常規(guī)汽輪機電站的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造技術(shù)_第1頁
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文檔簡介

1、<p>  常規(guī)汽輪機電站的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造技術(shù)</p><p><b>  O 引言 </b></p><p>  到目前為止,我國老火電廠改造有三種方法:蒸汽輪機全三維設(shè)計改造、原有鍋爐替換為循環(huán) 流化床鍋爐、蒸汽輪機發(fā)電機組改為熱電并供電廠。但是,這些方法并不能同時滿足大幅度降低能 耗和解決燃煤的環(huán)境問題。為達到同時滿足這兩個條件,必須在以上設(shè)備改

2、造基礎(chǔ)上,對原有蒸汽 輪機發(fā)電廠進行聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造。 </p><p>  聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造技術(shù)從熱力學(xué)角度而言,是將具有高溫加熱優(yōu)勢的燃氣輪機(Brayton 循環(huán))動力裝置和較低排汽溫度的汽輪機(Rankine 循環(huán))動力裝置有機結(jié)合起來,取長補短,按能的品位高低進行梯級利用。達到擴容降耗的目的。因此,不僅可以大幅度提高發(fā)電效率,而且可以同時解決環(huán)境污染問題。 </p><p&g

3、t;  采用聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造傳統(tǒng)燃煤火電站在國外近幾十年來得到很大發(fā)展,并積累了成熟經(jīng)驗。其改造方案主要有以下四種:給水加熱型(FWH- Repowering),排氣助燃型(FF-Repowering), 余熱鍋爐型(HRSG-Repowering)和平行混合型(PP- Repowering)。特別是80 年代后,美國、日本、荷蘭、德國、意大利等國發(fā)展勢頭更是方興未艾,尤其是HRSG-Repowering 應(yīng)用得最多,主要進行改造的

4、機組等級為100 MW、200 MW、300 MW。但是,我國國情與國外不同:國外火電機組用天然氣和液體燃料的電站比較多,天然氣和燃油供應(yīng)比較充足,而我國天然氣和燃油比較缺乏,煤炭比較豐富;國外的燃煤機組有脫硫脫硝裝置,而我國的中小型燃煤機組沒有脫硫脫硝設(shè)備;國外發(fā) 達國家財力雄厚,可投入大量資金進行余熱鍋爐型的更新改造,而我國是發(fā)展中國家,資金缺乏。 </p><p>  因此,對我國現(xiàn)有火電站進行升級改造時,

5、 結(jié)合我國實際情況,盡可能降低改造費用。如原本應(yīng)淘 汰的5 萬千瓦汽輪機組采用給水加熱型聯(lián)合循環(huán)更新改造技術(shù)后,使全廠發(fā)電效率可從32.5%提高 到38.1%, 達到30 萬千瓦大機組的水平[1-2]。 </p><p>  根據(jù)中國具體情況,本文主要討論給水加熱型和排氣助燃型兩種聯(lián)合循環(huán),并從熱力學(xué)角度對它們進行熱力特性分析與比較。改造后聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)總輸出功率以蒸汽輪機為主,鍋爐燃料仍然是 煤,而新增加的燃氣輪

6、機則燃用油或者天然氣,即以煤炭為主的雙燃料動力系統(tǒng)。同時這種雙燃料 動力系統(tǒng)也適合我國環(huán)境污染嚴(yán)重的西部地區(qū)(雙燃料基地的能源結(jié)構(gòu))。 </p><p>  1 改造常規(guī)電站聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng) </p><p>  1.1 給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng) 給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)是用燃氣輪 機的排氣加熱鍋爐給水,以減少汽輪機用于 給水加熱的抽汽,從而增大蒸汽輪機輸出功 率,提高系統(tǒng)能源利用效率。圖1 所示

7、為給 水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用原除氧 器,給水加熱器包括有低壓加熱器和高壓加 熱器,與原蒸汽循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)并聯(lián)。其特點 是系統(tǒng)相對簡單,設(shè)備投資少,鍋爐燃燒系 統(tǒng)不必改造。 </p><p>  1.2 排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng) </p><p>  圖2 所示為排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。排 氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)是將燃氣輪機排氣做 為鍋爐燃燒用空氣加以利用,排氣中剩余氧氣 (14%~16

8、%)供鍋爐燃料燃燒用,這時燃氣輪 機取代了鍋爐鼓風(fēng)機和空氣預(yù)熱器。燃氣輪機 排氣顯熱的有效充分利用可以大幅度降低鍋 爐耗煤量,同時可外置省煤器以便保證鍋爐排 煙溫度不致過高。但是,鍋爐必須進行改型設(shè) 計。燃氣輪機和汽輪機可以分兩個系統(tǒng)單獨運行。</p><p>  1.3 FWHCC 與FFCC 熱力學(xué)分析及討論 </p><p>  為了從理論上進一步指導(dǎo)實際改 造工程,我們從熱力學(xué)角度

9、對兩種改 造系統(tǒng)進行熱力特性分析和比較。圖3 為兩種聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的效率隨蒸汽/ 燃氣功率比R 和燃氣輪機簡單循環(huán)效 率ηgt 的變化關(guān)系。從圖中可以得出以下三點規(guī)律:第一,無論是給水加熱 型還是排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng),燃 氣輪機簡單循環(huán)效率ηgt 的變化比蒸汽/燃氣功率比R 的變化相對敏感。因此, 采用較高的簡單循環(huán)效率ηgt 的燃氣輪機對提高聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率ηcc 最為有效。此規(guī)律可以指導(dǎo)在設(shè)計實際聯(lián)合循環(huán)電站系統(tǒng)時,除了考慮其它約束

10、的條件外,應(yīng)盡量選用簡 單循環(huán)效率ηgt 高的燃氣輪機。第二,對于相同的簡單循環(huán)效率ηgt,給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的效率ηcc 隨蒸汽/燃氣功率比R 變化并非單調(diào),存在一個極值點,而排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的效率ηcc 則隨著蒸汽/燃氣功率比R 的增加而單調(diào)減少。第三,對于采用相同簡單循環(huán)效率ηgt 的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng),存在一個蒸汽/燃氣功率比R 的區(qū)間.R。在區(qū)間.R 之內(nèi),給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率增大值大于 排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率增

11、大值;在區(qū)間.R 之內(nèi)以外,則反之[3]。 </p><p>  從上述的第三個規(guī)律可以看出:當(dāng)采用相同的燃氣輪機簡單循環(huán)效率ηgt 時,排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率要比給水加熱型高的說法是有局限性的。圖3 中的規(guī)律一方面可以為選取哪種聯(lián)合循環(huán) 提供熱力性能依據(jù);另一方面又可以做為燃氣輪機選型依據(jù)。利用聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新技術(shù)改造常規(guī) 蒸汽輪機電站時,對于排氣助燃型聯(lián)合循環(huán),要盡量采用高效、大燃氣/蒸汽功率比的燃氣輪機

12、; 對于給水加熱型聯(lián)合循環(huán),在選取高效燃氣輪機時,功率的選擇要選取接近最佳蒸汽/燃氣功率比。 </p><p>  在選定燃氣輪機之后,在一定功比范圍之間,用給水加熱型聯(lián)合循環(huán)改造系統(tǒng)效率提高幅度并不比排氣助燃型差,甚至高于排氣助燃型。該情況下,選用給水加熱型聯(lián)合循環(huán)改造常規(guī)蒸汽輪機發(fā)電 系統(tǒng),既可以較高改善聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率,同時又可以避免排氣助燃型系統(tǒng)改造的技術(shù)難點。</p><p> 

13、 2 聯(lián)合循環(huán)更新改造技術(shù)、經(jīng)濟分析 </p><p>  本文在以上理論指導(dǎo)下研究了200 MW 級給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)改造示范電站的熱力系統(tǒng), 以便掌握CC-Repowering 技術(shù)的自主開發(fā)能力,用潔凈煤技術(shù)推動我國大量中小型汽輪機電站的升 級改造。本示范電站是由4 臺5 萬千瓦機組改造為“2×25 MW 燃機+ 4×50 MW 汽機+ 給水加熱系 統(tǒng)+ 2×410 t/h

14、 煤粉爐”的給水加熱型聯(lián)合循環(huán)。 </p><p>  2.1 聯(lián)合循環(huán)更新改造關(guān)鍵技術(shù) </p><p>  CC-Repowering 技術(shù)改造首先應(yīng)結(jié)合中國的實際情況,在盡量充分利用燃機排氣以求得最高效 率;以及盡量減少現(xiàn)有水-蒸汽系統(tǒng)的變動以謀求最小投資的前提下,首要解決的關(guān)鍵技術(shù)是系統(tǒng)2 3 4 5 6 7 8R 集成和電站成套設(shè)計。其研究內(nèi)容包括:系統(tǒng)總體技術(shù)方案與概念性設(shè)計;

15、關(guān)鍵技術(shù)集成與綜合優(yōu)化;系統(tǒng)模擬與特性分析等。聯(lián)合循環(huán)改造后系統(tǒng)功率總輸出以蒸汽輪機為主,鍋爐燃料仍然是煤,新增加的燃氣輪機選用 GE 公司PG5361 型,燃用天然氣,簡單循環(huán)效率為27.67%,在三維技術(shù)對常規(guī)蒸汽輪機電站的汽輪 機通流部分進行改造基礎(chǔ)上,改造方案采用FFCC 和FWHCC 兩個系統(tǒng)。 </p><p>  2.2 給水加熱型和排氣助燃型的系統(tǒng)熱力性能比較 </p><p&

16、gt;  由表1 可知:對于給水加熱型聯(lián)合循環(huán),其發(fā)電效率由原電站的30.0%提高到37.31%,絕對值 提高7.31%,從而說明給水加熱型聯(lián)合循環(huán)通過減少汽輪機用于給水加熱的抽汽,增大蒸汽輪機輸 出功率;對于排氣助燃型聯(lián)合循環(huán),其發(fā)電效率由原電站的30.0%提高到36.93%,絕對值提高6.93%, 可見排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)充分利用燃氣輪機排氣顯熱,做為鍋爐燃燒用空氣,大幅度降低鍋爐燃煤 消耗量,提高系統(tǒng)熱效率。這兩個方案都可使系統(tǒng)供電

17、煤耗大幅度下降。該供電煤耗已接近亞臨界 300 MW 機組的水平。由于煤耗下降,改造后SOx 總排放量減少約30%,NOx 總排放量減少約20%, 向環(huán)境排熱量減少25%~30%。 </p><p>  2.3 給水加熱型和排氣助燃型的系統(tǒng)經(jīng)濟性比較 </p><p>  從上述兩個系統(tǒng)的熱力性能比較中,我們看到,通過兩種方案改造都可以使系統(tǒng)熱效率提高5% 以上。但是,提高系統(tǒng)效率不是CC

18、-Repowering 可行性的唯一因素,最終決策取決于全面的技術(shù)經(jīng) 濟性。從表2 中,我們可以看出:對于排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)改造方案,電站改造后增加發(fā)電功率31 836 kW;而對于給水加熱型聯(lián)合循環(huán),由于汽輪機不再抽汽,改造后增加發(fā)電功率達33 869kW, 因此,其年凈收益可達2 487 萬元,比排氣助燃型的凈增收益2 097 萬元增加了15%,其靜態(tài)投資回 收期也短些。而上述兩種聯(lián)合循環(huán)改造后的系統(tǒng)的新增出力單位發(fā)電能力造價在2

19、200~2600元/ 千瓦左右,遠低于國內(nèi)建設(shè)同等規(guī)模常規(guī)蒸汽輪機電站的單位發(fā)電能力的初投資(約5 000人民幣 /千瓦),也遠低于建設(shè)全新余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)電站的單位發(fā)電能力初投資(約500 美元/千瓦)。 </p><p>  因此,在一定功比范圍內(nèi),采用給水加熱型聯(lián)合循環(huán)改造技術(shù)不僅提高系統(tǒng)效率,而且更為重 要的是改造投資小,技術(shù)經(jīng)濟性優(yōu)于排氣助燃型。故本示范電站采用給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)改造 電廠。 &l

20、t;/p><p>  3 聯(lián)合循環(huán)更新改造技術(shù)展望 </p><p>  盡管當(dāng)今世界可再生能源大幅增長,但地球上最豐富的化石燃料-煤在滿足日益增長的電力需 求方面仍然會起巨大作用。據(jù)預(yù)測,由于人口增長和貧困人口生活水平的提高,到2050 年全球?qū)?電力的需求將增加三倍。為此,美國電力研究所(EPRI)宣布一個全球煤計劃,以加速研究如何清 潔、靈活利用全球的煤〔4〕。我們知道,中國是一個能源消

21、耗大國,同時又是一個能源資源相對 不足的國家,中國仍是一個以煤為主要能源需求的發(fā)展中大國。因此,在煤炭資源的高效清潔利用 技術(shù)方面無疑具有很大的市場優(yōu)勢和開發(fā)機遇。 </p><p>  在面臨世界電力緊迫需求的形勢下,中國不僅要從長遠目標(biāo)出發(fā),致力于研究開發(fā)先進的潔凈煤發(fā)電技術(shù),如增壓流化床燃燒,整體煤氣化聯(lián)合循環(huán);還要針對短期需要解決近期中小燃煤電廠 問題。所以,結(jié)合中國實際情況,聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造技術(shù)就顯

22、示出它獨特吸引力。 </p><p>  本文討論的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造雖不是世界上最高效率,但它卻是最適合中國國情的潔凈煤技術(shù),可靠易行,沒有風(fēng)險。它是一個高效、低污的能源動力系統(tǒng),大幅度提高熱效率(5-7 個百 6 分點)、耗水率降低,且NOx、SOx 等有害物排放量大幅度減少。從經(jīng)濟角度而言,升級改造現(xiàn)有火 電站在中國有著幾百億元的潛在市場,改造投資較小,運行可靠性與可用性較高,燃氣輪機維修成 本較低。聯(lián)合

23、循環(huán)更新改造技術(shù)經(jīng)濟上吸引人之處還在于新組成的高效率系統(tǒng)中大部分設(shè)備是原有 的。因此,聯(lián)合循環(huán)更新改造系統(tǒng)可大大延長中小型機組的技術(shù)經(jīng)濟壽命、避免過早淘汰,這在很 大程度上緩解電力部門對建設(shè)新電站帶來的巨額投資的壓力,具有極大的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。 </p><p>  另外,它對應(yīng)付各種風(fēng)險、適應(yīng)燃料消費構(gòu)成變化及降低發(fā)電成本等也是有利的。由此可見,采用聯(lián)合循環(huán)更新改造技術(shù)對中小火電廠進行升級改造,并進一步推

24、廣到十萬、二十萬千萬等級發(fā)電機 組的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造是中國目前解決能源與環(huán)境兩大問題的一項現(xiàn)實的潔凈煤技術(shù),有著十 分重要意義。 </p><p><b>  參考文獻: </b></p><p>  [1]北京全三維動力工程公司,中國科學(xué)院工程熱物理研究所,四川江油電廠2X50 MW汽輪機組聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造可行性研究報告,2000 </p>&

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