660MW超超临界空冷机组优化设计与经济性分析.pdf

5 6 内 蒙 古 电 力 技 术 I N N E R MO N G O L I A E L E C T R I C P OWE R 2 0 1 6 年第 3 4 卷第4 期 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 8 6 2 1 8 2 0 1 6 0 4 0 1 9 6 6 0 MW超超 临界空冷机组优化设计与经济性分析 郑 国 宽 ( 中国神华能源股份有限公司胜利能源分公司， 内蒙古 锡林浩特0 2 6 0 0 0 ) 摘要： 在 中国神华能源股份有限公 司胜利能源分公司胜利发 电厂2 x 6 6 0 MW超超 临界 空 冷机组的优化设计和经济性分析过程 中， 对机组的空冷 系统、 烟气余热利用 系统和厂用电率 进行优化设计 ， 并对该厂的盈利能力、 抗风险能力和竞争力进行分析。优化设计后 ， 机组空冷 系统采用直接空冷方案、 烟气余热利用 系统采用机炉耦合高效烟气余热利 用方案 ， 厂用电率 降至5 7 8 。通过经济性分析可知 ， 该厂经济效益 良好 ， 风险性较低 ， 具有显著的市场生存 能 力和竞争优 势。 关键词 ： 6 6 0 MW超超 临界 空冷机组； 厂 用电率 ； 直接 空冷； 烟气余热利用； 资金收益率； 竞 每 于 3 文献标志码 ： B 中图分类号 ： T M6 2 l ； T K 2 6 1 文章编号 ： 1 0 0 8 6 2 1 8 ( 2 0 1 6 ) 0 4 0 0 5 6 0 5 Op t i mi z a t i o n De s i g n a nd Ec o n o mi c An a l y s i s f o r 6 6 0 MW Ul t r a S u p e r c r i t i c a l Ai r Co o l i n g Un i t ZHE L 【 ； u o k ua n ( Ch i n a S h e l i h u a S h e n g l i E n e r g y B r a n c h Co mp a n y Xi l i n h o t 0 2 6 0 0 0 C h i n a) Abs t r a c t ： I n t h e p r o c e s s o f o p t i mi z a t i o n d e s i g n a nd e c o no mi c a n a l ys i s f o r t h e 6 6 0 MW u l t r a s up e r c r i t i c a l a i r c o o l i n g u ni t i n Ch i n a S he nh u a S he ng l i En e r g y Br a nc h Co mpa n y ， t h e a i r c o o l i n g s y s t e m， flu e g a s wa s t e he a t ut i l i z a t i o n s y s t e m， a u x i l i a r y p o we r c o n s u mp t i o n r a t e o f t h e u n i t a r e o p t i mi z e d ，a n d t h e p r o fi t a b i l i t y ，t h e a n t i - r i s k a b i l i t y ，t h e c o mp e t i t i v e a b i l i t y o f t h e p l a n t a r e a n a l y z e d Aft e r o p t i mu m d e s i g n ，t h e d i r e c t a i r c o o l i n g s y s t e m i s a d o p t e d i n t h e a i r c o o l i n g s y s t e m o f t h e u n i t ，t h e ma c h i n e f u r n a c e c o u p l i n g h i g h e ffic i e n c y fl u e g a s ut i l i z a t i o n s c h e me i s a d o pt e d i n t he flue g a s wa s t e h e a t u t i l i z a t i o n s y s t e m， a u x i l i a r y p o we r c o n s u mp t i o n r a t e f e l l t o 5 7 8 Aft e r e c o n o mi c a n a l y s i s i t i s k n o wn t h a t i t h a s g o o d e c o n o mi c b e n e fi t ，t h e p l a n t h a s l o w e r r i s k ，a n d ma r k e t s u r v i v a l a b i l i t y a n d c o mp e t i t i v e a r e a l s o a d v a n t a g e d ； r a t e ； 0 引言 Ke y wo r d s ： 6 6 0 MW u l t r a s u p e r c r i t i c a l a i r c o o l i n g u n i t ； a u x i l i a r y p o w e r c o n s u mp t i o n d i r e c t a i r c o o l i n g ； f l u e g a s wa s t e h e a t 近年来 ， 随着发 电厂装机容量 的变化 ， 我国在 u t i l i z a t i o n ；ma r g i n a l b e n e fi t ； c o mp e t i t i v e p o we r 役的火 电机组利用小时数持续下降 ， 电力市场总体 呈现供过于求的局面。如何降低机组初投资、 提高 机组供电效率， 使新建的大型火电机组实现超低排 f 收稿 日期J 2 0 1 6 0 5 0 5 【 作者简介J郯 宽( 1 9 8 3 ) ， 男， 内蒙 十 1 人， 硕 _ ： ， 一 翌 师， 从事大型电站设备管理l I 作。 2 0 1 6 年第3 4 卷第4 期 郑国宽： 6 6 0 MW超超临界空冷机组优化设计与经济性分析 5 7 放 ， 成为火 电领域研究 的重要课题之一。本文就中 国神华能源股份有 限公 司胜利能源分公 司胜利 发 电厂( 以下简称胜利发电厂 ) 2 6 6 0 MW超超临界空 冷机组 的优化设计及经济性进行分析 ， 以期为 同类 型机组设计优化及经济性测算提供参考。 1 工程及设备概况 胜利 发 电厂为煤 电一体 化 大 型坑 口电厂 ， 位 于内蒙古锡林浩特市东郊。该 电厂新建 2 6 6 0 MW 超超 临界空冷机组是 国家大气污染防治计划 中 1 2 条重点输 电通道之一的锡林郭勒盟一 北京东一天 津南一 山东 1 0 0 0 k V交流特高压输 电工程 的配套 电 源点项 目， 出线为单 回1 0 0 0 k V线路 。 该机组同步建设 S C R脱硝设备 、 石灰石湿法脱 硫设 备 ， 除尘 系统采 用双室 五电场高 效静 电除尘 器 ， 以实现污染物超净排放 。锅炉为单炉膛 、 四角 切 圆燃烧 、 一次 中间再 热 、 平衡通风 、 固态排渣 、 全 悬 吊结构 、 紧身封闭布置 、 型变压运行直流锅炉 。 汽轮机 为一 次中间再热 、 三缸两排 汽 、 单轴 、 双背 压 、 空冷凝 汽式汽轮机 。发 电机采用静态励磁 、 水 一 氢一 氢冷汽轮发 电机 。机组燃煤为神华北 电胜 利能源公 司露天矿 ( 以下 简称胜利露天矿 ) 生产 的 褐煤 ， 补给水为胜利露天矿的疏干水 。 2 机组设计方案优化 2 1 汽轮机排汽冷却方式选择 胜利发电厂 2 x 6 6 0 MW机组汽轮机排汽冷却方 式有以下 2 种备选方案 。 ( 1 )方案 1 ： 主机 和小机排汽冷凝 采用直接空 冷系统 ， 辅机冷却水系统采用机械 间接空冷 系统 ， 主机设计背压 9 k P a ； ( 2 )方案 2 ： 主机和小机排 汽冷凝 、 辅机水冷却 采用 间接空 冷 系统 ， 1 机 1 塔 布置 ， 主机设计 背压 9 k Pa。 对 2 种方案进行 比较 ， 方案 1 初投资较方案 2 少 4 2 1 9 万元 ， 且方案 1占地面积小 ， 运行较为灵活 ， 建 设 T期短 。考虑到 目前 和预期一段 时间内发电市 场的形势和特点 ， 本机组空冷系统采用方案 1 。 2 2 烟气余热利用方案优化 2 。 2 1 除 尘器入 口烟 气温度 确定 烟气余热利用装置出口即除尘器人口烟气温 度 需要 结 合机 组 燃煤 的情 况 进行 分 析后 确定 。 本机组设 计煤种 及校核煤 种 的烟气酸露点分别依 据 H a a s e& B o r g m a n n和 V e r h o ff& B a n c h e r o 估算 公 式确定上、 下限值-z 。经计算， 设计煤种的酸露点为 1 0 6 5 ， 校核煤种 的酸露点为 1 0 2 。 目前国内部分机组将除尘器入 口烟气温度降 至 9 0 1 0 0， 已低于或接近国内绝大部分煤种 的烟 气酸露点 温度 。有研究认 为 ， 当烟 气温度在 9 0 1 0 0时 ， 结露 的S O ， 液滴在含尘量大的环境 中被粉 尘吸附包裹 ， 并被粉尘 中的碱性物质 中和 ， 最终被 除尘器除去 ， 从而避免对换 热器 、 除尘器及 下游设 备产生腐蚀 。当灰硫 比大于 1 0 0 时 ， 烟气 中的S O ， 去除率 可达到 9 5 以上 ， S O 质量浓度 将低于 2 8 6 m g m ， 对下游设备及烟道的低温腐蚀风险很小 】 。 基于上述分析 ， 本机组除尘器人 口烟气温度取 l 1 0 q C。 2 2 2 烟 气余 热利 用方案 原设 计锅炉烟气余热利用 采用两级低温省煤 器的常规烟气余热利用方案， 优化设计后 ， 烟气余 热利用方案改为机炉耦合高效烟气余热利用方案， 其工作流程 图见图 1 。将省煤器出 口约 8 5 烟气经 S C R装 置后送人 回转式空气预热器( 以下简称空预 器) ， 另外约 1 5 烟气不经空预器， 直接进入旁路烟 道 。旁路烟道 中设置第一级换热器 ( 高压给水换热 器 ) 和第 二级换热器 ( 低压凝结水换热器 ) ， 使 3 7 5 左右的烟气与高压给水及凝结水进行换热 ， 烟气热 量被充分回收利用。经两级换热器后的烟气降温 至 1 1 0 1 1 5。因进入空预器 的烟气量减少 ， 在空 预器人 口冷风温度升高的情况下 ( 吸收塔前 烟气换 热器加热空预器入 口冷风 ) ， 可保证空预器 出 口排 烟温度控 制在 1 1 0 1 1 5， 与旁路烟道 的出口烟温 一 致 。空预器 出 口烟气与旁路 出 口烟气 混合后 直 接进入静 电除尘器。 采用机炉耦合高效烟气余 热利用系统后 ， 可降 低煤耗率约 5 g k Wh 。 2 3 厂用电率优化 胜利发 电厂 2 6 6 0 MW机组燃用高水分 、 低热 值褐煤， 锅炉效率偏低 ， 耗煤量和烟气量大 ； 主、 辅 机 系统容 量较燃 用普 通烟煤 、 纯凝湿冷 机组大 ， 与 1 0 0 0 MW等级发 电机组容量相 当 ， 耗 电量高 ， 造成 厂用电率偏高。 原设计包含脱硫装置及烟气提水系统用电量 的厂用 电率为 6 4 7 。以当前电力市场下的机组满 发负荷时长为优化依据 ， 通过降低烟风阻力 、 优化 风机等设备选型裕量 ， 避免机组运行 时出现大马拉 5 8 内 蒙 古 电 力 技 术 2 0 1 6 年第3 4 卷第4 期 高压给水 凝结水 图l 机炉耦合高效烟气余热利用系统工作流程圈 小车现象 ， 降低设备耗 电量。具体优化措施及厂用 电率变化见表 1 所示。优化后合计降低厂用电率 0 6 9 ， 包含脱硫装置用 电量 的厂用电率为5 7 8 。 3 机组经济性分析 3 1 电力市场分析 3 1 1 跨 省送电机组负荷分析 胜利发 电厂2 6 6 0 Mw机组通过锡林郭勒盟一 山东 1 0 0 0 k V特高压交流通道接入京津冀鲁 电网。 山东省作为能源消费大省 ， 能源需求持续增长 ， 能 源消费总量不断扩大 。受资源 、 环境制约及顺应 国 家产业政策要求 ， 山东省 内煤炭 、 电力 等传统能源 发展空间较为有 限， 能源保障和结构调整面临的形 势严峻 。为满足 山东省经济社会发展对 能源的需 求， 贯彻国家大气污染防治行动计划， 山东省不断 加强 同内蒙古 自治区的能源合作 ， 积极接纳省外来 电 。因此 ， 胜利发 电厂 的负荷 可以被 山东地区消 纳， 不受区域电力市场的影响， 机组负荷具有先决 保障条件 。 3 1 2 京津冀鲁 电力现状 京津 冀鲁 电 网是华 北 电 网的重要 负荷 中心 。 截至 2 0 1 4 年年底 ， 京津冀鲁 电 网 全 口径 装 机 容 量 1 6 6 9 3 2 3 MW； 华北 电 网网调及 京津冀鲁各省省调装机容量 达 1 5 5 9 5 5 3 4 MW， 其 中火 电 1 3 5 5 7 9 MW， 水 电( 含抽水蓄 能 ) 3 5 3 9 9 MW， 风电1 5 7 4 7 6 MW。全 网2 2 0 k V及 以上变 电站 8 8 1 座 ， 变压器 1 9 3 3台， 总容量约 4 4 8 8 1 5 MV A； 5 0 0 k V变 电站 8 1 座 ， 变压器 1 8 9 台 ， 容量约 1 5 7 5 6 0 MV A； 2 2 0 k V变 电站 8 0 0 座 ， 变 压器 1 7 4 3 台 ， 容量约 2 9 0 5 0 5 MV A。京津冀鲁电网 全社 会用 电量 9 3 6 4 T wh ； 最大 发购 电负荷 为 1 4 0 71 7 MW 。 根据 目前核准及取得路条的电源项 目， 2 0 1 5 2 0 2 0 年， 京津冀鲁电网计划新增 、 扩建煤、 水、 气、 核 等常规电源项 目装机容量共 5 6 2 1 4 Mw( 见表 2 ) 。 3 1 3 山东电网市场情况 3 1 3 1 2 0 2 0 年用 电量预测 综合考虑 山东省经 济增 长 、 产业结 构调 整 、 城 镇化 进程 、 工农 业生产 及城 乡居 民生 活电器化水 平 ， 以及大气污染防治和电能在终端能源消费 中的 替代措施 的稳步施行等 因素 ， 未来一段时间 ， 全省 用 电需求依然 旺盛 ， 电力负荷仍将保持强劲增长 。 综合运用弹性 系数法 、 产值单耗法 、 人均 用电量法 等多种方法测算 ， 预计到 2 0 2 0 年全省全社会用 电量 将达到 7 2 0 T wh ， “ 十三五” 期间年均增长率 6 7 。 3 1 3 2 装机现状及预测 截 至 2 0 1 5 年 年底 ， 山东 省 内电源 总装机容量 9 7 1 5 6 MW， 其 中， 火 电装机 8 2 8 9 9 MW， 水 电装 机 1 0 7 8 Mw( 含常规水电7 8 MW， 抽水蓄能 1 0 0 0 MW) ， 风 电装 机 7 2 1 5 MW， 光伏发 电装机 1 3 2 7 MW， 生物 表 1 胜利发电厂机组厂用电率优化前后数据比较 2 0 1 6 年第 3 4 卷第4 D 郑闻宽： 6 6 0 MW超超临界空冷机组优化设计 与经济性分析 5 9 表2 京津冀鲁地区电源计划新增装机容量明细M W 表3 胜利发电厂2 x 6 6 0 MW机组项目经济效益 质发 电装机 1 0 0 5 M W， 余 热余压余气装 机 3 1 0 7 MW， 垃圾发电装机 5 2 6 M W。 根据核准和在建项 目情况及 山东省电力规划 ， 预计“ 十 五” 末省 内总装机达到 1 3 5 G W， 火电装机 1 0 0 G W， 水电装机 1 0 7 8 MW( 含常规水 电7 8 MW， 抽 水 蓄能 1 0 0 0 M W ) ， 风电装机 1 2 0 0 0 MW， 光伏发 电 装机 1 0 0 0 0 MW， 生物质 发 电装 机 2 3 0 0 MW， 余热 余压余气装机3 5 0 0 M W， 燃气发电装机3 5 0 0 M W， 核 电装机2 7 0 0 MW。 3 1 3 3 省外 电力送人情况 预计 2 0 2 0 年山东省共接纳省外来电3 0 0 0 0 MW， 其 中 ， 5 0 0 k V辛安一聊城 、 黄骅一 滨州联网工程送 电 3 5 0 0 MW， 银川一 东营直流通道送 电 4 0 0 0 M W ， 内蒙古锡林郭勒盟一山东 、 陕北榆横一 山东特高压 交流输 电通道送电7 5 0 0 MW， 内蒙古上海庙一 山东 特高压直流输 电通道送 电 1 0 0 0 0 MW， 预计将 投产 的扎鲁 特一 青 州特 高压 直 流输 电工 程 单极 送 电 5 0 00 MW 。 3 1 3 4 火 电利用小时数预测 综合考 虑以上因素 ， 山东 电网光伏发 电机组年 利用 小时 数按 1 0 0 0 h 、 风 电机组年 利用 小 时数按 1 9 0 0 h 、 核电机组年利用小 时数按 7 5 0 0 h 计算 ， 抽水 蓄能电站不参与 电量平衡 ； 省外来 电直流最大负荷 年利用小时数按 6 6 0 0 h 计算 ， 以交 流送 电容量作为 山东省机组参与电量进行平衡测算 ， 2 0 2 0 年山东省 火 电机组年利用小时数约4 7 7 2 h 。 3 2 经济效益分析 3 2 1 经济效益测算与分析 按照标煤价 2 1 3 9 元 t 、 年利用小时数 4 7 7 2 h 及 受 电端 上 网 电价 3 1 4 5 元 MWh分别 下浮 1 0 ( 即 2 8 3 0 5元 MWh ) 、 1 5 ( 即 2 6 7 3 3元 MWh ) 和 2 0 ( 即2 5 1 5 元 MWh ) 3 种边界条件进行 了测 算 ， 计 算 结果见表 3 。其 中受 电端上网电价根据山东 电网现 行标杆电价和特高压线路过网费差值计算而来 ， 计 算公式如下 ： = 4 一 C ， ( 1 ) C = c L 。 ( 2 ) 式中 一受电端上 网电价 ， 元 MWh ； 一 山东电网现行标杆电价 ， 3 7 2 9 元 MWh ； c 一特高压线路过网费 ， 元 MWh ； 指标名 称 受 电端上 网电价下浮浮度 1 O 1 5 2 0 c一特高压线路单位里程过 网费 ， 为 0 0 8 元 ( MWh k m) ； ， J一特高压线路长度 ， 7 3 0 k m。 从 表 3 可以看出 ， 在受 电端现行标杆上 网电价 下 浮 1 0 的条件下 ， 胜利发 电厂项 目总投资内部收 益率 ( 税后) 达到 1 2 5 2 ， 远高于银行长期贷款利率 和 国资委 E V A( E c o n o m i c V a l u e A d d e d ) 指标考核 的 资 金 成 本 率 。资 本 金 内部 收 益 率 ( 税 后 ) 达 到 3 0 9 5 ， 体现出较高的资本报酬率 ， 而且可以在短 时问内收回资本金。 在受 电端现行标杆上 网电价下浮 2 0 的条件 下 ， 项 目资本金 内部收益率 ( 税后 ) 为 2 0 0 3 ， 总投 资 内部收益率( 税后 ) 为 9 7 0 ， 均大于行业基准收 益率 ( 行业资本金 内部收益率 为 1 5 3 8 ， 总投资 内 部收益率为 8 4 5 ) ， 说明胜利发 电厂项 目经济效益 良好 。 3 2 2 煤电一体产业链边际效益测算 胜利发电厂每年燃用胜利露天矿发热量为 l 2 3 1 0 k J k g 混合煤( 5 号劣质褐煤和 6 号块煤破碎筛分 余 留末煤 ) 5 2 4 k t ( 年利用小 时数初设 5 5 0 0 h ) ， 煤售 价 ( 不含 税 ) 为 7 3 1 3元 t ， 变动成本 为 3 8 2 4 元 t ， 边 际效益为 3 4 8 9 元 t ， 创造边际利润 1 8 3 亿元 。 如果按照每年燃用 3 8 1 0 k t 混合煤计算( 年利用 小时数4 0 0 0 h ) ， 可创造边际利润 1 3 3 亿元。同时露 天矿全年可多销售 5 号煤 3 0 5 0 k t ， 不仅可以优化开 采结构 ， 降低开采成本 ， 而且可以提高 6 号块煤的销 量 。经初步测算 ， 对胜利露天矿产生的协 同效益约 1 1 8 4 L 元 。 3 3 抗风险能力分析 按照标煤价 2 1 3 9 元 t 、 年利用小时数 4 7 7 2h 和 受 电端上 网电价 3 1 4 5 元 MWh 分别上下浮动 1 0 ， 对胜利发 电厂项 目资本金 内部收益率和总投资 内 部收益率进行敏感性分析， 具体分析数据见表4 、 表 5 所示 内 蒙 古 电 力 技 术 2 0 1 6 年第3 4 卷第4 期 表4 胜利发电厂项目 总投资内 部收益率( 税后) 计算数据 益率( 税后) 为 3 0 9 5 ， 敏感系数为2 5 4 ， 说明电价 下调对胜利发电厂项 目影响较大。 综上所述 ， 电价对胜利发 电厂项 目内部收益率 ( 税后) 的敏感性影响最大 ， 但在受电端现行标杆上 网电价下浮2 0 的条件下 ， 总投资内部收益率( 税 后) 为 9 7 0 ， 资本金 内部 收益率( 税后 ) 为2 0 0 3 ， 均大于行业基准收益率 ， 说明胜利发电厂项 目风险 性较低。 3 4 竞争力分析 在对胜利发 电厂项 目效益的敏感性分析 中， 电 价对该项 目的效益影 响最大 。对胜利发 电厂进行 盈 亏 平 衡 分 析 ， 电厂盈 亏平 衡 电价 为 1 4 3 5 1 元 M Wh ， 远低于同类机组的市场电价， 体现出该项 目 显著的市场生存能力和竞争优势。 表5胜利 发 电 厂 项目 资 本金内 部 收 益 率 计 算 数 据4 结束语 通过分析可 以看出 ， 影响胜利发 电厂项 目内部 收益率 ( 税后 ) 的敏感性 因素由高到低依次是 电价 、 发电量和煤价。