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O 引言 到目前為止，我國(guó)老火電廠'>火電廠改造有三種方法：蒸汽輪機(jī)'>汽輪機(jī)全三維設(shè)計(jì)改造、原有鍋爐替換為循環(huán) 流化床鍋爐、蒸汽輪機(jī)'>汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組改為熱電并供電廠。但是，這些方法并不能同時(shí)滿足大幅度降低能 耗和解決燃煤的環(huán)境題目。為達(dá)到同時(shí)滿足這兩個(gè)條件，必須在以上設(shè)備改造基礎(chǔ)上，對(duì)原有蒸汽 輪機(jī)發(fā)電廠進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)'>聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造。 聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)'>聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造技術(shù)從熱力學(xué)角度而言，是將具有高溫加熱上風(fēng)的燃?xì)廨啓C(jī)（Brayton 循環(huán)）動(dòng)力裝置和較低排汽溫度的汽輪機(jī)（Rankine 循環(huán)）動(dòng)力裝置有機(jī)結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，按能的品位高低進(jìn)行梯級(jí)利用。達(dá)到擴(kuò)容降耗的目的。因此，不僅可以大幅度進(jìn)步發(fā)電效率，而且可以同時(shí)解決環(huán)境污染題目。 采用聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造傳統(tǒng)燃煤火電站在國(guó)外近幾十年來(lái)得到很大發(fā)展，并積累了成熟經(jīng)驗(yàn)。其改造方案主要有以下四種：給水加熱型（FWH- Repowering），排氣助燃型（FF-Repowering）， 余熱鍋爐型（HRSG-Repowering）和平行混合型（PP- Repowering）。特別是80 年代后，美國(guó)、日本、荷蘭、德國(guó)、意大利等國(guó)發(fā)展勢(shì)頭更是方興未艾，尤其是HRSG-Repowering 應(yīng)用得最多，主要進(jìn)行改造的機(jī)組等級(jí)為100 MW、200 MW、300 MW。但是，我國(guó)國(guó)情與國(guó)外不同：國(guó)外火電機(jī)組用自然氣和液體燃料的電站比較多，自然氣和燃油供給比較充足，而我國(guó)自然氣和燃油比較缺乏，煤炭比較豐富；國(guó)外的燃煤機(jī)組有脫硫脫硝裝置，而我國(guó)的中小型燃煤機(jī)組沒(méi)有脫硫脫硝設(shè)備；國(guó)外發(fā) 達(dá)國(guó)家財(cái)力雄厚，可投進(jìn)大量資金進(jìn)行余熱鍋爐型的更新改造，而我國(guó)事發(fā)展中國(guó)家，資金缺乏。 因此，對(duì)我國(guó)現(xiàn)有火電站進(jìn)行升級(jí)改造時(shí), 結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況,盡可能降低改造用度。如原本應(yīng)淘 汰的5 萬(wàn)千瓦汽輪機(jī)組采用給水加熱型聯(lián)合循環(huán)更新改造技術(shù)后，使全廠發(fā)電效率可從32.5%進(jìn)步 到38.1%, 達(dá)到30 萬(wàn)千瓦大機(jī)組的水平[1-2]。 根據(jù)中國(guó)具體情況，本文主要討論給水加熱型和排氣助燃型兩種聯(lián)合循環(huán)，并從熱力學(xué)角度對(duì)它們進(jìn)行熱力特性分析與比較。改造后聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)總輸出功率以蒸汽輪機(jī)為主，鍋爐燃料仍然是 煤，而新增加的燃?xì)廨啓C(jī)則燃用油或者自然氣，即以煤炭為主的雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)。同時(shí)這種雙燃料 動(dòng)力系統(tǒng)也適合我國(guó)環(huán)境污染嚴(yán)重的西部地區(qū)（雙燃料基地的能源結(jié)構(gòu)）。 1 改造常規(guī)電站聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng) 1.1 給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng) 給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)是用燃?xì)廨?機(jī)的排氣加熱鍋爐給水，以減少汽輪機(jī)用于 給水加熱的抽汽，從而增大蒸汽輪機(jī)輸出功 率，進(jìn)步系統(tǒng)能源利用效率。圖1 所示為給 水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用原除氧 器，給水加熱器包括有低壓加熱器和高壓加 熱器，與原蒸汽循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)并聯(lián)。其特點(diǎn) 是系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，鍋爐燃燒系 統(tǒng)不必改造。 1.2 排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng) 圖2 所示為排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。排 氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)是將燃?xì)廨啓C(jī)排氣做 為鍋爐燃燒用空氣加以利用，排氣中剩余氧氣 （14%～16%）供鍋爐燃料燃燒用，這時(shí)燃?xì)廨?機(jī)取代了鍋爐鼓風(fēng)機(jī)和空氣預(yù)熱器。燃?xì)廨啓C(jī) 排氣顯熱的有效充分利用可以大幅度降低鍋 爐耗煤量，同時(shí)可外置省煤器以便保證鍋爐排 煙溫度不致過(guò)高。但是，鍋爐必須進(jìn)行改型設(shè) 計(jì)。燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)可以分兩個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行。   1.3 FWHCC 與FFCC 熱力學(xué)分析及討論 為了從理論上進(jìn)一步指導(dǎo)實(shí)際改 造工程，我們從熱力學(xué)角度對(duì)兩種改 造系統(tǒng)進(jìn)行熱力特性分析和比較。圖3 為兩種聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的效率隨蒸汽/ 燃?xì)夤β时萊 和燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)效 率ηgt 的變化關(guān)系。從圖中可以得出以下三點(diǎn)規(guī)律：第一，無(wú)論是給水加熱 型還是排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，燃 氣輪機(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)效率ηgt 的變化比蒸汽/燃?xì)夤β时萊 的變化相對(duì)敏感。因此, 采用較高的簡(jiǎn)單循環(huán)效率ηgt 的燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)進(jìn)步聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率ηcc 最為有效。此規(guī)律可以指導(dǎo)在設(shè)計(jì)實(shí)際聯(lián)合循環(huán)電站系統(tǒng)時(shí)，除了考慮其它約束的條件外，應(yīng)盡量選用簡(jiǎn) 單循環(huán)效率ηgt 高的燃?xì)廨啓C(jī)。第二，對(duì)于相同的簡(jiǎn)單循環(huán)效率ηgt，給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的效率ηcc 隨蒸汽/燃?xì)夤β时萊 變化并非單調(diào)，存在一個(gè)極值點(diǎn)，而排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的效率ηcc 則隨著蒸汽/燃?xì)夤β时萊 的增加而單調(diào)減少。第三，對(duì)于采用相同簡(jiǎn)單循環(huán)效率ηgt 的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，存在一個(gè)蒸汽/燃?xì)夤β时萊 的區(qū)間.R。在區(qū)間.R 之內(nèi)，給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率增大值大于 排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率增大值；在區(qū)間.R 之內(nèi)以外，則反之[3]。 從上述的第三個(gè)規(guī)律可以看出：當(dāng)采用相同的燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)效率ηgt 時(shí)，排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率要比給水加熱型高的說(shuō)法是有局限性的。圖3 中的規(guī)律一方面可以為選取哪種聯(lián)合循環(huán) 提供熱力性能依據(jù);另一方面又可以做為燃?xì)廨啓C(jī)選型依據(jù)。利用聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新技術(shù)改造常規(guī) 蒸汽輪機(jī)電站時(shí)，對(duì)于排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)，要盡量采用高效、大燃?xì)?蒸汽功率比的燃?xì)廨啓C(jī)； 對(duì)于給水加熱型聯(lián)合循環(huán)，在選取高效燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)，功率的選擇要選取接近最佳蒸汽/燃?xì)夤β时取? 在選定燃?xì)廨啓C(jī)之后，在一定功比范圍之間，用給水加熱型聯(lián)合循環(huán)改造系統(tǒng)效率進(jìn)步幅度并不比排氣助燃型差，甚至高于排氣助燃型。該情況下，選用給水加熱型聯(lián)合循環(huán)改造常規(guī)蒸汽輪機(jī)發(fā)電 系統(tǒng)，既可以較高改善聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率，同時(shí)又可以避免排氣助燃型系統(tǒng)改造的技術(shù)難點(diǎn)。 |  2 聯(lián)合循環(huán)更新改造技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析 本文在以上理論指導(dǎo)下研究了200 MW 級(jí)給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)改造示范電站的熱力系統(tǒng)， 以便把握CC-Repowering 技術(shù)的自主開發(fā)能力，用潔凈煤技術(shù)推動(dòng)我國(guó)大量中小型汽輪機(jī)電站的升 級(jí)改造。本示范電站是由4 臺(tái)5 萬(wàn)千瓦機(jī)組改造為“2×25 MW 燃機(jī)+ 4×50 MW 汽機(jī)+ 給水加熱系 統(tǒng)+ 2×410 t/h 煤粉爐”的給水加熱型聯(lián)合循環(huán)。 2.1 聯(lián)合循環(huán)更新改造關(guān)鍵技術(shù) CC-Repowering 技術(shù)改造首先應(yīng)結(jié)合中國(guó)的實(shí)際情況，在盡量充分利用燃機(jī)排氣以求得最高效 率；以及盡量減少現(xiàn)有水-蒸汽系統(tǒng)的變動(dòng)以謀求最小投資的條件下，首要解決的關(guān)鍵技術(shù)是系統(tǒng)2 3 4 5 6 7 8R 集成和電站成套設(shè)計(jì)。其研究?jī)?nèi)容包括：系統(tǒng)總體技術(shù)方案與概念性設(shè)計(jì)；關(guān)鍵技術(shù)集成與綜合優(yōu)化；系統(tǒng)模擬與特性分析等。聯(lián)合循環(huán)改造后系統(tǒng)功率總輸出以蒸汽輪機(jī)為主，鍋爐燃料仍然是煤，新增加的燃?xì)廨啓C(jī)選用 GE 公司PG5361 型，燃用自然氣，簡(jiǎn)單循環(huán)效率為27.67%，在三維技術(shù)對(duì)常規(guī)蒸汽輪機(jī)電站的汽輪 機(jī)通流部分進(jìn)行改造基礎(chǔ)上,改造方案采用FFCC 和FWHCC 兩個(gè)系統(tǒng)。 2.2 給水加熱型和排氣助燃型的系統(tǒng)熱力性能比較 由表1 可知：對(duì)于給水加熱型聯(lián)合循環(huán)，其發(fā)電效率由原電站的30.0%進(jìn)步到37.31%，盡對(duì)值 進(jìn)步7.31%，從而說(shuō)明給水加熱型聯(lián)合循環(huán)通過(guò)減少汽輪機(jī)用于給水加熱的抽汽，增大蒸汽輪機(jī)輸 出功率；對(duì)于排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)，其發(fā)電效率由原電站的30.0%進(jìn)步到36.93%，盡對(duì)值進(jìn)步6.93%， 可見(jiàn)排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)充分利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣顯熱，做為鍋爐燃燒用空氣，大幅度降低鍋爐燃煤 消耗量，進(jìn)步系統(tǒng)熱效率。這兩個(gè)方案都可使系統(tǒng)供電煤耗大幅度下降。該供電煤耗已接近亞臨界 300 MW 機(jī)組的水平。由于煤耗下降，改造后SOx 總排放量減少約30%，NOx 總排放量減少約20%， 向環(huán)境排熱量減少25%～30%。  2.3 給水加熱型和排氣助燃型的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比較 從上述兩個(gè)系統(tǒng)的熱力性能比較中，我們看到，通過(guò)兩種方案改造都可以使系統(tǒng)熱效率進(jìn)步5% 以上。但是，進(jìn)步系統(tǒng)效率不是CC-Repowering 可行性的唯一因素，終極決策取決于全面的技術(shù)經(jīng) 濟(jì)性。從表2 中，我們可以看出：對(duì)于排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)改造方案，電站改造后增加發(fā)電功率31 836 kW；而對(duì)于給水加熱型聯(lián)合循環(huán)，由于汽輪機(jī)不再抽汽，改造后增加發(fā)電功率達(dá)33 869kW， 因此,其年凈收益可達(dá)2 487 萬(wàn)元，比排氣助燃型的凈增收益2 097 萬(wàn)元增加了15%，其靜態(tài)投資回 收期也短些。而上述兩種聯(lián)合循環(huán)改造后的系統(tǒng)的新增出力單位發(fā)電能力造價(jià)在2 200～2600元/ 千瓦左右，遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)建設(shè)同等規(guī)模常規(guī)蒸汽輪機(jī)電站的單位發(fā)電能力的初投資（約5 000人民幣 /千瓦），也遠(yuǎn)低于建設(shè)全新余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)電站的單位發(fā)電能力初投資（約500 美元/千瓦）。 因此，在一定功比范圍內(nèi)，采用給水加熱型聯(lián)合循環(huán)改造技術(shù)不僅進(jìn)步系統(tǒng)效率，而且更為重 要的是改造投資小，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于排氣助燃型。故本示范電站采用給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)改造 電廠。 3 聯(lián)合循環(huán)更新改造技術(shù)展看 盡管當(dāng)今世界可再生能源大幅增長(zhǎng)，但地球上最豐富的化石燃料-煤在滿足日益增長(zhǎng)的電力需 求方面仍然會(huì)起巨大作用。據(jù)猜測(cè)，由于人口增長(zhǎng)和貧困人口生活水平的進(jìn)步，到2050 年全球?qū)?電力的需求將增加三倍。為此，美國(guó)電力研究所（EPRI）公布一個(gè)全球煤計(jì)劃，以加速研究如何清 潔、靈活利用全球的煤〔４〕。我們知道，中國(guó)事一個(gè)能源消耗大國(guó)，同時(shí)又是一個(gè)能源資源相對(duì) 不足的國(guó)家，中國(guó)還是一個(gè)以煤為主要能源需求的發(fā)展中大國(guó)。因此，在煤炭資源的高效清潔利用 技術(shù)方面無(wú)疑具有很大的市場(chǎng)上風(fēng)和開發(fā)機(jī)遇。 在面臨世界電力緊迫需求的形勢(shì)下，中國(guó)不僅要從長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)出發(fā)，致力于研究開發(fā)先進(jìn)的潔凈煤發(fā)電技術(shù)，如增壓流化床燃燒，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)；還要針對(duì)短期需要解決近期中小燃煤電廠 題目。所以，結(jié)合中國(guó)實(shí)際情況，聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造技術(shù)就顯示出它獨(dú)特吸引力。 本文討論的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造雖不是世界上最高效率，但它卻是最適合中國(guó)國(guó)情的潔凈煤技術(shù)，可靠易行，沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)。它是一個(gè)高效、低污的能源動(dòng)力系統(tǒng)，大幅度進(jìn)步熱效率（5-7 個(gè)百 6 分點(diǎn)）、耗水率降低，且NOx、SOx 等有害物排放量大幅度減少。從經(jīng)濟(jì)角度而言，升級(jí)改造現(xiàn)有火 電站在中國(guó)有著幾百億元的潛伏市場(chǎng)，改造投資較小，運(yùn)行可靠性與可用性較高，燃?xì)廨啓C(jī)維修成 本較低。聯(lián)合循環(huán)更新改造技術(shù)經(jīng)濟(jì)上吸引人之處還在于新組成的高效率系統(tǒng)中大部分設(shè)備是原有 的。因此，聯(lián)合循環(huán)更新改造系統(tǒng)可大大延長(zhǎng)中小型機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)壽命、避免過(guò)早淘汰，這在很 大程度上緩解電力部分對(duì)建設(shè)新電站帶來(lái)的巨額投資的壓力，具有極大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。 另外，它對(duì)應(yīng)付各種風(fēng)險(xiǎn)、適應(yīng)燃料消費(fèi)構(gòu)成變化及降低發(fā)電本錢等也是有利的。由此可見(jiàn)，采用聯(lián)合循環(huán)更新改造技術(shù)對(duì)中小火電廠'>火電廠進(jìn)行升級(jí)改造，并進(jìn)一步推廣到十萬(wàn)、二十萬(wàn)千萬(wàn)等級(jí)發(fā)電機(jī) 組的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造是中國(guó)目前解決能源與環(huán)境兩大題目的一項(xiàng)現(xiàn)實(shí)的潔凈煤技術(shù)，有著十 分重要意義。 致謝: 本文受國(guó)家自然基金(No.59925615) 和國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目支持(G1999022302)。 參考文獻(xiàn)： [1]北京全三維動(dòng)力工程公司,中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，四川江油電廠2X50 MW汽輪機(jī)組聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造可行性研究報(bào)告，2000 [2]金紅光等. 國(guó)家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目建議書，2000。 [3]劉澤龍.金紅光.蔡睿賢.蔣洪德. [改造常規(guī)汽輪機(jī)電站聯(lián)合循環(huán)熱力學(xué)分析] 工程熱物理學(xué)報(bào), 2001,22(1,3):1-4 [4] 何奕玲. [美國(guó)電力研究所的全球煤計(jì)劃]. 能量轉(zhuǎn)化利用研究動(dòng)態(tài), 總85 期, 1,2001。 作者簡(jiǎn)介： 金紅光，研究員 洪慧，博士生 劉澤龍，助理研究員 蔣洪德，中國(guó)科學(xué)院院士 蔡睿賢，中國(guó)科學(xué)院院士 該文章拷貝自中國(guó)節(jié)能減排網(wǎng)，原文地址：http://www./html/2/LW/200809/16-2663.html |
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