超超临界机组设计技术集成化发展探讨

龙辉，严舒，王盾

（1.中国电力工程顾问集团公司，北京市，100120；

2.中国电力工程顾问集团公司东北电力设计院，长春市，130033）

超超临界机组设计技术集成化发展探讨

龙辉1，严舒2，王盾1

（1.中国电力工程顾问集团公司，北京市，100120；

2.中国电力工程顾问集团公司东北电力设计院，长春市，130033）

0 引言

近年来，随着一批600℃超超临界机组的投运，我国的超超临界机组整体设计、制造能力和运行水平均得到较大提高[1-10]。电力设计部门配合火电集团公司圆满完成了超超临界机组工程设计，并在这一过程中不断改进设计，不断进行系统优化，使新建超超临界机组技术水平和主要技术指标均有一定的提高，形成了与超超临界机组相对应的一些成熟的设计技术。将这些设计技术进行总结并针对不同条件火电机组进行集成化技术研究，同时与发达国家的先进设计水平进行对比寻找差距，并提出未来设计技术集成化发展的主要研究方向对超超临界机组设计技术发展至关重要。

1 我国燃煤火电机组发展现状

1.1 装机容量

近几年我国电力的装机总量和火电机组装机容量如图1所示。截止到2009年底，我国电力的总装机容量已达8.74亿kW，其中火电装机容量已超过6.52亿kW，占总装机容量的74.6％。

1.2 煤耗

近几年我国火电机组的平均供电煤耗如图2所示。由图2可知，2009年我国运行火电机组的平均供电标准煤耗率为340 g/（kW·h）。

1.3 厂用电率

近几年来，随着火电机组环保治理措施的逐渐完善，厂用电设备有所增加，但由于电网中新增机组单机容量逐步加大，原有小机组逐步关停，因此火电机组平均厂用电率有所下降，如图3所示。

2 国内火电机组与国外先进机组的主要差距

2.1 机组平均供电煤耗率比较

尽管我国燃煤机组的平均供电煤耗率在不断降低，但平均供电煤耗率仍高于世界发达国家的水平。我国与几个发达国家的供电煤耗率对比情况见图4。

我国火电机组平均供电煤耗与发达国家存在的主要差距如下：

（1）我国火电机组采用超临界、超超临界机组的参数比例仍较低，约占火电装机容量的13％，而日本、德国等发达国家超临界、超超临界机组占火电机组的50％以上。

（2）我国北方缺水地区新上燃褐煤空冷机组大多采用亚临界参数，供电煤耗较高，在350～360 g/（kW·h）之间。

2.2 新建燃煤机组的供电煤耗率比较

国外近10年投运的部分超超临界机组主要参数及发电煤耗指标和厂用电率见表1。

表1 国外近1100年投运的部分超超临界机组主要参数及技术经济指标Tab.1 The main parameters and technical economic indicators of USC units put into operation in foreign countries inrecent 10 years

近几年来，我国新装火电机组的参数和单机容量有了较大的飞跃，参数从过去的亚临界升级到超临界和超超临界，单机容量由300MW和600MW升级为600MW和1 000MW。600MW湿冷机组基本上采用了超临界或超超临界参数，1 000MW机组全部采用了超超临界参数，并且都已积累了一定的商业运行经验。超（超）临界火电机组在我国火电结构中已经有相当大的比例，国内通过600℃超超临界机组的技术开发及工程实践，已投运29台600℃百万千瓦超超临界机组，在建和规划的超超临界机组超过其他国家总和，机组制造、安装和运行水平大幅度提高，建立了完善的设计体系，拥有了相应的先进制造装备和工艺技术。已经投运的部分超超临界机组主要参数及技术经济指标见表2。

与发达国家相比，我国新上燃烟煤超超临界火电机组已经与国际先进水平接近，有些超超临界机组（如外高桥电厂三期工程机组）已经达到国际先进煤耗水平，但在设计理念上与德国、日本等发达国家仍有一些差距，比如：德国从20世纪末开始提出并实施燃褐煤的超超临界机组设计技术集成计划（lignite-based power generation w ith optimized plant engineering，BOA计划），该技术的特点是在新建火电机组完成各种新的设计技术的集成，在2004年BOA 1/3计划电厂Niederaussem电厂（1×1 027MW）运行，成为目前世界最先进的燃褐煤超超临界机组，而我国目前仅有2台燃褐煤超临界机组（华能九台电厂2× 660MW机组）准备投入运行，其余全部为燃褐煤亚临界机组。

表2 国内近几年投运的部分超超临界机组主要参数及技术经济指标Tab.2 The main parameters and technical economic indicators of Chinese USC units put into operation in recent years

汽及再热蒸汽温度分别为580、600℃。该项目用9 205 kJ/kg，燃煤水份53.3％褐煤最终达到了45.2％的效率，机组年平均供电煤耗292 g/（kW·h）。与传统亚临界 35.5％[346.5 g/（kW·h）]效率相比，Nidederaussem电厂采取的各项设计集成措施取得的效率提高见表3。

3 超超临界机组设计技术集成化发展现状

3.1 日本超超临界机组设计技术集成化发展

日本是除我国外，投入600℃超超临界机组最多的国家，其超超临界机组设计技术集成化的特点如下：

（1）提高超超临界机组参数。

2009年日本投运的新矶子电厂2号机组主要特点与2004年投运的新矶子电厂1号机组相比，部分蒸汽参数又有变化，从25 MPa/600℃/610℃变成25MPa/600℃/620℃，并且在日本第1次采用塔式锅炉技术，实现了目前日本火电机组最高的效率。

（2）采用新型节能型高效烟气处理系统。

日本橘湾等电厂采用低低温电除尘器技术，由于烟气体积流量小、烟气比电阻小及采用低温静电除尘器，四电场改为三电场，并采用先进的控制系统，使电除尘器的电耗大大降低。与传统的电除尘器+湿法烟气脱硫工艺（带烟气加热器）相比，在除尘效率提高的情况下，炉后综合厂用电率降低0.286％。

3.2 德国超超临界机组设计技术集成化发展

德国目前投运的600℃超超临界机组不多，但它是目前世界上开展超超临界机组设计技术集成化最成熟的国家。

1996年，德国开始执行“BOA计划”，包括采用超超临界参数、冷端优化、褐煤干燥、锅炉系统优化、汽轮机系统优化、热力系统优化、环保岛工艺系统优化、区域供热等设计技术的工程集成应用。“BOA计划”发展路线分成3个步骤实施。

（1）“BOA计划”的1/3项目：Nicderausem电厂燃褐煤超超临界机组示范电站1×1 027MW机组，主蒸

表3 Nidederausem电厂与传统燃褐煤亚临界机组比较Tab.3 Comparison of Nidederaussem powerplant and d traditional lignite-fired sub-criticalu units

（2）“BOA计划”的2/3项目：燃褐煤超超临界机组，单机容量2×1 100 MW，蒸汽参数29.5 MPa/ 600℃/605℃。可适应预期燃用的褐煤特性。煤热值7.6～11.6MJ/kg（水分42％以上），根据德国CO2排放分配计划，并且是大型以大代小工程（2×300MW机组+2×600MW机组），该项目2010年投产。

（3）“BOA计划”的3/3项目：700℃蒸汽参数的大机组示范应用。

3.3 我国超超临界机组设计技术集成化的发展

我国的外高桥三期是我国应用燃烟煤超超临界火电机组设计技术集成化最成功的范例。外高桥三期工程采用了包括采用超超临界参数、冷端优化、锅炉系统优化、汽轮机系统优化、热力系统优化、余热回收等集成技术，使平均供电煤耗达到282.16 g/（kW·h）（2009年全年统计数据）。

4 我国超超临界机组设计技术集成化发展可采用的技术

（1）采用超超临界机组。典型超临界循环的参数为24.1MPa/566℃/566℃，提高到超超临界参数为25MPa/600℃/600℃，提高了电厂的热效率，可降低标准煤耗5～9 g/（kW·h）。

（2）燃褐煤机组采用褐煤预干燥技术。利用蒸汽干燥可以使得设备体积减小，热效率提高，且安全可靠，因此国外近几年对高水分褐煤的干燥的研究大都集中于采用蒸汽干燥。根据国际上的发展趋势，针对褐煤的先进干燥技术主要围绕以下几方面进行研究和应用：水分蒸发废热可以循环利用；干燥强度大，以利于大型化；通过与电厂热力循环集成，提高电厂整体效率。

（3）降低汽轮机背压。对于600MW级超超临界汽轮机而言，汽轮机背压下降0.5、1、2 kPa，热耗分别降低13.9、31、65.3 kJ/（kW·h）左右。

（4）选用合适的汽轮机排汽面积。600MW级机组汽轮机可以有三缸四排汽型式和两缸两排汽型式两种结构。在相同的背压条件下，由于三缸四排汽型式汽轮机比两缸两排汽型式汽轮机排汽面积大23％，机组标准煤耗值降低约0.75 g/（kW·h）。

（5）燃烟煤机组磨煤机采用动态分离器。磨煤机采用动态分离器可提高锅炉效率约0.3％。

（6）采用烟气余热回收技术或低低温高效烟气处理系统。采用烟气余热回收技术或低低温高效烟气处理系统，可降低煤耗1 g/（kW·h）以上。

5 我国超超临界机组设计技术集成化发展面临的主要问题

5.1 煤质变化

我国火电机组燃用煤质条件完全不同，这就需要对具体问题进行具体分析，采用不同的方案。例如，当考虑余热回收时，既可以考虑低低温静电除尘器方案，又可以考虑除尘器后低温省煤器方案，其关键要看电厂燃用的设计煤质和校核煤质中灰分和硫分，进行分析比较后确定。

5.2 褐煤干燥及整体化设计技术

褐煤干燥过程中水分的蒸发是一个大量消耗热量的过程。传统热烟气对高水分煤干燥后，由于蒸发的水分中含有大量的空气，因此水分的潜热不可能得到利用。因此传统的干燥技术不能适应高水分褐煤的干燥。此外由于褐煤挥发分含量高，着火温度低，因此容易产生过热现象，发生自燃或爆炸。如为防止爆炸，采用较低的烟气温度，干燥强度低、速度慢，不适合工业生产要求。

所以针对高水分的褐煤干燥，必须采取其他的干燥介质和设备来进行。目前国外已开发了多项褐煤干燥技术，如：蒸汽滚筒管式干燥技术、流化床蒸汽干燥技术、蒸汽空气联合干燥技术、床混式干燥（bed m ixing drying）技术、热机械脱水（mechanical thermal expression dewatering）技术等，其中蒸汽滚筒管式干燥技术、流化床蒸汽干燥技术已经应用于国外大型燃褐煤发电机组（黑泵电厂和Niederaussem电厂）。国内目前已经开发出滚筒烟气褐煤干燥工艺（目前主要应用业绩在煤炭系统各个矿业集团，用于干燥煤中部分水分，以达到煤提质的目的）、振动混流烟气干燥褐煤工艺、褐煤蒸汽管回转干燥工艺。

电厂褐煤预干燥技术是煤炭系统设计与电力工艺系统的结合，对于各自独立的技术都是成熟的，但在整体化设计方面存在着欠缺，表现在3个方面：一是系统的整合，二是与锅炉燃烧系统的整合，三是有关整合技术的标准。

5.3 超超临界机组设计技术集成化的投资及运行经济性

（1）大部分集成技术措施的应用会造成工程造价的增加，但是，按照目前我国的经济实力，增加的工程造价是可以承受的。

（2）有些集成技术的应用不会增加工程造价或增加的较少，但由于运行费用的降低，使得上网电价有所下降。随着我国燃料和用水价格以及污染物排放征费的上涨，电厂获得的经济效益会更加明显。

6 结论

至2020年，我国以火电机组为主、特别是以超超临界为主的电力装机发展态势不会改变。按照目前的电力发展形势分析，到2020年，我国火电机组装机容量将增加4亿～5亿kW（不包括以大代小机组容量），因此必须采取各种措施实现国家节能减排目标。未来燃煤火电机组设计技术发展可以归纳为2个层次：第1个层次，实现超超临界参数工程设计。完成包括目前的600℃参数超超临界机组、以及2020年前可能出现的650℃或700℃参数超超临界机组工程设计。第2个层次：在独立火电机组上采用一切可以使用的新型火电技术集成，提高机组效率（包括采用超超临界参数、褐煤干燥、冷端优化、锅炉系统优化、汽轮机系统优化、热力系统优化、环保岛工艺系统优化、区域供热等），使供电煤耗达到国际一流水平。

通过对国内外超超临界机组设计技术集成化发展现状及未来发展趋势的分析，建议我国未来超超临界机组设计技术集成化发展路线如下：（1）“十二五”期间实现燃烟煤湿冷超超临界机组、燃褐煤超超临界机组、空冷超超临界机组几个模块设计集成技术的全面发展，并开展700℃超超临界机组设计集成技术研究。（2）“十三五”期间开展并完成700℃超超临界机组设计集成技术示范项目。

7 参考文献

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[10]吕俊复.超临界循环流化床锅炉水冷壁热负荷及水动力研究[D].北京：清华大学，2006.

Integrated Design Technology Developm ent of U ltra Supercritical Unit

LONGHui1，YANShu2，WANGDun1
（1.China Power Engineering Consulting Group Corporation，Beijing 100120，China；2.NortheastElectric PowerDesign Institute ofPower Engineering Consulting Group Corporation Changchun 130033，China）

This paper analyzes the status of Chinese ultra-supercritical coal-fired power unit（USC unit）and its gap w ith the design technologies of advanced coal-fired units abroad， and especially points out that the integrated design technology is the development trend for international USC units.The main process of integrated design technology applied in Japan and German is also investigated，as well as the feasible technology and main problems for application of this technology in Chinese USC unit.In addition，proposals are made for advancement of integrated design technology of USC units in China.

ultra-supercritical；design technology；integrated development；power supply coal consumption；technical and econom ic index；unitparameter

通过对我国超超临界火电机组发展现状及与国外先进火电机组设计技术方面主要差距的研究，提出了国际上超超临界机组设计技术的发展趋势是设计技术集成化发展。分析了日本和德国超超临界机组设计技术集成的主要工艺，汇总了我国超超临界机组设计技术集成化发展可采用的技术和所面临的主要问题，并对我国未来超超临界机组设计技术集成化如何发展提出了建议。

超超临界；设计技术；集成化发展；供电煤耗；技术经济指标；机组参数

10.3969/j.issn.1000-7229.2011.02.017

2010-11-20

2010-12-16

龙辉（1960），男，高级工程师（教授级），从事电厂热机、环保技术发展方向研发工作，E-mail：hlong@cpecc.net；

严舒（1972），男，学士，工程师，从事电厂技术经济研究工作，E-mail：yanshu@nepdi.net；

王盾（1965），男，高级工程师，从事电厂新技术发展方向研究工作，E-mail：dwang@cpecc.net。

何鹏）

TK 284.7

A

1000-7229（2011）02-0076-04