关于我国直接空冷的科技创新与优化发展问题.pdf

第 3 期 2 0 0 7年 0 9月 热机技术 5 3 关于我 国直接 空冷 的科技创新 与优化发展 问题 山西省电力勘测设计院王佩璋 内容提要 为满足我国七大煤电基地和电力中长期发展规划的需要， 围绕已投运的亚临界火电直接空冷机组的 安全、 节能、 减排为 目的， 以优化发展为结果， 以标新立异为结论。文中提出了热风回流威胁停机解决方法， 一体化排汽 联合装置和空冷新系统。论述了全国能源发展 目标 、 重点工程 ， 电力中长期规划与电源项目以及直接空冷节能减排的 示例与进展 。 关键词 能源与动力工程发电厂火电直接空冷科技创新优化发展 0 问题 的提 出 据不完全统计 ， 我 国已投产和在建 的火 电空 冷机组装机容量近 6 0 0 0万 Kw ， 其 中， 大部分为 6 0 0 MW 亚临界直接空冷( 下称 AC C ) 机组 。这些 6 0 0 MWAC C机组在带高负荷运行 中若遇不利风 向大风将发生强热风 回流 ， 威胁 AC C汽 轮机停 机； 凝结水溶氧超标、 腐蚀设备、 凝结水过冷度不 合格 ， 浪费能源 ； 没有充分利 用冬季低环境 温度 来多发电； 更没有较好解决 AC C机组 的供 电煤 耗偏高的节能问题。这些被提到日 程上来。 1 我 国 AC C机组 的发展概况 我国火电 A C C机组是源于“ 十五” 期间后期 集中发展并连续不间断地推进其发展 。从 2 0 0 3 年 山西 大 唐 云 冈 热 电公 司 首 次 投 运 了 2 2 0 0 MWA C C供热机组 ， 2 0 0 4年 山西漳 山发电公 司、 山西华能榆社电厂率先各投运 了 2 3 0 0 MW 亚临界 AC C机组 ， 2 0 0 5年山西国电大同发电公 司首套投运了 2 6 0 0 MW 亚临界 AC C机组 。进 人“ 十一五” 的 2 0 0 6年 山西武乡 、 内蒙古上都 、 陕 西锦界三座空冷电厂均投运 了 2 6 0 0 MW 亚 临 界 AC C机组 ， 直到 2 0 0 7年 6月宁夏 、 灵武电厂投 运 1台 6 0 0 MW 亚临界 AC C机组 。至此， 我国火 电 6 0 0 MW 亚临界 AC C机组得到广泛应用。 2 我国 A C C电厂的技术风格 2 1 我国北方的地域特征 我国北方属于严重缺水又富产煤炭 、 气候寒 冷而漫长的地域 。现有 和拟建 的大型火 电 AC C 电站群的厂址大都位于北纬 3 5 4 O 地域 ， 其 气候属于 中温带半干旱大陆性季 风型 。冬季寒 冷漫长， 夏季炎热短暂且峰值不高， 其全年温差 变幅较大， 在 6 O 7 5 之间， 全年平均气温较 低 ， 约在 2 1 4 之间。全年平均风速在 1 4 4 5 m s 之间， 最大风速可达 1 7 2 0 m s ， 这是该 地域 的气候特征。 2 2 我国 AC C电厂的技术风格 A C C电厂与当地的气候密切相关。在已投 运 2 O 年 的自然通风 间接空冷机 组， 虽 积累 了冬 季防冻经验 ， 但却吃 了空冷汽轮机满发 最高 背压 偏低而导致全 年满发 时间不够 长 的亏 。于是更 加重视鼓风式机械通风 AC C空冷风机集群运行 所产生的环境噪声问题 ， 以增 加全年满 发时 间。 从而形成“ 环保型( 低噪声) 、 防冻、 经常满发、 节 水( 全厂性节水率达 7 5 8 O ) 节地( 少 占地约 6 O 7 O ) 变频调速式的鼓 风式 机械通 风风机 集群运行 的 AC C电厂的技术风格” 。 维普资讯 5 4 热机技术 第 3期 2 0 0 7 年 o 9月 3 我 国 A C C系统 的科技创新 3 1 受环境风影响威胁空冷汽轮机停机有方法 预 防 3 1 1 利用风力发电的风轮 削弱风力、 抑制 强 热风回流避免停机lL 1 有专家建议利用 风能削弱热 回流威胁 汽轮 机停机方法 ， 现有政策支持 ( 火 电与新能源将捆 绑审批) 、 风力发电专家认可 ， 是可行 方法 。根据 风力机风轮的贝茨理论说 明经过风轮的前 、 后 之 1 间的风速关系为 V 后 一V 前 ， 即有 2 3 风速被用 U 来风力发电、 也就是把 V前风速被削弱 2 3 ( 当不 考虑摩擦 和涡 流时) 。现取 削弱 了 1 2考虑 ， 可 把 V 前为 7 m s 风速经发 电后为 3 5 m s ， 解决和 风( 5 5 7 9 m s ) 影响 ； 可把 V前为 1 3 m s风速 经发电后为 6 5 m s ， 解决强风( 1 0 8 1 3 8 m s ) 的影响。据预测 ， 2 0 0 7年我 国气 象年景 总体偏 差 ， 高温干旱 、 暴雨大风等极端气候事件将 比常 年偏多。这样 ， 与气候关 系密切 的 A C C机 组就 成为安全稳定运行 和健康持续发展所不能 忽视 的重大问题 。因此 ， 应引起重视利用风力发 电预 防停机的建议。 3 2 内置式 除氧装置、 凝结水箱一体化 的排汽 联合装置 2 2 0 0 5年哈汽厂辅机工程公 司与国际知名 除 氧专业技术公 司一荷 兰 S TO RK公司联合开发 了具有内置除氧装置、 凝结水箱一体化的排汽联 合装置， 已在很多空冷 电厂得到应用 ， 既保 证排 出的凝结水溶氧达标值 3 0 g I ( 小于 4 0 P P b ) ， 又 保证过冷度控制在 1 以内的良好效果 。 3 3 环境低温型复合循环的空冷系统 3 该文系在“ 蒸汽动力循环耦合正逆制冷循环 的电站空冷系统” ( 国家重点基础研究发展规划、 基金项目 2 0 0 7 C B 2 0 6 9 0 4 ) ) 的原作基础上， 仍是 同一位第一作者 的另一篇改进原作 的新作 。文 中所谓低温型是指厂址气象条件冬季( t a I O C) 历时较长( 全年约有 4 0 0 O h ) 的环境低温型地区空 冷汽轮机的排汽潜热 ， 得 以充分 利用 。所谓 复合 循环是指电站的蒸汽动力循环 并联正 、 逆制 冷循 环的串接耦合的新型带相变表凝式间接空冷技 术方案 。 该文充分有效地利用空冷汽轮机排汽潜热， 一 是 内利用 ： 以氨作 为冷却剂 ， 因氨具备 特殊性 能 4 ： 属于低沸点介质 ； 汽化潜热高； 冰点 低 、 在低环境 温度下不冻结 ； 运行 温度 下的饱 和压力低 ； 成本低廉 ； 来源充分 ； 空冷散热 器所需散热 面积小、 塔尺寸也小 ； 氨呈 现汽态 输送时不用泵 ， 可节省动力消耗 ； 空冷 系统没 有防冻问题 ； 空冷系统造价低 ( 约为 自然 通风 表凝式问冷系统 的造价 的 4 O ) ， 可使 空冷汽轮 机背压降到 0 6 6 k P a ， 以增大机组的有效功率和 大幅度降低发电煤耗， 并构成低温型内利用。二 是外利用： 以氨作为制冷剂， 从排汽潜热吸收热 量 ， 增加内能， 然后进入 由电动机驱动 的压缩 机 或原动机将其部分内能转化为机械能， 其余部分 排往环境构成外利用 。这样 ， 内利用与外利用就 形成复合循环 。 新型带相变 的表凝式 问接空冷系统 一蒸汽 动力循环耦合正 、 逆制冷循环 ， 两循环 的流程是 一 致的， 但正、 逆制冷循环路 径不同。当逆制冷 循环时 ， 按 图 1中的虚线行进 ； 当正制冷循环时， 按图 l中的实线行进。在这两种行进过程 中， 最 终都要到达新型带相变的表凝式间接空冷系统 的空冷凝汽器 1 2而将氨气 冷凝 成液氨 ， 用泵打 至双相变换热器 4 ， 再重复进行。 这种低温型复合循环空冷系统的效益是多方 面的既能保持空冷机组夏季炎热期满发 、 冬季无需 防冻特点 ， 又能使其发电煤耗率还低于常规 湿冷 机组指标的多发、 降耗的节能效果 ( 发电煤耗率 降低了约 8 3 9 6 ， 大致 2 4 g k w h ) ； 又可使每年减 排粉尘 1 4 8 5 0 t 、 C 0 2 约 6 0 9 0 0 t 、 S O 2 约 6 0 9 t 及每 天向环境少排放热量相当于厂区降温 5 3 6 的 环保减排效果 。 维普资讯 第 3期 2 0 0 7 年 O 9月 热机技术 5 5 图 1 蒸汽动力循环耦合正、 逆制冷循环的空冷系统原理性热力系统图( 严寒地区) 1 一锅 炉； 2 一过热器 ； 3 一汽轮机 ； 4 -双相 变换热 器； 5 一凝结水泵； 6 一低压加热 器； 7 一除氧器； 8 一给水泵； 9 一高压加热器； 1 0 、 2 1 一发电机； 1 1 一压缩机； 1 2 一空冷凝汽器； 1 3 一空冷风机 ； 1 4 一储液 箱； 1 5 一升压泵 ； 1 6 、 1 8 一节流阀； 1 9 一烟 气一氨 气加热 器； 2 O 一原动机 ； 2 2 一低 温回热加热器 ； 2 3 2 7 一阀门； 1 7 一电动机 4 直接空冷机组的优化发展 4 1 全国能源发展 目标 优化发展是指节约发展 、 清洁发展、 安 全发 展、 可持续 的发展和文 明发展 ( 即坚定不移 地走 生产发 展、 生 活富裕 、 生态 良好 的文 明发 展 道 路) 。 近 日， 国家发改委发布 了 能源发展“ 十一五” 规划 到 2 0 1 0年我国一次能源消费总量控制 目标 为 2 7 亿吨标煤 ， 年均增长为 4 。在节能环保方 面， 到 2 0 1 0年， 万元 G D P能耗 由 2 0 0 5年 的 1 2 2 吨标煤下降到 0 9 8吨标煤。“ 十一五” 期间年均节 能率 4 4 ， 相应减少排放 S O2 8 4 0万吨、 C 0 2 3 6 亿吨。对于能源行业 ， 到 2 0 1 0年全 国火电供 电标 煤耗达到3 5 5 g k w h ， 厂用电率达到 4 5 ， 线损率 达到 7 ， 电厂 S 0 2 排放总量减少 1 0 以上。 4 ， 2 全国能源重点工程 “ 十一五” 时期 ， 我 国能源发展将重点瞄准 五 大能源工程。与本文相关 的是 能源基地建设 工 程 ， 它仅有一项 ， 即优化建设 煤 电基 地优 化 建设山西、 陕西、 内蒙古、 贵州、 云南东部等煤炭 富集地区煤电基地 ， 实施“ 西电东送” 。 4 3 电力中长期发展规划与电源项目 2 0 0 6年 底全 国发 电装 机 总 量 达 6 2 2 0 0万 k W， 其 中火 电容量为 4 8 4 0 5万 k W 约 占总量 的 7 7 8 2 。火电空冷机组装 机容量 约为 2 0 0 0万 k W， 占火电的 4 1 。到 2 0 1 0年全 国发 电容量 达 8 4 0 0 0万 k w ， 其 中火 电容量约 5 9 3 0 0万 k w， 火电空冷机组容量预计将达 6 0 0 0万 k W 占火电 的 1 0 。 近日， 国家电网公司邀请国务院发展研究中 心等 1 3 家 国内相关领域 的权 威机构共 同参 与， 开展了能源基地及 电力 中长期发展规划 深化研 究工作。本次研究的重点是山西、 陕西、 宁夏、 蒙 西 、 锡盟 、 呼盟、 哈密七个煤 电基地 ， 并对 这七个 基地的水资源供给能力、 电力布局与环境资源合 理配置关 系、 输煤输 电经济性 比较等 进行 了深 入 、 系统 、 全面的研究， 为 日后 电力发展提供 了重 要参考。通过研究认为： 煤炭资源的高效利用、 水资源的节约使用是科学发展的必然要求。通 过发展节水型空冷机组 ， 可以大幅度降低取水指 标 ， 其装机取水量仅为常规湿 冷机组的 1 6 1 1 0 。在采取取水工程建设水权转让 ， 加大城市 中 水和矿坑排水利用等措施后， 七大煤炭产区水资 维普资讯 5 6 热机技术 第 3期 2 0 0 7年 O 9月 源能够支撑 当地工农 业、 生活 、 生态用水 和大规 模煤电基地建设 。采用空冷技术后 ， 到 2 0 2 0年 ， 七大煤炭区电力用水平均只占总供水量的 7 左 右， 可支撑火电空冷装机 5 6亿 k w。 在七个 煤炭 产 区中， 共有 3 7家 发 电公 司 、 1 6 4个电源储备项 目， 总规模达到 3 5亿 k w， 其 中达到可研深度 的电源规模为 1 1亿 k w。到 2 0 1 0 、 2 0 1 5 、 2 0 2 0年， 储备规模分别为 0 9 、 2 2 、 3 5亿 k w； 规划 容量 分别 为 0 7 、 1 5 、 2 6亿 k W； 规划外送规模分别为 0 4 、 1 _ 0 、 1 6 亿 k w。 4 4 节能减排 2 0 0 7年 4月 国务院发出节能减排动员令 ， 要 求全社会确 保“ 十一 五” 节能减 排 目标 的实 现。 国家 电监会主席提 出电力行业要带头做好 节能 减排工作 ， 确保任务的完成和 目标 的实现 。 4 4 1 以空冷、 热电联产大机组替代小组的实 践I 5 山西大唐 云岗热 电公 司于 2 0 0 3年 1 1月与 1 2月在国内， 首台成功投运了 2 2 0 0 MW 直接 空冷 、 热电联产机组替代 了小机组( 共 8机 8炉、 总容量 1 4 2 MW， 单机最大为 2 5 Mw) 取得了“ 上 大压小” 的增容 、 热 电联产而每年节 能 4 7 6万吨 了分散取暖小锅炉对环境的污染。 4 4 2 发展煤电一体化的直接空冷电厂 6 _ 煤 电一体化的直接空冷 电厂是 深化 循环经 济试点， 因其邻矿的煤 电联营形成 的产 品链 、 煤 炭废弃物 电力建材 的产业链 ， 初具循环 经济模式。通过太原古交兴能发电公司( 属西山 煤 电集团的子公 司) 于 2 0 0 5年 2 3 0 0 MW 直接 空冷燃煤 机组 的投产示例 ， 进一 步说 明这个 问 题 。该 电厂的燃煤用 8 0 0 m长全封闭的输煤皮带 把矿 口的洗中煤、 泥煤 、 煤矸石 、 劣质煤直送 电厂 煤仓间， 因而使 电厂取消了露天贮煤场 ， 也没有 扬尘污染。该厂主机的冷却系统采用空气 直接 冷却 ， 系无水工艺， 辅机冷却水全部采用古 交矿 区处理后的城市 中水和矿井 排水。该厂 的灰渣 作为建材厂的原料 ， 可加工成新 型建材。这就是 西 山煤业 电力建材 的循环经济产业链 。 西 山煤 电集团这种 实践， 被 国家 发改 委命名 为 “ 西山模式” 。 4 4 3 大型超临界 6 0 0 MW 与超超临界 I O 0 0 MW 空冷机组的应用进展 ( 1 ) 超临界与超超临界空冷机组发电煤耗情况 不同容量等级， 不同主蒸汽参数的空冷机组 标煤， 增供大同市集中供热面积 8 0 0 万 m 2 。代替 的发电煤耗列表 1 如下： 表 1 各种火电空冷机组煤耗指标 6 0 0 M w 6 0 0 M w 6 0 0 M w l o o o M w 序号 容量等级与主 汽参数 亚临界 超临 界 超超临界 超超临界 1 设计工况发电标煤耗 ( g k w h ) 3 0 0 9 2 9 0 7 2 8 3 4 2 8 1 3 2 全厂热效率 ( ) 4 O 8 8 4 2 3 O 4 3 4 0 4 3 7 0 。 3 加权平均发电标煤耗( g k w h ) 3 1 2 2 3 O 1 6 2 9 3 9 2 9 2 7 4 全厂热效 率 ( ) 3 9 4 0 4 0 8 0 4 1 8 0 4 2 O O 5 单位煤耗差( g k w h ) 基准 一1 O 6 1 8 3 1 9 5 6 每 1 0 0万 k W 年耗 煤量差 ( 万 t ) 基 准 一5 8 3 1 0 0 7 1 O 7 3 注 ： 锅炉效率按 9 3 4 5 ， 管道效率按 9 8 计算， 年利用小时 5 5 0 0 h *华能玉环电厂 1 号机为 1 0 0 万 k W 超超临界机组， 运行半年后 ， 经现场测试机组热效率为 4 5 4 ， 发电标煤耗为 2 7 0 6 g ( k W h ) ， 达到国际先进水平。 由表 1看 出， 超临界 比亚 临界空冷机 组每 亚临界空冷机组为 1 0 0 7 1 0 7 3万 t 。 1 0 0 万 k W 的年节煤量为 5 8 3 万 t ， 超超临界比 ( 2 ) 火电空冷机组环保指标 维普资讯 第 3 期 2 0 0 7年 0 9月 热机技术 5 7 表 2 火 电空冷机组环保指标 单位 g ( k W h ) 单位( ) 序号 名 称 S Oz N 粉尘 ( 灰渣利用率 废水排放率 1 2 0 0 5 年全 国火电平 均水平 6 4 9 3 1 8 1 7 6 2 国电集团公司到 2 0 1 0年水 平 3 O O 1 2 7 0 O 3 华能集团公司到 2 0 1 0 年水平 2 0 0 2 1 O 0 5 0 1 34 0 1 14 单机 1 0 0万 k W US C火 电机 1 O 9 4 ( 脱硫 ( 除尘 组 ( 低氮燃烧) 1 】 一9 5 ) 7 -= 9 9 7 ) 5 世界平均水平 5 4 0 2 2 O 6 世界先进水平 O 2 4 0 2 9 9 9 9 0 8 6 ( 3 ) 6 0 0 MW 级超临界空冷机组进展 日前， 国电电力大同发 电公司 2 6 6 0 MW 超 临界直接空冷机组扩建项 目获得 国家发 改委核 准批复 。该项 目建成后本 公司总装机容 量将达 到 3 7 2 GW， 其中具有显著节水 、 环保效果 的直冷 ( A C C ) 与间冷 ( I S C) 机组容量 为 2 9 2 G W ， 占总 容量的 7 8 5 。 据悉， 河北华能上安电厂三期扩建项目与陕 西蒲城电厂三期扩建项 目均为 2 6 0 0 MW 超临 界空冷机组 。华能上安电厂将于 2 0 0 8年 6月 8 日投产。 ( 4 ) 1 0 0 0 MW 超超临界空冷机组进展 该空冷机组是在成熟的 1 0 0 0 MW 超超临界湿 冷汽轮机组的高中压模块和 6 0 0 MW 空冷机组低 压模块的基础上开发研制的。上汽厂 1 0 0 0 MW 空 冷机组系采用西 门子单轴“ HMN” 机型 ( 见 图 2 ) ， 技术先进 ( 热耗低、 全机轴 向总跨度短， 末叶有业 图 2 “ HMN 模 块组成的超超临界 1 0 0 0 MW 机组 绩) 四缸四排汽结构， 低压缸的末级叶片排汽端面 积有 4 5 m 2 、 4 6 3 m 2 、 4 7 5 7 m 2 、 ( 末 叶 H一 9 1 0 r n m ) 种。东汽厂 1 0 0 0 M W 空冷机组系采用 邹县湿冷高中压缸模块和 6 0 0 MW 空冷低压缸， 末 叶高度为8 6 3 m m( 适合额定背压 1 2 k P a ) 和 7 6 2 mm ( 适合额定背压 1 5 k P a ) 。哈汽厂 1 0 0 0 MW空冷机 组 系 采 用 泰 州 1 0 0 0 MW 湿 冷 高 中压 模 块 和 6 0 0 MW 空冷低压缸组成 ， 其末叶高度为 7 8 0 m m、 9 4 0 mm两种。 据悉 ， 宁夏灵武电厂 2 1 0 0 0 MW 空冷机组 可研已通过审查 ， 工程投资约 7 2亿元 ( 单位造价 3 6 0 0 元 k W， 计划于 2 0 1 1 年全部建成投产。 _ 9 华电集团公司已将山西沁源 2 1 0 0 0 MW 空 冷机组 的煤 电一体化初可研报送至山西省发改 委 。 5 结语 ( 1 ) A C C技术创新方面： 提供了利用风力 发电风轮削弱风力、 抑制强热 回流 ， 避免停机 ； 研制应用 了内置式除氧装 置凝结水箱一体化 的 排汽联合装置， 使凝结水 中溶氧达标过冷度合 格； 提出了， 低温型复合循环带相变的新型空 冷系统 。 ( 2 ) 我 国火 电 A C C机组 的优化 发展 令人鼓 舞。按照七大煤电基地和电力中长期发展规划， 到 2 0 1 0年、 2 0 1 5年 、 2 0 2 0年规划 容量分别为 0 7 、 1 5 、 2 6亿 k w( 空冷机且 占绝大部分) 。分析这 些规划基本是围绕着节能减排战略任务进行的。 文中指出以空冷 热电联产大机组替代小机组 ， 发 维普资讯 5 8 热机技术 第 3期 2 0 0 7 年 O 9 月 展煤 电一体 化初 具循 环 经 济模式 的煤 炭废 弃 物直接空冷电厂建材厂 的产业链 发展 国产化 6 0 0 MW 级超 临界和单机 1 0 0 0 MW 超超 临界空冷机组和其空冷系统将在为期不远 ， 预定 落户地点兴建起来 。 参 考文献 1 王佩璋 消除强热风回流威胁汽 轮机停 机的解决方法 c 第 二届全 国火电空冷机组技术交流 论文集 P 7 4 7 9 中国电力 企业联合会科技服务 中心 2 0 O 6 一l 2 包头 2 林秋宇等 5人 关于排 汽联合装置一体 化问题的研究 C 第 四届空冷专委会论文集 P l 2 9 1 3 5 2 0 0 7 4杭州 3 3 杨善让等 4 人 低温型复合循环空冷系统降耗减排的热力学 分析 第二届全国火电空冷机组技 术交流论 文集 P 7 l 5 中 国电力企业联合会科技服务中心 2 0 0 6 1 2包头 4 王佩璋 用氨作冷却剂带 相变空冷系统 M 现代大