欧洲高效燃煤电厂的特点及启示_叶勇健.docx

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1、第 32卷第 1期 电 力 建 设 Vol.32，No.l 54 2011 年 1 月 Electric Power Construction Jan， 2011 中图分类号 :TM 621文献标志码 :A文章编号： 1000-7229(2011 )01-0054-05 欧洲高效燃煤电厂的特点及启示 叶勇健，申松林 (华东电力设计院，上海市， 200063) Characteristics of European High Efficiency Coal Fired Units and Their Implications for Chinese Power Plant YE Yongjian

2、,SHEN Songlin (East China Electric Power Design Institute,Shanghai 200063, China) ABSTRACT: The development of European thermal power is a meaningful reference for technical development and improvement of Chinese thermal power. By reviewing the high-efficiency coal fired units in Europe and analyzin

3、g the technical features of typical coal fired plants, it is found that the European coal fired units are advanced in unit parameters and the generating efficiency is further improved through optimization of the turbine thermal circulation and heat recovery of boiler exhausting flue gas. It is propo

4、sed that the development of Chinese coal fired units of next generation shall be realized through a steady improvement of unit parameters rather than unit capacity and focus on improvement of unit efficiency by system innovation. The double reheating unit shall be developed in the near feature in Ch

5、ina. KEYWORDS:European coal-fired power plant;unit parameter; turbine thermal circulation optimization; heat recovery of boiler exhausting flue gas; large capacity unit; energy saving and environmental protection 摘要 ：欧洲火电发展对我国火电的发展方向和火电技术的提 高有着重要的借鉴意义。对欧洲高效火电机组发展经验进行 总结，并对典型电厂的技术特点进行分析，发现欧洲火电机组 注重机组

6、参数的先进性，并通过对热力系统的优化和对锅炉 烟气余热的利用进一步 提高机组的发电效率。建议我国下阶 段火电机组的发展应稳步提高机组参数、避免单纯追求机组 容量、注重通过系统的创新优化来提高机组效率、适时开展二 次再热机组的研发和建设。 关键 词：欧洲燃煤电厂 ;机组参数 ;热力系统优化 ;烟气余热利 用 ;大容量 ;节能环保 doi： 10.3969/j .issn. 1000-7229.201厂污染物的排放采取了越来越严格的限制措施，欧洲 老旧的火电机组已经无法满足环境保护的要求，再加 之欧洲大部分国家和民众对核电的抵触，使得建设新 的高效环保火电机组成为欧洲电力工业的 要选择 之一。德国

7、、英国、荷兰、比利时等西欧国家已在建设 大量的 8001 100MW火电机组，其发展高效火电机 组的成功经验值得研究和借鉴。 1欧洲高效火电机组的参数及容量的发展 德国在 20世纪末投运的一批燃煤机组代表了当 时世界上最先进的机组，表 11列举了 20世纪 90年代 德国典型机组的主要参数。世纪交替之际德国实施 了火电优化设计计划 (简称 “ BoA” 计划 )，该计划的 特点是针对德国火屯技术的发展情况和燃用褐煤的 特点，通过采用包括超超临界参数、褐煤干燥、冷端优 化、锅炉热力系统优化、汽轮机热力系统优化、烟气余 热利用等技术的集成，达到技术上最佳、经济效益最 好、重视环保的综合解决方案。

8、“ BoA” 计划共分为 3 期：其中第 1期的依托项目是 Niederaussem电厂 K号 机组，该机组已于 2002年投运 ;第 2期的依托项目是 表 1德国 20世纪年代典型的超 (超 )临界燃煤机组的 主要参数 Tab. 1 The main parameters of typical German (Ultra-) supercritical coal fired units in 1990s 参数 Schwarze Pumpe 电厂 Lippendorf 电厂 Boxberger 电厂 容量 /MW 2x855 2x933 1x910 主蒸汽压力 /MPa 26.8 26.95

9、26.6 主、再热汽温 /c 547/566 549/580 545/580 给水温度 /-C 273 270 274 锅炉型式 /煤种 塔式炉 /褐煤 塔式炉 /褐煤 塔式炉 /褐煤 汽轮机型式 单轴 /四缸四排汽 单轴 /五缸 六排汽 单轴 /五缸 六排汽 排汽压力 /kPa 4 3.8 2.91/3.68 投产日期 /年 1997/1998 1999/1999 2001 第 1期 叶勇健等 :欧洲高效燃煤电厂的特点及启示 55 Neurath电厂的 F、 G号机组，计划于 2010 2011年投 运，这 2个电厂的机组参数见表 23。进入 21世纪的 第 2个 10年，欧洲正在规划和建设

10、新一批的超超临界 机组。目前正在规划和建设的大型燃煤机组的容量 大致可以分为 800 MW和 1100 MW两个等级。据不 完全统计，正在规划和建设的 2种等级机组各有 10 台，部分新建机组的再热蒸汽温度将提高到 620C 表 2 Niederaussem电厂 K号机组和 Neurath电厂F、 G号 机组的主要参数 Tab.2 The main parameters of Niederaussem Power Plant unit K and Neurath Power Plant unit F&G 参数 Niederaussem 电厂 K号机组 Neurath 电厂 F、 G号机组 容量

11、 /MW 1 012 1 100 煤耗量 /(t-h-1) 805 847 厂用电率 /% 4.6 净热效率 /% 45.2 43 主蒸汽流量 /(t*h4) 2 620 2 871 给水温度 /C 294 292 汽机侧主蒸汽温度 /c 580 600 汽机侧主蒸汽压力 /MPa 26 26 汽机侧热再热蒸汽温度 /c 600 605 汽机侧热再热蒸汽压力 /MPa 6.2 5.5 为了在 2020年前后建成更高蒸汽参数的燃煤电 厂，欧盟实施了 “700 C计划 （ C.OMTES700) ” ，其主要 目标为发电效率由 47%提高到 55%(海水冷却 )和 52% (内陆电厂），将现有火电

12、机组的烟气污染物（包括 C02)的排放减少 40%。欧洲发电集 ME.ON计划投资 10多亿欧元在德国西北部的 Wilhelmshaven建设 1台 550 MW火电机组，主蒸汽温度为 700 C， 压力为 35 MPa, 再热热段蒸汽温度为 720 C，压力为 7 MPa5。 2欧洲部分机组系统设计特点 2.1丹麦 Nordjylland电厂 3号机组热力系统设计 特点 欧洲火电机组对汽轮机热力循环系统进行了很多 优化，提高了机组效率。根据机组参数情况，不局限于 3级高压加热器、 4级低压加热器、 1级除氧器的常规回 热形式。本文以目前世界上效率最高的机组之一 丹麦Nordjylland电厂

13、 3号机组为例进行说明。 Nordjylland电厂 3号机组于 1998年投入运行，机 组容量为 340 MW(发电 ） /420 MW(供热）。机组发 电效率（不供热时）和供电效率（不供热时）分别为 47%和 44.4%，热电联产效率为 90%。汽轮机为超超 临界 2次 再热机型，五缸四排汽，分別为：超高压缸 (VHP)、 高压缸 (HP)/中压 0缸 (IP0)合缸， 1个双流中 压缸(IP 1 V( IP2), 2个双流低压缸 (LP)。汽机侧主汽 压力和温度分别为 28.5 MPa和 580 C ， 一次高温再热 蒸汽和二次高温再热蒸汽温度均为 580 C。 主蒸汽 流量为 972

14、t/h(锅炉最大蒸发量工况 ），锅炉效率达到 95.2%。 电厂汽轮机热力系统见图 1(图中为方便表 示，将 HP/IP0合缸拆分示意 ） 。该机组采用了 100% 超 尚 压 旁 路 （ VHP bypass)，100%局压旁路 （ HP bypass), 100%低压旁路 (LPbypass)。 锅炉再热器安 全门采用了 2x50%容量的安全门 6。 图 1 Nonijylland电厂 3机组汽轮机热力机组系统 Fig. 1 Thennal system diagram of Nordjylland Power Plant unit No.3 为提高汽轮机热力系统效率，采取了以下措施： (

15、1) 采用了二次再热。 (2) 増加了回热级数。 (3) 在整个回热系统中共设置了 2级混和式加热 器，分别用于除氧和混和中压 2缸排汽、热网加热蒸 汽疏水及暖风器的疏水，混和式加热器避免了抽汽的 冷端损失。 (4) 加热器疏水尽量采用疏水泵输送到低压给水 中，也是为了避免抽汽的冷端损失。为此，该机组采 用了如下方法： 1)减少高压加热器的级数，只设置 2 级。2)增加低压加热器的级数。为了满足低压给水 能充分加热而不至汽化，在低压给水系统中增加了 1 个低压给水增压泵，增压泵前设置 4级低压加热器 (含 1个混和式加热器），增压泵后设置 4级低压加热 器 (含除氧器）。 (5) 回收所有设备

16、冷却水的热量。 (6) 在锅炉省煤器入口设置了蒸汽冷却器，用于 提高给水温 度。 值得注意的是， Nordjylland电厂 3号机组采用了 二次再热的热力系统。这是欧洲近 20年来唯一投运 的二次再热燃煤机组 （ 丹麦于 1997年在 Skerbek电 厂 3号机组投运了 1台 415 MW的二次再热燃气机 组 ） 。由于二次再热机组在汽轮机、锅炉和热力系统 56 电力建设 第 32卷 的配置上比一次再热机组复杂，因而投资増加。而就 当时二次再热的参数而言，机组效率提高不多，因此 二次再热机组在相当长一段时间内不被欧洲主流的 发电企业和主机制造商所看好。 然而近年来随着技术的提高，机组的参数

17、可以达 到主汽压力 35 1?3、温度 600( ：，再热汽温 620( ：的 等级，采用二次再热的汽轮机热耗可在目前超超临界 机组的基础上降低 3%，达到 7 100 kJ/kW以下。国内 某汽轮机制造厂的 600 MW等级超超临界二次再热 汽轮机方案也达到这样的水平。因此，随着一次能源 价格的不断上升，节能减排的动力将促使更多的国家 投入二次再热机组的开发和建设。 2.2德国 Niederaussem电厂 K号机组烟气余热系 统设计特点 德国的燃煤电站非常注重锅炉烟气余热利用，其 利用形式主要可以分为 3种：（ 1)烟气余热加热凝结 水。德国 Schwarze Pumpe电站的 855 M

18、W机组在脱 硫塔的进口设置了 1台热交换器，采用烟气加热凝结 水，德国 Lippendorf电厂的 933 MW机组也采用了类 似的系统。 (2)烟气余热加热空气预热器进口的一、二 次冷风。德国 Mehrum电站的 712 MW烟煤机组在脱 硫塔进口布置了烟气换热器用于加热空气预热器进 口的一、二次冷风。 （ 3)烟气余热加热高压给水、凝结 水和 一、二次冷风。这种烟气余热系统用于 Niederaussem电厂 K号机组，可节约发电标准煤耗约 7 g/(kW h)，机组发电效率提高约 1.4%，是目前烟气 余热利用率最尚的系统。 Niederaussem电厂 K号机组锅炉设置 2台回转式 空气

19、预热器，空气预热器进口的烟气温度约 350 C， 出口烟气温度约 160 C71。 烟气的余热利用系统分为 2个部分：第 1部分，约 33%的烟气不经过空气预热 器，直接进入旁路省煤器中，旁路省煤器包括低压凝 结水换热器和高压给水换热器，旁路省煤器中的烟气 分别与凝结水 (通过低压凝结水换热器 )和给水 (通过 高压给水换热器）进行热交换，加热凝结水和给水。 旁路省煤器布置在回转式空气预热器的旁边。无论 低压凝结水换热器还是高压给水换热器，均排挤了部 分汽轮机抽汽，在保持汽轮机进汽量不变的前提下提 高了汽机出力，在保持汽机出力不变的前提下，减少 了汽轮机进汽量。 旁路省煤器出口的烟气温度为 1

20、60 C，与回转 式空气预热器相同， 2路烟气汇合后通过除尘器进入 第 2部分的烟气换热器 烟气冷却器。烟气冷却 器布置在脱硫塔的进口。烟气冷却器是以水作为热 媒，对冷二次风和烟 气进行热交换。通过烟气冷却 器后烟气的温度降低到 100 C， 冷二次风加热后进 入回转式空气预热器再次加热，最终送入炉膛。由 于烟气的热量转换给了二次风，并由二次风带入炉 膛，相当于烟气的热量全部被锅炉吸收，热量利用效 率达到最尚。 该机组的烟气余热回收系统见图 2。 图 2 Niederaussem电厂 K号机组烟气余热回收系统 Fig.2 The flue gas heat recovery system of

21、 Niederaussem Power Plant unit K Niederaussem电厂 K号机组烟气余热系统的设 计十分巧妙。通过烟气冷却器将烟气温度从 160C 降低到 100 C， 烟气中 77.9 MW的热量通过加热二次 风几乎完全被锅炉吸收。然而，由于进入空气预热器 的冷二次风温度提高后，必须大大增加空气预热器的 换热面积才能满足对烟气的冷却，对于 1 MW机 组采用 2台大型空气预热器仍无法满足。因此该机 组只将部分烟气通过空气预热器，其余部分的烟气通 过旁路省煤器将烟气的热量传递到给水和凝结水。 由于给水温度高，高压给水旁路换热器的烟气出口温 度受到限制 ，为了进一步降低烟

22、气温度，采用了 “ 给 水 ” + “ 凝结水 ” 两级换热。对于低压凝结水换热器， 烟气进口温度达到 231 C，凝结水的抽出点温度高， 即可排挤更高抽汽压力的抽汽。采用旁路省煤器加 热给水和高温段的凝结水，提高了被排挤那部分抽汽 的做功能力，烟气热利用率也得到提高。 3对我国火电发展的启示 欧洲燃煤电站的发展注重参数的逐步提高、热力 系统的不断优化、节能减排、机组整体效率的提高，这 些理念和实践都处于世界领先的地位，对我国的火电 规划和设计有可借鉴之处。 3.1机组参数 以往我国火电机组的发展采用赶超战略，充分吸 收发达国家的经验，蒸汽温度从 538 C的超临界参数 一步跃上 600 C的

23、超超临界参数 由于有发达国 第 1期 叶勇健等 :欧洲高效燃煤电厂的特点及启示 .57 家作为 “ 前行者 ” ，我国实施参数跨越发展的风险是可 控的和较低的 1 。现在我国的火电参数已经接近发 达国家的火电参数，下一步参数如何提高可以借鉴欧 洲的经验。 欧洲的超超临界机组主蒸汽温度从 550 C，到 580 C， 再发展到 600 C,基本上是每 10年上 1个台 阶。再热蒸汽温度从 580 C发展到 600 C， 再发展到 620 C， 也是每 10年上 1个台阶。这种 “ 小步慢跑 ” 的 策略，兼顾了创新和稳妥两个方面。通过 10年的实 践可以充分发现材料、设计、制造上的问题，通过对经

24、 验教训的总结，为下一批机组在参数上小幅提高奠定 基础。 欧 洲 超 超 临 界 机 组 的 主 蒸 汽 压 力 一 般 为 27.5 MPa。 选择这样而不是更高的一次汽压力，是经 过锅炉、主蒸汽管道、给水管道、高压缸等整体的技术 经济比较决定的。一次汽压力的升高虽然能提高汽 轮机的效率，但是当压力达到超超临界之后，压力提 高带来的汽轮机效率的提高幅度越来越小，而压力的 提高增加了锅炉压力部件、主蒸汽管道、给水管道、汽 轮机高压缸的设计压力，带来材料成本上升，尤其是 耐高温的热强钢的成本上升。另外，单纯提高主汽压 力，不同步提高再热蒸汽温度，对于一次再热机组将 导致汽轮机低压缸排汽湿度增加，

25、对汽轮机末几级叶 片的运行有不利影响。 在材料没有取得突破性进展的前提下，我国超超 临界机组的参数也可以采用 “ 小步慢跑 ” 的策略，逐步 逼近材料的使用极限温度。下一个 10年，我国超超 临界机组的主蒸汽温度宜维持在 600 C，再热蒸汽温 度可比主蒸汽温度提高 1020 C， 达到 620 C水平。 主蒸汽压力可从 25 MPa提高到 28 MPa。 3.2机组容量 前 20年和今后 5年欧洲超超临界机组的最大容 量均保持在 1 000 MW左右。从 20世纪 90年代的 900 MW到规划 2015年前投运的 1 100 MW机组和 800 MW机组，欧洲火电机组容量在 25年中没有明

26、显 的增长。从 “ BoA”计划到 “700 C” 计划，欧洲火电发 展更关注机组效率、节能和环保。 机组容量的进一步扩大，受制因素很多， 如锅炉 超大型大板梁的制作和安装、锅炉超超临界参数下 的超大型联箱的制造、汽轮机多汽缸轴系的稳定性、 发电机最大出力的限制、发电机和主变压器电压等级 的限制、超大型设备的运输条件限制等。建设更大容 量的机组，将面临上述技术风险的叠加。虽然欧洲 主要的主机制造厂都宣称有能力生产 1 200 MW及 更大容量火电机组，但是欧洲的电力公司并不热衷 于投资更大单机容量的火电机组，或许也是考虑了 上述风险。 我国是能源消耗大国，同时也是能源供应和土地 供应紧张的国家

27、，我国火电的发展应该从单纯地追求 机组容量的思维中解放 出来，采取容量和效率并举的 方针。今后 10年我国大容量机组宜以 1 000 MW等 级机组为主力机型。 3.3汽轮机热力系统的优化 通过对汽轮机热力系统的优化，可在不提高机组 参数的前提下提高汽轮机的循环效率。与提高机组 参数相比，优化汽轮机的热力系统具有投资小、技术 风险小、实现相对容易等优点。由于受材料的限制， 机组参数在近期没有突破性发展的可能，因此热力系 统的优化值得认真研究。提高汽轮机热力系统效率 的手段主要有： （ 1)提高汽轮机进汽参数； （ 2)増加再 热次数； （ 3)增加回热级数； （ 4)提高给水温度； （ 5)降

28、 低排汽参数； （ 6)减少疏水冷端损失。今后设计汽轮 机热力系统，除了采用第 1种手段外，应该加强对其 他手段的应用研究。 根据丹麦 Nordjylland电厂的经验，以及近期国 内外汽轮机厂二次再热机组的方案，采用二次再热技 术汽轮机的热耗将有较大幅度的降低。近年来一次 能源价格大幅提高，而设备价格下降，材料技术、设备 制造技术和机组控制技术都有了很大的进步，二次再 热的价值必将被重新认识。 欧洲的一些火电厂通过冷端优化、充分利用回热 抽汽的过热度、加热器疏水回用、采用混和式加热器 等方法提高汽轮机系统 的热效率。这些手段对于打 破常规的汽轮机热力系统模式有着借鉴作用。 3.4烟气余热利用

29、 国内电厂的烟气余热回收系统采用了烟气加热 凝结水的方法，烟气的热量利用率仅为 15%20%，远 低于德国一些电厂（如 Niederaussem电厂）的烟气余 热利用效率。这是由于德国电厂大多以褐煤作为燃 料，锅炉排烟温度高。国内烟煤锅炉的排烟温度一般 在 120 150 C之间，限制了被加热的凝结水温升和凝 结水抽出点的位置，被排挤的汽机抽汽做功能力有 限。因此，烟煤锅炉的烟气余热利用不能局限于加热 凝结水这种简单模式。 Niederaussem电厂利用给水、 凝结水、锅炉进风等多种手段回收烟气余热，这种设 计思路值得学习。提高烟气余热利用效率一方面应 尽量将烟气的热量回收到机组热力系统中，

30、另一方面 也可采用梯级利用的方法，回收高品质的热量，而将 低品质的热量用于其他用途，如干燥原煤、加热取暖 用水、用于海水淡化等。 58 电力建设 第 32卷 4结语 欧洲发达国家在火电发展的过程中注重燃煤电厂 的节能减排、逐步提高机组参数，同时注重通过对热力 系统的优化、对锅炉烟气余热的利用以提高机组效率， 降低煤耗。我国在发展下一代的高效火电机组和对现 有机组改造中，可借鉴欧洲火电发展的先进思路。 5 参考文献 1J工小平 .德国 Boxberg发电厂 900 MW超临界汽轮机 J.国际电 力， 2002(2): 30-34. 2 Habermann M, Gotte C, Scheffkn

31、echt G, et al. Supercritical lignite-fired boiler for RWEJ s new 1 100 MW unitC. Power-Gen Europe Europe Conference, 2004. 3 Heitmuller R J. Lignite-fired Neideraussen aims for efficient of 45 and more J. Mordem Power System, 1999(5) ： 53-66. 4 Klotz H， Brandt C. Alstom s largest and most advanced s

32、team turbine generator set for E.ON s power plant DATTELN 4C. Power-Gen Europe Conference, 2008. 5 叶勇健 .1 200 MW及以上超超临界机组主机选型报告 R.上海： 华东电力设计院， 2010. 6 叶勇健，申松林，陈仁杰 .赴德国、丹麦超超临界二次再热机组技 术交流及考察报告 R.上海 :华东电力设计院， 2009. 7 Rusenberg D, Heitmuller R J, Scheffknecht G, et al. Boiler design for brown coal fired

33、 unit Neideraussen KC. Power-Gen Europe Conference, 2002. 8 何文珊 .华能玉环电厂 1 000 MW超超临界汽轮机特性 J.电力建 ,2007,28(10:70-72. 9 叶勇健，何振东 .华能玉环电厂 1 000 MW超超临界锅炉特性J. 电力建设， 2007， 28 (11): 66-69. 10 张建中 .我国 (超 )超临界火电机组实际投运水平 评述 J.电力建 设， 2009,30(4): 1-9. 收稿日期 ： 2010-09-20修回日期 ： 2010-11-05 作者简介： 叶勇健 (1973)，男，硕士，高级工程师，长期从事火力发电厂热机 设计工作， E-mail: ; 申松林 (1972)，男，本科，高级工程师，长期从事火力发电厂热机 设计工作， E-mail: (责任编辑 :何鹏）