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低碳火电挑战能效极限

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摘要:低碳火电挑战能效极限

当前,中国超过10 亿千瓦的发电总装机容量中,煤电占比接近70%,发电量超过75%。在未来相当长的一段时期内,煤电作为我国电力主要部分的事实难以改变。现有火电技术如何实现低碳运行,已成为国际社会共识。国际上超临界及超超临界技术已趋成熟,为尽可能提高我国火电的整体效率创造了条件。

为使我国火电机组效率更高,更加清洁清洁,从2004年起,我国每年关停约1000 万千瓦单机容量低于200MW 的纯凝汽式高耗能机组。另外,政府还大规模采用引进技术并国产化方式,将新建火电机组的主要机型全面转为600 ~ 1000MW 的超临界和超超临界机组。

不断刷新节能记录

作为中国首批1000MW 超超临界项目,上海外高桥第三发电厂(以下简称外三电厂)工程分别于2008年3月和6月,先后建成两台机组并投产。2009年,外三电厂就创造了供电煤耗282克 /千瓦时的世界低纪录。

为全面提升机组的整体性能,在项目建设中,外三电厂在项目的设计、设备选型、施工和调试、启动和运行等各个环节,开展了一大批优化和技术创新,在投产时的机组性能试验净效率达45.03%(循环冷却水温19℃),远远超过了设计水平和同期同类机组。投产当年,在平均负荷率仅为74% 的情况下,平均运行净效率达42.73%。

在机组投产后,外三电厂进一步研发了“零能耗脱硫”“节能型全天候脱硝”一系列重大节能减排新技术,并通过每年机组检修的机会予以实施,两台机组的效率和环保水平每年都能显著提高。目前机组的净效率(含脱硫及脱销)已达46.5%以上,这与国外尚在研究的下一代700℃高效超临界机组的期望效率相当。

众所周知,锅炉的各项损失中,排烟损失约占全部损失的80%,因此,如何降低该项损失最为重要。此外,引风机和脱硫增压风机做功致使烟气焓和温度上升,其温升最高可达10℃左右,颇为可观,但是余热回收装置易出现表面凝结硫酸露,对换热器产生强腐蚀,同时烟气中的飞灰极易粘在结露的换热器表面,碱性的烟灰与硫酸露结合后呈水泥状,极难清除。

为解决这一问题,外三电厂通过专门控制措施,尽可能不让换热器表面结酸露,辅之以换热器低温段的钢材具备一定的耐酸性,并将其置于增压风机与脱硫塔间的低尘区域,既能防止磨损,又降低了积灰和堵塞的风险,还兼顾了引风机、增压风机做功致烟气焓的回收。换热器采用鳍片管以提高换热效率。余热回收工质为低压加热器间的凝结水,被加热的凝结水减少了低压缸抽汽,降低了汽轮机的热耗。

两台机组的脱硫烟气余热回收系统分别于2009 年6月和10 月先后投入运行,至今运行情况良好。经多次检查,腐蚀情况甚微,寿命影响可以忽略。性能试验表明,该套装置的投产,使机组的效率上升了0.4%,脱硫塔喷水降低45t/h。

深挖设备节能空间

对于已经建成的电厂,包括设备选型已经完成的新建电厂,一些提升效率的常规手段均已不可操作。外三电厂为切实提升现有技术平台下的电厂效率,从设备和系统中寻求降低各类相关损失的可能。

为此,外三电厂完成实施了一系列重大技术创新项目。仅对汽轮机,就采取了主蒸汽参数及运行调节方式优化、给水泵及系统的优化和节能等技术改造。

为避免一般情况下开启补汽阀,针对补汽阀作用的两种情况,外三电厂通过适当提高主蒸汽设计压力,并将补汽阀的过负荷开启点设置到夏季最高冷却水温下的额定负荷,确保全年在额定负荷及以下工况不开启补汽阀。同时,针对正常负荷段的汽轮机调频运行,研究开发成功节能型抽汽调频技术,加快反应速度,使功率调节范围变大。经测算,上述两种优化和创新措施,约可提升0.22% 的机组效率。

外三电厂在中国首次采用100%汽动给水泵,自配独立凝汽器,可单独启动,取消电动给水泵。其启动汽源取自相临机组的冷再热蒸汽,大大降低了机组启动阶段的能耗。选用德国阿尔斯通的给水泵专用小汽轮机,增加了一个汽源为冷再热蒸汽的调门及对应的调节级,使机组在额定工况时的运行效率能达到最大化。研究并试验成功汽动给水泵组低速启动及全程调速运行技术,大大降低锅炉启动时的能量损耗,提高机组效率和设备运行安全性 。

同时,外三电厂根据广义回热理论开发出相应系列技术,该技术的全面应用,可提高机组运行效率0.42% 以上;通过对给水回热技术拓展,研发出的弹性回热技术,可在75%的负荷下,提高机组运行效率0.2%。

此外,作为超超临界机组,蒸汽参数的提高,特别是温度的提高,管道的蒸汽侧氧化及由此引起的固体颗粒侵蚀,对机组的安全和经济运行产生严重威胁。外三电厂通过10 多年的的跟踪和研究,取得了一系列突破性的的成果,据此制定出了一整套的综合防治技术,并在外三电厂建设中严格贯彻实施。在运行了30 个月后,外三电厂对锅炉的三级过热器和二级再热器的管道进行割管检查,过热器和再热器管道内光滑如初,没有任何氧化皮脱落和氧化物堆积的现象。同样,汽轮机在运行了30 个月后,通过性能试验的比对表明,从机组的第一次启动至今,汽轮机的内效率丝毫未变。

目前,外三公司又有一批新的重大节能创新技术完成了前期研究、项目策划。其中世界首创的“火电厂变频总电源技术”项目已建成投产,目前额定工况下的厂用电率可降至1.7% 以下。该技术同时还能使主汽轮机的运行效率有所提高。另外,下一步还有新的节能创新技术将结合机组检修分批实施。届时,外三电厂两台机组的能效水平还将不断提升。

值得一提的是,对于能显著提高机组效率的两次再热和700℃计划,高温蒸汽管道都是最大的障碍,针对这一问题,笔者提出了“一种高低位分轴布置的汽轮发电机”设计技术,采用这种专利技术,基于现有材料,按600℃等级蒸汽参数及二次再热方案考虑,结合外三电厂各项节能优化和创新技术,含脱硫及脱硝的机组净效率可达49%(循环冷却水温19℃)。其单位造价仍能控制在现有的一次再热超超临界机组的水平,而效率却已远超目前的700℃计划的期望值,极具商业价值。该方案目前已无任何技术瓶颈,无论是新建机组或对现有机组的大规模改造,该方案均为目前的上佳选择
 

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