中電調查：供電煤耗276克/千瓦時如何煉成的

編者按：6月13日，習近平總書記在主持召開中央財經領導小組會議時強調，必須推動能源生產和消費革命。他要求，推動能源技術革命，帶動產業(yè)升級。立足我國國情，緊跟國際能源技術革命新趨勢，以綠色低碳為方向，分類推動技術創(chuàng)新、產業(yè)創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新，并同其他領域高新技術緊密結合，把能源技術及其關聯(lián)產業(yè)培育成帶動我國產業(yè)升級的新增長點。最近，本報推出大型策劃“能源生產消費革命·大家談”的姊妹篇“能源生產消費革命·創(chuàng)新紀”。重點關注節(jié)能減排的新知識、新技術、新產品，改善管理運營的新方法，提高生產效率的新方式，優(yōu)化資源配置的新機制，行業(yè)改革發(fā)展的新動態(tài)、新進步。同時我們也關注行業(yè)解決老問題的新進展，發(fā)展中出現(xiàn)的新問題。我們期待為這變革創(chuàng)新的偉大時代紀年，為行業(yè)創(chuàng)新紀事，為創(chuàng)新者紀傳。我們的記者將深入行業(yè)的各個方面，去探尋、發(fā)現(xiàn)和紀錄。我們也熱切期盼廣大讀者積極和我們聯(lián)系，推介你們生產實踐中的發(fā)明創(chuàng)造。知道了外三什么樣之后，記者更想知道，外三怎么這樣?記者首先選擇了外三最醒目也最廣為人知的標簽：世界最低的實際運行供電煤耗。276克/千瓦時的世界紀錄是怎樣煉成的？這是外三2011年創(chuàng)造的成績。盡管5月29日記者親眼所見，這一世界紀錄在堅實地向更高目標挺進（2014年前5月累計供電煤耗274克/千瓦時），但276克/千瓦時這個數(shù)字仍在統(tǒng)領全球業(yè)界。如前面報道，這是驚人的世界紀錄，折合平均運行凈效率達到44.5%，若推算至額定工況，其凈效率達46.5%以上。外三這兩臺蒸汽溫度600攝氏度等級機組的效率水平，已與國際上正在研發(fā)的，計劃10年后才能投入商業(yè)運行的下一代蒸汽溫度700攝氏度等級高效超臨界機組的期望效率相當。煤電世界紀錄276克/千瓦時實際運行供電煤耗是怎樣煉成的？通往276克/千瓦時之路煤電業(yè)界素有“十年磨一克”和“十克一代技術”之稱。在外三這兒，傳統(tǒng)的經驗變得落伍。外三兩臺100萬千瓦超超臨界機組的主要設備中，鍋爐和汽輪發(fā)電機由上海電氣電站集團供貨，其中的汽輪發(fā)電機組的技術及主要關鍵部件引進德國西門子（SIMENS），鍋爐的技術引進自法國阿爾斯通（ALSTOM）。應該說，作為中國首批建設的百萬千瓦超超臨界機組，設備上的先天技術水準是有保障的。但是，讓人大跌眼鏡的是，外三當家人馮偉忠在申能公司的支持下,竟然從工程一開始就對世界先進設備做起了“手術”（為什么能這樣？請看后續(xù)報道）。在他的“操盤”下，從工程的策劃起，外三就以超越世界先進為目標，開展了一大批科技創(chuàng)新項目，實施了一系列的節(jié)能減排等專門技術。這些技術涵蓋了系統(tǒng)設計優(yōu)化、設備改進、研發(fā)專門節(jié)能設備、機組啟動和運行方式及控制策略的優(yōu)化和創(chuàng)新等，其中的大部分技術與工程建設同步實施，明顯地提升了機組的綜合性能。建成后的機組主要技術經濟指標明顯優(yōu)于原設計值，額定工況凈效率達到45%。西門子公司的專家向馮偉忠豎起了大拇指，甚至在全球廣告中免費為外三做起了宣傳。尤其值得一提的是，在系統(tǒng)優(yōu)化及創(chuàng)新技術的實施中，由于一些技術不但節(jié)能效果顯著，還因為簡化了系統(tǒng)，提高了安全性，而顯著降低了投資。所以，項目的總投資并沒有因為這些節(jié)能技術的實施而增加。外三沒有止步。外三之所以是外三，在于它的創(chuàng)新。它的創(chuàng)新是非一般的、持續(xù)發(fā)展的集成創(chuàng)新。外三堅實地邁上了通往世界紀錄的道路：2008年，兩臺機組在負荷率僅74%的狀況下，實際運行供電煤耗287.44克/千瓦時，為世界最先進水平 （丹麥NORDJYLLAND電廠3號機組的煤耗折算至74%負荷時為288.5克/千瓦時）；2009年，外三又先后實施了“零能耗脫硫”和“廣義回熱技術”這兩項重大自主創(chuàng)新技術，經中電聯(lián)認定，在年平均負荷率僅75%的狀況下，兩臺機組實際運行供電煤耗 （含脫硫和脫硝等）進一步降低為282.16克/千瓦時，累計綜合廠用電率為4.43%，在世界上大幅領先；2010年，外三又先后實施了“彈性回熱技術”和“節(jié)能型快速啟動技術”等多項自主創(chuàng)新技術改造，經中電聯(lián)認定，兩臺1000MW超超臨界機組在負荷率為74.3%的情況下，完成供電煤耗279.39克/千瓦時，成為世界上率先沖破280克/千瓦時最低煤耗整數(shù)關口的電廠；2011年，經中電聯(lián)認定，新的紀錄又連降3克，在負荷率為80.91％的情況下，含脫硫和脫硝的實際運行供電煤耗達到276.02克/千瓦時，創(chuàng)出目前為止世界最新紀錄；2012年和2013年，在負荷率僅為77%、78.15％的情況下，供電煤耗分別為276.14、276.82克/千瓦時，持續(xù)保持世界第一。據(jù)介紹，目前外三這兩臺機組的節(jié)能降耗水平與國內最優(yōu)機組相比，每年多節(jié)約動力煤23萬噸以上，減少二氧化碳排放48萬多噸，其他污染物的排放亦相應大幅下降。高效率首先是“保”出來的超超臨界機組蒸汽側氧化及固體顆粒侵蝕（SPE）預防系列技術。這是記者職業(yè)生涯采寫的報道中最拗口的詞組。被馮偉忠琳瑯滿目的創(chuàng)新弄暈了腦袋的記者，請求他只介紹他最重要的節(jié)能技術。他麻利地說出上面一組名稱。記者不得不數(shù)次請他重復，才得以完整記錄下來。馮偉忠介紹說，這是一個超超臨界汽輪機保持高效率及提升鍋爐運行可靠性的技術，看似并不直接節(jié)能，但在外三所有節(jié)能創(chuàng)新項目中，卻是一個實實在在最重要的，也是相對節(jié)能量最大的“節(jié)能”技術。他認為，對于一個新建電廠，尤其是超超臨界電廠，首要的問題不是“節(jié)能”，而是“保效”。這是個什么技術？以下是記者記錄并請專家審閱過的采訪內容。所謂固體顆粒侵蝕，即SPE（SolidParticleErosion）導致的超（超）臨界汽輪機效率的持續(xù)下降，是自上世紀50年代超臨界技術問世后，一直與之相伴的世界級技術難題，這是超臨界技術領域揮之不去的夢魘。國外許多超（超）臨界機組在投產后沒幾年，就因效率的大幅下降而不得不更換汽輪機高溫高壓的葉片甚至整個內缸。我國近年來投產的超（超）臨界機組也較普遍出現(xiàn)了這一問題，個別嚴重的機組僅運行了兩年，汽輪機效率竟下降了8%（折合煤耗上升約24克/千瓦時）以上。這相當于2臺100萬千瓦的機組，一年因此要損失高達30萬噸標準煤。而我們大規(guī)模建設技術要求更高的超超臨界機組，目的是為了什么？就是為了提高效率，但　 SPE問題極大地吞噬了這類技術的優(yōu)勢。與此同時，近年來陸續(xù)投產的超（超）臨界機組，出現(xiàn)了極高比例的因氧化皮堵塞而導致的爐管超溫甚至爆管。事實上，鍋爐的高溫高壓管道及聯(lián)箱等在制造、安裝（焊接）及啟動和長期運行中均會在其蒸汽側產生氧化皮。這些氧化皮若不能確保其不脫落或落下的氧化皮不能得到有效和迅速的清除，當氧化皮在爐管內囤積后會導致運行超溫并加速氧化，嚴重的會造成爆管。而這些氧化皮若能被蒸汽帶走，則其在蒸汽管道內反復轉彎時因慣性的作用而頻繁撞壁并破碎，最終變成硬質顆粒，這些顆粒若進入汽輪機，則由于其在葉片流道中會隨蒸汽而加速至數(shù)百米/秒，而高速顆粒在撞向葉片時具有很大的破壞力，持續(xù)的固體顆粒對汽輪機葉片的侵蝕，就導致了汽輪機效率的不斷下降，并且這種效率的損失是不可逆的。通常情況下，人們期望通過基建階段的酸洗、沖管等措施來清除制造和安裝過程中的氧化皮，但理論和實踐均已證明，傳統(tǒng)這些措施遠不能達到理想的目的。而近年來流行的一些點火啟動方式，極易造成先干燒導致的超溫及快速氧化，而后濕蒸汽流入后驟冷導致的氧化皮脫落，極大地加劇了爐管超溫和爆管以及汽輪機的SPE問題。馮偉忠告訴記者，他從上世紀90年代初，在石洞口二廠項目建設時就開始關注、思考并研究這一問題，隨著研究的深入，他發(fā)現(xiàn)這一問題牽涉到電廠的各個主要專業(yè)，以及從設備形式、系統(tǒng)設計、安裝、調試，控制方式直至機組啟動方式和運行模式等諸多環(huán)節(jié)。通過長達15年全面和深入的研究，逐步形成了一套關于SPE問題的完整理論以及針對性綜合治理的思路：1、應設法防止和減緩氧化皮的生成；2、對已生成的氧化皮應避免其脫落；3、對已脫落的氧化皮應盡快予以清除；4、對未能清除的氧化皮應盡量減輕其對汽輪機葉片的破壞等。根據(jù)這一思路，他研究出了一整套“超超臨界機組蒸汽側氧化及固體顆粒侵蝕（SPE）預防系列技術”，涵蓋了系統(tǒng)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(chuàng)新。并在工程的各個階段及各個相關環(huán)節(jié)果斷實施了這一系列技術，從而最終使這一困擾了世界發(fā)電領域幾十年的頑癥被徹底根治。比如，為使在酸洗和沖管后仍殘留的氧化皮得到徹底的清除，他發(fā)明了“蒸汽高動量沖洗技術”，在機組第一次汽輪機沖轉前得到了應用，結果在凝汽器內竟清掃出了20kg的氧化皮。試想，如果沒有這一措施，這么多氧化皮若進入了汽輪機，將是怎樣的后果。該套技術的及時實施，效果極其理想，創(chuàng)造了運行5年后，鍋爐管道內光滑如初，汽輪機葉片依然光亮如新，效率絲毫不變的世界奇跡。一晃，離機組投產已有六年了，在這幾年里，國內已有許多超臨界和超超臨界機組陸續(xù)投產，但相當部分的機組才剛投產，就發(fā)現(xiàn)其效率已明顯低于設計值，并且機組投產后，汽輪機的效率還在不斷地往下降，這實際上是典型的SPE問題。馮偉忠感慨道，假如當初他對這個問題沒有一套好的解決方案，機組因此有10多克/千瓦時的煤耗上升，那么外三其他的所有節(jié)能優(yōu)化和創(chuàng)新項目的節(jié)能量總和也填不滿這個窟窿。外三在國際上也就不會有今天的位置。到這里，記者完全明白了為什么雖然這項技術難以直接計算節(jié)能量，但卻是最重要的，也許是節(jié)能量最大的節(jié)能技術。高效率也是一點一滴“摳”出來的記者問馮偉忠，倪維斗院士形容外三機組的高效率是一點一滴“摳”出來的，你是否認同。馮回答，太形象了，我們就是這么做的。馮偉忠告訴記者，對于一個電廠，一旦機組的容量、蒸汽參數(shù)、系統(tǒng)配置、冷卻水溫、機組形式等關鍵要素確定后，其機組效率就已基本確定。如果兩個電廠的這些要素相同，若在管理上沒有太大差別，則這兩個廠的煤耗會非常接近。這就像兩人都買了同樣的車，車技也沒有太大差別，那這兩輛車的百公里油耗也不會有明顯的差別。要想使這輛車的油耗顯著降低，除非對其各個環(huán)節(jié)進行改進甚至進行大規(guī)模改裝。對外三而言，若以車進行類比，就相當于車的外觀沒變，發(fā)動機還是原來的，實際上其內部包括發(fā)動機和控制系統(tǒng)在內已有很大的變化和改進，從而使整車的性能有了很大的提升。這就是倪維斗院士所說的“集成創(chuàng)新”了。記者硬著頭皮一一問了下去。因內容實在太多，在這里只能略記幾例：1、四大管道設計優(yōu)化比如在機組的設計階段，按照當時的設計規(guī)范，再熱蒸汽系統(tǒng)的壓降為高壓缸排汽壓力的10%。但這壓力損失，將使機組的效率相對損失約1%。實際上包括主蒸汽和給水管道在內的“四大管道”均有類似的問題。為此，外三對這“四大管道”進行了全面優(yōu)化。對于再熱管道系統(tǒng)，主要采取了兩項措施，一是基于冷再熱管道（P11）的材料價格遠低于熱再熱管道（P92）的特點，適當增大冷再熱管道的管徑。另外，幾乎所有90°轉彎處均采用曲率半徑大于等于3倍直徑（≥3D）的彎管，以替代傳統(tǒng)設計中習慣采用但價格昂貴的1.5D鑄鋼彎頭，據(jù)報價，這兩者的價格差異達5倍以上。再熱系統(tǒng)的設計優(yōu)化獲得了三重效益：⑴彎管的造價遠低于彎頭，明顯　 降低了四大管道的總造價，同比下降約20%；⑵≥3D的彎管的局部阻力系數(shù)大大低于1.5D彎頭，有效減少了管系的壓降。機組投產后，在額定工況下的再熱系統(tǒng)（包括鍋爐再熱器）壓降實測為6.7%，完全達到了優(yōu)化要求。根據(jù)SIEMENS提供的效率修正曲線，汽輪機的熱耗將因此下降18kJ/kWh；⑶與1.5D的管件彎頭相比，>3D的彎管在運行時產生的振動能量將明顯下降，這更有利于管系的安全運行。與再熱系統(tǒng)管道優(yōu)化的同時，主蒸汽管和主給水管道系統(tǒng)亦采用了≥3D的彎管設計，有效地降低了管系的壓降，從而使給水泵的耗功亦相應下降，同時也提高了管系的運行安全性。2、給水泵配置優(yōu)化“外三”一反傳統(tǒng)，在中國首次采用100%汽動給水泵，自配獨立凝汽器，可單獨啟動，取消電動給水泵。傳統(tǒng)的給水泵配置，如外高橋二發(fā)電的2×50%汽動給水泵+1×40%電動給水泵，在機組的啟動階段，采用功率為14.4MW的大功率電動泵進行鍋爐進水、冷態(tài)和熱態(tài)水沖洗以及鍋爐的啟動等，消耗的是高價值的電力，而在鍋爐點火后所產的蒸汽，卻通過旁路系統(tǒng)直接送入凝汽器而白白浪費。即使在機組并網(wǎng)后加負荷直至旁路全部關閉，相當數(shù)量的蒸汽熱能都被白白浪費。采用單汽泵配置后，機組啟動階段給水泵所耗能源為臨近汽輪機已作過功的高壓缸排汽而非高價值的電力。一旦鍋爐產汽后，給水泵汽輪機的汽源即可適時切回本機（冷再熱蒸汽），相當于回收利用了部分原本通過低壓旁路排向凝汽器的蒸汽。這就大大降低了機組啟動階段的能耗。從可靠性和節(jié)能的角度出發(fā)，外三最終選用了德國ALSTOM的給水泵專用小汽輪機，該小汽輪機的保證效率高達86.7%，比外高橋二期的進口小汽輪　 機81%的名義效率還高出5.7%。并且該小汽輪機調門的特殊配置及運行方式，可確保機組在額定工況時的運行效率能達到最大化。此外，常規(guī)的給水泵汽輪機，均存在最低運行轉速，若用于機組啟動及低負荷運行，需采用給水泵出口調節(jié)閥及最小流量閥聯(lián)合調節(jié)的方法。調節(jié)和控制復雜，能耗高。針對這些問題，馮偉忠研究出了汽動給水泵組低速啟動及全程調速運行技術，這不僅大大降低了鍋爐啟動時的能量損耗，還提高了機組效率，極大地簡化了系統(tǒng)控制策略，也消除了最小流量再循環(huán)閥的沖蝕泄漏風險，提高了設備運行安全性。從第一臺機組調試起到兩臺機組先后投產至今，給水泵及系統(tǒng)顯示出了很高的啟動和運行的靈活性和可靠性，通過性能試驗證實，與其他同類機組相比，該汽動泵相當于使機組煤耗降低約0.8克/千瓦時。3、回轉式空預器接觸式全向柔性密封技術回轉式空預器是當今火電大機組鍋爐配置的首選，但漏風率較大一直是該型空預器的主要問題。而較大的漏風導致了各大風機電耗的顯著上升，并降低了空預器傳熱效率從而使鍋爐效率下降。為降低空預器的漏風率，馮偉忠研究開發(fā)了一種 “全向柔性密封技術”，這種密封裝置是在不改變原有設備結構的前提下，加裝一種能抗倒伏的接觸式柔性密封，能完全覆蓋原動靜間的漏風間隙，并能自動補償空預器轉子的蘑菇形變形及漏風間隙的非線性變化，實現(xiàn)了對空預器的全方位密封，其磨損率可控，運行穩(wěn)定可靠。加裝這種裝置后，空預器漏風率及8大風機電流大幅下降，加上其他技術的配合，額定工況下機組帶脫硫、脫硝的全口徑綜合廠用電率<3.5％，在世界上遙遙領先。與此同時，空預器換熱效率的改善，提高了鍋爐效率。此項創(chuàng)新技術可創(chuàng)造相當于降低機組煤耗2克/千瓦時以上的節(jié)電及節(jié)煤效益。4.鍋爐的節(jié)能啟動系列技術大型超（超）臨界機組的啟動，需要消耗大量的水、電、油、煤、蒸汽等資源，時間長，且這一階段的風險遠遠高于機組的正常運行時期。為防止粘性油煙對除塵裝置的污染，純燃油及煤油混燒階段不宜投除塵器，從而又顯著增加了這一階段的污染物排放。馮偉忠通過對國內外直流鍋爐不同啟動方式以及相應的優(yōu)、缺點和存在問題的深入研究，在理論上取得了一系列　 重大突破。在此基礎上，對傳統(tǒng)的機組啟動方式進行了全面的顛覆和創(chuàng)新，他發(fā)明并設計出了一整套全新的啟動技術，取得了卓有成效的成果。如：（1）不啟動給水泵、靜壓狀態(tài)下的鍋爐上水及不點火的熱態(tài)水沖洗這種水沖洗技術不用啟動給水泵，也不用點火加熱，節(jié)約了大量的燃料和廠用電，并且操作簡單，可控性好。由于沖洗的水溫高，且整個被沖洗受熱面內的沖洗介質均處于汽水兩相流，極大地改善了沖洗效果。（2）直流鍋爐蒸汽加熱啟動和穩(wěn)燃技術采用這一啟動技術后，耗油量下降了一個數(shù)量級以上。該方法不僅將鍋爐由原來的冷態(tài)啟動轉為熱態(tài)啟動，并且使煙風系統(tǒng)的運行條件更優(yōu)于熱態(tài)啟動，極大地改善了鍋爐的點火和穩(wěn)燃條件，創(chuàng)造了最低斷油穩(wěn)燃負荷<20%BMCR的紀錄，顯著提高了鍋爐的啟動安全性。此外，由于避免了通常在點火后，對流受熱面出現(xiàn)先“干燒”后“驟冷”的現(xiàn)象，極大地緩解了SPE問題，提高了機組的安全性。（3）取消爐水循環(huán)泵的低給水流量疏水啟動這一技術大大簡化了啟動系統(tǒng)和運行控制，提高了安全性和可靠性，減少了啟動損失。但仍具有常規(guī)帶爐水循環(huán)泵鍋爐的極熱態(tài)啟動時間短，損失小的特點。新啟動技術的成功應用后，整個啟動操作過程明顯簡化，時間大為縮短，啟動能耗大幅降低，特別是廠用電及點火助燃用油呈數(shù)量級下降，而安全性則得到顯著提高。目前，不論機組處于何種狀態(tài)，包括冷態(tài)啟動在內，從鍋爐的點火至發(fā)電機并網(wǎng)，時間可控制在120分鐘以內。耗油<10～20噸，耗電8萬度，耗煤200噸（含加熱蒸汽）。……外三這樣一類的節(jié)能技術還有一大串，記者沒法一一描述，暫且列出它們的名稱：汽輪機蒸汽參數(shù)及控制、運行方式優(yōu)化；節(jié)能型高、低壓抽汽聯(lián)合調頻技術；煙氣余熱及風機做功余熱回收技術；廣義回熱系列技術；彈性回熱系列技術；火電廠集中式變頻中心技術……這個名單還在不斷加長中。這些年來，外三的創(chuàng)新技術一直是研究一批、儲備一批和實施一批。它們的 “創(chuàng)新—時間”曲線將隨著時間而伸展。外三人創(chuàng)造了屬于中國人的世界紀錄。276克/千瓦時實際運行供電煤耗作為全球煤電業(yè)的里程碑高高聳立。但這絕不會是終點，因為外三人仍然在飛奔向前。