大型煤電機(jī)組供熱改造探討

中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 羅海泉

根據(jù)國家能源局發(fā)布的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》[1]，到2025年，非化石能源消費(fèi)比重提高到20%左右；大力推動(dòng)煤炭清潔高效利用，嚴(yán)格控制鋼鐵、化工、水泥等主要用煤行業(yè)煤炭消費(fèi)，大力推動(dòng)煤電節(jié)能降碳改造、靈活性改造、供熱改造“三改聯(lián)動(dòng)”。在21世紀(jì)前15年左右建造的大型煤電機(jī)組，包括超臨界機(jī)組都面臨“三改聯(lián)動(dòng)”壓力。在“三改”中，經(jīng)濟(jì)效益好、產(chǎn)出投入比較高的是供熱改造，有條件的機(jī)組優(yōu)先考慮供熱改造。

1 大型煤電機(jī)組現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)《電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告》數(shù)據(jù)[2]，2015年是中國煤機(jī)組投產(chǎn)的峰值，中國全年新增發(fā)電裝機(jī)容量13184萬kW，其中煤電5402萬kW，平均每星期有約100萬kW煤電機(jī)組投產(chǎn)。此后，煤電裝機(jī)增速逐年下降，煤電新增裝機(jī)容量由2015年的5402萬kW，連續(xù)下降到2018年的3056萬kW，年均下降速度13.27%。到2018年年末，全國電力總裝機(jī)容量達(dá)到190012萬kW，其中煤電裝機(jī)達(dá)到100835萬kW，與2015年年末相比，總裝機(jī)容量、煤電裝機(jī)容量分別增長(zhǎng)了24.6%、12%；2015年年末總發(fā)電量、煤電發(fā)電量分別增長(zhǎng)了21.9%、15%，年均增長(zhǎng)率分別為5.07%、3.56%。煤電裝機(jī)占全國發(fā)電裝機(jī)的比重由59%下降到53%，發(fā)電量占比由68%下降到64%。2015—2018年，煤電設(shè)備平均利用小時(shí)在4300～4500h波動(dòng)。根據(jù)國家能源局每年發(fā)布的數(shù)據(jù)[3]，我國2019年、2020年和2021年火電6000kW及以上電廠發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)分別為4293h、4216h及3622h。由此可見，煤電廠（火力發(fā)電廠）發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)呈逐年下降趨勢(shì)。

另外，據(jù)研究，我國1978—2018年各類電廠年利用小時(shí)數(shù)如圖1所示。從圖中可以看出，火電廠發(fā)電設(shè)備年利用小數(shù)整體呈下降趨勢(shì)。

圖1 1978—2018年各類型發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)

2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上宣布中國二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，業(yè)內(nèi)稱之為“3060”的氣候目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，對(duì)于電力行業(yè)，必然要求降低煤電、火電的使用，大力發(fā)展清潔能源和再生能源。根據(jù)《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，壯大清潔能源產(chǎn)業(yè)，實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，推動(dòng)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，促進(jìn)新能源占比逐漸提高，推動(dòng)煤炭和新能源優(yōu)化組合。堅(jiān)持全國一盤棋，科學(xué)有序推進(jìn)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，不斷提升綠色發(fā)展能力。大力推動(dòng)煤電節(jié)能降碳改造、靈活性改造、供熱改造“三改聯(lián)動(dòng)”，“十四五”期間節(jié)能改造規(guī)模不低于3.5億kW。新增煤電機(jī)組全部按照超低排放標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、煤耗標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國際先進(jìn)水平。持續(xù)推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔取暖，推廣熱電聯(lián)產(chǎn)改造和工業(yè)余熱余壓綜合利用，逐步淘汰供熱管網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的燃煤小鍋爐和散煤，鼓勵(lì)公共機(jī)構(gòu)、居民使用非燃煤高效供暖產(chǎn)品。力爭(zhēng)到2025年，大氣污染防治重點(diǎn)區(qū)域散煤基本清零，基本淘汰35蒸噸/小時(shí)以下燃煤鍋爐。

2021年，國家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布了《國家發(fā)展改革委關(guān)于進(jìn)一步深化燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)市場(chǎng)化改革的通知》[4]，有序放開全部燃煤發(fā)電電量上網(wǎng)電價(jià)。燃煤發(fā)電電量原則上全部進(jìn)入電力市場(chǎng)，通過市場(chǎng)交易在“基準(zhǔn)價(jià)+上下浮動(dòng)”范圍內(nèi)形成上網(wǎng)電價(jià)。擴(kuò)大市場(chǎng)交易電價(jià)上下浮動(dòng)范圍，將燃煤發(fā)電市場(chǎng)交易價(jià)格浮動(dòng)范圍由現(xiàn)行的上浮不超過10%、下浮原則上不超過15%，擴(kuò)大為上下浮動(dòng)原則上均不超過20%，高耗能企業(yè)市場(chǎng)交易電價(jià)不受上浮20%限制。

由此可見，現(xiàn)有大型煤電機(jī)組面臨著年利用小時(shí)數(shù)降低，上網(wǎng)電價(jià)夜間大幅降低，電廠經(jīng)濟(jì)效益如何提升的問題。對(duì)于在廠址附近有熱負(fù)荷需求的燃煤電廠，對(duì)機(jī)組進(jìn)行供熱技術(shù)改造，通過對(duì)外供熱的方式，既可以為工業(yè)企業(yè)或居民提供集中供熱，實(shí)現(xiàn)企業(yè)、居民、電廠和環(huán)境保護(hù)多贏的局面，又保證鍋爐在相對(duì)高效區(qū)的負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

2 大型煤電機(jī)組供熱改造模式

對(duì)于大型煤電機(jī)組，一般有以下幾種供熱改造的模式。

2.1 蒸汽直接減溫減壓供熱模式

該改造模式是從現(xiàn)有的主蒸汽、再熱熱蒸汽、再熱冷蒸汽、汽機(jī)抽汽管道抽取部分蒸汽，通過減溫減壓器，把溫度和壓力降到用戶需要的蒸汽參數(shù)。該模式優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不需要對(duì)鍋爐屏式再熱器面積、末級(jí)再熱器面積、低溫過熱器面積進(jìn)行改造，投資少，改造周期短，對(duì)于供熱量不大的改造比較合適。

2.2 蒸汽通過壓力匹配器減溫減壓供熱模式

該改造模式是把電廠內(nèi)高參數(shù)和低參數(shù)的兩路蒸汽，引入到蒸汽壓力匹配器進(jìn)行混合，壓力匹配器經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，可以讓出口蒸汽的溫度和壓力在不同工況下，都可以滿足外部熱用戶的蒸汽參數(shù)要求。使用壓力匹配器，利用物理學(xué)原理，用一部分溫度壓力較高的蒸汽，把溫度壓力比較低的蒸汽充分利用，能夠提高機(jī)組的供熱能力。該方案特別適合用于機(jī)組容量較小的機(jī)組進(jìn)行對(duì)外供熱改造。

2.3 蒸汽通過換熱器對(duì)外提供熱水模式

該改造模式是在電廠內(nèi)設(shè)置汽水換熱器，通過換熱器加熱冷水，并通過泵將熱水送到熱用戶，在熱用戶處換熱后再送回來換熱器加熱，完成一個(gè)循環(huán)。該模式適用于有熱水需求的地區(qū)，特別是北方地區(qū)在冬天有供暖的需求。

以上列舉的三種供熱改造模式各有優(yōu)缺點(diǎn)，當(dāng)然還有其他供熱改造的模式。供熱改造需要采用哪種模式，建議根據(jù)項(xiàng)目具體情況進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，擇優(yōu)選用。下文就南方某電廠兩臺(tái)600MW超臨界機(jī)組供熱改造方案做探討。

3 某大型煤電機(jī)組供熱改造概況

該電廠坐落于工業(yè)區(qū)旁邊，建設(shè)兩臺(tái)600MW國產(chǎn)超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，三大主機(jī)均由上海電氣供貨。

主機(jī)設(shè)備概況。一是鍋爐，鍋爐主要性能數(shù)據(jù)見表1。

表1

二是汽輪機(jī)。

表2

三是發(fā)電機(jī)。

表3

根據(jù)外部熱負(fù)荷需求，該電廠先后共進(jìn)行三次供熱技術(shù)改造。第一次技改采用的方案是從高溫再熱蒸汽管道增加三通，抽取部分蒸汽，從給水泵抽取減溫水減溫，采用調(diào)節(jié)閥減壓后供熱。第二次改造為從低溫再熱蒸汽管道抽取蒸汽減溫減壓后供熱，第三次改造是輔助蒸汽供熱改造。

4 供熱改造方案

4.1 高溫再熱蒸汽管道供熱方案

本次改造按每臺(tái)機(jī)組最大可供1.8MPa、320℃、122t/h蒸汽。在機(jī)組額定工況下，可從高溫再熱蒸汽管道抽取100t/h蒸汽。蒸汽經(jīng)過調(diào)節(jié)閥的減壓以及減溫器減溫，滿足用戶參數(shù)要求的蒸汽。額定工況下高溫再熱蒸汽參數(shù)為3.562MPa、566℃，減溫減壓后參數(shù)為1.8MPa、320℃。在機(jī)組50%THA時(shí)，減溫減壓后的蒸汽參數(shù)為1.7MPa、320℃。在對(duì)外供熱前，兩臺(tái)機(jī)組的供熱蒸汽在一臺(tái)供熱聯(lián)箱混合。在參數(shù)降低前的供熱管道材料采用即A335P91，減溫減壓后的管道材料采用20號(hào)鋼。減溫水從給水泵中間抽頭引出，管道材料采用20G。供熱流程圖如圖2所示。

圖2 高溫再熱蒸汽供熱改造系統(tǒng)流程圖

4.2 低溫再熱蒸汽管道供熱方案

額定工況時(shí)，低溫再熱蒸汽的參數(shù)為4.047MPa（a）、303.4℃，經(jīng)過減溫減壓器后蒸汽參數(shù)為：1.6MPa（a）、260℃。管路上設(shè)置有電動(dòng)隔離閥、氣動(dòng)止回閥、渦街流量計(jì)、快關(guān)調(diào)節(jié)閥組及其旁路、減溫減壓器。兩路抽汽匯合至一條管道中，經(jīng)快關(guān)調(diào)節(jié)閥減壓和減溫器減溫后接入到供熱聯(lián)箱的兩個(gè)DN350接口，接入聯(lián)箱前采用原來的電動(dòng)隔離閥。原來兩根高溫再熱抽汽供熱管道匯合成一根母管后接入供熱聯(lián)箱DN300的備用接口，原輔汽供熱管道接入高溫再熱抽汽母管。每臺(tái)機(jī)組低溫再熱蒸汽管道供熱蒸汽抽汽量按200t/h設(shè)計(jì)。

根據(jù)2014年國家能源局發(fā)布的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》，8.1.10節(jié)，抽汽供熱管道必須設(shè)置有能快速關(guān)閉的抽汽截止門，調(diào)節(jié)閥應(yīng)設(shè)置為快關(guān)調(diào)節(jié)閥，該閥的快關(guān)時(shí)間應(yīng)經(jīng)過汽機(jī)廠確認(rèn)。

從低溫再熱蒸汽管道抽汽減溫減壓后的蒸汽流量控制在不大于200t/h，此流量通過快關(guān)調(diào)節(jié)閥控制?？礻P(guān)調(diào)節(jié)閥減壓和減溫器設(shè)置各一套備用的旁路，當(dāng)正在運(yùn)行的那路減溫器或快關(guān)調(diào)節(jié)閥故障時(shí)可以切換到備用旁路，以保證對(duì)外供熱不受影響。兩套減溫器后設(shè)置一個(gè)手動(dòng)隔離閥和一個(gè)電動(dòng)隔離閥，保證減壓系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一側(cè)檢修。兩臺(tái)機(jī)組的減溫水管道通過一個(gè)手動(dòng)截止閥和電動(dòng)截止閥相連。供熱流程圖如圖3所示。

圖3 低溫再熱蒸汽供熱改造系統(tǒng)流程圖

4.3 輔助蒸汽管道供熱改造方案

從原來的輔助蒸汽母管至供熱聯(lián)箱的管道第一個(gè)電動(dòng)閥后引出一路供熱管道至廠區(qū)，然后分三路與場(chǎng)外的現(xiàn)有的兩條低壓供熱母管及擬建的低壓供熱母管相連接。供熱蒸汽來源按兩路，一路從原輔助蒸汽母管來；一路來自現(xiàn)有的供熱聯(lián)箱。需要將原來輔汽供熱管道上的逆止閥及調(diào)節(jié)閥反裝，并將逆止閥移至引出管三通的上游位置，在原調(diào)節(jié)閥設(shè)置DN300的旁路管，并設(shè)置電動(dòng)閘閥。

本次供熱管道的設(shè)計(jì)最高蒸汽參數(shù)為1.8Mpa、300℃，管道設(shè)計(jì)流量按200t/h設(shè)計(jì)。主管路上設(shè)置一個(gè)手動(dòng)閥，一個(gè)電動(dòng)閥及一個(gè)流量測(cè)量裝置，三條之路上各設(shè)置一個(gè)電動(dòng)閥。改造供熱系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 輔助蒸汽供熱改造系統(tǒng)流程圖

5 供熱效益

機(jī)組經(jīng)過高溫再熱蒸汽供熱改造后，全廠熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見表4。

表4

通過表4數(shù)據(jù)，電廠經(jīng)過供熱技改后，在全廠熱效率、能源利用率和年均標(biāo)煤耗方面有明顯的改進(jìn)。經(jīng)過三次改造后，全廠對(duì)外供熱的數(shù)量、參數(shù)和靈活性大大提高，特別是在機(jī)組需要降負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

6 結(jié)語

在有熱負(fù)荷需求的地方，對(duì)現(xiàn)有煤電機(jī)組進(jìn)行供熱改造，不但提高了電廠的經(jīng)濟(jì)性，有利于鍋爐在高效區(qū)運(yùn)行，提高能源利用效率，延長(zhǎng)機(jī)組的壽命，而且滿足工業(yè)企業(yè)集中供熱的需求，可關(guān)停企業(yè)本身設(shè)置的低效、高污染小鍋爐，提高當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境質(zhì)量。