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    “亚临界机组600℃升温改造技术”对电力工业低碳发展的启示

    | 超级管理员    阅读: 发稿时间:2020/6/23 20:54:35

    清华大学 能源与动力工程系 毛健雄

      为了应对全球气候变化的挑战,中国能源结构将加快升级,能源的低碳和清洁化水平将会显著提高,作为高碳燃料的煤炭被替代程度将会逐步加深,这是中国也是世界能源发展的必然趋势。因此,现在仍然是“以煤为主”的能源结构和“煤电为主”的电源结构的中国,正在面临着巨大的挑战。根据国网能源研究院的研究,按照控制气候变化的《巴黎协定》,如果全球平均温升须控制在2以内,则根据碳减排的要求,到2050年在世界能源供应结构中,煤炭的占比只能是4%。这就意味着到2050年中国的能源结构中必须基本上将煤炭完全淘汰。因此,有人提出,中国煤电的低碳发展就要从现在开始,逐步将煤电退出,直至2050年将煤电完全关闭退出。但从中国的能源资源以煤为主的禀赋现实看,到2050年中国实现完全的“去煤化”,将煤电发电量降低到零的建议是不可能的,也是不现实的。由于现在中国煤电的装机容量体量已经是如此巨大,2018年的煤电总装机容量已经超过10亿千瓦,2019年,中国在建的燃煤火电机组总容量为1.21亿千瓦。这意味着即使不再增加新建的煤电机组,在近2-3年内,中国的煤电装机总容量将会超过12亿千瓦。试问,将如此巨大的煤电装机容量全部关停,有什么电源可以安全、稳定、可靠和灵活性地替代煤电?对于一个国家来说,能源安全战略事关国家安全发展的全局,能源的发展是支持国家经济发展的基础。因此,煤炭的定位一定要从能源安全、低碳能源和经济发展之间的相互关联,处理好化石能源和非化石能源之间的关系。从能源安全的角度,以总装机容量超过10亿千瓦的中国煤电,作为中国电力的“压舱石”,其作用是不可替代的。因此,从能源和电力安全的角度看,煤电在未来相当长的时期内会继续发展,但必须是可持续的高质量低碳发展。

      此外,燃煤发电是最清洁高效的用煤方式,2018年,我国原煤产量36.8亿吨,消费量39亿吨,分别占一次能源生产和消费的69.6%59%,但中国煤电的用煤比重只占全国煤炭消费总量的50.6%,不但远低于发达国家如美国(煤电用煤比重占91%)、经合组织国家(占80.2%)、欧盟国家(占76.2%),而且低于世界平均比重(67.2%)。因此,如果能够大大提高电煤在全国煤炭总消耗中的比重,在供给侧最大限度地将煤炭用于高效清洁发电,在需求侧将电力最大限度地用于交通(火车和电动汽车等)、工业和民用等一切可能的领域,真正实现中国的全面“电气化”,这将会大大促进中国的经济转型和改善人民的生活水平及环境空气质量。如果中国电煤在全国煤炭总消耗中的比重能够达到世界平均水平的67.2%或更高,不但能够有效地解决煤炭产生的污染,而且可以显著降低由于使用煤炭而产生的碳排放。所以,从煤炭资源高效清洁利用的角度看,我国煤炭利用应该进一步向“煤电”集中,而这反过来又对煤电的高效、清洁和低碳提出了更高的要求。

      基于以上理由,预计到2050年,为了支撑中国在“第二个100年”达到中等发达国家目标的经济发展对电力的更大需求,全国电力总装机容量有可能需要达到30亿千瓦,而且,即使在能源转型需要持续消减煤炭消费总量的情况下,中国仍然需要在电力系统中维持约13-14亿千瓦的煤电装机容量。因此,今后我国煤电的发展方向,是持续地推进煤电的高质量低碳发展。

      那么,什么是“煤电的高质量低碳发展”?煤电的高质量发展的内容可以包括很多,如发展“数字化、智慧化、物联网化”等等,但是,笔者认为,核心应该是对应于煤电所面临的最主要挑战并加以解决的发展,也就是:

     1)应对气候变化的“低碳发展”;

     2)应对更高质量环境要求的“清洁发展”;

     3)应对可有效消纳迅速发展的可再生能源电力的需求,可安全、稳定、高效、低排放地适应负荷和电网频率的“灵活性发展”。

      面对我国超过10亿千瓦在役煤电机组的这“三大挑战”,煤电应该把牢高质量发展的定力,通过创新技术,对所有在役煤电机组进行实现上述“三个发展”目标的技术改造,这就是煤电的高质量发展。

      早在2014年,三部委发出的《煤电节能减排升级与改造行动计划(20142020年)》,提出到2020年,现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗低于310/千瓦时,其中现役60万千瓦及以上机组(除空冷机组外)改造后平均供电煤耗低于300/千瓦时;继续淘汰落后产能,到2020年,力争淘汰落后火电机组1000万千瓦以上;实施综合节能改造。重点对30万千瓦和60万千瓦等级亚临界、超临界机组实施综合性、系统性节能改造,改造后供电煤耗力争达到同类型机组先进水平。20199月,国家能源局会同科技部提出要在2030以前,实现中国煤电的低负荷调峰能力达到100%-20%

      为了实现上述目标,笔者认为,应该优先“补短板”,并且遵循循序渐进的原则。中国煤电高质量发展的重点应该首先放在对总装机容量约3.5亿千瓦的现役亚临界机组的升级改造。这是因为,对于大量现役的水冷纯凝汽式无供热的亚临界机组,其在额定工况下的实际供电煤耗普遍高于320g/kWh,相当部分机组的实际运行煤耗超过340g/kWh,不仅明显高于超临界和超超临界机组,而且距离国家颁布实施的煤电“六年行动计划”的规定要求还相距甚远。在这这个问题上,上海申能电力科技有限公司(以下简称“申能电力科技”)对华润徐州电厂#3号机组(32万千瓦亚临界)所进行的“亚临界机组600℃升温”改造及其结果,给了我们许多关于煤电高质量低碳发展的重要启示。

       这一“亚临界机组600℃升温改造技术” 的理论依据是,亚临界机组和超超临界机组相比,效率差距的最主要原因,就是亚临界机组(16.7MPa/538/538℃)在蒸汽压力和温度方面均明显低于超超临界机组(26MPa/600/600℃)。而根据热力学原理,提升蒸汽压力带来的效率收益明显低于提升蒸汽温度,且效率增量随着压力的升高不断递减。实际上,对于300MW等级的机组,将亚临界参数提升至超临界并不合理。这是由于这一容量等级机组的主蒸汽质量流量较小,如果将亚临界16.7MPa/538℃压力提升至24 MPa/538℃,则比容会从0.0198939 m3/kg下降至0.0130064 m3/kg。容积流量下降了34.6%,其汽轮机进汽侧叶片高度相应下降。由于该容量等级的汽轮机,汽缸内效率对叶片高度非常敏感。当蒸汽压力提高后,机组的热力循环效率会升高,但汽缸内效率下降,两者相抵所剩无几,得不偿失。所以对300MW等级的亚临界机组,与提升压力会导致汽轮机内效率下降的现象相比,提升温度则恰恰相反,蒸汽比容上升对改善汽轮机内效率有利。因此,在这之前,世界上除前苏联外,鲜有小于450MW的汽轮机采用超临界参数。而前苏联的300MW超临界汽轮机,其效率比之我国引进型300MW亚临界汽轮机差的太多。

      事实上,从经济学和性价比角度,对于改造项目,大幅度提升压力是难以操作的,这会导致锅炉、给水泵及高压加热器等设备全部需要更换。但如果仅提升机组的主蒸汽和再热蒸汽温度,其对改变设备所影响的范围小得多,收益又大。至于不提升压力所导致的效率缺口,完全可以通过其他创新术来弥补。因此,这里所指的“亚临界机组600℃升温改造技术”,就是将亚临界机组主蒸汽和再热蒸汽温度均从原来的538摄氏度提高到600摄氏度等级,蒸汽压力16.7MPa保持不变,同时结合申能电力科技开发并经过实践考验的一系列配套专项节能减排技术,例如锅炉超低负荷稳燃技术,可调式给水恒温回热技术, 超低负荷下催化脱硝系统正常运行技术等,不但使得机组效率实现巨大提升,达到超超临界机组水平,与此同时,还大大提升了机组的低负荷性能。对于该系列技术可实现的改造效果,经申能科技测算,对于300MW等级亚临界机组(纯凝无供热机组,背压4.9kPa),实施高温亚临界综合升级改造后,额定工况下供电煤耗可达到低于290g/kWh600MW机组可以低于285g/kWh)。

      华润电力慧眼识金,敢于吃第一个螃蟹,率先与申能科技合作,在其徐州电厂的#3号机组开展高温亚临界综合改造。该机组的定制化设计,在额定工况下的目标煤耗是287g/kWh。电厂改造项目由申能电力科技总体负责,于20174月启动定制化设计,201812月开始施工安装,2019810168试运行一次性顺利通过。201912月完成了对徐州电厂#3机组改造后的正式性能测试。从改造后投产至今,机组运行稳定良好,煤耗指标优于合同要求。

      1,2,34 分别是华润徐州电厂#3号机组采用“亚临界机组600℃升温改造技术”改造后的各项正式性能测试的结果和比较:  

     

      从以上正式性能测试结果可以看出,申能科技用于改造现役亚临界机组的包括大幅升温在内的一系列创新节能技术,至少具有以下一些主要的特点:

      把亚临界机组的效率和煤耗提升到超超临界水平。

      华润徐州电厂#3号机组在进行“600℃升温”改造前,于2012年已经实施过汽轮机高中压缸通流改造,2017年高温亚临界改造前实测额定负荷下的供电效率为38.63%,改造后达到了43.56%,几乎提高了5个百分点。其改造前的供电煤耗是318/千瓦时,改造后的实测额定负荷下的供电煤耗为282/千瓦时,每度电降低了标准煤耗36克。表5为徐州电厂在采用不同亚临界机组改造技术后在相同月份和相近负荷率下的实际月平均运行供电煤耗比较。 可以看出,采用亚临界机组600℃升温改造技术的3号机组,其实际运行供电煤耗比采用汽轮机通流部分改造的#1号机组降低了24/千瓦时。 

     

      说明:#1号机组于2017年完成了汽轮机通流改造, 表中321/千瓦时的供电煤耗是#1号机于20194月份的单机运行平均供电煤耗;同样,#3号机组的297/千瓦时供电煤耗是在20204月份的单机运行平均供电煤耗。

      43.56%的供电效率和282/千瓦时的供电煤耗,已经达到甚至超过一次再热超超临界机组的较先进水平。现在蒸汽温度为600摄氏度的60-100万千瓦一次再热的超超临界机组,其额定负荷下的供电效率一般在42%44%的范围内。这就是说,通过这一改造,大幅度地提高了效率和降低了煤耗,把落后低效的亚临界机组提升到了超超临界机组的水平。因此,这一对亚临界机组的改造本身就是燃煤火电低碳发展的重大突破和重要进步。

      大大提升了该亚临界机组的低负荷稳燃和调峰调频性能。

      从上面的测试结果表2中可以看出,改造后,该#3号亚临界机组的排放达标(即SCR不退出运行,保持在低负荷时氮氧化物排放仍然达到超低排放要求)的稳燃负荷调节范围从改造前的100%-50%提升到改造后的100%-19%,不但提前11年实现了国家能源局和科技部提出的煤电灵活性负荷调节能力达到100%-20%的目标,而且实现了在超低负荷下稳定燃烧,高效发电,超低排放。人所共知的是, 燃煤火电的特点是负荷越低,燃烧越不稳定, 效率越低,煤耗越高, 排放越差,催化脱硝的SCR往往必须退出运行。但从表1 可看出, 即使在50%负荷时, 该机组的供电效率仍可达到40.36%, 供电煤耗达到304.3/千瓦时,仍然优于国家6年行动计划中要求的额定负荷的供电煤耗310/千瓦时的要求。从表3可以看出,其在19%的超低负荷时, 各项污染物的排放值仍然可保持在极低的超低排放水平。尤其是,SCR烟气脱硝系统不但可以在19%超低负荷下维持运行, 而且可仍然保持氮氧化物的超低排放。这一在超低负荷下的稳定、高效、超低排放性能,对于促进中国电力的低碳发展, 具有重大意义。由于为了应对气候变化而快速发展的可再生能源低碳电力比例逐步提高。随着风电和太阳能发电等新能源发电的高比例加入,使大规模间歇性不稳定新能源电力并网消纳和引发的区域频率稳定性控制问题日益突出,电网面临着调频资源减少,频率特性日益恶化的结构性困境,调频容量不足的问题凸显,如何大幅度消纳可再生能源电力并提升电网整体调频能力,已成为中国整个电力系统低碳发展的重大挑战。因此,“亚临界机组600℃升温改造”系列创新技术所实现的亚临界机组的上述超低负荷的高效低排放调节特性,对于燃煤火电支持可再生能源电力的发展,解决可再生能源电力的消纳和电网调频能力问题,具有重大意义。特别是绝大部分亚临界机组均为自然循环的汽包锅炉,其稳定可靠的水动力特性优于强制循环的直流锅炉机组,结合带调节级的汽轮机,其负荷及调频响应特性远优于超临界和超超临界机组。更加适合于满足电网负荷及频率的调节。因此,这一高温亚临界改造的成功, 实质上示范并起着煤电支持和推动可再生能源电力的加速发展的作用,从而可支持和推动中国整个电力工业的低碳发展。

      改造后可大幅延长机组运行寿命。

       “亚临界机组600℃升温”改造需要将蒸汽温度提高到600度,因此,锅炉的过热器和再热器的高温段受热面、汽轮机的内缸和转子,以及连接锅炉和汽轮机的高温蒸汽管道等均进行了更换,相当于对原机组的核心设备锅炉和汽轮机进行了主要部分的更新,加上对辅机和其它系统的维修,改造后,相当于用一台新的超超临界机组换取了一台老旧的亚临界机组, 可延长机组运行寿命至少20年。

      高性价比。

      华润徐州电厂的“亚临界机组600℃升温”改造工程,其总投资约为3.5亿元,折算单位投资约为1100/千瓦,其投资成本仅为新建一台超超临界机组的三分之一,而巨大的节能量带来的是较短的回收年限。 按照华润徐州电厂给出的条件, 即改造后年利用小时数5500小时,标煤单价760/吨测算,其改造收益的静态回报期限小于7年。此外,在机组煤耗达到超超临界水平后,其年发电量计划(年利用小时)可以显著上升,实际效益可能更好,远优于新建煤电机组的投资收益。同时需要指出,由于机组可以大幅延寿,因此可以为社会和电厂创造出更多的效益,因而无论是对于电厂本身,还是对于行业和社会,高温亚临界改造都具有很高的性价比。

      2020612日,中国能源研究会邀请了包括4位中国工程院院士在内的15为相关专家对“亚临界机组6000C升温改造关键技术”的研究与应用成果在北京中国科技会堂进行了评审,专家组的评审结论是:“亚临界机组6000C升温改造关键技术”为世界首创,具有自主知识产权。为我国亚临界机组高效、灵活性改造提供了一种可行的技术路线,具有显著的经济社会效益和良好的推广应用前景。

      在综合以上,笔者认为,大力宣传和推广华润徐州电厂“亚临界机组600℃升温改造”的成功经验,对于升级改造约占全国煤电总装机容量三分之一的亚临界机组提供了坚实的可行性,也实际上向世界展示中国作为负责任的大国,在应对气候变化的“低碳发展”方面;在应对更高质量环境要求的“清洁发展”方面;在应对可有效消纳正在大力发展的可再生能源电力以及满足电网调峰调频要求的“灵活性发展”等方面所做的艰苦努力及贡献。毫无疑问,采用“亚临界机组600℃升温改造”系列创新技术对大量的现役亚临界机组进行升级改造,是当前阶段中国煤电高质量发展的重要举措。

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