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1000 MW超超临界二次再热机组系统比较及经济性分析

2018-05-25李官鹏刘义达张乐川

电力勘测设计 2018年5期
关键词:小时数煤价超临界

李官鹏,刘义达,安 强,张乐川

(山东电力工程咨询院有限公司, 山东 济南 250013)

随着我国国民经济的高速发展,国内对能源(特别是电力)的需求增长异常迅猛,由此带来的能源紧缺、资源浪费、环境污染等问题已经成为制约我国经济发展的瓶颈。因此,提升效率、节能减排将成为我国今后很长一段时间内的战略选择。建设“高效、节能、环保”的电厂成为当前电力发展的主题。提高蒸汽参数(蒸汽的初始压力和温度)、增加再热次数都是提高机组效率的有效方法。截止2017年12月,国内投产1000 MW超超临界机组数量超过100台,其中二次再热超超临界机组6台。2015年12月30日,我国首个700℃关键部件验证试验平台在华能南京电厂成功投运,标志着我国新一代先进发电技术——700℃超超临界燃煤发电技术的研究开发工作取得了重要阶段性成果,迈出了关键一步。

1 国内外发展及现状

1.1 国外超超临界二次再热机组情况

二次再热技术的应用始于20世纪50年代,多在上世纪70年代前投运。据不完全统计,全世界至少有52台二次再热超(超)临界机组投入运行,其中德国11台、美国23台、日本13台、丹麦2台,美国和日本的机组采用Π型锅炉,丹麦的机组采用塔式锅炉。当前国外有日本和丹麦少数几台二次再热机组保持运行。

国外最大容量的二次再热机组为日本川越火力发电厂1号、2号700 MW机组,参数31 MPa/566℃/566℃/566℃,燃用液化天然气。

1998年之后国外没有新投运的二次再热机组。据分析可能的原因有:(1)发达国家电力容量饱和,没有新建火电机组的需求;(2)二次再热机组较为复杂;(3)在燃料费用相对较低条件下二次再热机组技术经济性能不具备优势。

1.2 国内二次再热机组情况

二次再热发电技术是《国家能源科技“十二五”规划》重点攻关技术,是《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014年—2020年)》推进示范技术。二次再热发电技术在节能、环保方面优势明显,具有良好的经济和社会效益。

国内三大电气集团自2010年相继启动了二次再热技术的研发工作,且均由订货业绩。国内首台二次再热发电机组于2015年6月在华能安源电厂投产,机组容量660MW,汽轮机进汽参数为31 MPa.a/600℃/620℃/620℃。2015年9月,我国1000 MW超超临界二次再热燃煤发电示范项目国电泰州电厂二期3号机组顺利通过168 h连续满负荷试运行,汽轮机进汽参数为31 MPa.a/600℃/610℃/610℃。2015年12月,随着华能莱芜电厂三期6号机的顺利投产,世界上参数最高的1000 MW超超临界二次再热燃煤机组由此诞生,其汽轮机进汽参数为31 MPa.a/600℃/620℃/620℃。

2017年12月,山东省发改委印发文件,正式核准同意大唐郓城630℃超超临界二次再热国家电力示范项目,其汽轮机进汽参数为35MPa.a/615℃/630℃/630℃,全厂热效率高于50%,经济指标进一步提升。

2 一、二次再热主要系统比较

与一次再热机组相比,二次再热机组结构更复杂,热力系统结构布置及优化、锅炉受热面的能量分配、再热蒸汽温度控制等方面是二次再热机组的关键技术和技术难点。

2.1 热力系统比较

主蒸汽、再热蒸汽系统:二次再热机组与一次再热机组相比,在一次再热基础上又增加了二次再热系统,因此,再热蒸汽系统分为一次再热和二次再热两个系统。

回热系统:与一次再热机组相比,二次再热的最高给水温度提高了将近30℃,现阶段的二次再热湿冷机组,回热级数一般设置为10级,比一次再热机组多一级或两级。

外置蒸汽冷却器:常规一次再热设置一台3号外置蒸汽冷却器,而对于二次再热,再热后中压部分的蒸汽过热度较高,系统设置两台蒸汽冷却器,其中外置蒸汽冷却器壳侧与给水系统串联,汽轮机回热抽汽在蒸冷器完成热交换后进入2号和4号高压加热器中,通过外置蒸汽冷却器提高给水温度,提高机组的经济性。

2.2 烟、风、制粉系统比较

与一次再热相比,二次再热机组使锅炉增加了一级二次再热的循环。随着再热级数的增加,锅炉受热面布置趋于复杂,锅炉汽温控制的复杂性和难度也相应增加,其中最主要的在于两级再热汽温的控制,对再热蒸汽的汽温调节提出了更高的要求,也是技术难点,有的锅炉厂采用烟气再循环作为再热蒸汽的汽温调节手段之一,增加了烟气再循环系统。对于其它烟、风、制粉系统,二次再热与一次再热没有本质上的区别。

3 二次再热技术的技术经济比较

参数为31 MPa/600℃/620℃/620℃的1000 MW超超临界二次再热机组,相对于蒸汽参数为26.25 MPa/600℃/600℃的1000 MW一次再热超超临界机组降低供电煤耗约9.22 g/(kWh)。根据泰州及莱芜电厂二次再热机组设计及投产情况看,1000 MW二次再热机组发电煤耗在256~257 g/(kWh)水平,而蒸汽参数为28 MPa/600℃/620℃的高效超超临界1000 MW一次再热机组发电煤耗在262~263 g/(kWh)左右,二者相差约6~7 g/(kWh)。二次再热是提高火电机组效率的有效措施,但初投资相对一次再热增加较高,其经济性受标煤价、初投资、机组年利用小时数以及贷款利率等因素制约,因此,有必要对其影响因素作敏感性分析。

3.1 技术指标及初投资分析

本文以国华寿光1000 MW工程一期及二期的两种不同装机方案为依据,对高效一次再热和二次再热方案进行技术经济比较,得出回收年限与各影响因素曲线图,为机组选型提供参考。技术指标及初投资增加值详见表1。

表1 技术指标及初投资增加值

表1中未考虑采用二次再热锅炉燃煤量降低变化带来的运行费用变化,运行厂用电相对同容量一次再热机组会略有下降。

3.2 经济比较分析

经济性比较采用最小年费用法计算,根据年费用公式:

式中:A为年费用;P为初投资;R为年运行维护费;I为贷款利率;n为经济生产年。

基本输入数据:

初投资增加额:P=5.491亿元

贷款利率I:4.9%

年运行维护费R:暂不考虑,取0

机组降低发电标煤耗:6.8 g/kWh

机组年利用小时数:5500 h

年节约标煤量:7.48×104t/a

标煤价:740元/t

输出结果:

根据基本输入数据,在假定某一条件不变的情况下,可得出回收年限与标煤价、初投资增加额、机组年利用小时数及贷款利率的相对关系曲线,分别见图1、2、3和4。

图1 回收年限与标煤价关系图

图2 回收年限与初投资差额关系图

图3 回收年限与利用小时关系图

图4 回收年限与贷款利率关系图

由图1可看出,若要收回增加的初投资,标煤价在750元/t时,需要13.65年的运营期,当回收期为10年时,标煤价需要约950元/t,因此,按机组寿命30年考虑,按照目前市场煤价(标煤价格740元/t)现状二次再热方案在技术经济上有一定的收益。

通过图2,初投资增加额在4.3亿元时,回收期为10年,随着国家经济情况的调整以及设备竞争价格的走低,如果投资差额减少,在其他条件不变情况下,回收年限会逐步缩短。

由图3,当机组运行利用小时数为5500 h时,回收年限约为13.92年,如果全年机组运行利用小时数减少,在其他条件不变情况下,回收年限会增加,按国内目前机组运行情况分析,利用小时数每年呈现出递减的趋势,对投资回收和电厂经济效益不利。

由图4,在其他条件不变情况下,回收年限随贷款利率增加而增加,但幅度不大。

从上述可以看出,从经济角度考虑,二次再热机组适应于煤价高、机组运行利用小时数较高地区。以上分析仅仅作为核心设备的主、辅机相关设备及系统增加与所带来的收益的比较,全厂的经济性分析还需要结合接入系统、社会效益以及各可变影响因素等全方面的因素来综合考虑。

4 二次再热技术的环保效益

二次再热机组效率更高,从节煤角度考虑,在相同的污染物治理效率下,减少了的CO2、SO2、NOx、粉尘排放量,具有一定的环保和社会效益。结合钢铁生产工序流程二氧化碳排放量,对CO2排放进行定量计算,分析二次再热机组对全球温室效应的贡献。

工程燃煤收到基碳含量为57.33%,收到基低温发热量为21.23 MJ/kg,按经济比较中技术指标计算,二次再热相比一次再热,每台机组减少CO2排放量为10.8×105t/a。从主、辅机设备以及热力系统、烟风制粉系统用钢量比较,每台二次再热机组大约多105t。目前,高炉流程为国内生铁的生产主流工艺,且在短期内不会有较大改变,暂按高炉+转炉(喷煤250 kg)的生产流程下吨钢CO2产量为2170 kg/t计算,由于用钢量的增加而产生的CO2排放量为21.7×105t,二次再热机组运行两年即可弥补其因用钢量的增加而在钢铁生产过程中多排放的CO2。

因此,从电厂运行周期考虑,二次再热机组对二氧化碳减排贡献巨大,社会效益显著。

5 结论

本文综述了国内、外二次再热机组的发展现状,分别从标煤价、初投资、机组年利用小时数以及贷款利率等制约因素,对二次再热机组经济性作出了敏感性分析,为国内电力建设者提供参考。

(1)从技术指标考虑,二次再热机组与高效一次再热相比,具有一定的优越性,机组发电效率可达48%,二者发电煤耗相差约6~7 g/(kWh),机组效率达同类机组世界领先水平,符合国家控制一次能源消耗量的产业政策,可确保机组投运后在电网节能、经济调度中处于优势购电的竞争优势地位。

(2)从初投资及经济性考虑,二次再热机组初投资高,在现今竞价中标的情况下,主、辅机价格的变化对初投资影响非常大。同时,电厂经济效益受标煤价、机组年运行利用小时数、贷款利率等因素的影响,因此,判断电厂的经济性应从各个方面全面综合考虑。

(3)从环保和社会效益考虑,二次再热机组效率更高,从节煤角度考虑,在相同的污染物治理效率下,减少了的CO2、SO2、NOx、粉尘排放量,具有一定的环保和社会效益。

(4)从运行角度考虑,国内二次再热机组属于起步阶段,虽然已有机组运行,但时间短,运行经验少,且二次再热系统更为复杂,再热调温属其中技术难点之一,只有不断的积累,才能更好的掌控。

参考文献:

[1] 蒋德勇.浅谈1000 MW超超临界二次再热锅炉技术[J].价值工程,2015,(1).

[2] 徐通模,等.超大容量超超临界锅炉的发展趋势[J].动力工程,2003,23(3).

[3] 高昊天,等.超超临界二次再热机组的发展[J].锅炉技术,2014,45(4).

[4] 谷雅秀,王生鹏.一种超超临界二次再热发电系统及其热经济性分析[J].西安理工大学学报,2013,29(3).

[5] 陈继辉,程旭.钢铁企业二氧化碳减排技术浅析[J].冶金能源,2012,31(5).

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