小议常规汽轮机电站的更新改造技术

摘要：联合循环系统更新改造是适合我国国情的洁净煤技术，可靠易行，没有风险。它是一个高效、低污的能源动力系统，可以大幅度提高热效率，大幅度减少有害物排放量。另外，它对应付各种风险、适应燃料消费构成变化及降低发电成本等也是有利的。采用联合循环更新改造技术对中小火电厂进行升级改造是我国目前解决能源与环境两大问题的一项现实的洁净煤技术，有着十分重要意义。

关键词：汽轮机；更新改造；联合循环系统

截至目前，我国老火电厂改造有三种方法：蒸汽轮机全三维设计改造、原有锅炉替换为循环流化床锅炉、蒸汽轮机发电机组改为热电并供电厂。但是，这些方法并不能同时满足大幅度降低能耗和解决燃煤的环境问题。为了同时满足这两个条件，必须在以上设备改造基础上，对原有蒸汽轮机发电厂进行联合循环系统更新改造。

对我国现有火电站进行升级改造时，应结合我国实际情况，尽可能降低改造费用。本文主要讨论给水加热型和排气助燃型两种联合循环，并从热力学角度对它们进行热力特性分析与比较。改造后联合循环系统总输出功率以蒸汽轮机为主，锅炉燃料仍然是煤，而新增加的燃气轮机则燃用油或者天然气，即以煤炭为主的双燃料动力系统。同时这种双燃料动力系统也适合我国环境污染严重的西部地区（双燃料基地的能源结构）。

一、改造常规电站联合循环系统

（一）给水加热型联合循环系统

给水加热型联合循环系统是用燃气轮机的排气加热锅炉给水，以减少汽轮机用于给水加热的抽汽，从而增大蒸汽轮机输出功率，提高系统能源利用效率。系统中使用原除氧器，给水加热器包括有低压加热器和高压加热器，与原蒸汽循环回热系统并联。其特点是系统相对简单，设备投资少，锅炉燃烧系统不必改造。

（二）排气助燃型联合循环系统

排气助燃型联合循环系统是将燃气轮机排气作为锅炉燃烧用空气加以利用，排气中剩余氧气（14%-16%）供锅炉燃料燃烧用，这时燃气轮机取代了锅炉鼓风机和空气预热器。燃气轮机排气显热的有效充分利用可以大幅度降低锅炉耗煤量，同时可处置省煤器以便保证锅炉排烟温度不致过高。但是，锅炉必须进行改型设计。燃气轮机和汽轮机可以分两个系统单独运行。

（三）热力学分析

为了从理论上进一步指导实际改造工程，我们从热力学角度对两种改造系统进行热力特性分析和比较。第一，无论是给水加热型还是排气助燃型联合循环系统，燃气轮机简单循环效率ηgt的变化比蒸汽/燃气功率比R的变化相对敏感。因此，采用较高的简单循环效率ηgt的燃气轮机对提高联合循环系统效率ηcc最为有效。第二，对于相同的简单循环效率ηgt，给水加热型联合循环系统的效率ηcc随蒸汽/燃气功率比R变化并非单调，存在一个极值点，而排气助燃型联合循环系统的效率ηcc则随着蒸汽/燃气功率比R的增加而单调减少。

二、联合循环更新改造技术的经济分析

（一）联合循环更新改造关键技术

在尽量减少现有水蒸汽系统的变动以谋求最小投资的前提下，首要解决的关键技术是系统2345678R集成和电站成套设计。其研究内容包括：系统总体技术方案与概念性设计；关键技术集成与综合优化；系统模拟与特性分析等。联合循环改造后系统功率总输出以蒸汽轮机为主，锅炉燃料仍然是煤，新增加的燃气轮机选用GE公司PG5361型，燃用天然气，简单循环效率为27.67%，在三维技术对常规蒸汽轮机电站的汽轮机通流部分进行改造基础上，改造方案采用FFCC和FWHCC两个系统。

（二）给水加热型和排气助燃型的系统热力性能比较

对于给水加热型联合循环，其发电效率由原电站的30.0%提高到37.31%，绝对值提高7.31%，从而说明给水加热型联合循环通过减少汽轮机用于给水加热的抽汽，增大蒸汽轮机输出功率；对于排气助燃型联合循环，其发电效率由原电站的30.0%提高到36.93%，绝对值提高6.93%，可见排气助燃型联合循环充分利用燃气轮机排气显热，作为锅炉燃烧用空气，大幅度降低锅炉燃煤消耗量，提高系统热效率。这两个方案都可使系统供电煤耗大幅度下降。该供电煤耗已接近亚临界300MW机组的水平。由于煤耗下降，改造后SOx总排放量减少约30%，NOx总排放量减少约20%，向环境排热量减少25%-30%。

（三）给水加热型和排气助燃型的系统经济性比较

从上述两个系统的热力性能比较中，我们看到，通过两种方案改造都可以使系统热效率提高5%以上。对于排气助燃型联合循环改造方案，电站改造后增加发电功率31836kW；而对于给水加热型联合循环，由于汽轮机不再抽汽，改造后增加发电功率达33869kW，其静态投资回收期也短些。而上述两种联合循环改造后的系统的新增出力单位发电能力造价在2200元/千瓦-2600元/千瓦，远低于国内建设同等规模常规蒸汽轮机电站的单位发电能力的初投资（约5000人民币/千瓦），也远低于建设全新余热锅炉型联合循环电站的单位发电能力初投资（约500美元/千瓦）。

因此，在一定功比范围内，采用给水加热型联合循环改造技术不仅提高系统效率，而且更为重要的是改造投资小，技术经济性优于排气助燃型。

尽管当今世界可再生能源大幅增长，但地球上最丰富的化石燃料——煤在满足日益增长的电力需求方面仍然会起巨大作用。我国是一个能源消耗大国，同时又是一个能源资源相对不足的国家，仍是一个以煤为主要能源需求的发展中大国。因此，在煤炭资源的高效清洁利用技术方面无疑具有很大的市场优势和开发机遇。

参考文献：

1、施维新.汽轮发电机组振动及事故[M].中国电力出版社,2008.

2、黄树红.发电设备状态检修与诊断方法[M].中国电力出版社,2008.

（作者单位：鸡西龙唐供热有限公司）

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