首座基于GE技术的标准化IGCC电厂浅析

李现勇

(华北电力设计院工程有限公司，北京 100120)

1 概述

美国Indiana州拥有丰富的煤炭资源，95%的一次能源由煤炭供应。由于Indiana本地煤含硫量较高，采用常规燃煤发电技术满足环保标准存在较大难度，因此目前一半以上的煤炭需要外部供应。由于无法满足环保法规要求，Duke Energy Indiana已经30年无法建设新的燃煤发电项目，迫切需要寻找能够满足环保要求、经济可行的燃煤发电技术。

IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)将环境友好的煤气化技术和高效的燃气蒸汽联合循环发电技术相结合，实现了煤炭资源的高效、洁净利用，具有高效、洁净、节水、燃料适应性广、易于实现多联产等优点，并且与未来低碳经济的长远可持续发展目标相容。Duke Energy Indiana认为IGCC正是满足这种需求的技术。

2004年10月，Duke Energy Indiana，GE Energy和Bechtel Power公司签署了在Indiana州Knox County建设商业化Edwardsport IGCC电厂可行性研究的意向性协议，这是GE－Bechtel IGCC联盟宣布的第一个商业化电厂意向。2007年11月，Duke Energy从Indiana公用事业委员会获得了项目批复。Edwardsport IGCC电厂将成为Indiana州利用本地优势能源资源满足清洁能源需求的关键步骤，有望以更加优良的环境足迹提供现有退役电厂10倍左右的清洁电力。

2 Edwardsport IGCC电厂技术特点

2.1 项目技术特点

2.1.1 GE标准化IGCC概念设计

Edwardsport IGCC电厂是第一个采用GE 标准化IGCC概念设计的商业电厂。为克服IGCC商业化过程中曾经遇到的障碍，2004年GE和Bechtel组建了战略联盟，为客户提供IGCC电厂成本、工期和性能全担保的一站式服务。在改善可用率和满足客户个性化需求的基础上，GE和Bechtel提供可降低工程成本、项目开发周期和投资成本的核心标准化设计。标准化设计源于两个独立的FEED(Front End Engineering Design)研究实践，为客户提供与厂址无关的场内主要工艺和部件基础设计模块。与厂址无关的场内工艺设计主要包括以下成品：

工艺流程图(PFD)、管道仪表流程图(PID)和材料选择指南；

先进的3D工厂布置模型；

材料的量化管理；

满足采购要求的设备规格表；

电厂关键部件的详细设计数据：辐射式合成气冷却器，GE 7FB燃气轮机；

电厂整体控制系统；

电厂仿真机；

满足前期审批要求的详细排放模型；

成本估算数据库；

从FEED到商业化运行的2级项目计划。

正常情况下，GE－Bechtel联盟认为从EPC合同签订到商业运行工期可控制在46个月左右。

2.1.2 装机方案

Edwardsport IGCC电厂工艺系统图如图1所示，主要装置列表见表1，联合循环动力岛采用“2×2×1”的配置方案，电力通过345kV开关站送出。GE和Bechtel吸收了Tampa IGCC电厂的设计经验，在空分、整体化控制、蒸汽轮机、合成气辐射式冷却器、燃气轮机方面进行了重点改进，特别是在空分和燃气轮机的系统集成方面采用了氮气侧全集成、空气侧部分集成方案，这也是世界上第一次把空分部分整体化的概念应用于工程实际。

图1 Edwardsport IGCC电厂工艺系统流程图

表1 Edwardsport IGCC电厂主要装置列表

2.1.3 性能指标

Edwardsport IGCC电厂以Indiana 5#煤为设计煤种，全厂设计净出力约为618MW，净供电效率为38.5%(HHV)，最小稳定负荷可以达到50%，全厂定员120人。

在设计过程中，GE和Bechtel吸收了Tampa IGCC电厂的经验，没有把名义上的高效率作为主要的追求目标，而是提高了全厂可用率、环保指标的设计优先等级，全厂可用率目标为85%(GE对800个设备－19个子系统－4个系统－全厂的RAM分析结果表明指标面临挑战但可以达到)，可用率和环保指标在世界上已经投运的IGCC电站中处于领先水平。具体的措施为：①在标准化设计中去除了在Tampa电站中对可靠性造成较大不良影响的对流式废锅和气气换热器；②采用了新型辐射式废锅，预计降低成本30%、可靠性提升2%；③采用了经过改进的第二代耐火砖，预计可靠性提高1%；④采用CO2循环和新型水煤浆烧嘴，有望提高效率1%左右；⑤在设计审查中对近600个经验教训进行了分析，采取了100多个闭合措施；进行了近600个失效模式及后果分析(Failure Mode and Effects Analysis)，实施了200多个改进计划；⑥为供应商设计部件制定了可靠性规范要求；⑦采用了新一代Mark VI控制系统，在EPC阶段就为验证和维护方案采用了模拟仿真手段，见表2。

表2 Edwardsport Duke IGCC电厂排放指标

2.2 项目建设过程

项目2004年10月启动可行性研究；2007年4月提交FEED报告；2007年10月获得Duke Energy董事会批准；2007年11月，Duke Energy从Indiana公用事业委员会获得了项目批复，这一重大里程碑标志着Edwardsport IGCC项目前期阶段结束、项目正式进入工程建设阶段，见图2～图4。

图2 Edwardsport IGCC项目计划

图3 Edwardsport IGCC概念图

图4 Edwardsport IGCC 3D管道模型

图2为项目计划表，图3～图4为项目概念图和3D管道模型。截至2010年10月29日，整个项目约完成总进度的78%，其中工程设计完成99%，采购完成98%，施工完成58%，现场场平和打桩完成100%，地下工程完成96%，混凝土地基完成94%，钢结构安装完成85%，管道安装完成43%，电缆安装完成20%。燃气轮机、蒸汽轮机、辐射式合成气冷却器、控制系统、仿真机、气化炉、汽机发电机、燃机发电机已安装就位。目前现场施工安装人员达到3000人以上。项目计划2012年投入商业运行。

最新估算项目工程投资为28.8亿美元，比FEED结束时23.5亿美元的投资概算(政府资助4.6亿美元，允许从电价中回收18.9亿美元)增加了5.3亿美元，以供电容量计算单位千瓦造价约为4660美元/kW。

3 项目执行的有关经验教训

Edwardsport IGCC项目总经理Dennis M.Zupan在2009年Gasification Technology Conference上谈到，工程设计完成85%时Duke Energy Indiana方面主要的经验教训是：

详细设计阶段主要设备的数量基本保持稳定，相关的大宗材料数量有明显的增加；

由于系统集成的复杂度，设计开发类型、范围(如CO2压缩机、燃气轮机燃料模块等)扭曲；

Edwardsport IGCC电厂设计的工程实现是真正的无先例可循，决不是简单的Tampa电站×2；

经过过去4年的锻炼，GE项目团队和FEED阶段相比执行效率有所提高，这将有利于未来项目的执行。

4 小结

Indianan州拥有丰富的煤炭资源，由于Indianan本地煤的特点，IGCC技术是能够满足环保要求、经济可行且最为现实的燃煤发电方式。Edwardsport IGCC电厂是世界上规模最大的煤气化清洁发电装置，在可用率、环保指标方面居于世界领先水平，将成为Indiana州利用本地优势能源资源满足清洁能源需求的关键步骤，有望以更加优良的环境足迹提供现有退役电厂10倍左右的清洁电力。

由于IGCC技术的固有特点，Edwardsport IGCC电厂具有开展碳捕集和封存的良好条件，2009年Duke Energy获得Indiana公用事业委员会同意开展碳捕集FEED研究的批复，碳捕集FEED研究预计2011年3月完成，Edwardsport IGCC电厂有望进入美国能源部支持的碳捕集示范工程。作为采用GE标准化IGCC概念设计的第一个商业化电厂，Edwardsport IGCC电厂将对IGCC技术在世界范围内的发展和推广起到重要的推动应用。

减缓以至最终控制能源生产利用中的CO2对大气的排放，保护人类赖以生存的地球环境，是全球能源生产面临的前所未有的重大挑战。2012年4月份美国首个新建电厂碳减排标准出台，新建发电厂只允许排放453.6kg CO2/MWh(相当于目前先进的天然气联合循环电厂的碳排放水平)，以煤为主并且在相当长的时期内难以根本改变的一次能源状况决定了未来中国将面临更加巨大的碳减排压力。IGCC发电技术以潜在的高效率和CO2减排优势将在国内具有一定的发展前景。

[1]Duke Energy Indiana Edwardsport IGCC Project Update，2008 Gasification Technology Conference[C]．USA:Washington，2008．

[2]GE and Bechtel Alliance IGCC Reference Plant Update，2008 Gasification Technology Conference[C]．USA:Washington，2008．

[3]GE Gasification Project Update，2011 Gasification Technology Conference[C]．USA:San Francisco，2011．

[4]Gas Turbine World[J]．Volume，2009，(27)．