常规汽轮机电站的联合循环系统更新改造技术

科技先锋 · 发表于 2010-1-25 15:51:23

O 引言    到目前为止，我国老火电厂改造有三种方法：蒸汽轮机全三维设计改造、原有锅炉替换为循环流化床锅炉、蒸汽轮机发电机组改为热电并供电厂。但是，这些方法并不能同时满足大幅度降低能耗和解决燃煤的环境问题。为达到同时满足这两个条件，必须在以上设备改造基础上，对原有蒸汽轮机发电厂进行联合循环系统更新改造。    联合循环系统更新改造技术从热力学角度而言，是将具有高温加热优势的燃气轮机（Brayton 循环）动力装置和较低排汽温度的汽轮机（Rankine 循环）动力装置有机结合起来，取长补短，按能的品位高低进行梯级利用。达到扩容降耗的目的。因此，不仅可以大幅度提高发电效率，而且可以同时解决环境污染问题。    采用联合循环系统更新改造传统燃煤火电站在国外近几十年来得到很大发展，并积累了成熟经验。其改造方案主要有以下四种：给水加热型（FWH- Repowering），排气助燃型（FF-Repowering），余热锅炉型（HRSG-Repowering）和平行混合型（PP- Repowering）。特别是80 年代后，美国、日本、荷兰、德国、意大利等国发展势头更是方兴未艾，尤其是HRSG-Repowering 应用得最多，主要进行改造的机组等级为100 MW、200 MW、300 MW。但是，我国国情与国外不同：国外火电机组用天然气和液体燃料的电站比较多，天然气和燃油供应比较充足，而我国天然气和燃油比较缺乏，煤炭比较丰富；国外的燃煤机组有脱硫脱硝装置，而我国的中小型燃煤机组没有脱硫脱硝设备；国外发达国家财力雄厚，可投入大量资金进行余热锅炉型的更新改造，而我国是发展中国家，资金缺乏。    因此，对我国现有火电站进行升级改造时, 结合我国实际情况,尽可能降低改造费用。如原本应淘汰的5 万千瓦汽轮机组采用给水加热型联合循环更新改造技术后，使全厂发电效率可从32.5%提高到38.1%, 达到30 万千瓦大机组的水平[1-2]。    根据中国具体情况，本文主要讨论给水加热型和排气助燃型两种联合循环，并从热力学角度对它们进行热力特性分析与比较。改造后联合循环系统总输出功率以蒸汽轮机为主，锅炉燃料仍然是煤，而新增加的燃气轮机则燃用油或者天然气，即以煤炭为主的双燃料动力系统。同时这种双燃料动力系统也适合我国环境污染严重的西部地区（双燃料基地的能源结构）。 1 改造常规电站联合循环系统 1.1 给水加热型联合循环系统给水加热型联合循环系统是用燃气轮机的排气加热锅炉给水，以减少汽轮机用于给水加热的抽汽，从而增大蒸汽轮机输出功率，提高系统能源利用效率。图1 所示为给水加热型联合循环系统。系统中使用原除氧器，给水加热器包括有低压加热器和高压加热器，与原蒸汽循环回热系统并联。其特点是系统相对简单，设备投资少，锅炉燃烧系统不必改造。 1.2 排气助燃型联合循环系统 图2 所示为排气助燃型联合循环系统。排气助燃型联合循环系统是将燃气轮机排气做为锅炉燃烧用空气加以利用，排气中剩余氧气（14%～16%）供锅炉燃料燃烧用，这时燃气轮机取代了锅炉鼓风机和空气预热器。燃气轮机排气显热的有效充分利用可以大幅度降低锅炉耗煤量，同时可外置省煤器以便保证锅炉排烟温度不致过高。但是，锅炉必须进行改型设计。燃气轮机和汽轮机可以分两个系统单独运行。  
 1.3 FWHCC 与FFCC 热力学分析及讨论    为了从理论上进一步指导实际改造工程，我们从热力学角度对两种改造系统进行热力特性分析和比较。图3 为两种联合循环系统的效率随蒸汽/ 燃气功率比R 和燃气轮机简单循环效率ηgt 的变化关系。从图中可以得出以下三点规律：第一，无论是给水加热型还是排气助燃型联合循环系统，燃气轮机简单循环效率ηgt 的变化比蒸汽/燃气功率比R 的变化相对敏感。因此, 采用较高的简单循环效率ηgt 的燃气轮机对提高联合循环系统效率ηcc 最为有效。此规律可以指导在设计实际联合循环电站系统时，除了考虑其它约束的条件外，应尽量选用简单循环效率ηgt 高的燃气轮机。第二，对于相同的简单循环效率ηgt，给水加热型联合循环系统的效率ηcc 随蒸汽/燃气功率比R 变化并非单调，存在一个极值点，而排气助燃型联合循环系统的效率ηcc 则随着蒸汽/燃气功率比R 的增加而单调减少。第三，对于采用相同简单循环效率ηgt 的联合循环系统，存在一个蒸汽/燃气功率比R 的区间.R。在区间.R 之内，给水加热型联合循环系统效率增大值大于排气助燃型联合循环系统效率增大值；在区间.R 之内以外，则反之[3]。    从上述的第三个规律可以看出：当采用相同的燃气轮机简单循环效率ηgt 时，排气助燃型联合循环系统效率要比给水加热型高的说法是有局限性的。图3 中的规律一方面可以为选取哪种联合循环提供热力性能依据;另一方面又可以做为燃气轮机选型依据。利用联合循环系统更新技术改造常规蒸汽轮机电站时，对于排气助燃型联合循环，要尽量采用高效、大燃气/蒸汽功率比的燃气轮机；对于给水加热型联合循环，在选取高效燃气轮机时，功率的选择要选取接近最佳蒸汽/燃气功率比。    在选定燃气轮机之后，在一定功比范围之间，用给水加热型联合循环改造系统效率提高幅度并不比排气助燃型差，甚至高于排气助燃型。该情况下，选用给水加热型联合循环改造常规蒸汽轮机发电系统，既可以较高改善联合循环系统效率，同时又可以避免排气助燃型系统改造的技术难点。  |
2 联合循环更新改造技术、经济分析    本文在以上理论指导下研究了200 MW 级给水加热型联合循环系统改造示范电站的热力系统，以便掌握CC-Repowering 技术的自主开发能力，用洁净煤技术推动我国大量中小型汽轮机电站的升级改造。本示范电站是由4 台5 万千瓦机组改造为“2×25 MW 燃机+ 4×50 MW 汽机+ 给水加热系统+ 2×410 t/h 煤粉炉”的给水加热型联合循环。 2.1 联合循环更新改造关键技术    CC-Repowering 技术改造首先应结合中国的实际情况，在尽量充分利用燃机排气以求得最高效率；以及尽量减少现有水-蒸汽系统的变动以谋求最小投资的前提下，首要解决的关键技术是系统2 3 4 5 6 7 8R 集成和电站成套设计。其研究内容包括：系统总体技术方案与概念性设计；关键技术集成与综合优化；系统模拟与特性分析等。联合循环改造后系统功率总输出以蒸汽轮机为主，锅炉燃料仍然是煤，新增加的燃气轮机选用 GE 公司PG5361 型，燃用天然气，简单循环效率为27.67%，在三维技术对常规蒸汽轮机电站的汽轮机通流部分进行改造基础上,改造方案采用FFCC 和FWHCC 两个系统。 2.2 给水加热型和排气助燃型的系统热力性能比较    由表1 可知：对于给水加热型联合循环，其发电效率由原电站的30.0%提高到37.31%，绝对值提高7.31%，从而说明给水加热型联合循环通过减少汽轮机用于给水加热的抽汽，增大蒸汽轮机输出功率；对于排气助燃型联合循环，其发电效率由原电站的30.0%提高到36.93%，绝对值提高6.93%，可见排气助燃型联合循环充分利用燃气轮机排气显热，做为锅炉燃烧用空气，大幅度降低锅炉燃煤消耗量，提高系统热效率。这两个方案都可使系统供电煤耗大幅度下降。该供电煤耗已接近亚临界 300 MW 机组的水平。由于煤耗下降，改造后SOx 总排放量减少约30%，NOx 总排放量减少约20%，向环境排热量减少25%～30%。 
 2.3 给水加热型和排气助燃型的系统经济性比较    从上述两个系统的热力性能比较中，我们看到，通过两种方案改造都可以使系统热效率提高5% 以上。但是，提高系统效率不是CC-Repowering 可行性的唯一因素，最终决策取决于全面的技术经济性。从表2 中，我们可以看出：对于排气助燃型联合循环改造方案，电站改造后增加发电功率31 836 kW；而对于给水加热型联合循环，由于汽轮机不再抽汽，改造后增加发电功率达33 869kW，因此,其年净收益可达2 487 万元，比排气助燃型的净增收益2 097 万元增加了15%，其静态投资回收期也短些。而上述两种联合循环改造后的系统的新增出力单位发电能力造价在2 200～2600元/ 千瓦左右，远低于国内建设同等规模常规蒸汽轮机电站的单位发电能力的初投资（约5 000人民币 /千瓦），也远低于建设全新余热锅炉型联合循环电站的单位发电能力初投资（约500 美元/千瓦）。     因此，在一定功比范围内，采用给水加热型联合循环改造技术不仅提高系统效率，而且更为重要的是改造投资小，技术经济性优于排气助燃型。故本示范电站采用给水加热型联合循环系统改造电厂。 3 联合循环更新改造技术展望    尽管当今世界可再生能源大幅增长，但地球上最丰富的化石燃料-煤在满足日益增长的电力需求方面仍然会起巨大作用。据预测，由于人口增长和贫困人口生活水平的提高，到2050 年全球对电力的需求将增加三倍。为此，美国电力研究所（EPRI）宣布一个全球煤计划，以加速研究如何清洁、灵活利用全球的煤〔４〕。我们知道，中国是一个能源消耗大国，同时又是一个能源资源相对不足的国家，中国仍是一个以煤为主要能源需求的发展中大国。因此，在煤炭资源的高效清洁利用技术方面无疑具有很大的市场优势和开发机遇。    在面临世界电力紧迫需求的形势下，中国不仅要从长远目标出发，致力于研究开发先进的洁净煤发电技术，如增压流化床燃烧，整体煤气化联合循环；还要针对短期需要解决近期中小燃煤电厂问题。所以，结合中国实际情况，联合循环系统更新改造技术就显示出它独特吸引力。    本文讨论的联合循环系统更新改造虽不是世界上最高效率，但它却是最适合中国国情的洁净煤技术，可靠易行，没有风险。它是一个高效、低污的能源动力系统，大幅度提高热效率（5-7 个百 6 分点）、耗水率降低，且NOx、SOx 等有害物排放量大幅度减少。从经济角度而言，升级改造现有火电站在中国有着几百亿元的潜在市场，改造投资较小，运行可靠性与可用性较高，燃气轮机维修成本较低。联合循环更新改造技术经济上吸引人之处还在于新组成的高效率系统中大部分设备是原有的。因此，联合循环更新改造系统可大大延长中小型机组的技术经济寿命、避免过早淘汰，这在很大程度上缓解电力部门对建设新电站带来的巨额投资的压力，具有极大的社会、经济和环境效益。    另外，它对应付各种风险、适应燃料消费构成变化及降低发电成本等也是有利的。由此可见，采用联合循环更新改造技术对中小火电厂进行升级改造，并进一步推广到十万、二十万千万等级发电机组的联合循环系统更新改造是中国目前解决能源与环境两大问题的一项现实的洁净煤技术，有着十分重要意义。    致谢: 本文受国家自然基金(No.59925615) 和国家攻关项目支持(G1999022302)。 参考文献： [1]北京全三维动力工程公司,中国科学院工程热物理研究所，四川江油电厂2X50 MW汽轮机组联合循环系统更新改造可行性研究报告，2000 [2]金红光等. 国家“十五”科技攻关项目建议书，2000。 [3]刘泽龙.金红光.蔡睿贤.蒋洪德. [改造常规汽轮机电站联合循环热力学分析] 工程热物理学报, 2001,22(1,3):1-4 [4] 何奕玲. [美国电力研究所的全球煤计划]. 能量转化利用研究动态, 总85 期, 1,2001。 作者简介： 金红光，研究员 洪慧，博士生 刘泽龙，助理研究员 蒋洪德，中国科学院院士 蔡睿贤，中国科学院院士

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