探索火電大機組的增效與減排——外高橋第三電廠的節能及環保技術馮偉忠上海外高橋第三發電有限責任公司上海申能能源科技有限公司二○一四年四月1報告提綱:一、背景和需求二、國外先進煤電機組三、外高橋第三電廠的節能技術及成效四、節能減排技術案例

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防止機組效率的下降——SPE綜合治理系列技術4.2

火電機組集中式變頻總電源技術

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節能型全負荷脫硝技術五、下一階段的研究和發展方向22報告提綱:一、背景和需求二、國外先進煤電機組三、外高橋第三電廠的節能技術及成效四、節能減排技術案例

4.1防止機組效率的下降——SPE綜合治理系列技術4.2火電機組集中式變頻總電源技術4.3節能型全負荷脫硝技術五、下一階段的研究和發展方向33煤炭——是目前以至今后相當一段時間內世界上最主要的一次能源，也是最大的二氧化碳排放來源，同時也是重要的大氣污染源。近來頻繁的霧霾，更使煤炭成為矛盾的焦點。為應對全球變暖和環境污染，節能減排已成為國際社會的共識，中國政府承諾，到2020年，單位國內生產總值(GDP)二氧化碳排放（碳排放強度）比2005年下降40%至45%。4由于中國已探明的一次能源中煤炭占了近90%的特殊性，以及煤電總裝機容量已達9億千瓦的現實，為協調好環境與電力發展的矛盾，煤電行業的高效化和發展節能減排技術應作為我國長期的發展戰略。一、背景和需求4報告提綱:一、背景和需求二、國外先進煤電機組三、外高橋第三電廠的節能技術及成效四、節能減排技術案例

4.1防止機組效率的下降——SPE綜合治理系列技術4.2火電機組集中式變頻總電源技術4.3節能型全負荷脫硝技術五、下一階段的研究和發展方向55丹麥：Nordjlandsvarket3號機29MPa/580℃/580℃/580℃冷卻水溫10℃背壓2.3KPa德國Boxberg電廠910MW機組

Boxberge容量(MW)1×910爐型/燃料塔式/褐煤最大蒸發量(T/h)2422主蒸汽參數(Mpa/℃)26.6/545℃再熱蒸汽參數(Mpa/℃)5.8/580給水溫度（℃）274排汽壓力（kPa）3.3（2.91/3.68）末級葉片長度（mm）977(38.5'')投產時間2001Boxberg

910MW機組2004年平均供電煤耗289.8克/千瓦時9日本新磯子電廠1號機容量：600MW；塔式鍋爐（日本國產）蒸汽參數：25MPa/600℃/610℃汽輪發電機制造商：德國SIEMENS，三缸二排汽

日本新磯子電廠1號機組熱效率變化趨勢40.7%（301.8克/千瓦時）40.3%（304.8克/千瓦時）報告提綱:一、背景和需求二、國外先進煤電機組三、外高橋第三電廠的節能技術及成效四、節能減排技術案例

4.1防止機組效率的下降——SPE綜合治理系列技術4.2火電機組集中式變頻總電源技術4.3節能型全負荷脫硝技術五、下一階段的研究和發展方向1213上海外高橋第三發電有限責任公司，建設兩臺1000MW超超臨界機組，2005年9月開工建設，2008年6月全部建成。鍋爐：

塔式，超超臨界，一次再熱，平衡通風，四角切圓燃燒，螺旋水冷壁，固態排渣燃煤（粉）鍋爐。爐頂標高129m。由上海鍋爐廠引進德國ALSTOM技術并生產。基本參數：主汽壓力：28MPa，主、再熱蒸汽溫度：605℃/603℃，額定蒸汽流量：2732T/H主設備概況14汽輪機：超超臨界，單軸，四缸四排汽，反動式，雙背壓，凝汽式汽輪機。由上海汽輪機廠引進德國SIEMENS技術并生產。基本參數：主蒸汽壓力：25.86MPa，主、再熱蒸汽溫：600℃/600℃，

功率：1000MW工程概況主設備概況15公司從建廠起，就以工程為契機，以節能減排為重點，開展了一大批綜合優化和科技創新項目。這些節能減排技術涵蓋了系統設計優化；設備改進；研發專門節能設備；機組啟動和運行方式及控制策略的優化和創新等。由于部分技術不但節能和減排效果顯著，還因簡化了系統，提高了安全性，且顯著降低了投資，故項目的總投資并不因為這一系列技術的實施而增加。機組投產后，為進一步提升機組的環保水平，同時又能兼顧機組能耗和運行費用的降低，幾年來，又先后研發和實施了“零能耗脫硫技術”；“節能型高效除塵技術”以及“節能型高效全天候脫硝技術”等，使機組的節能和環保水平又有了新的飛躍。目前外三機組的理論凈效率（含脫硫、脫硝）已提升至46.5%

，這已與目前700℃計劃的期望效率相當，在世界上遙遙領先。16原世界運行效率最高的丹麥Nordjylland電廠3號411MW兩次再熱，低溫海水冷卻機組，2009年供電煤耗（不含供熱）286.08克/千瓦時（凈效率42.93%），平均發電負荷率89%。折合75%負荷率下的供電煤耗288.48克/千瓦時。1717報告提綱:一、背景和需求二、國外先進煤電機組三、外高橋第三電廠的節能技術及成效四、節能減排技術案例

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防止機組效率的下降——SPE綜合治理系列技術4.2火電機組集中式變頻總電源技術4.3節能型全負荷脫硝技術五、下一階段的研究和發展方向18184.1、防止機組效率下降——SPE綜合治理系列技術遭氧化皮阻塞的管子被固體顆粒侵蝕的葉片被固體顆粒侵蝕的旁路閥芯管道的蒸汽側氧化；氧化皮阻塞引起的爐管超溫和爆管；氧化皮破碎形成的顆粒引起的汽輪機葉片及旁路閥芯等侵蝕（固體顆粒侵蝕SPE），導致機組效率不斷下降，是超（超）臨界機組面臨的突出問題，并已經困擾國際發電技術領域幾十年。中國近年來投產的超臨界和超超臨界機組也出現了這方面較嚴重的傾向，若不加以重視，相當部分的節能減排成果就會被其吞噬。19節能減排技術案例一德國原運行效率最高的Niederaussem電廠1025MW超超臨界機組，投產僅一年，就因SPE問題，其高壓缸的內效率就下降了3.6%世界設計效率最高的丹麥NORDJYLLAND電廠3號機組（411MW，兩次再熱，超超臨界，低溫海水冷卻，排汽壓力2.3kPa），如果不是因為嚴重的SPE問題，機組在89%發電負荷率下的運行效率不應低于外三機組。日本運行效率最高的磯子電廠新一號機600MW超超臨界機組，設計含脫硫、脫硝的凈效率43%（供電煤耗285.7克/千瓦時），在全年大部分時間都是滿負荷運行的情況下，其運行效率最高的年份（2002年）的實際運行凈效率也僅為40.7%（供電煤耗301.8克/千瓦時）。這里也明顯反映出了SPE的影響。20隨著我國超（超）臨界機組的大規模建設，以及一些機組系統設計及啟動方式的不當，這一問題也日益突出。除了因氧化皮阻塞引起的爐管超溫和爆管事故呈頻發之勢外，其隱形的后果——固體顆粒侵蝕導致的機組效率下降也已逐步顯現，部分機組已相當嚴重。以下是3個1000MW超超臨界項目（并網2～2.7年后）在線運行汽耗的比較：8月中旬對比機組配置負荷給水流量汽耗比A電廠2臺1000MW∏型爐有調節級汽輪機一級旁路949.9MW2902.1T/h1.0951/3.0552+9.51%B電廠2臺1000MW∏型爐無調節級汽輪機40%/65%旁路966.5MW2828.6T/h1.049/2.9266+4.9%外三電廠2臺1000MW塔式爐無調節級汽輪機100%/65%旁路950.7MW2652.3T/h1.0/2.789821針對這類問題產生的機理進行了全面和深入的研究，提出了綜合治理的技術路線，其基本思路為：1、應設法防止和減緩高溫蒸汽金屬氧化物的生成；

2、對于已生成的金屬氧化物應避免其脫落；

3、對已脫落的金屬氧化物應盡快予以清除；

4、對未能清除的金屬氧化物應盡量減輕其對汽輪機葉片的破壞等。根據這一思路和技術路線，研發了一整套所謂的中醫全身療法的蒸汽氧化和固體顆粒侵蝕綜合治理的系列技術，他涵蓋了系統設計、設備選型、施工及調試、機組控制、啟動和運行方式等方面的一系列的改進和創新。從而使這一困擾了世界發電領域幾十年的頑癥被徹底根治蒸汽氧化及SPE預防系列技術22600MW亞臨界機組末級過熱器氧化皮阻塞德國Niederaussem電廠1025MW鍋爐再熱器氧化皮某1000MW超超臨界塔式爐末級過熱器彎頭處堆積氧化皮900MW超臨界鍋爐再熱器管高溫段運行一年后割管檢查外高橋三發電鍋爐運行30個月后爐管情況外高橋三發電鍋爐運行30個月后爐管情況23某600MW超臨界機組被固體顆粒嚴重侵蝕的汽輪機葉片某600MW超臨界機組被固體顆粒侵蝕的汽輪機葉片某600MW超臨界機組被固體顆粒侵蝕的汽輪機葉片運行30個月后，外三機組汽輪機葉片24報告提綱:一、背景和需求二、國外先進煤電機組三、外高橋第三電廠的節能技術及成效四、節能減排技術案例

4.1防止機組效率的下降——SPE綜合治理系列技術4.2

火電機組集中式變頻總電源技術4.3節能型全負荷脫硝技術五、下一階段的研究和發展方向25254.2、火電機組集中式變頻總電源技術由于上海地區煤電的調峰范圍大，達40-100%，在低負荷時，輔機均處于低效運行工況，若能進行變速運行，其運行效率將大為改善。但傳統的電子式大功率高電壓變頻技術，可靠性低，占地大，性價比較低。集中式變頻總電源技術，利用單獨設置的轉速可調的小汽輪機推動一個發電機，通過改變小汽輪機的轉速，從而改變發電機輸出的交流電的頻率。這個發電機為連接在同一母線上的所有輔機提供變頻動力電源。與此同時，所有連接在該母線上的輔機都連接有一路工頻電源，作為備用。集中式變頻總電源根據機組的負荷情況，為連接在其上的所有輔機提供初步調整的調頻電源，每一個輔機上的調節結構如閥門、擋板各自進行微調，以保證滿足生產要求。26節能減排技術案例二26本集中式變頻電源的小汽輪機為凝汽式，自帶凝汽器。汽源取自主汽輪機抽汽。兩臺機組的變頻總電源系統已于2013年全部建成投產，目前的廠用電率已降至2%水平。集中式變頻總電源原理圖2727機組變頻總電源系統2828報告提綱:一、背景和需求二、國外先進煤電機組三、外高橋第三電廠的節能技術及成效四、節能減排技術案例

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節能型全負荷脫硝技術五、下一階段的研究和發展方向29294.3、節能型全負荷脫硝技術外三兩臺鍋爐配置的脫硝裝置，采用選擇性催化還原法(SCR)工藝。反應器采用高飛灰布置方式，位于省煤器與空預器之間。催化劑為美國康寧公司生產的蜂窩式催化劑。用液態純氨作還原劑，與煙氣中的NOx進行反應生成氮氣和水，從而降低煙氣中的NOx排放。第一臺SCR的催化劑布置按三層設計，實裝2層共550m3，設計壽命16000小時。與機組同步建設。第二臺SCR與2013年6月完成改造并投產。節能減排技術案例三30

SCR脫硝運行低負荷退出問題：中國發電的主要方式為煤電，其調峰不可避免。上海的調峰范圍為40~100%。在低負荷下的SCR工作煙溫將不能維持，SCR不得不退出運行，但此時鍋爐的NOx產生濃度高達額定負荷時的2-3倍。這意味著在更需要脫硝的情況下，SCR反而卻不能作為。機組負荷曲線NOx排放量31國外解決SCR連續運行的措施：1、裝有SCR裝置的大型火電機組維持在較高負荷運行。2、加裝鍋爐省煤器旁路煙道。在省煤器前直接引一部分煙氣至SCR裝置，提高低負荷下的SCR入口煙氣溫度以維持其運行，這種方法的代價是煤耗顯著增加。3、將鍋爐的省煤器設計成兩部分，其低溫部分置于SCR出口側，將SCR布置于煙氣溫度較高的區域，從而解決低負荷煙溫過低無法運行的問題。由于偏離了催化劑的最佳反應溫度范圍，脫硝效率會有所下降。此外，該方法僅適用于新建機組。

3233彈性回熱技術——可調式抽汽補充加熱鍋爐給水于高壓缸處選擇一個合適的抽汽點，并相應增加一個抽汽可調式的給水加熱器在負荷降低時，通過調節門可控制該加熱器的入口壓力基本不變，從而能維持給水溫度基本不變。回熱抽汽補充加熱鍋爐給水流程圖回熱抽汽補充加熱鍋爐給水原理圖解決方案：34彈性回熱技術的作用及成效：1、解決了SCR低負荷運行的世界難題。低負荷下省煤器入口水溫的提高，使其出口煙溫相應上升，可確保SCR在全負荷范圍內處于催化劑的高效區運行，2011年的外三脫硝系統全年投入率達98.54%，真正實現了全天侯脫硝。經上海市環保局統計，外三一臺機組全年的NOx減排量超過了上海同類兩臺機組。2、使環保和節能達到完美統一。低負荷下汽輪機抽汽量的增加，提高了熱力系統的循環效率。根據SIEMENS計算，在50%負荷工況下，可降低汽輪機熱耗57kJ/kw，相當于降低煤耗2.18克/千瓦時，投資可在3年內回收。3、提高鍋爐水動力安全性。省煤器入口水溫的提高，使省煤器出口即水冷壁入口水溫亦相應提高，減少了水冷壁入口欠焓，顯著提高了低負荷工況下的水動力特性，大大提高了水冷壁的運行安全性。354、提高鍋爐低負荷燃燒效率和穩燃性能。省煤器出口煙溫的上升，通過空氣預熱器，相應提高了一次風和二次風的熱風溫度，即提高了制粉系統的干燥出力，又改善了低負荷下鍋爐的燃燒效率和穩燃性能，提高了安全性。5、顯著提高機組的調頻能力和調頻經濟性。在機組需快速加（減）負荷時可使用抽汽調節閥快速減少（增加）抽汽量予以響應，待鍋爐熱負荷跟上后，再進行反向調節，最終仍滿足平均給水溫度不變。結合凝結水調頻技術，可使汽輪機主調門全開，補汽閥全關，機組調頻性能和變負荷經濟性顯著提高。6、提高機組調頻運行的安全性。由于鍋爐省煤器重達2000T，其巨大的蓄熱量可使其出口溫度在這調節過程中保持不變。而因省煤器及入口聯箱等均為碳鋼和低合金鋼，抗溫度變化（應力）能力遠優于采用合金鋼的過熱器、再熱器和相關聯箱等。故該調頻技術的安全性遠勝于傳統的汽輪機調門調節方法。彈性回熱技術的作用及成效36歐盟新國標燃氣輪機外三原國標37報告提綱:一、背景和需求二、國外先進煤電機組三、外高橋第三電廠的節能技術及成效四、節能減排技術案例

4.1防止機組效率的下降——SPE綜合治理系列技術4.2火電機組集中式變頻總電源技術4.3節能型全負荷脫硝技術五、下一階段的研究和發展方向38387.1為確保節能減排技術的可持續發展，我們堅持“研究一批，儲備一批，實施一批”的戰略。目前，“外三”又有多項新的重大節能減排創新技術完成了理論研究和項目策劃。這些項目將結合每年的機組檢修分批實施。屆時，“外三”兩臺機組的能效和環保水平還將進一步提升。七、下一階段研究和發展方向：397.2、根據“一種高低位分軸布置的汽輪發電機”專利技術，研發新一代高效超臨界機組背景：發展更高效的兩次再熱及700℃高效超臨界機組，均遇到高溫高壓主蒸汽及再熱蒸汽管道造價昂貴等與管道相關的瓶頸問題技術核心：采用雙軸汽輪發電機，將其中的高（中）壓缸軸系布置于鍋爐上靠近過熱器和再熱器的出口聯箱處，（中）低壓缸軸系則仍按常規布置。技術優勢：取消了大部分高價值的高溫高壓蒸汽管道，從而也相應消除了這部分管道對應的壓力和散熱損失。該技術尤適合于二次再熱機組和700℃高效超臨界機組。

40401350MW、二次