O 引言
到目前為止，我國老火電廠改造有三種方法：蒸汽輪機(jī)全三維設(shè)計改造、原有鍋爐替換為循環(huán) 流化床鍋爐、蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組改為熱電并供電廠。但是，這些方法并不能同時滿足大幅度降低能 耗和解決燃煤的環(huán)境問題。為達(dá)到同時滿足這兩個條件，必須在以上設(shè)備改造基礎(chǔ)上，對原有蒸汽 輪機(jī)發(fā)電廠進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造。
聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造技術(shù)從熱力學(xué)角度而言，是將具有高溫加熱優(yōu)勢的燃?xì)廨啓C(jī)（Brayton 循環(huán)）動力裝置和較低排汽溫度的汽輪機(jī)（Rankine 循環(huán)）動力裝置有機(jī)結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，按能的品位高低進(jìn)行梯級利用。達(dá)到擴(kuò)容降耗的目的。因此，不僅可以大幅度提高發(fā)電效率，而且可以同時解決環(huán)境污染問題。
采用聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造傳統(tǒng)燃煤火電站在國外近幾十年來得到很大發(fā)展，并積累了成熟經(jīng)驗。其改造方案主要有以下四種：給水加熱型（FWH- Repowering），排氣助燃型（FF-Repowering）， 余熱鍋爐型（HRSG-Repowering）和平行混合型（PP- Repowering）。特別是80 年代后，美國、日本、荷蘭、德國、意大利等國發(fā)展勢頭更是方興未艾，尤其是HRSG-Repowering 應(yīng)用得最多，主要進(jìn)行改造的機(jī)組等級為100 MW、200 MW、300 MW。但是，我國國情與國外不同：國外火電機(jī)組用天然氣和液體燃料的電站比較多，天然氣和燃油供應(yīng)比較充足，而我國天然氣和燃油比較缺乏，煤炭比較豐富；國外的燃煤機(jī)組有脫硫脫硝裝置，而我國的中小型燃煤機(jī)組沒有脫硫脫硝設(shè)備；國外發(fā) 達(dá)國家財力雄厚，可投入大量資金進(jìn)行余熱鍋爐型的更新改造，而我國是發(fā)展中國家，資金缺乏。
因此，對我國現(xiàn)有火電站進(jìn)行升級改造時， 結(jié)合我國實際情況，盡可能降低改造費用。如原本應(yīng)淘 汰的5 萬千瓦汽輪機(jī)組采用給水加熱型聯(lián)合循環(huán)更新改造技術(shù)后，使全廠發(fā)電效率可從32.5%提高 到38.1%， 達(dá)到30 萬千瓦大機(jī)組的水平[1-2]。
根據(jù)中國具體情況，本文主要討論給水加熱型和排氣助燃型兩種聯(lián)合循環(huán)，并從熱力學(xué)角度對它們進(jìn)行熱力特性分析與比較。改造后聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)總輸出功率以蒸汽輪機(jī)為主，鍋爐燃料仍然是 煤，而新增加的燃?xì)廨啓C(jī)則燃用油或者天然氣，即以煤炭為主的雙燃料動力系統(tǒng)。同時這種雙燃料 動力系統(tǒng)也適合我國環(huán)境污染嚴(yán)重的西部地區(qū)（雙燃料基地的能源結(jié)構(gòu)）。
1 改造常規(guī)電站聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)
1.1 給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng) 給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)是用燃?xì)廨?機(jī)的排氣加熱鍋爐給水，以減少汽輪機(jī)用于 給水加熱的抽汽，從而增大蒸汽輪機(jī)輸出功 率，提高系統(tǒng)能源利用效率。圖1 所示為給 水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用原除氧 器，給水加熱器包括有低壓加熱器和高壓加 熱器，與原蒸汽循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)并聯(lián)。其特點 是系統(tǒng)相對簡單，設(shè)備投資少，鍋爐燃燒系 統(tǒng)不必改造。
1.2 排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)
圖2 所示為排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)。排 氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)是將燃?xì)廨啓C(jī)排氣做 為鍋爐燃燒用空氣加以利用，排氣中剩余氧氣 （14%～16%）供鍋爐燃料燃燒用，這時燃?xì)廨?機(jī)取代了鍋爐鼓風(fēng)機(jī)和空氣預(yù)熱器。燃?xì)廨啓C(jī) 排氣顯熱的有效充分利用可以大幅度降低鍋 爐耗煤量，同時可外置省煤器以便保證鍋爐排 煙溫度不致過高。但是，鍋爐必須進(jìn)行改型設(shè) 計。燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)可以分兩個系統(tǒng)單獨運(yùn) 行。 1.3 FWHCC 與FFCC 熱力學(xué)分析及討論
為了從理論上進(jìn)一步指導(dǎo)實際改 造工程，我們從熱力學(xué)角度對兩種改 造系統(tǒng)進(jìn)行熱力特性分析和比較。圖3 為兩種聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的效率隨蒸汽/ 燃?xì)夤β时萊 和燃?xì)廨啓C(jī)簡單循環(huán)效 率ηgt 的變化關(guān)系。從圖中可以得出以下三點規(guī)律：第一，無論是給水加熱 型還是排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，燃 氣輪機(jī)簡單循環(huán)效率ηgt 的變化比蒸汽/燃?xì)夤β时萊 的變化相對敏感。因此， 采用較高的簡單循環(huán)效率ηgt 的燃?xì)廨啓C(jī)對提高聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率ηcc 最為有效。此規(guī)律可以指導(dǎo)在設(shè)計實際聯(lián)合循環(huán)電站系統(tǒng)時，除了考慮其它約束的條件外，應(yīng)盡量選用簡 單循環(huán)效率ηgt 高的燃?xì)廨啓C(jī)。第二，對于相同的簡單循環(huán)效率ηgt，給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的效率ηcc 隨蒸汽/燃?xì)夤β时萊 變化并非單調(diào)，存在一個極值點，而排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的效率ηcc 則隨著蒸汽/燃?xì)夤β时萊 的增加而單調(diào)減少。第三，對于采用相同簡單循環(huán)效率ηgt 的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，存在一個蒸汽/燃?xì)夤β时萊 的區(qū)間.R。在區(qū)間.R 之內(nèi)，給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率增大值大于 排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率增大值；在區(qū)間.R 之內(nèi)以外，則反之[3]。
從上述的第三個規(guī)律可以看出：當(dāng)采用相同的燃?xì)廨啓C(jī)簡單循環(huán)效率ηgt 時，排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率要比給水加熱型高的說法是有局限性的。圖3 中的規(guī)律一方面可以為選取哪種聯(lián)合循環(huán) 提供熱力性能依據(jù)；另一方面又可以做為燃?xì)廨啓C(jī)選型依據(jù)。利用聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新技術(shù)改造常規(guī) 蒸汽輪機(jī)電站時，對于排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)，要盡量采用高效、大燃?xì)?蒸汽功率比的燃?xì)廨啓C(jī)； 對于給水加熱型聯(lián)合循環(huán)，在選取高效燃?xì)廨啓C(jī)時，功率的選擇要選取接近最佳蒸汽/燃?xì)夤β时取?/p>
在選定燃?xì)廨啓C(jī)之后，在一定功比范圍之間，用給水加熱型聯(lián)合循環(huán)改造系統(tǒng)效率提高幅度并不比排氣助燃型差，甚至高于排氣助燃型。該情況下，選用給水加熱型聯(lián)合循環(huán)改造常規(guī)蒸汽輪機(jī)發(fā)電 系統(tǒng)，既可以較高改善聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率，同時又可以避免排氣助燃型系統(tǒng)改造的技術(shù)難點。 2 聯(lián)合循環(huán)更新改造技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析
本文在以上理論指導(dǎo)下研究了200 MW 級給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)改造示范電站的熱力系統(tǒng)， 以便掌握CC-Repowering 技術(shù)的自主開發(fā)能力，用潔凈煤技術(shù)推動我國大量中小型汽輪機(jī)電站的升 級改造。本示范電站是由4 臺5 萬千瓦機(jī)組改造為“2×25 MW 燃機(jī)+ 4×50 MW 汽機(jī)+ 給水加熱系 統(tǒng)+ 2×410 t/h 煤粉爐”的給水加熱型聯(lián)合循環(huán)。
2.1 聯(lián)合循環(huán)更新改造關(guān)鍵技術(shù)
CC-Repowering 技術(shù)改造首先應(yīng)結(jié)合中國的實際情況，在盡量充分利用燃機(jī)排氣以求得最高效 率；以及盡量減少現(xiàn)有水-蒸汽系統(tǒng)的變動以謀求最小投資的前提下，首要解決的關(guān)鍵技術(shù)是系統(tǒng)2 3 4 5 6 7 8R 集成和電站成套設(shè)計。其研究內(nèi)容包括：系統(tǒng)總體技術(shù)方案與概念性設(shè)計；關(guān)鍵技術(shù)集成與綜合優(yōu)化；系統(tǒng)模擬與特性分析等。聯(lián)合循環(huán)改造后系統(tǒng)功率總輸出以蒸汽輪機(jī)為主，鍋爐燃料仍然是煤，新增加的燃?xì)廨啓C(jī)選用 GE 公司PG5361 型，燃用天然氣，簡單循環(huán)效率為27.67%，在三維技術(shù)對常規(guī)蒸汽輪機(jī)電站的汽輪 機(jī)通流部分進(jìn)行改造基礎(chǔ)上，改造方案采用FFCC 和FWHCC 兩個系統(tǒng)。
2.2 給水加熱型和排氣助燃型的系統(tǒng)熱力性能比較
由表1 可知：對于給水加熱型聯(lián)合循環(huán)，其發(fā)電效率由原電站的30.0%提高到37.31%，絕對值 提高7.31%，從而說明給水加熱型聯(lián)合循環(huán)通過減少汽輪機(jī)用于給水加熱的抽汽，增大蒸汽輪機(jī)輸 出功率；對于排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)，其發(fā)電效率由原電站的30.0%提高到36.93%，絕對值提高6.93%， 可見排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)充分利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣顯熱，做為鍋爐燃燒用空氣，大幅度降低鍋爐燃煤 消耗量，提高系統(tǒng)熱效率。這兩個方案都可使系統(tǒng)供電煤耗大幅度下降。該供電煤耗已接近亞臨界 300 MW 機(jī)組的水平。由于煤耗下降，改造后SOx 總排放量減少約30%，NOx 總排放量減少約20%， 向環(huán)境排熱量減少25%～30%。 2.3 給水加熱型和排氣助燃型的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比較
從上述兩個系統(tǒng)的熱力性能比較中，我們看到，通過兩種方案改造都可以使系統(tǒng)熱效率提高5% 以上。但是，提高系統(tǒng)效率不是CC-Repowering 可行性的唯一因素，最終決策取決于全面的技術(shù)經(jīng) 濟(jì)性。從表2 中，我們可以看出：對于排氣助燃型聯(lián)合循環(huán)改造方案，電站改造后增加發(fā)電功率31 836 kW；而對于給水加熱型聯(lián)合循環(huán)，由于汽輪機(jī)不再抽汽，改造后增加發(fā)電功率達(dá)33 869kW， 因此，其年凈收益可達(dá)2 487 萬元，比排氣助燃型的凈增收益2 097 萬元增加了15%，其靜態(tài)投資回 收期也短些。而上述兩種聯(lián)合循環(huán)改造后的系統(tǒng)的新增出力單位發(fā)電能力造價在2 200～2600元/ 千瓦左右，遠(yuǎn)低于國內(nèi)建設(shè)同等規(guī)模常規(guī)蒸汽輪機(jī)電站的單位發(fā)電能力的初投資（約5 000人民幣 /千瓦），也遠(yuǎn)低于建設(shè)全新余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)電站的單位發(fā)電能力初投資（約500 美元/千瓦）。
因此，在一定功比范圍內(nèi)，采用給水加熱型聯(lián)合循環(huán)改造技術(shù)不僅提高系統(tǒng)效率，而且更為重 要的是改造投資小，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于排氣助燃型。故本示范電站采用給水加熱型聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)改造 電廠。
3 聯(lián)合循環(huán)更新改造技術(shù)展望
盡管當(dāng)今世界可再生能源大幅增長，但地球上最豐富的化石燃料-煤在滿足日益增長的電力需 求方面仍然會起巨大作用。據(jù)預(yù)測，由于人口增長和貧困人口生活水平的提高，到2050 年全球?qū)?電力的需求將增加三倍。為此，美國電力研究所（EPRI）宣布一個全球煤計劃，以加速研究如何清 潔、靈活利用全球的煤〔４〕。我們知道，中國是一個能源消耗大國，同時又是一個能源資源相對 不足的國家，中國仍是一個以煤為主要能源需求的發(fā)展中大國。因此，在煤炭資源的高效清潔利用 技術(shù)方面無疑具有很大的市場優(yōu)勢和開發(fā)機(jī)遇。
在面臨世界電力緊迫需求的形勢下，中國不僅要從長遠(yuǎn)目標(biāo)出發(fā)，致力于研究開發(fā)先進(jìn)的潔凈煤發(fā)電技術(shù)，如增壓流化床燃燒，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)；還要針對短期需要解決近期中小燃煤電廠 問題。所以，結(jié)合中國實際情況，聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造技術(shù)就顯示出它獨特吸引力。
本文討論的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造雖不是世界上最高效率，但它卻是最適合中國國情的潔凈煤技術(shù)，可靠易行，沒有風(fēng)險。它是一個高效、低污的能源動力系統(tǒng)，大幅度提高熱效率（5-7 個百 6 分點）、耗水率降低，且NOx、SOx 等有害物排放量大幅度減少。從經(jīng)濟(jì)角度而言，升級改造現(xiàn)有火 電站在中國有著幾百億元的潛在市場，改造投資較小，運(yùn)行可靠性與可用性較高，燃?xì)廨啓C(jī)維修成 本較低。聯(lián)合循環(huán)更新改造技術(shù)經(jīng)濟(jì)上吸引人之處還在于新組成的高效率系統(tǒng)中大部分設(shè)備是原有 的。因此，聯(lián)合循環(huán)更新改造系統(tǒng)可大大延長中小型機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)壽命、避免過早淘汰，這在很 大程度上緩解電力部門對建設(shè)新電站帶來的巨額投資的壓力，具有極大的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
另外，它對應(yīng)付各種風(fēng)險、適應(yīng)燃料消費構(gòu)成變化及降低發(fā)電成本等也是有利的。由此可見，采用聯(lián)合循環(huán)更新改造技術(shù)對中小火電廠進(jìn)行升級改造，并進(jìn)一步推廣到十萬、二十萬千萬等級發(fā)電機(jī) 組的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造是中國目前解決能源與環(huán)境兩大問題的一項現(xiàn)實的潔凈煤技術(shù)，有著十 分重要意義。
參考文獻(xiàn)：
[1]北京全三維動力工程公司，中國科學(xué)院工程熱物理研究所，四川江油電廠2X50 MW汽輪機(jī)組聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)更新改造可行性研究報告，2000
[2]金紅光等. 國家“十五”科技攻關(guān)項目建議書，2000。
[3]劉澤龍.金紅光.蔡睿賢.蔣洪德. [改造常規(guī)汽輪機(jī)電站聯(lián)合循環(huán)熱力學(xué)分析] 工程熱物理學(xué)報， 2001，22(1，3)：1-4
[4] 何奕玲. [美國電力研究所的全球煤計劃]. 能量轉(zhuǎn)化利用研究動態(tài)， 總85 期， 1，2001。
