节能减排与火电新技术

动　力　工　程

Journal of Power Engineering

Vol.29No.1　J an.2009　

收稿日期:2008210206

作者简介:程钧培(19402),男,江苏溧阳人,教授级高工,中国动力工程学会副理事长.电话(Tel.):021*********;

E 2mail :dong @speri.com.cn.

文章编号:100026761(2009)0120001204　　　中图分类号:T K0　　　文献标识码:A 　　　学科分类号:480.50

节能减排与火电新技术

程钧培

(中国动力工程学会,上海200240)

摘　要:节能减排是贯彻落实科学发展观、建设资源节约型和环境友好型社会的必然选择.火电厂

节能减排任重道远.为了提高火电机组的经济性和环保性,必须发展超(超)临界、燃气2蒸汽联合循环、整体煤气化联合循环(IGCC )、循环流化床、大容量热电联产和大型空冷等发电新技术.概述了这些火电新技术在我国的应用现状、问题与差距,并提出了2020年我国火力发电技术装备要达到的目标.

关键词:节能减排;火力发电;新技术;问题;差距;2020年目标

Energy Saving ,Emission Reducing and New Technologies for Thermal Power Generation

C H EN G J un 2pei

(Chinese Society of Power Engineering ,Shanghai 200240,China )

Abstract :Promoting energy saving and emission reduction is an embodiment of carrying out t he scientific develop ment concept and building up a resources 2saving and environmental 2friendly society.For t hermal power plant s ,t hey have a long way to go in t he aspect of energy saving and emission reduction.In order to improve t he economic and environmental impact s of t hermal power plant s ,new technologies ,such as for (ultra )supercritical ,gas 2steam combined cycle ,integrated gasification combined cycle ,circulating fluidized bed ,large air 2cooling power generation and large volume heat 2power cogeneration ,should be developed.A brief int roduction is being p resented to t he application stat us ,existing problems and deficiencies of above technologies ,while objectives for t he year 2020propo sed.

Key words :energy saving and emission reductio n ;t hermal power generation ;new technology ;p roblem ;deficiency ;objective for t he year 2020

1　节能减排与火力发电

　　《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出了“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右、主要污染物排放总量减少10%的约束性指标.这是贯彻落实科学发展观、建设资源节约型和

环境友好型社会的必然选择;是推进经济结构调整、转变增长方式的必由之路;是提高人民生活质量、维

护中华民族长远利益的必然要求.

在我国的各种资源中,煤炭的蕴藏量最为丰富,因此,以煤为主的火力发电是电力生产的主要方式.2007年中国电力的总装机容量已达7.1329亿

2007年全国供电煤耗为357g/kWh,比上年降低10g/kWh,下降了2.7%,但与国际先进水平相比,仍要高45～55g/kWh.2007年我国原煤产量已达25.23亿t,其中,51%用于火力发电.在我国全年的污染物排放中,火力发电占据的份额为:渣70%,灰20%,SO252%.

由于在未来20年甚至更长时间内,煤电在我国发电能源中仍占主导地位,因此电力工业必须考虑以煤炭为主的发电能源结构特点,优化电源结构,选择各种具有更高经济性和环保效益的发电新方式,并最大限度地降低因煤电引起的环境污染.

2　火力发电新技术[1]

　　为了提高火电机组的经济性和环保性,目前在国际先进国家应用的火电新技术包括:超(超)临界发电技术、燃气2蒸汽联合循环发电技术、整体煤气化联合循环(IGCC)发电技术、循环流化床(CFB)发电技术、大容量热电联产发电技术及大型空冷发电技术.

2.1　超(超)临界发电技术

　　超(超)临界火电机组是世界上较成熟的先进发电技术,主蒸汽温度/再热蒸汽温度为600℃/600℃的超超临界火电机组供电效率可达45%,发电标煤耗基本在275g/kWh左右.超超临界机组安装脱硫、脱硝装置后,SO2排放浓度可控制在200mg/ m3,NO x排放浓度也可控制在200mg/m3以下.

在经济发达国家中,大容量、高参数的超(超)临界火电机组已得到广泛应用,节能减排效果显著,并且正进一步向更高参数的方向发展.我国要实现节能降耗、减轻环境污染,势必大规模采用高效、清洁的大型超(超)临界机组,以提高能源利用率、减轻环保压力.

2.2　燃气2蒸汽联合循环发电技术

　　F级燃气2蒸汽联合循环的效率可以达到57%左右,发/供电气耗约127/130g/kWh,折合发/供电标准煤耗约215/220g/kWh左右.

CO2减排量与常规的亚临界燃煤机组相比,可降低30%左右.以天然气为燃料的燃机电厂,SO x 的排放约45mg/m3,NO x的排放控制在51mg/m3左右,燃用液体燃料时其控制在90mg/m3.

2.3　IG CC发电技术

　　在世界上,IGCC已进入商业应用示范阶段,根据发展的技术路线不同,其净效率可控制在37%～43%及以上,脱硫率大于98%,NO x控制在50mg/ m3,粉尘排放浓度不超过10mg/m3,IGCC还为CO2的回收与埋存创造了条件,是未来洁净煤发电的主要发展方向之一.

2.4　CFB发电技术

　　近年来,CFB锅炉以其优越的环保特性、燃料适应性和良好的运行性能受到广泛重视.

从锅炉效率来看,燃用较好品质的燃料(如烟煤等)时,煤粉炉的效率略好于CFB锅炉;但燃用低挥发分燃料和劣质燃料(如无烟煤、矸石等)时,CFB 锅炉的效率则优于煤粉炉.该技术能在燃烧过程中添加石灰石进行炉内脱硫,可有效控制SO2和NO x 的排放,其SO2排放可降至400mg/m3左右,NO x 排放一般均小于250mg/m3.

2.5　大容量热电联产发电技术

　　热电联产技术的能源利用率比单纯发电的约提高1倍以上.目前,我国北方采暖地区300MW热电联产机组发电煤耗基本与超超临界机组相当(约275g/kWh或更低),供热煤耗优于集中锅炉.因此,在热负荷需求较大的区域,应大力建设300MW 及以上的热电联产机组.

对于城市周边的现役纯凝机组情况,如对其进行供热改造,则可获得很好的节能和减排效果.

2.6　大型空冷发电技术

　　空冷机组中烟尘、SO2、NO x的排放与同参数的机组类似,但平均耗水指标为0.15m3/(s・GW),仅为常规燃煤凝汽循环供水机组平均耗水(0.71 m3/(s・GW))的21%.

3　火电新技术在我国的应用现状

3.1　超(超)临界机组

　　我国超临界技术的发展虽起步于2002年,但近几年发展迅速.到2006年底,国内主机制造厂承接的600MW等级超临界机组订单达200多台,已完成交货104台,投运70多台.2003年,我国哈尔滨、上海、东方三大动力制造集团分别从三菱、西门子以及日立公司引进了超超临界技术,到2007年底,承接和投标的600MW等级超超临界机组达到76台,1000MW等级超超临界机组94台,目前已投

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・　　　　　动　力　工　程　第29卷　运行的1000MW等级超超临界机组已有10台.

我国超超临界机组按容量通常可分为600MW 等级和1000MW等级,从初参数上可分为25 M Pa、600℃/600℃和26.25M Pa、600℃/600℃两大类.通过对已投运机组的性能测试,其已达到国际先进水平.

3.2　燃气2蒸汽联合循环机组

　　截至到2006年底,我国在运行的燃气轮机发电机组共280台,容量达到1626万kW,占火电装机总容量的3.36%,所占比例很小.其中,F级燃机有28台投运,合计1090万kW,还有910万kW在建.燃料以天然气为主、液体燃料为辅;机组形式以联合循环机组为主;电厂运行以调峰电力为主.

2006年我国燃气2蒸汽联合循环机组的运行系数仅有45.99%,主要面临天然气供应不足和上网电价偏高2个问题.

3.3　IG CC发电机组

　　2005年,我国在在山东兖州矿务局建设了80 MW的IGCC项目,采用由华东理工大学自主开发、哈尔滨锅炉厂制造的1150t/d水煤浆气化炉,及由南京汽轮机厂有限公司生产的6B低热值燃气轮机.

目前我国开展前期工作的IGCC项目有10多个,2006年在天津和浙江半山已开始建设E级燃机IGCC电站(300MW)示范应用工程.

3.4　CFB锅炉

　　我国已能自主设计300MW及以下容量的CFB锅炉.目前国内300MW CFB锅炉分为2种,一是引进技术型,已有近20台订货业绩,其中9台投运;二是自主开发型,已有17台订货业绩.2006年,国家启动了自主研发600MW超临界CFB锅炉的计划,预计在“十一五”末投运.从运行上看,50 MW和100MW CFB锅炉机组的运行有10多年, 135MW CFB锅炉机组运行近10年,因此对135 MW及以下CFB锅炉的运行和维护有比较丰富的经验.300MW CFB锅炉机组目前已投运了7台,时间相对较短,从投运情况看,基本达到设计要求. 3.5　大容量供热机组

　　到2006年底,全国已建成6MW及以上热电联产机组约2300台,总装机容量已超过7000万kW,约占全国火电装机容量的15%,承担了全国工业供热量的80.5%,民用采暖供热量的26%,供热机组供热标煤耗率为40.22kg/G J.

目前国内已投入运行的抽汽凝汽机组最大功率为142MW;背压机组最大功率为50MW;凝汽采暖两用机组最大功率为300MW,600MW级超临界凝汽采暖两用机组的建设正在规划.

3.6　大型空冷机组

到2006年底为止,国内已投运的空冷机组总容量为1600万kW.直接空冷系统在国内应用发展迅猛,2000年以后新建的空冷机组基本上全部采用了直接空冷系统,单机最大功率为600MW.国内尚无300MW及以上间接空冷系统的运行业绩.

直接空冷机组供电平均标煤耗比湿冷机组增加约10～16g/kWh;间接空冷机组的供电标煤耗较直接空冷系统低,两者相差5～8g/kWh.直接空冷电厂的静态投资比同类湿冷电厂增加5%左右,间接空冷电厂的比同类湿冷电厂的增加8%左右.

4　问题与差距

　　通过对以上火电机组现状的分析,总体上的问题与差距是:大机组的比重仍然偏小,还有相当数量的小机组需要被淘汰;从参数等级来看,平均技术水平不够先进;火电厂的供电煤耗有了进一步的下降,但总体还较高;由于火电机组的品种比较单一,电源调峰能力不足;供热机组的容量比例有待进一步提高;燃气2蒸汽联合循环机组的比例过低,平均单机功率过小;节水型火电机组中的空冷机组容量比例与我国水资源紧缺程度、缺水地区地域面积所占比例不相称.

4.1　超(超)临界发电技术装备

　　(1)目前国内还不能生产超超临界机组的大型铸锻件和600℃等级新型耐热钢等关键原材料,全部依赖进口;对新型耐高温材料的加工工艺性能还没有完全掌握;价格居高不下和货源紧缺制约了超超临界机组的发展.

(2)目前,超超临界机组仍须由国外厂商进行性能设计,国内制造企业按图生产;尚未掌握超超临界锅炉水冷壁的传热和水动力特性、过热器和再热器热偏差特性、超厚壁大口径受压元件及刚性梁结构设计关键核心技术;尚未开展超超临界汽轮机的气动设计、冷却技术、强度与振动研究、末级长叶片设计和热力系统优化等设计核心技术的自主研究.

(3)超超临界机组的辅机及配套阀门的国产化方面还有较大缺口,目前大部分高参数阀门需要向国外采购.

(4)各发电设备制造企业引进的超超临界技术来源不同,形成了不同的技术流派,对关系到行业技术发展的共性技术尚未有效地组织起开发体系,核心技术自主创新能力不足,缺乏共性技术研究平台,对超超临界机组的高温高强度材料、超超临界锅炉

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　第1期程钧培:节能减排与火电新技术和汽轮机关键共性技术的研发未能组织起有效的试验研究.总之,我国尚没有自主知识产权的超超临界主机设计及制造技术.同时,由于电源与电网分开的,超超临界机组在电网中还经常处于频繁调峰状态下运行,不能带基本负荷运行,发挥不了其高经济性的作用.

4.2　燃气2蒸汽联合循环发电技术装备

　　(1)未掌握燃气轮机的压气机、燃烧室、透平、燃气轮机热力系统、燃机控制以及单轴布置的长轴系联合循环机组的轴系稳定性研究等设计技术.

(2)未掌握燃气轮机的热部件等关键部件的制造技术.

4.3　IG CC发电技术装备

　　(1)供电效率与超超临界机组的相比不具有明显优势.

(2)机组可用率有待提高.

(3)投资较常规发电技术偏高.

(4)未掌握燃烧低热值煤气的燃气轮机燃烧技术.

(5)未掌握大型(1500t/d以上)气化炉的设计和气化炉内件制造技术.

(6)未掌握大型离心、轴流压缩机设计和制造技术.

(7)缺乏IGCC的电站整体控制和仿真经验. 4.4　大型CFB发电技术装备

　　锅炉的进煤不畅、底渣冷却不够、磨损、耐火耐磨材料脱落堵塞、冷渣器故障等导致目前CFB锅炉的可靠性比常规煤粉锅炉低3%～5%.

4.5　大容量热电联产机组发电技术装备

　　(1)平均容量小,参数低,热效率相对较低,热稳定性不高.

(2)热负荷数据与实际情况出入较大,投运后以纯凝工况运行为主.

(3)热价低,导致热电厂以电补热,争夺发电小时数;且燃料价格不断提高,而电价、热价不能同比提高,造成热电厂运营困难.

4.6　大型空冷发电技术装备

　　我国大型直接空冷机组的设计、制造、运行技术已趋于成熟,国产机组日益增多,是制造和投运直接空冷机组数量和装机容量最多的国家,其各项指标已达到世界先进水平.但间接空冷机组尚有差距,还未掌握300MW以上机组的设计制造技术.

目前主要问题是:机组系列化差;一些辅机(如给水泵汽轮机)性能影响系统的选择;辅机冷却水空冷系统有待开发应用.5　我国2020年目标

　　2020年我国发电总装机容量预计达到13.4亿kW,其中火电装机容量约为9.1亿kW,约占总装机容量的68%,主力机组为600MW和1000MW超(超)临界机组,将实现供电标准煤耗335g/kWh. 5.1　超超临界发电技术装备

　　基本掌握有关核心技术,形成具有自主知识产权的超超临界技术装备能力,实现以600～1000 MW超超临界机组为主力机组.国内可提供超超临界使用的600℃合金钢材料和大型锻件,同时为发展更高参数、更高容量的超超临界机组作技术准备.

开展参数达30M Pa、650℃、650℃的超超临界机组设计、制造、材料及辅机设备的技术研究,完成原型机的自主设计.

5.2　燃气2蒸汽联合循环发电技术装备

　　根据气源以及电网需要,燃气2蒸汽联合循环机组在火电中占有一定比例,以利于整个电网的调峰.

掌握F级燃气轮机的核心部件的制造技术(四大件),可以自主完成F级燃机的设计制造,形成我国重型燃气轮机的设计技术体系.

5.3　IG CC发电技术装备

　　400MW级IGCC进行商业运行,国产化率达到85%,运行可靠性达到85%～90%,掌握IGCC 成熟的设计、运行、维护经验;启动IGCC多联产示范项目;掌握E级和F级中低热值的燃机制造技术,国产化率达到85%以上;可以自主设计和生产3000t/d级气化炉;可以设计、生产40万m3/h的轴流、离心压缩机.

5.4　大型CFB发电技术装备

　　推广应用燃用劣质煤的600MW超临界CFB,运行可靠性有很大提高;具备提供超超临界600 MW等级CFB锅炉的能力.

5.5　大容量热电联产机组技术装备

　　大中城市采暖基本实现热电联产,在热负荷条件适宜地区,适度推广600MW级供热机组的应用.

5.6　大型空冷发电技术装备

　　完善发展1000MW机组直接空冷系统、600 MW混合式间接空冷机组,并逐渐推广应用,空冷系统部分国产化率到达100%;降低空冷机组能耗1.5%～2.0%,使空冷技术达到国际领先水平.

参考文献:

[1]　严宏强,程钧培.发展中的中国火力发电装备[J].发

电设备,2008,22(1):126.

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