国外燃煤电厂全寿命周期性能保证曲线的研究

李爱民

中国能源建设集团 广东省电力设计研究院有限公司 广州 510663

1 研究背景

随着“一带一路”倡议的实施,近年来,国内企业走出国门投资建设电厂的项目逐渐增多。不同国家的电厂项目,开发建设流程各不相同,且各个国家会因项目投资方是政府还是私营独立电力发展商而存在明显差异。在项目前期审批及项目购电协议谈判阶段,大部分私营独立电力发展商的电厂项目需要提供电厂全寿命周期性能保证曲线和数据给政府相关部门,并且将在电厂商业运营前进行初始性能测试,在后期运行时每年初进行验证,作为电价审批和调度的依据,若不达标,则面临巨额罚款。在项目初期,往往方案设计还未全面展开,因此如何提出满足当地政府要求的全寿命周期性能保证曲线,既能便于项目电价审批,又可避免日后罚款风险,至关重要。笔者以巴基斯坦瓜达尔港300 MW燃煤电厂为例,研究国外燃煤电厂全寿命周期性能保证曲线提出过程中的方法和策略,为今后类似问题提供参考。

2 项目概况

项目位于巴基斯坦俾路支省西南部的瓜达尔港。瓜达尔港是我国“一带一路”倡议的重要节点,是中巴经济走廊的唯一出海口。瓜达尔港目前的电力供应是从伊朗进口,总容量仅为70 MW左右,需供整个梅克兰地区使用,瓜达尔仅能分到约14 MW容量,连城区的需求都不能完全满足。另外,瓜达尔地区没有国家电网与外界相连,只有一个相对独立的局部小电网,将瓜达尔、图尔伯特、旁吉古尔、帕斯尼连接。结合瓜达尔、俾路支省与全国电力负荷增长预测,以及前期业主与当地政府的沟通情况,项目在预可行性研究阶段进行了多种燃料及装机方案的比选,最终确定按照300 MW装机容量的进口燃煤电厂方案建设。基于供电可靠性和稳定性要求较高的角度,结合当地电网特点,推荐选用两台单机容量150 MW的国产先进燃煤发电机组。根据电力系统接入报告结论,电厂出线考虑按照四回132 kV线路分别接入附近132 kV瓜达尔变电站和132 kV图尔伯特变电站。

目前,对于容量为150 MW的燃煤发电机组而言,无论采用超高压参数还是亚临界参数,我国国内的主机及配套辅机制造、安装、调试技术都是成熟可靠的。经向三大主机厂家初步询价,如机组由超高压参数改为亚临界参数,则两台机组主机部分共增加投资约8 000万元人民币,连同其它辅助配套设备,项目总投资增加约1.3亿元人民币。根据主机厂家及其它工程参考数据,由超高压参数改为亚临界参数后,单位机组热耗可减少250 kJ/kWh～270 kJ/kWh,发电标煤耗可减少约10.1 g/kWh。经过经济性分析,增加的投资部分总投资收益率为5.36%,全投资回收期为11.43 a,与银行贷款利率5.37%相比,不具有显著经济效益。加之对应容量的亚临界参数机组少,后期运行维护备品备件获取不方便,结合我国国家标准GB/T 754—2007《发电用汽轮机参数系列》与GB/T 753—2012《电站锅炉 蒸汽参数系列》,优先推荐采用最新国产改进型超高压参数机组。

根据巴基斯坦电监局文件DecisionoftheAuthorityRegardingReconsiderationRequestFiledbyGovernmentofPakistanintheMatterofUpfrontTariffforCoalPowerProjects,要求电厂在投入商业运行性能测试时,全厂净效率不低于37%,电厂设计寿命周期为30 a。该效率基准实际基于毛输出容量220 MW机组提出,对于毛输出容量150 MW机组而言,要求还是相当高的。

3 项目参数

基于东方电气锅炉有限公司提供的锅炉性能衰减参考曲线,对上海电气汽轮发电机厂和东方电气汽轮发电机厂提供的汽轮发电机性能衰减参考曲线进行对比,提出本项目的全寿命周期性能保证曲线。在将曲线提交当地政府时,还需要根据主机设备厂家提供的性能保证曲线进行修正。

汽轮机最大连续输出工况设计参考条件见表1,煤质设计参数见表2。设计煤种为南非RB3,校核煤种为南非印尼5∶5。

表1 汽轮机最大连续输出工况设计参考条件

表2 煤质设计参数

4 锅炉性能衰减曲线

本项目推荐锅炉型式为超高压汽包炉,自然循环,单炉膛,露天布置,采用全钢框架,为固态排渣。

根据上述设计条件,经过锅炉热平衡计算,东方电气锅炉有限公司提供的本项目锅炉效率衰减曲线如图1所示,效率预测见表3。

厂家特别说明,锅炉效率衰减曲线和预测数据仅供参考,效率以燃煤低位热值为基准。30 a寿命周期内,按照6 a一个大修期,在日常维护较好、大修及小修后机组设备性能达到较高恢复水平的前提下,对锅炉效率进行如表3所示预测。运行一段时间后,煤质变化带来炉膛结渣,吹灰不及时会降低锅炉受热面的换热效果,磨煤机长运行时间后煤粉细度提高,空预器漏风率提高,其它原因引起排烟温度升高,这些都会降低锅炉的效率。此外,日常维护和大修、小修的质量,对锅炉性能的影响也较大。考虑诸多因素的影响,按照6 a一个大修期,在日常维护较好,大修及小修后机组设备性能达到较高恢复水平的前提下,预测得到如图1所示锅炉效率曲线。

图1 锅炉效率衰减曲线

表3 锅炉效率预测

5 汽轮机性能衰减曲线

本项目采用150 MW超高压、一次中间再热、单轴、双缸单排汽、反动凝汽式汽轮机,回热级数为8级。

根据上海电气汽轮发电机厂和东方电气汽轮发电机厂提供的性能参考曲线进行整理。两家厂家均具有丰富的国内外电厂项目经验,能够代表国内电力设备的先进制造水平。

上海电气汽轮发电机厂提供的本项目汽轮机性能衰减曲线如图2所示,该厂生产的汽轮机组一个大修周期为12 a,机组可靠性较高。

图2 上海电气汽轮发电机厂汽轮机性能衰减曲线

根据图2,整理得到30 a内汽轮机机组的热耗修正因数,见表4。

东方电气汽轮发电机厂提供的本项目汽轮机性能衰减曲线如图3所示,该厂生产的汽轮机组一个大修周期为6 a。

表4 上海电气汽轮发电机厂汽轮机热耗修正因数

图3 东方电气汽轮发电机厂汽轮机性能衰减曲线

根据图3,整理得到30 a内汽轮机机组的热耗修正因数,见表5。

发电机效率按照98.5%考虑,上述两家厂家均认为30 a内发电机发生性能衰减可不考虑,即在30 a内,发电机在额定功率150 MW、功率因数0.85下,效率为98.5%。

6 厂用电耗率

厂用电耗率通常只计算经常连续运行的负荷,全厂性的公用负荷按机组容量比例分摊至各机组。DL/T 5153—2014《火力发电厂厂用电设计技术规程》推荐两种不同的厂用电负荷计算方法,即换算因数法和轴功率法[1]。在项目前期,针对高压负荷一般采用轴功率法,针对低压负荷一般采用换算因数法。对厂用电进行优化,主要在于对高压电动机轴功率的计算。常用高压电动机包括电动给水泵、一次风机、送风机、引风机、磨煤机、循环水泵等,这些高压电动机在电厂厂用电占比高达90%,因此需重点关注。同时需要确定项目的考核工况点,因为不同的工况下轴功率不同。常规情况下,考核工况点为100%最大连续工况点[2-4]。

表5 东方电气汽轮发电机厂汽轮机热耗修正因数

由于各项目的厂用电耗率指标有所不同,因此需要根据实际情况合理优化厂用电耗,适当考虑裕量。本项目实际统计厂用电耗率略低于9%,为避免购电协议性能罚款风险,建议按照巴基斯坦电监局规定的限值9%执行。

7 发电厂全寿命周期性能

目前,由于对进入锅炉的燃煤量进行测量的技术不过关,采用正平衡法计算发电煤耗和电厂效率尚不能保证准确性,因此往往采用反平衡法计算发电标准煤耗和电厂效率。对于非供热机组,电厂效率主要通过汽轮机组发电热效率、锅炉热效率和管道效率三部分反平衡法进行计算[5-7]。

ηcp=ηbηgηp

(1)

式中:ηcp为电厂效率;ηb为锅炉热效率;ηg为汽轮机组发电热效率;ηp为管道效率。

ηg=3 600/HR

(2)

式中:HR为汽轮机组热耗,kJ/kWh。

通常,汽轮机组热耗由厂家考虑发电机效率后经过汽轮机热平衡计算提供。

ηcp(net)=ηcp(1-ηaux)

(3)

式中:ηcp(net)为电厂全厂净效率;ηaux为厂用电耗率。

厂用电耗率通常为厂用电耗总和与装机容量的比值。

根据主机招标阶段厂家提供的性能保证数据,在设计背压为7.4 kPa,汽轮机100%额定输出工况下,上海电气汽轮发电机厂提供的汽轮机热耗值为7 994.4 kJ/kWh,东方电气汽轮发电机厂提供的汽轮机热耗值为8 019.0 kJ/kWh,假设投入商业运行测试时汽轮机性能可以达到主机招标阶段厂家承诺提供的热耗数据,笔者根据以上厂家数据整理发电厂全寿命周期性能计算值,见表6。其中,厂用电耗率按照政府规定的限值9%执行,管道效率按98.5%计入[8]。

根据表6绘制本项目30 a全寿命周期全厂净效率性能计算值衰减曲线,如图4所示。

图4 全寿命周期全厂净效率性能计算值衰减曲线

由图4可以看出,两家厂家的全寿命周期全厂净效率性能衰减曲线非常接近,且趋势一致。由于性能试验具有经济和技术利益的双重价值[9],为避免购电协议性能罚款,建议投资方在与巴基斯坦电监局及中央电力采购局谈判过程中,基于大修周期较长的上海电气汽轮发电机厂热效率计算数据,同时考虑其它设备性能差异及检修维护水平等不确定因素,计算净效率按0.5%折减预留裕量。建议提供的全寿命周期全厂净效率性能保证曲线如图5所示。

图5 全寿命周期全厂净效率性能保证曲线

8 结束语

电厂项目是一个复杂的系统工程,全厂的性能衰减曲线与设备的性能衰减曲线密切相关。各个设备的性能又与产品质量、安装水平、电厂运行工况、运行维护人员操作水平、检修维护频率、备品备件质量及更换频率等密切相关,因此,笔者在本文中所提供的全寿命周期性能保证曲线仅供参考。由于海外项目性能试验一般基于美国机械工程师协会标准进行,最终的性能保证曲线需在定标厂家进行详细设计后再基于资料计算[10-1]。

笔者以巴基斯坦瓜达尔港300 MW燃煤电厂为例,对影响电厂净效率考核的三个关键指标——锅炉效率、汽轮机热耗、厂用电耗率进行重点分析,研究国外燃煤电厂全寿命周期性能保证曲线提出过程中的方法和策略,既能保证所提供的性能保证曲线合理可靠,又能有效规避购电协议性能罚款风险,对今后处理类似问题具有参考价值。

表6 发电厂全寿命周期性能计算值