干净煤电皇城国际行专题报道
 
倪维斗:中国煤炭干净高效发电之路需做四件事
2014年09月24日
 
  编者按:近日,我国出名动力机械工程专家、清华大学原副校长、中国工程院院士、中国动力学会会长倪维斗先生投文本报,就我国煤炭干净高效发电之路,提出全面建议。以下登载全文,以飨读者。

  习近平同志比来强调:动力平安是干系国度经济社会成长的全局性、策略性问题,对国度繁荣成长、人民糊口生计改善、社会长治久安至关次要。面临动力供需格局的新变化、国际动力成长新趋向,保障国度动力平安,必需推动动力生产和消费革命。

  鼎新开放以来,我国电力行业跟着国民经济持久保持高速成长,总装机容量从1978年的5700万千瓦,添加到2013岁尾的12.4亿千瓦,年平均添加速度接近10%,总量添加20多倍。动力和环境问题日趋严峻。现实上,中国在这个问题上已被逼到“墙角”,是“矛头”的指向。煤炭占领我国动力消费总量的66.6%,此刻是、将来(直到2050年或更晚)仍然是我国动力的主力,这是我国动力禀赋国情决定的。推动动力生产革命,就必需走煤炭干净高效把持之路。

  而中国的煤炭有47%用于发电,将来可能添加到70%,因而,煤炭的干净高效把持,最终又一次要落实到煤炭干净高效发电上来。

  中国电力行业这几十年来在技术层面上也曾经取患了环球瞩方针成绩,主力机型从高压、超高压,成长到亚临界、超临界,直至当期的超超临界;平均供电煤耗从1978年的470克/千瓦时逐步下降到2013年的321克/千瓦时。将来煤炭干净高效发电之路应怎样走?需要做好四件事:第一,斗胆立异,勤奋开辟各类前辈发电技术,鞭策煤炭干净高效发电技术的全面成长;第二,鼎新掉队产能,深度挖掘在役机组的节能潜力,提高燃煤机组的全体效益;第三,鼎力研发机能监测技术,为生产办理和运转优化供给丰盛、全面的机能数据和及时运转环境,以保障电力设备平安、高效运转;第四,开展生产办理优化、运转编制优化,提高电力生产消息化、智能化程度,向科学办理和高效运转要效益。

  开辟前辈发电技术

  截止到2013岁尾,我国火电装机容量占总装机容量的69.13%,估计到2020岁尾,我国总装机容量将达17亿千瓦,火电装机容量仍将占64%摆布,这就意味着火电装机容量需要从今朝的8.6亿千瓦添加到约11亿千瓦。将来新建机组将采用什么样的形式,什么样的参数,是一个很是值得关怀的问题。从19世纪末,当代火力发电技术成型以来,提高发电厂效率不断是电力技术界不懈的追求。跟着材料技术的不竭前进和热能动力理论的日臻完满,蒸汽的参数履历了低压、中压、高压、超高压、亚临界、超临界直至超超临界的成长过程。而热力系统也从纯真的朗肯轮回成长为回热轮回、再热轮回。

  跟着效率的提高,发电机组的单元造价也在不竭攀升,出格是二次再热机组,虽然已属成熟技术,但系统复杂,投资高。在今朝的技术前提下,与一次再热比拟,其获得的效率收益难以弥补投入的添加。上世纪90年代末,美、日、欧等制定了下一代高效超临界机组的成长筹算,期望成长以镍基超等合金为底子的700℃等第一次再热或两次再热高效超临界技术,中国今朝也已制定了本人的700℃筹算。与现有600℃超超临界机组比拟,效率能够再添加3%。

  成长高参数的机组,耐热合金是底子,但代价也随之百尺竿头。700℃等第镍基超等合金极其高贵。以主、再热蒸汽管道为例,用于700℃的Alloy263合金代价为用于600℃的P92的约9~10倍。按估算,与现有600℃等第机组比拟,700℃电厂的造价约为前者的1倍。与获得的收益比拟(效率升高3%,相当于煤耗下降20克/千瓦时),贸易价值很差。

  那么参数提高是不是独一的路子?“外三”电厂提出的凹凸位分轴安插汽轮发电机组很好地回覆了上述问题。针对二次再热机组添加了压力较低的大直径二次再热管道带来的安插坚苦、代价高贵、添加了系统阻力、添加了散热丧失、大大添加了系统储存的蒸汽量、显著添加了汽轮机负荷调理惯性等诸多问题,“外三”提出把汽轮机的高、中压汽缸放到锅炉上去。高压缸、第一中压缸的高位安插消弭了主蒸汽管、第一冷再热蒸汽管、第一热再热蒸汽管和第二冷再热蒸汽管,不只能够充实阐扬二次再热机组的劣势,又一次省去了高贵的高温管道成本,削减了管道的阻力丧失,同时又一次能够提高机组的设想容量。经由“外三”电厂的开创性设想,初次将汽轮机的设想热耗降低到7000千焦/千瓦时以下。可见常规的思绪不必然是合适成长的最优思绪,打破常规思维,开辟新法子往往能出奇效。

  超超临界蒸汽电站(USC)是不是煤炭高效把持的独一重点标的目的呢?欧盟AD700筹算(37.5MPa/700℃/720℃,η=52~55%),自1998年已开展了10余年,因其须使用大量高贵合金材料而至今未贸易化。我国28MPa、600℃超超临界参数锅炉所用的材料P91、P92次要靠进口。若要进一步提高蒸汽温度(如720℃或以上)和响应压力,在材料方面会有更高的要求,材料的代价是一大环节。

  别的,煤间接燃烧的烟气中CO2浓度低、压力低、处置的烟气体积流量大,从烟气里收集CO2价格很大。按今朝的技术,CO2捕捉和埋存使整个燃煤发电效率降低11个百分点,投资将添加1倍。燃煤超超临界蒸汽发电从技术、经济、常规污染物的脱除、CO2减排上都具有必然先本性的缺陷。而全体煤气化结合轮回发电(IGCC)技术则正好处理了这个问题。

  IGCC源自于20世纪70年代西方国度在石油危机期间起头研究和成长的一种技术,经由将煤转化为粗煤气,然后颠末除尘、脱硫等净化工艺成为干净煤气,再供给燃气轮机做功发电,燃气轮机排气给余热锅炉,发生的蒸汽去汽轮机做功发电,从而完成结合轮回发电。由于其特殊的处置过程,导致IGCC具有如下长处:1)排放低,脱硫效率达到98%,脱氮效率达到90%,粉尘排放接近于零,碳排放可削减1/4;2)效率高,其示范电站效率42%~46%,净效率具有逾越50%的潜力;3)耗水量比常规蒸汽轮回电站节水30%~50%;4)燃煤后废料处置量少,脱硫后又一次可副产元素硫或硫酸;5)可进行煤炭本钱分析把持,按照需要进行多联产,将煤气转化为热能,燃料气和化工产物,并进行碳捕捉,完成接近零排放等。

  颠末上世纪70年代的第一代增压锅炉型结合轮回/余热锅炉型结合轮回,20世纪90年代的第二代水煤浆/干粉供煤编制、纯氧气化、常规湿法+部门高温净化煤气和再热蒸汽轮回等编制,颠末不竭的试验调试,技术攻关,IGCC起头从贸易示范走向贸易使用阶段。今朝生界范畴内可完成IGCC净效率约43%~45%,投资成本900~1300美元/千瓦摆布。第三代IGCC技术将采用前辈干粉煤气化技术(输运床,流化床),空气气化,高温净化煤气,并采用更高级别燃气轮机等技术,使得其机能和经济目标都大大提高。

  采用GE公司9H型燃气轮机和颠末优化设想的IGCC方案,其净效率预期能够达到51%。但由于IGCC电站造价昂扬,如皇城国际公司在天津建成一套26.6万千瓦的IGCC电站,首套单元造价为12000元/千瓦,而常规超临界机组的造价仅为4000元/千瓦摆布,所以以气化为底子的IGCC只用于发电在经济上有较大问题,暂不适合推广。

  若是以煤气化技术为核心,经由化工合成与动力生产过程的集成耦合,开展煤炭物质和能量梯级转化与把持多联产,一方面其技术上有优良承继性和可行性,有优良经济效益和环保机能,另一方面,其具有捕碳的本性,是完成将来碳捕捉和埋存的路子,对于中国以至世界都具有很是次要的策略意义。采用煤气化多联产方案,无需特殊的技术冲破,易与天然气化工过程跟尾,富集的二氧化碳容易捕捉和分手,这是中国碳减排的策略标的目的。煤气化多联产过程相互耦合,完成能量流、物质流等总体优化,电力与化工在运转中可起相互调峰的传染感动。如采用化工生产与动力过程的串联耦合无水煤气变换的编制,尽可能把持合成气的高温显热,采用离子膜分手制氧技术降低制氧的能耗,再配以1700摄氏度燃气轮机技术,水煤浆预热技术等,能够将系统效率提高到57.3%。

  煤气化多联产技术具有如下诸多长处:1)结合生产多种产物,效率提高有助于缓解动力总量要求,采用高硫煤拓展了煤炭本钱的把持;2)有助于缓解液体燃料欠缺,能够大规模地生产甲醇、二甲醚、F-T合成油和氢等替代燃料,缓解石油进口压力;3)可完全处理燃煤污染问题,消弭常规燃煤污染物排放,重金属等痕量污染物脱除更经济;4)有助于处理快速城市化惹起的小城镇和农村干净动力问题:为具有天然气管道的城镇供给城市煤气,煤制DME能够作为LPG的弥补或替代物,很可能是小城镇特别是室第高度分离的农村地域的最终动力处理方案;5)满足将来碳减排的需要,煤气化系统能够以较小的成本捕碳。

  煤气化多联产技术在煤炭干净高效把持方面与电化共轨有很大潜力,是次要标的目的。

  鼎新掉队产能

  今朝我国30万千瓦以下燃煤机组高达1.7亿千瓦摆布,供电煤耗较高,严峻影响平均发电煤耗程度,是节能减排的严重障碍。

  30万千瓦等第亚临界机组大约有2.5亿千瓦,此中相当部门(出格是2000年前投产机组)供电煤耗比全国平均供电煤耗高十几、几十克/千瓦时。这些机组有的承担供热功能,有的是燃烧劣质煤的轮回流化床机组,并且大部门机组的服役刻日又一次灿忠淮位长。若是全数裁减,会构成复杂经济丧失,但继续运转又对我国全体节能减排工作构成较大影响,对其进行高效化鼎新是较好选择。

  汽轮机通流鼎新在国内曾经遍及使用,是比力成熟的技术。如北京全三维公司和全四维公司开展的30万千瓦亚临界汽轮机组颠末高效化通流鼎新后,供电煤耗可降低10克/千瓦时以上。对于30万千瓦以下供热机组,若是能将其鼎新为背压机组,虽然其发电效率不高,但乏汽的热能可全数把持进行供热,经济上是个不错的选择。其它如汽封鼎新、空预器鼎新、电除尘鼎新、烟气余热把持、变频鼎新等,技术相对成熟,前提具有的应遍及采用。但也需分析考虑机组的全体机能,以及生命周期的总体经济性,对症下药。

  在线监测与机能诊断

  我国燃煤发电量占比近80%,是世界上煤电比例最大的国度,美国仅为45%,

  日本为27%。这类特有的电源布局必然导致我国燃煤机组因承担电网次要调峰功能,而持久、屡次处于负荷调整变化情况。

  同时,由于我国煤质、煤种地域不同较大,煤质环境复杂,入炉煤种受煤炭市场影响和成本压力而持久处于波动情况。别的,冷端系统受环境变化影响较大,特别是北方干旱地域采用空冷冷却的机组,受大风等影响难以不变运转。

  负荷变化、煤质波动、环境变化等要素,使得我国机组难以维持不变运转,对机组的运转优化也带来很大坚苦,惹起机组全体运转煤耗偏高。因而,成长精细化的全工况在线机能监测技术,包罗煤质监测、风量监测、燃烧监测、氧量监测、排放监测、热力系统部件级机能监测、全厂机能及时监测,为机组在全工况范畴内平安、高效率运转供给底子数据,是我国燃煤机组高效化运转的必然出路。

  今朝国表里具有一些风量监测、煤粉监测等技术,有些曾经获得较多的使用,如煤量在线监测、风量在线监测等,但总体又一次不是出格成熟。清华大学研发的在线监测与诊断技术、“炉温3D测控技术”和煤质的激光诱导击穿光谱丈量技术 (LIBS技术)可别离完成电厂系统部件级的机能在线监测、炉膛火焰的三维温度分布环境及时监测与煤质快速离线阐发。在线监测与诊断技术次要基于机理性切确模子,经由建立各部件级动/静态高精度数学模子,把持数据协调技术和主导要素法,完成对各部件的机能渐变和非常进行监测,并为各部件供给康健应达值。LIBS技术对煤质进行快速离线阐发的成果(含碳量、热值等环节参数)接近国度煤质阐发尺度,与美国TSI公司达成和谈,正在互助生产煤质阐发仪器。“炉温3D测控技术”可监测炉内燃烧火焰辐射能信号,并正在斥地燃烧颗粒物浓度空间三维分布的监测阐发,这将进一步提高三维温度场监测的精度,为此后完成煤粉在炉内燃尽过程的三维可视化监测奠基了优良底子。

  这些技术的推广使用,可完成基于切确模子的单个热力部件机能优化,单个燃烧器燃料量和风量优化分派,以及炉内三维温度场优化分布等,对燃煤锅炉、热力系统的平安、经济和干净运转将起到更大的传染感动。

  生产办理/机组运转优化

  今朝我国电力行业生产办理和机组运转程度参差不齐,同样参数的电厂之间,供电煤耗程度可相差十几、以至几十克每千瓦时,缘由比力多。此中两方面比力凸起:一方面良多电厂疏于办理,设备维护、毛病检修不力,构成良多不需要的华侈。对于生产运营办理,每个电厂不同比力大,但总体来说该当向“外三”等示范电厂看齐。

  由于我国火电机组平均负荷低,机组年均负荷率只需60%摆布,而机组在设想时次要考虑额定负荷工况下的运转效率、经济性,在中、低负荷下运转经济性很差,运转编制往往没有颠末系统优化。别的,由于机组的持久运转产素机能老化,机组检修、设备改换等局部鼎新而导致的系统特征变化,城市影响机组的特征,而运转编制不能进行响应婚配。

  在运转优化方面,今朝国内比力风行的法子是经由优化试验,对锅炉、汽轮机、冷端系统等进行粗略的优化,都取患了必然的成果,但总体技术程度相对掉队,没有从底子上处理问题。跟着算计机技术和节制理论不竭成长,国表里火电机组优化办理技术逐步投入现实使用,经多年试验、使用、总结和完满,良多技术己经比力成熟,经济效益显著。

  典型的如上世纪90年代德国倡议的BOA研究筹算,其优化运转方面的理念和实践都处于世界领先的地位。国内中电恒博公司提出的S型滑压运转理念,改良了原有相对粗拙的定-滑-定主蒸汽压力运转编制,可深度挖掘汽轮机低负荷运转经济性,提高机组效率。别的如ABB公司斥地的optimax软件、又一次有美国GE公司斥地的EfficiencyMap系统、德国Steag公司斥地的Ebsilon系统等都从不合角度完成了系统效率的在线优化。

  总体上看,由于国外的运转环境相对简单,开展运转优化工作要相对容易些。

  而国内大部门燃煤机组参与调峰,负荷、煤质等变化屡次、程度狠恶,开展优化运转难度要更大。然而,刚好由于我国总体负荷率低下(年平均把持小时数5000摆布),运转调整方面的节能空间更多,运转优化的意义更大,但愿惹起行业更多的看重。

  总结

  总的来说,要把持协同思惟把合适的动力放在合适的处所,在合适的系统中与其他动力有合适的协同,阐扬合适的传染感动。

  由于动力多元化,转换多元化,终端需求供应一体化,特别是气候变化的严峻性,动力技术将有一个很大的变化,时间尺度在30~50年摆布。且各都城不会一样,中国更有其特殊性,由于无先例可循。除了动力技术前进外,消息技术的深度介入必不成少,由于动力系统是一个复杂的系统工程。

  中国工业化正处于重工业化“爬坡阶段”,正值新一轮电力拔擢飞腾,此刻兴建电厂的技术路线将决定2020年及当前的煤炭把持模式。动力生产革命最终仍是要落实到煤炭的干净高效发电上来。若是不在煤的干净高效发电上做文章,其他全盘只能是空口说。
 
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