燃煤電廠(chǎng)改造成聯(lián)合循環(huán)的可行性分析報(bào)告.doc

113燃煤電廠(chǎng)改造成聯(lián)合循環(huán)的可行性分析內(nèi)容摘要燃煤電廠(chǎng)，特別是小型的燃煤電廠(chǎng)，效率低、煤耗大、能源浪費(fèi)，并產(chǎn)生大量的SO2污染環(huán)境。大量的CO2產(chǎn)生溫室效應(yīng)，使地球逐年變暖，這是危及人類(lèi)生存、令人類(lèi)擔(dān)憂(yōu)的問(wèn)題。本文建議，將燃煤電廠(chǎng)改造成聯(lián)合循環(huán)，是解決這個(gè)問(wèn)題的最有效措施之一。提出了改造配置方案例，改造后的性能以及大約的投資費(fèi)用。最后用技術(shù)-經(jīng)濟(jì)分析的方法確定改造方案的可行性和效益。關(guān)鍵詞燃煤電廠(chǎng)聯(lián)合循環(huán)改造1燃煤電廠(chǎng)經(jīng)濟(jì)性現(xiàn)狀和原因分析1998年，全國(guó)的電站裝機(jī)總?cè)萘繛?.773億千瓦，其中火電機(jī)2.1億千瓦，占總裝機(jī)的75.5%；水電6507萬(wàn)千瓦，占23.5%；核電210萬(wàn)千瓦，占0.8%。至1999年，全國(guó)的電站裝機(jī)總?cè)萘吭黾訛?.94億千瓦，年增長(zhǎng)6.1%。火電300MW及以上的燃煤機(jī)組（亞臨界機(jī)）總共6924萬(wàn)千瓦，占火電總裝機(jī)的33.0%。300MW以下（不含300MW）的燃煤機(jī)組總共14493萬(wàn)千瓦，占火電總裝機(jī)的67.0%：其中高壓100MW機(jī)140臺(tái)，1400萬(wàn)千瓦，占6.67%；超高壓125MW機(jī)134臺(tái)，1675萬(wàn)千瓦，占7.98%；超高壓200MW機(jī)179臺(tái)，3580萬(wàn)千瓦，占17.05%；蘇制超高壓鮑曼級(jí)210MW機(jī)17臺(tái)，357萬(wàn)千瓦，占1.7%。100MW以下（不含100MW）的高壓、中壓、低壓參數(shù)機(jī)組，共7060萬(wàn)千瓦，占33.6%。300MW以下（不含300MW）的燃煤機(jī)組，一般設(shè)計(jì)于50年代末至70年代初，但采用的都是前蘇聯(lián)四十年代的汽輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)。經(jīng)濟(jì)性低、煤耗大，相應(yīng)的SO2和CO2的排放量也大，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大污染。統(tǒng)計(jì)的供電效率和煤耗見(jiàn)表1-1，電站煙氣排放見(jiàn)表1-2。表1-1火電機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)電站效率比較簡(jiǎn)單循環(huán)聯(lián)合循環(huán)114汽輪機(jī)電站燃機(jī)電站燃?xì)?蒸汽電站類(lèi)型中壓高壓超高壓亞臨界超臨界1200-1300雙壓/三壓供電效率%21-2329-3134-3537-3839-4132-4248-58折合的供電標(biāo)煤耗克/度585-534424-396361-351332-323315-300384-293256-212發(fā)電效率%29-3037-3841-4245-4647-49表1-2火電機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)電站煙氣排放比較電站汽機(jī)電站（有脫硫）聯(lián)合循環(huán)電站NOX7010-61010-6SO2去除率%9099粉塵mg/Mj129極少由表1-1、表1-2可見(jiàn)，占火電總裝機(jī)33.6%的100MW以下的燃煤機(jī)組，不但設(shè)計(jì)技術(shù)落后，而且采用的是低參數(shù)（初溫、初壓低）的循環(huán)，因此經(jīng)濟(jì)性差，煤耗高、污染嚴(yán)重?；痣姍C(jī)組經(jīng)濟(jì)性差最根本的問(wèn)題還在于循環(huán)本身，這可以從卡諾循環(huán)看出?？ㄖZ循環(huán)是一個(gè)理想的熱力循環(huán)，永遠(yuǎn)也無(wú)法達(dá)到的，它在熱機(jī)方面的貢獻(xiàn)在于：指出了如何提高熱機(jī)效率的方向。汽輪機(jī)的發(fā)展就是這樣的：為了提高平均吸熱溫度，采用多級(jí)回?zé)?、再熱、高?高壓等措施，研制了超高壓機(jī)、亞臨界、超臨界、超超臨界機(jī)；為了降低平均放熱溫度，采用低的凝汽壓力，大循環(huán)水倍率等?？ㄖZ循環(huán)見(jiàn)圖1-1。1234等溫吸熱等溫放熱等熵壓縮等熵膨脹ST圖1-1理想卡諾循環(huán)理想卡諾循環(huán)效率見(jiàn)表1-3。表1-3理想卡諾循環(huán)效率熱機(jī)類(lèi)型汽輪機(jī)循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)聯(lián)合循環(huán)最高吸熱溫度53513001300115平均吸熱溫度400750750最高放熱溫度3560035平均放熱溫度2531025熱機(jī)極限效率%564371實(shí)際效率水平%35-4128-3860理想卡諾循環(huán)由無(wú)損失的等熵壓縮、等溫吸熱、等熵膨脹和等溫放熱構(gòu)成，實(shí)際是無(wú)法達(dá)到的。熱機(jī)按平均吸熱溫度和平均放熱溫度可以估算出循環(huán)的極限效率，從而判定熱機(jī)改進(jìn)的潛力還有多大。由表1-3可見(jiàn)，汽輪機(jī)循環(huán)效率低的根本問(wèn)題是平均吸熱溫度低，而燃?xì)廨啓C(jī)效率不高的根本問(wèn)題是平均放熱溫度太高。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)正是一種有高平均吸熱溫度和低平均放熱溫度的循環(huán)，所以有最高的循環(huán)效率。2燃煤電廠(chǎng)改造成聯(lián)合循環(huán)的可行性燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)如圖2-1，燃煤電站循環(huán)如圖2-2。燃燒室發(fā)電機(jī)壓氣機(jī)渦輪圖2-1燃?xì)廨啓C(jī)電站循環(huán)燃煤鍋爐發(fā)電機(jī)給水泵汽輪機(jī)凝汽器圖2-2燃煤電站循環(huán)空氣經(jīng)濾清器進(jìn)入壓氣機(jī)壓縮成高壓空氣（大約10-30ata），被引入燃燒室噴油（或氣體燃料）燃燒，并混合成1200-1400的高溫燃?xì)?，高溫燃?xì)庠跍u輪116機(jī)內(nèi)膨脹作功（熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能），作功后的燃?xì)馀畔虼髿猓ù蠹s550-600），形成開(kāi)式循環(huán)。典型燃?xì)廨啓C(jī)的性能見(jiàn)表2-1。表2-1典型燃?xì)廨啓C(jī)性能制造商/機(jī)型燃機(jī)功率MW效率%排氣溫度GE/9FA25636.8609GE/9E12334538西門(mén)子/V94.3A25538.5577ABB/GT2626538.5640(兩次燃燒)三菱/701G33439.5587燃?xì)廨啓C(jī)電站有很快的啟動(dòng)性能,優(yōu)良的調(diào)峰和兩班制運(yùn)行能力,見(jiàn)表2-2。表2-2啟動(dòng)時(shí)間比較（分）啟動(dòng)方式汽機(jī)電站燃機(jī)電站聯(lián)合循環(huán)電站冷態(tài)360-48020120-180溫態(tài)1801060-90熱態(tài)90218-30聯(lián)合循環(huán)的焓熵圖和系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2-2、圖2-3。燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)(頂循環(huán)）1.1汽輪機(jī)循環(huán)(底循環(huán)）1.22.22.1聯(lián)合循環(huán)效率=面積1.1+面積1.2(1.1+1.2)+(2.1+2.2)圖2-2聯(lián)合循環(huán)焓熵圖117壓氣機(jī)燃燒室渦輪發(fā)電機(jī)余熱鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)凝汽器給水泵燃煤鍋爐圖2-3燃煤電站改造成聯(lián)合循環(huán)電站的系統(tǒng)簡(jiǎn)圖圖2-2上部是燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)，稱(chēng)為頂循環(huán)，下部是汽輪機(jī)循環(huán)，稱(chēng)為底循環(huán)。頂循環(huán)的排氣溫度高于底循環(huán)的進(jìn)汽溫度，用頂循環(huán)的排氣在余熱鍋爐里加熱底循環(huán)的給水，產(chǎn)生蒸汽在汽輪機(jī)里作功。這部分功相當(dāng)于無(wú)煤耗功，是利用燃?xì)廨啓C(jī)廢氣產(chǎn)生的，功率大約等于燃?xì)廨啓C(jī)功率的一半。因此，聯(lián)合循環(huán)效率比燃?xì)廨啓C(jī)效率高約1.5倍。圖2-3是聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。如果用汽輪機(jī)電廠(chǎng)改造，除增加一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組（大約為汽輪機(jī)功率的兩倍）外，還要將原鍋爐、儲(chǔ)煤、輸煤、制粉等系統(tǒng)拆除，新加一臺(tái)余熱鍋爐，系統(tǒng)也要相應(yīng)改造。一般燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組是整體車(chē)廂式露天安裝，可以不用廠(chǎng)房。燃煤電廠(chǎng)改造成聯(lián)合循環(huán)電站有三種方式，余熱鍋爐型效益最好，改造投資大些。2.1余熱鍋爐型（圖2-4）汽輪機(jī)壓氣機(jī)發(fā)電機(jī)渦輪燃燒室余熱鍋爐IPHP凝汽器發(fā)電機(jī)圖2-4改造成余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)118在現(xiàn)有的蒸汽輪機(jī)電站的基礎(chǔ)上，用一臺(tái)或多臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐來(lái)取代原有的燃煤鍋爐。燃?xì)廨啓C(jī)的排氣在余熱鍋爐不用補(bǔ)充燃料燃燒。在改造單臺(tái)大功率的蒸汽輪機(jī)時(shí)，宜采用多臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐的組合方案，這將有利于提高電站部分負(fù)荷工況的效率。燃?xì)廨啓C(jī)功率（PG）選取與蒸汽輪機(jī)功率（PS）、燃?xì)廨啓C(jī)排氣量、排氣溫度、余熱鍋爐的換熱效率等有關(guān)，一般取PG/PS=1.5-2.0范圍,由最佳配比關(guān)系來(lái)選擇燃?xì)廨啓C(jī)的容量和臺(tái)數(shù)。改造后電站的效率與所選用的燃?xì)廨啓C(jī)性能、余熱鍋爐參數(shù)以及蒸汽輪機(jī)循環(huán)系統(tǒng)和參數(shù)等因素有關(guān)，其中以燃?xì)廨啓C(jī)效率和參數(shù)的影響最大。目前使用得比較普遍的是雙壓/無(wú)再熱的臨界參數(shù)以下的循環(huán)方式，這種方案的聯(lián)合循環(huán)效率已可超過(guò)52%，投資費(fèi)用比較低廉。通常，燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度低于538時(shí)，則不宜采用再熱循環(huán)方式。余熱鍋爐既可以采用強(qiáng)制循環(huán)方式，也可以采用自然循環(huán)方式。歐洲的制造商較多地選用立式強(qiáng)制循環(huán)，而美國(guó)制造商則偏向于用臥式自然循環(huán)。目前選取臥式自然循環(huán)較多，因?yàn)樗倪\(yùn)行可用率較高，廠(chǎng)用電消耗少，運(yùn)行維護(hù)方便。缺點(diǎn)是安裝場(chǎng)地要求較大，啟動(dòng)時(shí)間略長(zhǎng)些。通常，在設(shè)計(jì)余熱鍋爐時(shí)，排煙溫度不能低于煙氣的酸露點(diǎn)；在燃用無(wú)硫燃料時(shí)，排煙溫度最好不低于煙氣的水露點(diǎn)。為了使燃?xì)廨啓C(jī)能夠單獨(dú)運(yùn)行，可以在燃?xì)廨啓C(jī)與余熱鍋爐之間的排氣管道中安裝煙氣旁通伐，排氣可直接通向煙囪。要特別注意確保這些伐門(mén)的嚴(yán)密性，以防在聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行時(shí)漏氣，影響機(jī)組的功率和效率。鑒于現(xiàn)成的燃煤電站汽輪機(jī)的概率壽命要比燃煤鍋爐長(zhǎng)，因而在電站改造時(shí)，保留原有的汽輪機(jī)是可行的。但是汽輪機(jī)本身及其給水系統(tǒng)需要做適當(dāng)改造，內(nèi)容包括：（1）汽輪機(jī)要改造成為全周進(jìn)汽的結(jié)構(gòu)型式；（2）關(guān)閉原有的汽輪機(jī)回?zé)岢槠ラT(mén)；（3）核算汽輪機(jī)尾部的通流面積，增大凝汽器的冷卻面積或增大冷卻水量；（4）在汽輪機(jī)的適當(dāng)部位開(kāi)低壓蒸汽輸入口；（5）改造成DEH全電調(diào)控制系統(tǒng)，有自啟動(dòng)和停機(jī)功能；（6）校核汽輪機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度，主要是葉片的動(dòng)強(qiáng)度。電站必須改燒天然氣或液體燃料（包括渣油或柴油），不能燒煤。為此，需要增設(shè)燃料前置系統(tǒng)，NOX排放量則可以通過(guò)在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中噴水、噴蒸汽或是采用低NOX燃燒器的方法加以控制，因而改造后的電站污染排放水平（包括CO2）將得到很大程度的改善。在現(xiàn)成的燃煤電站的場(chǎng)地范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)上述增容改造是完全現(xiàn)實(shí)的。因?yàn)槿济哄仩t房占地尺寸，無(wú)論在平面上還是高度上，都能滿(mǎn)足布設(shè)燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐及其附屬設(shè)備的要求。當(dāng)然，站內(nèi)原有的輸配電系統(tǒng)可以留用，但需增119設(shè)燃?xì)廨啓C(jī)部分的變壓器和輸配電系統(tǒng)設(shè)備。今后一但整體煤氣化燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)（IGCC）方案成熟時(shí)，再改造成IGCC是很容易的。這將使電站可燃用固體煤燃料，成為新一代的高效燃煤電廠(chǎng)。本方案可以使燃煤電站的功率和效率獲得最大程度的改善，污染排放水平降至最低，改造的投資費(fèi)用也較少，因而在不缺乏天然氣和液體燃料的前提下，它是改造燃煤電站的最優(yōu)選擇。改造后的聯(lián)合循環(huán)電站可快速啟動(dòng)，帶尖峰負(fù)荷和兩班制運(yùn)行。德國(guó)來(lái)田港電廠(chǎng)曾將一臺(tái)100MW汽輪機(jī)改造成360MW的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站，新增加一臺(tái)GT26（240MW）燃?xì)廨啓C(jī)和一臺(tái)余熱鍋爐。汽輪機(jī)的全部抽汽口被堵掉（不用抽汽加熱給水），汽封系統(tǒng)進(jìn)行了改造。改造后的電站效率58.2%，NOX排放量小于25ppm。自八十年代中期，德國(guó)陸續(xù)開(kāi)始用燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)改造舊的燃煤電站，并在工業(yè)實(shí)踐中取得明顯效果。圖2-5余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)布置圖2.2燃?xì)廨啓C(jī)前置型聯(lián)合循環(huán)這種改造方案的特點(diǎn)是：在現(xiàn)有電站的燃煤鍋爐前，加裝一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)，通過(guò)尺寸較大的高溫管道，把燃?xì)廨啓C(jī)的高溫排氣供向燃煤鍋爐的燃燒器和磨煤系統(tǒng)的磨煤風(fēng)機(jī)，以取代原有電站中通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)和鍋爐中的空氣預(yù)熱器，向燃煤鍋爐和磨煤風(fēng)機(jī)供應(yīng)高溫純空氣的供風(fēng)系統(tǒng)，即：把燃?xì)廨啓C(jī)的排氣作為燃煤鍋爐的高溫燃燒用空氣來(lái)使用。燃?xì)廨啓C(jī)燃用天然氣或液體燃料，在鍋爐中仍然燃用“非褐煤”型原煤。燃?xì)廨啓C(jī)功率（PG）與蒸汽輪機(jī)功率（PS）比例選為：120PG：PS=1：4-1：3（無(wú)輔助送風(fēng)）和PG：PS=1：6-1：4（有輔助送風(fēng)）原有的燃煤鍋爐仍能保留使用，但要進(jìn)行適當(dāng)改造。鍋爐內(nèi)的空氣預(yù)熱器要拆除，燃燒器也要改造，以適應(yīng)在含氧濃度較低的煙氣介質(zhì)中，能夠穩(wěn)定和完全燃燒煤粉的要求。當(dāng)電站負(fù)荷變化時(shí)，應(yīng)盡可能維持燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)荷變動(dòng)不大，而通過(guò)調(diào)節(jié)燃煤量來(lái)控制汽輪機(jī)的功率，達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)荷的目的。當(dāng)電站負(fù)荷增高到60-70%額定負(fù)荷工況時(shí)，則宜投入輔助送風(fēng)機(jī)。這種機(jī)組的效率隨負(fù)荷的變化關(guān)系是比較平坦的。汽輪機(jī)的本身和給水系統(tǒng)變動(dòng)不大，但由于煙氣型給水加熱器的投入，就會(huì)使供給其他給水加熱器的蒸汽抽汽量有所減少。2.3燃?xì)廨啓C(jī)-汽輪機(jī)并列型聯(lián)合循環(huán)在原有的燃煤電站基礎(chǔ)上,并列地增設(shè)一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)和一臺(tái)產(chǎn)生蒸汽的余熱鍋爐,燃?xì)廨啓C(jī)燃用天然氣或液體燃料,鍋爐仍然燃燒原煤。余熱鍋爐產(chǎn)生幾種不同壓力和溫度的蒸汽，將與原有的燃煤鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽和再熱蒸汽一起，供到原有的汽輪機(jī)中去作功（減小原鍋爐的燃煤量）。在燃?xì)廨啓C(jī)中產(chǎn)生的煙氣通過(guò)余熱鍋爐由煙囪排向大氣。改造后的電站，燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)可以單獨(dú)運(yùn)行。燃?xì)廨啓C(jī)功率（PG）與蒸汽輪機(jī)功率（PS）比大約為：1；6PG/PS1：32.4幾種改造方案的評(píng)價(jià)目前，在常規(guī)的不補(bǔ)燃的聯(lián)合循環(huán)中，與燃?xì)廨啓C(jī)相配的汽輪機(jī)參數(shù)一般都不超過(guò)超高壓參數(shù)，即壓力最高為135bar左右。因而超高壓參數(shù)及以下的汽輪機(jī)電站才有可能改造成常規(guī)的不補(bǔ)燃的聯(lián)合循環(huán)電站。對(duì)于前置動(dòng)力布置方式、并列動(dòng)力布置方式的聯(lián)合循環(huán)，沒(méi)有蒸汽參數(shù)的限制。通常，人們喜歡用這些方案來(lái)改造大型的亞臨界參數(shù)、甚至超臨界參數(shù)的燃煤電站。供電效率N=42%的燃煤電站，用前置動(dòng)力布置方式改造，聯(lián)合循環(huán)電站的供電效率將增高2.8-4.0個(gè)百分點(diǎn)；用并列動(dòng)力布置方式進(jìn)行改造后，聯(lián)合循環(huán)電站的供電效率將增高2.8-3.2個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)然，就提高燃煤電站的效率而言，將燃煤電站改造成常規(guī)的不補(bǔ)燃的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)方式是最佳的。用高壓蒸汽參數(shù)、雙壓余熱鍋爐，電站的供電效率很容易地增加到52%以上，即大約增加15個(gè)百分點(diǎn)。2燃煤電廠(chǎng)改造成聯(lián)合循環(huán)的方案121燃煤電廠(chǎng)改造成聯(lián)合循環(huán)有多種配置方案，可采用1+1（1臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)+1臺(tái)汽輪機(jī)）、2+1、3+1和4+1和采用不同制造商生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)。目前世界上能設(shè)計(jì)、自主生產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)的制造商有：GE、ABB（ALSTOM）、Siemens和Wh（三菱）。不同的配置方案有不同的經(jīng)濟(jì)性、投資和回報(bào)期，宜根據(jù)當(dāng)?shù)厝剂蟽r(jià)、上網(wǎng)電價(jià)、年利用小時(shí)數(shù)等，進(jìn)行技術(shù)-經(jīng)濟(jì)可行性分析，然后確定最后的改造配置方案。表3-1燃煤電廠(chǎng)改造成聯(lián)合循環(huán)的方案例現(xiàn)有汽機(jī)功率配燃機(jī)型號(hào)燃機(jī)功率聯(lián)合循環(huán)型號(hào)余熱鍋爐總功率總效率聯(lián)合循環(huán)單位價(jià)燃機(jī)單位價(jià)燃機(jī)制造商KW/KW/KW%$/KW$/KW/48001LM160013