中电调查：供电煤耗276克/千瓦时如何炼成的

编者按：6月13日，习近平总书记在主持召开中央财经领导小组会议时强调，必须推动能源生产和消费革命。他要求，推动能源技术革命，带动产业升级。立足我国国情，紧跟国际能源技术革命新趋势，以绿色低碳为方向，分类推动技术创新、产业创新、商业模式创新，并同其他领域高新技术紧密结合，把能源技术及其关联产业培育成带动我国产业升级的新增长点。最近，本报推出大型策划“能源生产消费革命·大家谈”的姊妹篇“能源生产消费革命·创新纪”。重点关注节能减排的新知识、新技术、新产品，改善管理运营的新方法，提高生产效率的新方式，优化资源配置的新机制，行业改革发展的新动态、新进步。同时我们也关注行业解决老问题的新进展，发展中出现的新问题。我们期待为这变革创新的伟大时代纪年，为行业创新纪事，为创新者纪传。我们的记者将深入行业的各个方面，去探寻、发现和纪录。我们也热切期盼广大读者积极和我们联系，推介你们生产实践中的发明创造。知道了外三什么样之后，记者更想知道，外三怎么这样?记者首先选择了外三最醒目也最广为人知的标签：世界最低的实际运行供电煤耗。276克/千瓦时的世界纪录是怎样炼成的？这是外三2011年创造的成绩。尽管5月29日记者亲眼所见，这一世界纪录在坚实地向更高目标挺进（2014年前5月累计供电煤耗274克/千瓦时），但276克/千瓦时这个数字仍在统领全球业界。如前面报道，这是惊人的世界纪录，折合平均运行净效率达到44.5%，若推算至额定工况，其净效率达46.5%以上。外三这两台蒸汽温度600摄氏度等级机组的效率水平，已与国际上正在研发的，计划10年后才能投入商业运行的下一代蒸汽温度700摄氏度等级高效超临界机组的期望效率相当。煤电世界纪录276克/千瓦时实际运行供电煤耗是怎样炼成的？通往276克/千瓦时之路煤电业界素有“十年磨一克”和“十克一代技术”之称。在外三这儿，传统的经验变得落伍。外三两台100万千瓦超超临界机组的主要设备中，锅炉和汽轮发电机由上海电气电站集团供货，其中的汽轮发电机组的技术及主要关键部件引进德国西门子（SIMENS），锅炉的技术引进自法国阿尔斯通（ALSTOM）。应该说，作为中国首批建设的百万千瓦超超临界机组，设备上的先天技术水准是有保障的。但是，让人大跌眼镜的是，外三当家人冯伟忠在申能公司的支持下,竟然从工程一开始就对世界先进设备做起了“手术”（为什么能这样？请看后续报道）。在他的“操盘”下，从工程的策划起，外三就以超越世界先进为目标，开展了一大批科技创新项目，实施了一系列的节能减排等专门技术。这些技术涵盖了系统设计优化、设备改进、研发专门节能设备、机组启动和运行方式及控制策略的优化和创新等，其中的大部分技术与工程建设同步实施，明显地提升了机组的综合性能。建成后的机组主要技术经济指标明显优于原设计值，额定工况净效率达到45%。西门子公司的专家向冯伟忠竖起了大拇指，甚至在全球广告中免费为外三做起了宣传。尤其值得一提的是，在系统优化及创新技术的实施中，由于一些技术不但节能效果显著，还因为简化了系统，提高了安全性，而显著降低了投资。所以，项目的总投资并没有因为这些节能技术的实施而增加。外三没有止步。外三之所以是外三，在于它的创新。它的创新是非一般的、持续发展的集成创新。外三坚实地迈上了通往世界纪录的道路：2008年，两台机组在负荷率仅74%的状况下，实际运行供电煤耗287.44克/千瓦时，为世界最先进水平 （丹麦NORDJYLLAND电厂3号机组的煤耗折算至74%负荷时为288.5克/千瓦时）；2009年，外三又先后实施了“零能耗脱硫”和“广义回热技术”这两项重大自主创新技术，经中电联认定，在年平均负荷率仅75%的状况下，两台机组实际运行供电煤耗 （含脱硫和脱硝等）进一步降低为282.16克/千瓦时，累计综合厂用电率为4.43%，在世界上大幅领先；2010年，外三又先后实施了“弹性回热技术”和“节能型快速启动技术”等多项自主创新技术改造，经中电联认定，两台1000MW超超临界机组在负荷率为74.3%的情况下，完成供电煤耗279.39克/千瓦时，成为世界上率先冲破280克/千瓦时最低煤耗整数关口的电厂；2011年，经中电联认定，新的纪录又连降3克，在负荷率为80.91％的情况下，含脱硫和脱硝的实际运行供电煤耗达到276.02克/千瓦时，创出目前为止世界最新纪录；2012年和2013年，在负荷率仅为77%、78.15％的情况下，供电煤耗分别为276.14、276.82克/千瓦时，持续保持世界第一。据介绍，目前外三这两台机组的节能降耗水平与国内最优机组相比，每年多节约动力煤23万吨以上，减少二氧化碳排放48万多吨，其他污染物的排放亦相应大幅下降。高效率首先是“保”出来的超超临界机组蒸汽侧氧化及固体颗粒侵蚀（SPE）预防系列技术。这是记者职业生涯采写的报道中最拗口的词组。被冯伟忠琳琅满目的创新弄晕了脑袋的记者，请求他只介绍他最重要的节能技术。他麻利地说出上面一组名称。记者不得不数次请他重复，才得以完整记录下来。冯伟忠介绍说，这是一个超超临界汽轮机保持高效率及提升锅炉运行可靠性的技术，看似并不直接节能，但在外三所有节能创新项目中，却是一个实实在在最重要的，也是相对节能量最大的“节能”技术。他认为，对于一个新建电厂，尤其是超超临界电厂，首要的问题不是“节能”，而是“保效”。这是个什么技术？以下是记者记录并请专家审阅过的采访内容。所谓固体颗粒侵蚀，即SPE（SolidParticleErosion）导致的超（超）临界汽轮机效率的持续下降，是自上世纪50年代超临界技术问世后，一直与之相伴的世界级技术难题，这是超临界技术领域挥之不去的梦魇。国外许多超（超）临界机组在投产后没几年，就因效率的大幅下降而不得不更换汽轮机高温高压的叶片甚至整个内缸。我国近年来投产的超（超）临界机组也较普遍出现了这一问题，个别严重的机组仅运行了两年，汽轮机效率竟下降了8%（折合煤耗上升约24克/千瓦时）以上。这相当于2台100万千瓦的机组，一年因此要损失高达30万吨标准煤。而我们大规模建设技术要求更高的超超临界机组，目的是为了什么？就是为了提高效率，但　 SPE问题极大地吞噬了这类技术的优势。与此同时，近年来陆续投产的超（超）临界机组，出现了极高比例的因氧化皮堵塞而导致的炉管超温甚至爆管。事实上，锅炉的高温高压管道及联箱等在制造、安装（焊接）及启动和长期运行中均会在其蒸汽侧产生氧化皮。这些氧化皮若不能确保其不脱落或落下的氧化皮不能得到有效和迅速的清除，当氧化皮在炉管内囤积后会导致运行超温并加速氧化，严重的会造成爆管。而这些氧化皮若能被蒸汽带走，则其在蒸汽管道内反复转弯时因惯性的作用而频繁撞壁并破碎，最终变成硬质颗粒，这些颗粒若进入汽轮机，则由于其在叶片流道中会随蒸汽而加速至数百米/秒，而高速颗粒在撞向叶片时具有很大的破坏力，持续的固体颗粒对汽轮机叶片的侵蚀，就导致了汽轮机效率的不断下降，并且这种效率的损失是不可逆的。通常情况下，人们期望通过基建阶段的酸洗、冲管等措施来清除制造和安装过程中的氧化皮，但理论和实践均已证明，传统这些措施远不能达到理想的目的。而近年来流行的一些点火启动方式，极易造成先干烧导致的超温及快速氧化，而后湿蒸汽流入后骤冷导致的氧化皮脱落，极大地加剧了炉管超温和爆管以及汽轮机的SPE问题。冯伟忠告诉记者，他从上世纪90年代初，在石洞口二厂项目建设时就开始关注、思考并研究这一问题，随着研究的深入，他发现这一问题牵涉到电厂的各个主要专业，以及从设备形式、系统设计、安装、调试，控制方式直至机组启动方式和运行模式等诸多环节。通过长达15年全面和深入的研究，逐步形成了一套关于SPE问题的完整理论以及针对性综合治理的思路：1、应设法防止和减缓氧化皮的生成；2、对已生成的氧化皮应避免其脱落；3、对已脱落的氧化皮应尽快予以清除；4、对未能清除的氧化皮应尽量减轻其对汽轮机叶片的破坏等。根据这一思路，他研究出了一整套“超超临界机组蒸汽侧氧化及固体颗粒侵蚀（SPE）预防系列技术”，涵盖了系统设计、设备选型、施工及调试、机组控制、启动和运行方式等方面的一系列的改进和创新。并在工程的各个阶段及各个相关环节果断实施了这一系列技术，从而最终使这一困扰了世界发电领域几十年的顽症被彻底根治。比如，为使在酸洗和冲管后仍残留的氧化皮得到彻底的清除，他发明了“蒸汽高动量冲洗技术”，在机组第一次汽轮机冲转前得到了应用，结果在凝汽器内竟清扫出了20kg的氧化皮。试想，如果没有这一措施，这么多氧化皮若进入了汽轮机，将是怎样的后果。该套技术的及时实施，效果极其理想，创造了运行5年后，锅炉管道内光滑如初，汽轮机叶片依然光亮如新，效率丝毫不变的世界奇迹。一晃，离机组投产已有六年了，在这几年里，国内已有许多超临界和超超临界机组陆续投产，但相当部分的机组才刚投产，就发现其效率已明显低于设计值，并且机组投产后，汽轮机的效率还在不断地往下降，这实际上是典型的SPE问题。冯伟忠感慨道，假如当初他对这个问题没有一套好的解决方案，机组因此有10多克/千瓦时的煤耗上升，那么外三其他的所有节能优化和创新项目的节能量总和也填不满这个窟窿。外三在国际上也就不会有今天的位置。到这里，记者完全明白了为什么虽然这项技术难以直接计算节能量，但却是最重要的，也许是节能量最大的节能技术。高效率也是一点一滴“抠”出来的记者问冯伟忠，倪维斗院士形容外三机组的高效率是一点一滴“抠”出来的，你是否认同。冯回答，太形象了，我们就是这么做的。冯伟忠告诉记者，对于一个电厂，一旦机组的容量、蒸汽参数、系统配置、冷却水温、机组形式等关键要素确定后，其机组效率就已基本确定。如果两个电厂的这些要素相同，若在管理上没有太大差别，则这两个厂的煤耗会非常接近。这就像两人都买了同样的车，车技也没有太大差别，那这两辆车的百公里油耗也不会有明显的差别。要想使这辆车的油耗显著降低，除非对其各个环节进行改进甚至进行大规模改装。对外三而言，若以车进行类比，就相当于车的外观没变，发动机还是原来的，实际上其内部包括发动机和控制系统在内已有很大的变化和改进，从而使整车的性能有了很大的提升。这就是倪维斗院士所说的“集成创新”了。记者硬着头皮一一问了下去。因内容实在太多，在这里只能略记几例：1、四大管道设计优化比如在机组的设计阶段，按照当时的设计规范，再热蒸汽系统的压降为高压缸排汽压力的10%。但这压力损失，将使机组的效率相对损失约1%。实际上包括主蒸汽和给水管道在内的“四大管道”均有类似的问题。为此，外三对这“四大管道”进行了全面优化。对于再热管道系统，主要采取了两项措施，一是基于冷再热管道（P11）的材料价格远低于热再热管道（P92）的特点，适当增大冷再热管道的管径。另外，几乎所有90°转弯处均采用曲率半径大于等于3倍直径（≥3D）的弯管，以替代传统设计中习惯采用但价格昂贵的1.5D铸钢弯头，据报价，这两者的价格差异达5倍以上。再热系统的设计优化获得了三重效益：⑴弯管的造价远低于弯头，明显　 降低了四大管道的总造价，同比下降约20%；⑵≥3D的弯管的局部阻力系数大大低于1.5D弯头，有效减少了管系的压降。机组投产后，在额定工况下的再热系统（包括锅炉再热器）压降实测为6.7%，完全达到了优化要求。根据SIEMENS提供的效率修正曲线，汽轮机的热耗将因此下降18kJ/kWh；⑶与1.5D的管件弯头相比，>3D的弯管在运行时产生的振动能量将明显下降，这更有利于管系的安全运行。与再热系统管道优化的同时，主蒸汽管和主给水管道系统亦采用了≥3D的弯管设计，有效地降低了管系的压降，从而使给水泵的耗功亦相应下降，同时也提高了管系的运行安全性。2、给水泵配置优化“外三”一反传统，在中国首次采用100%汽动给水泵，自配独立凝汽器，可单独启动，取消电动给水泵。传统的给水泵配置，如外高桥二发电的2×50%汽动给水泵+1×40%电动给水泵，在机组的启动阶段，采用功率为14.4MW的大功率电动泵进行锅炉进水、冷态和热态水冲洗以及锅炉的启动等，消耗的是高价值的电力，而在锅炉点火后所产的蒸汽，却通过旁路系统直接送入凝汽器而白白浪费。即使在机组并网后加负荷直至旁路全部关闭，相当数量的蒸汽热能都被白白浪费。采用单汽泵配置后，机组启动阶段给水泵所耗能源为临近汽轮机已作过功的高压缸排汽而非高价值的电力。一旦锅炉产汽后，给水泵汽轮机的汽源即可适时切回本机（冷再热蒸汽），相当于回收利用了部分原本通过低压旁路排向凝汽器的蒸汽。这就大大降低了机组启动阶段的能耗。从可靠性和节能的角度出发，外三最终选用了德国ALSTOM的给水泵专用小汽轮机，该小汽轮机的保证效率高达86.7%，比外高桥二期的进口小汽轮　 机81%的名义效率还高出5.7%。并且该小汽轮机调门的特殊配置及运行方式，可确保机组在额定工况时的运行效率能达到最大化。此外，常规的给水泵汽轮机，均存在最低运行转速，若用于机组启动及低负荷运行，需采用给水泵出口调节阀及最小流量阀联合调节的方法。调节和控制复杂，能耗高。针对这些问题，冯伟忠研究出了汽动给水泵组低速启动及全程调速运行技术，这不仅大大降低了锅炉启动时的能量损耗，还提高了机组效率，极大地简化了系统控制策略，也消除了最小流量再循环阀的冲蚀泄漏风险，提高了设备运行安全性。从第一台机组调试起到两台机组先后投产至今，给水泵及系统显示出了很高的启动和运行的灵活性和可靠性，通过性能试验证实，与其他同类机组相比，该汽动泵相当于使机组煤耗降低约0.8克/千瓦时。3、回转式空预器接触式全向柔性密封技术回转式空预器是当今火电大机组锅炉配置的首选，但漏风率较大一直是该型空预器的主要问题。而较大的漏风导致了各大风机电耗的显著上升，并降低了空预器传热效率从而使锅炉效率下降。为降低空预器的漏风率，冯伟忠研究开发了一种 “全向柔性密封技术”，这种密封装置是在不改变原有设备结构的前提下，加装一种能抗倒伏的接触式柔性密封，能完全覆盖原动静间的漏风间隙，并能自动补偿空预器转子的蘑菇形变形及漏风间隙的非线性变化，实现了对空预器的全方位密封，其磨损率可控，运行稳定可靠。加装这种装置后，空预器漏风率及8大风机电流大幅下降，加上其他技术的配合，额定工况下机组带脱硫、脱硝的全口径综合厂用电率<3.5％，在世界上遥遥领先。与此同时，空预器换热效率的改善，提高了锅炉效率。此项创新技术可创造相当于降低机组煤耗2克/千瓦时以上的节电及节煤效益。4.锅炉的节能启动系列技术大型超（超）临界机组的启动，需要消耗大量的水、电、油、煤、蒸汽等资源，时间长，且这一阶段的风险远远高于机组的正常运行时期。为防止粘性油烟对除尘装置的污染，纯燃油及煤油混烧阶段不宜投除尘器，从而又显著增加了这一阶段的污染物排放。冯伟忠通过对国内外直流锅炉不同启动方式以及相应的优、缺点和存在问题的深入研究，在理论上取得了一系列　 重大突破。在此基础上，对传统的机组启动方式进行了全面的颠覆和创新，他发明并设计出了一整套全新的启动技术，取得了卓有成效的成果。如：（1）不启动给水泵、静压状态下的锅炉上水及不点火的热态水冲洗这种水冲洗技术不用启动给水泵，也不用点火加热，节约了大量的燃料和厂用电，并且操作简单，可控性好。由于冲洗的水温高，且整个被冲洗受热面内的冲洗介质均处于汽水两相流，极大地改善了冲洗效果。（2）直流锅炉蒸汽加热启动和稳燃技术采用这一启动技术后，耗油量下降了一个数量级以上。该方法不仅将锅炉由原来的冷态启动转为热态启动，并且使烟风系统的运行条件更优于热态启动，极大地改善了锅炉的点火和稳燃条件，创造了最低断油稳燃负荷<20%BMCR的纪录，显著提高了锅炉的启动安全性。此外，由于避免了通常在点火后，对流受热面出现先“干烧”后“骤冷”的现象，极大地缓解了SPE问题，提高了机组的安全性。（3）取消炉水循环泵的低给水流量疏水启动这一技术大大简化了启动系统和运行控制，提高了安全性和可靠性，减少了启动损失。但仍具有常规带炉水循环泵锅炉的极热态启动时间短，损失小的特点。新启动技术的成功应用后，整个启动操作过程明显简化，时间大为缩短，启动能耗大幅降低，特别是厂用电及点火助燃用油呈数量级下降，而安全性则得到显著提高。目前，不论机组处于何种状态，包括冷态启动在内，从锅炉的点火至发电机并网，时间可控制在120分钟以内。耗油<10～20吨，耗电8万度，耗煤200吨（含加热蒸汽）。……外三这样一类的节能技术还有一大串，记者没法一一描述，暂且列出它们的名称：汽轮机蒸汽参数及控制、运行方式优化；节能型高、低压抽汽联合调频技术；烟气余热及风机做功余热回收技术；广义回热系列技术；弹性回热系列技术；火电厂集中式变频中心技术……这个名单还在不断加长中。这些年来，外三的创新技术一直是研究一批、储备一批和实施一批。它们的 “创新—时间”曲线将随着时间而伸展。外三人创造了属于中国人的世界纪录。276克/千瓦时实际运行供电煤耗作为全球煤电业的里程碑高高耸立。但这绝不会是终点，因为外三人仍然在飞奔向前。