外高桥三期1GW超超临界机组的节能技术

2009.11中国上海600/1000MW超超临界机组技术交流2009年会-1-外高桥三期1GW超超临界机组的节能技术冯伟忠上海外高桥第三发电有限责任公司，上海200137；摘要：外高桥电厂三期2×1000MW超超临界工程，从设备选型及设计阶段起，就着重关注节能减排和综合性能的提高，在整个工程建设期间，围绕节能减排为中心，开展了一系列的优化和技术创新，取得了突出的成效。选择塔式炉并加以优化，炉效平均达94.44%，而其受热面压降小等优势及空预器密封等的改进，零能耗烟气脱硫技术的研发和实施等，显著降低了汽轮机及给水泵的热耗及风机的电耗。而锅炉的节能启动系列技术的开发应用，大大降低了机组启动能耗。而对SIEMENS汽轮机主汽参数，四大管道压降，汽轮机背压等的设计优化，以及节能型抽汽调频技术的开发，全容量单给水泵的配置及系统优化等，进一步降低了汽轮机及给水泵的热耗。而抗SPE的系列技术的研究和实施，有效地保护了机组的效率水平。关键词：超超临界；节能减排；塔式炉；单给水泵；SPE工程概况外高桥电厂三期工程，建设两台1000MW超超临界机组。主设备采用上海电气集团引进德国ALSTOM和SIEMENS技术生产的锅炉和汽轮发电机。工程在2005年9月23日开始第一台锅炉的基础混凝土浇筑，于2007年12月17日第一台机组并网发电，并于2008年3月26日完成168h试运行并投产，5月26日完成性能试验。第二台机组于4月27日并网发电，5月30日完成性能试验，并于6月7日完成168h试运行。基于外高桥二期引进德国2×900MW超临界机组工程成功建设的有利条件，三期工程的项目从策划开始，就确定以二期工程为基础，在技术和性能上延续并发展，瞄准世界最先进水平，使建成后的机组具有节能高效，洁净环保，高可靠性，高可调性及高度自动化的先进性能，确保综合技术和经济性位于世界前列。事实上，还在二期工程的建设过程中，我们就下了大力气对900MW超临界机组逐系统逐设备的深入研究和消化，与此同时，认真吸取和借鉴国内外，包括二期工程超（超）临界技术的发展经验和教训，对超超临界技术存在的特殊问题和对策进行了超前研究，从三期工程的设备选型和设计阶段起，就冲破重重阻力，大胆突破一些已不适应超超临界技术发展的传统规范和习惯，对于实践证明存在问题或尚有优化空间的设备和系统，进行了全面的优化和改进。在此基础上，我们把自主创新作为全面提高机组综合性能的抓手，分解和瞄准各项世界最先进水平，重点围绕节能减排这一主题，全面和深入的开展了一系列的创新课题研究(1)，并在工程建设的各个阶段果断进行了实施，取得了一批具有自主知识产权的国内和国际领先水平的科技成果，使机组的综合性能，特别是能耗水平，在刚投产时就达到和超过了建设目标。在2008年6月9日的上海节能减排国际博览会上，“外三”电厂以领先的综合优势一举摘得了最高奖——博览会金奖。1、锅炉及相关系统的节能鉴于二期900MW超临界塔式锅炉呈现出的明显综合优势，三期工程选用了上海电气集团引进德国ALSTOM技术生产的塔式锅炉(2)。为一次再热，分离器内置，螺旋水冷壁，滑压运行，单炉膛四角切圆燃烧，露天布置，平衡通风，固态排渣煤粉锅炉。但根据超超临界的特点和容量的增加，以及二期锅炉的运行和调试经验(3)，在锅炉结构和系统设计，参数选择等多方面进行了改进和优化。2009.11中国上海600/1000MW超超临界机组技术交流2009年会-2-三期和二期锅炉的主要设计差异如下：外高桥三期工程之所以坚持选用塔式炉，节能及运行安全性是最主要的考虑因素。1.1炉效提升空间大基于塔式锅炉多重的技术优势，若调试及运行得当，其实际效率可远高于合同保证值。三期的两台1000MW锅炉，经多重优化和调整，如炉膛的设计高度在二期的基础上提高5m，不但降低了炉膛出口温度，减少了对流受热面的结焦风险，显著增加了煤粉的燃烧滞留时间，提高了燃尽率等。其性能试验值高达94.36%和94.51%。与合同保证值93.6%相比，相当于降低了机组煤耗2.5克/千瓦时。即使在400MW的工况下，其实测效率也高于94%，这使得机组不但在额定负荷时有良好的经济性，而且在低负荷下的运行经济性也能得到有效保障。1.2有利于提高机组效率和降低厂用电率1.2.1再热器压降小从汽轮机高压缸排汽端至中压缸进汽门，包括再热蒸汽管系及锅炉再热器的系统压降，部分吞噬了中压缸入口蒸汽的做功能力。其压降的大小，直接影响汽轮机的热耗。按目前我国的设计规范，再热系统压降设计的控制值为高压缸排汽压力的10%，一般为再热蒸汽管系及锅炉再热器的压降各占一半。按SIEMENS的1000MW汽轮机VWO工况的高压缸排汽压力6.4MPa为基数，则锅炉再热器允许压降为3.2MPa，但该塔式炉再热器的设计压降仅为2MPa，按SIEMENS提供的修正曲线，由于其再热器压降的相对减少，可使汽轮机热耗下降9.6kJ/kWh。1.2.2高压汽水系统压降小从省煤器进口至过热器出口的压降△PES，消耗的是电厂最大的辅机——锅炉给水泵的功率。由于塔式炉对流受热面均匀的烟气流场提高了传热效率，故其省煤器、水冷壁及过热器的总量仅为同等级П型炉的81.4～88.2%，这显著降低了系统压降△PES，实际的△PES为3MPa，比同等级П型炉低1MPa以上。而额定工况下的给水泵的功耗达35MW，相应塔式炉△PES的降低导致给水泵的运行功耗下降约1.2MW。1.2.3烟气系统阻力小塔式炉的对流受热面均水平布置与炉膛上方，烟道截面与炉膛相等，烟气流场均匀，阻力系数小。且由于传热效率高，其包括再热器的对流受热面的总量约为同等级П型炉的91.5～94.4%，故烟气系统总阻力明显小于П型炉。目前实际运行的锅炉空预器排烟侧（不含脱硝系统）负压约-2KPa，比同等级П型炉低30%以上，从而降低了引风机电耗约1.6MW。需指出的是，通常锅炉的热效率考核中并不涵盖上述这三项，但这些因素对机组运行效率的实际影响确是客观存在的。1.3设备及排烟系统的改进锅炉二期三期最大连续蒸发量2788T/H2955T/H主蒸汽温度542℃605℃主蒸汽压力24.955MPa28MPa再热蒸汽压力/温度6MPa/568℃6.4MPa/603℃给水温度272.6℃298℃设计启动方式扩容启动带炉水循环泵启动炉膛高度64m69m炉顶标高118m129m2009.11中国上海600/1000MW超超临界机组技术交流2009年会-3-1.3.1空预器密封改进回转式空预器是当今火电大机组锅炉配置的首选，但漏风率较大一直是该型空预器的主要问题。而较大的漏风首先导致了各大风机（送风机，一次风机，引风机，脱硫增压风机）电耗的急剧上升，其次是降低了空预器传热效率从而使锅炉效率下降。外高桥三期工程在建设过程中，为降低空预器的漏风率，研究开发了一种“全向柔性密封技术”，这种密封装置是在不改变原有设备结构的前提下，加装磨损率可控的接触式柔性密封，能使漏风率显著降低。该技术首先在第一台锅炉空预器的冷端上应用，取得显著成效，漏风率的性能试验值为4%，厂用电率（不计脱硫）为3.01%，在对热端和轴向密封全加装后，厂用电率进一步下降至2.7%（不计脱硫）。与此同时，锅炉热风温度也明显上升，相应提高了锅炉热效率。该项创新，降低了机组煤耗约2克/千瓦时。1.3.2零能耗烟气脱硫“外三”工程配套同步建设的烟气脱硫系统，采用了目前技术最为成熟的石灰石-石膏湿法脱硫，由北京博奇公司供货。一般的这类系统，需耗用约1%以上的厂用电，对于年计划发电量120多亿度，耗原煤400多万吨的电厂，1%的能耗也是个巨大数字。因此，此类系统实际为“耗能减排”。为实现真正意义上的节能减排，我们开发了“零能耗脱硫技术”。“零能耗脱硫技术”主要涵盖了以下两个方面：一是通过改进工艺和运行方式，尽可能降低系统能耗。基于上海的大机组必须参与大幅调峰运行（40%～100%）的现实，还必须特别关注机组中、低负荷运行的经济性。通过改进烟道及控制系统设计，根据不同的负荷，实现引风机和增压风机的联合调度运行。最少时，可全停增压风机并只开一台引风机，加之空预器密封问题的破解显著降低了烟气量，从而大大降低了各负荷段的风机，尤其是增压风机和引风机的用电率。另外，根据烟气SO2的不同浓度及负荷，停开部分浆液循环泵等，使脱硫系统在额定工况下的耗电率降至0.75%以内。二是利用不配置GGH的有利条件，研发并加装了锅炉排烟热能回收装置，并将这部分热量送回热力系统替代汽轮机抽汽加热凝结水，以提高机组效率。这一技术的关键之一是防止热能回收装置的烟侧低温腐蚀及积灰堵塞，通过合理的选择材料及运行壁温控制，以及优化装置的设置点及吹灰方式等，这些问题得到了很好的解决。从该系统在2009年6月中旬投用至今，未出现上述问题。根据性能试验结果，该系统降低了机组煤耗2.71克/千瓦时，脱硫吸收塔的水耗下降45吨/小时以上。因此，该系统实际的运行成效不光实现了脱硫系统“零能耗”，还略有盈余。其收益两年左右便可收回全部投资。1.4锅炉的节能启动系列技术(4)大型超（超）临界机组的启动，需要消耗大量的水、电、油、煤、蒸汽等资源，时间长，且这一阶段的风险远远高于机组的正常运行时期。为防止粘性油烟对除尘装置的污染，纯燃油及煤油混烧阶段不宜投除尘器，从而又显著增加了这一阶段的污染物排放。通过对国内外直流锅炉不同启动方式以及相应的优、缺点和存在问题的深入研究，在理论上取得了一系列的重大突破。在此基础上，我们对传统的机组启动方式进行了全面的颠覆和创新，研究并设计出了一整套全新的启动技术，取得了卓有成效的成果。如：1.4.1不启动给水泵、静压状态下的锅炉上水及不点火的热态水冲洗这种水冲洗技术不用启动给水泵，也不用点火加热，节约了大量的燃料和厂用电，并且操作简单，可控性好。由于冲洗的水温高，且整个被冲洗受热面内的冲洗介质均处于汽水两相流，极大地改善了冲洗效果。1.4.2直流锅炉蒸汽加热启动和稳燃技术。采用这一启动技术后，耗油量下降了一个数量级以上。该方法不仅将锅炉由原来的冷态启动转为热态启动，并且使烟风系统的运行条件更优于热态启动，极大地改善了锅炉的点火和稳燃条件，创造了最低断油稳燃负荷20%BMCR的世界纪录，显著提高了锅炉的启动安全性。2009.11中国上海600/1000MW超超临界机组技术交流2009年会-4-1.4.3取消炉水循环泵的低给水流量疏水启动，这一技术大大简化了启动系统和运行控制，提高了安全性和可靠性，减少了启动损失。但仍具有常规带炉水循环泵锅炉的极热态启动时间短，损失小的特点。新启动技术的成功应用后，整个启动操作过程明显简化，启动能耗大幅降低，特别是厂用电及点火助燃用油呈数量级下降，而安全性则得到显著提高。两台锅炉从点火冲管起直到完成全部调试和试验项目并通过168满负荷试运行，累计用油仅为1030吨。与外高桥二期2×900MW机组调试期用油21000吨相比下降了20倍。2、汽轮机及相关系统的优化和节能基于外高桥二期900MWSIEMENS汽轮机所表现出的优异的技术性能和效率优势(5)，以及其超超临界汽轮机的设计改进，经比选，外高桥三期采用了上海电气引进SIEMENS技术的1000MW单轴、四缸四排汽、双背压汽轮发电机组。三期和二期汽轮机的主要设计差异如下：汽轮机二期三期额定功率900MW1000MW额定蒸汽流量2537T/H2738.6T/H调门全开功率980MW（2788T/H）1059.97MW（2955T/H）调频方式调门预节流调门及补汽阀节流主蒸汽温度538℃600℃额定主蒸汽压力23.96MPa25.86MPa再热蒸汽温度566℃600℃回热抽汽级数78设计背压单背压4.9kPa双背压4.19/5.26kPa设计热耗7602kJ/kWh7320kJ/kWh在对该型汽轮机的设计特点进行了进一步的分析和研究发现，从提高机组的运行效率出发，其设计参数和运行控制方式等仍存在较大的优化和改进的空间(6)。2.1主蒸汽参数及运行调节方式的优化SIEMENS的超（超）临界汽轮机均采用了无调