机主调门全开，补汽阀全关，机组调频性能和变负荷经济性显著提高。 6、提高机组调频运行的安全性。 由于锅炉省煤器重达 2000T，其巨大的蓄热量可使其出口温度在这调节过程中保持丌变。而因省煤器及入口联箱等均为碳钢和低合金钢，抗温度变化（应力）能力进优于采用合金钢的过热器、再热器和相关联箱等。故该调频技术的安全性进胜于传统的汽轮机调门调节方法。 弹性回热技术的作用及成效 050100150200250300350400450m g / m 3放标准与外三实际排放比较原国标 欧盟标准 新国标 燃气轮机 外三实际欧盟 新国标 燃气轮机 外三 原国标 五、 根据 “ 一种高低位分轴布置的汽轮发电机 ” 专利技术，研发新一代高效超临界机组 背景： 发展更高效的 两次再热 及 700 高效超临界机组，均遇到高温高压主蒸汽及再热蒸汽管道造价昂贵等与管道相关的瓶颈问题 技术核心： 采用双轴汽轮发电机 ， 将其中的高 （ 中 ） 压缸轴系布置于锅炉上靠近过热器和再热器的出口联箱处 ， （ 中 ） 低压缸轴系则仍按常规布置 。 技术优势： 取消了大部分高价值的高温高压蒸汽管道 ， 从而也相应消除了这部分管道对应的压力和散热损失 。 该技术尤适合于 二次再热 机组和 700 高效超临界机组 。 29 1350二次再热 、 超超临界机组高低位分轴布置示意图 30 30 31 o., 根据 若采用 600 等级蒸汽参数及二次再热 ，高 /低位布置方案 ， 其汽轮发电机的热耗水平相对目前一次再热常规布置方案可再下降 5%。 若再集成外三已成熟的节能创新技术 ， 49%（ 供电煤耗 的 划时代水平 。 应用 本技术技术 ， 还可将原 4 300 600770 800 其投资和改造工作量远远小于新建电厂 。 而其新增的容量相当于零能耗发电 ， 故其商业价值及减排价值均极其可观 换 一个角度看 ， 这些 新增的发电容量 ， 应该被称为一种 更稳定 ， 更优质 ， 更经济 ， 零污染的新能源 。 对于 今后发展 700 高效超临界机组 ， 需要采用极其昂贵的蒸汽管道 ， 本技术将具有无可比拟的优势 。 32 为确保节能减排技术的可持续发展 ， 我们坚持 “ 研究一批 ，储备一批 ， 实施一批 ” 的战略 。 目前 ， “ 外三 ” 又有多项新的重大节能减排创新技术完成了理论研究和项目策划 。 这些项目将结合每年的机组检修分批实施 。 届时 ， “ 外三 ” 两台机组的能效和环保水平还将进一步提升 。 七 、下一阶段研究和发展方向： 33 结束语： 基于中国一次能源中煤炭资源占了近 90%的现实，我国的低碳绿色电力的发展战略，并不应是否要发展煤电的问题，而应是如何将先进的低碳和绿色环保理念与中国的资