CN1072764A - 中小型电厂(或机组)的“联合循环”节能改造技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及七五、八五计划中已经和将要淘汰的 中小型电厂(或机组)的一种节能改造方法，即把中小 型锅炉改装成余热锅炉，加装燃气轮发电机后使原电 厂(或机组)按燃气-蒸汽联合循环电厂或热电厂运 行。(见附图)本发明可把发电效率提高12—16％，显 著地降低煤耗，极大地减轻环境污染，并以最少的投 资使原电厂(或机组)增容二倍以上(包括对原蒸汽循 环技术改造可提高汽轮机出力5—10％)，因而本发 明具有很高的经济效益和实用价值。本发明也适用 于石化系统辅助锅炉、燃油锅炉和工矿企业的工业锅 炉的节能改造。本发明将有助于城市煤气化和集中 供热规划的实施，也有利于推动我国燃气轮机和燃气 -蒸汽联合循环的发展。

Description

本发明涉及一种对中小型电厂（或机组）的节能改造方法，即把七五、八五计划中已经或将要淘汰的中小型电厂（或机组）改造成按燃气-蒸汽联合循环运行的电厂或热电厂。

背景材料：六十年代前后国产的5万千瓦及以下的中小型机组因发电效率低、能耗大，七五计划中电力部曾下令对某些地区的中小型电厂（或机组）实行关、停、并、转。八五计划期间，能源部计划淘汰500万千瓦中小型机组。这些设计寿命为40年，使用寿命长达50年及以上的中小型电厂（或机组）至今运行了30年左右就停役、淘汰，弃之可惜，用则能耗大，污染严重。“关、停、并、转”存在不少实际困难，也包括其在职人员及家属的工作和生活安排等等。有些报废的机组拆迁到地方（或县城）仍继续发电使用，因拆迁损伤，运行维修不善，效率低于在原厂的水平，不少生产工艺过程用热水和/或蒸汽的工矿企业为提高本单位的热能利用系数，把工业锅炉增容，加装2-6仟千瓦小汽轮发电机组成小热电联产型。因工业锅炉热效率低，热力系统不完善，其发电效率比中小型电厂低，国家总的能耗并没有降下来，按产值计算是发达国家的3-4倍。八五计划中计划淘汰的500万千瓦的锅炉容量约为2.7万吨/时，仅为全国工业锅炉80万吨/时总容量的3%左右。所以即使淘汰了500万千瓦中小型机组，对改善国家总的节煤降耗不会很明显。

若把计划淘汰的中小型电厂（或机组）的发电效率从目前的25～28%左右通过技术改造提高到40%左右（即达到了引进60万、30万千瓦火电机组和90万、30万千瓦压水堆核电的发电效率水平），则行将淘汰的500万千瓦每年仍可发电约350亿度（按每年运行7000小时计算），且每年可节煤约130万吨，环境污染也减少了。

鉴于蒸汽-汽轮机发电是以朗肯循环为基础的，理论的朗肯循环最大效率极限是50%，对中小型机组而言，由于种种原因，履行能源部的火力发电厂节约能源规定（试行）往往事倍功半，因节能降耗收效不大而被淘汰。

本发明的理论依据是“燃气-蒸汽联合循环”，技术特征是把中小型电厂（或机组）的锅炉改装成余热锅炉，加装燃气轮发电机后把原机组改造成燃气-蒸汽联合循环的电厂或热电厂，目的是大幅度提高发电效率。

燃气-蒸汽联合循环的原理见图一，空气经压气机等熵压缩（过程1-2），定压喷燃加热（2-3）形成高温工质后在燃气轮机中绝热膨胀作功（3-4），废气经由余热锅炉定压放热（4-5）从烟囱排入大气，构成布雷顿循环。a-b-c-d-e-f即为原热力系统的朗肯循环，蒸汽作为循环的低温工质。从T-S图（图二）可看出加装燃气轮机后比原蒸汽循环的作功面积有明显的增加，联合循环的有用功与无用功之比也较之单纯的蒸汽朗肯循环的要大。

因整个联合循环仅是燃气循环加热，其热量为：

Q₂₃＝m_HC_PH（T₃-T₂）（1）

为简化起见，整个联合循环假设只有蒸汽循环放热，其热量为：

Q_fa＝m_LC_PL（h_f-h_a）或Q_fa＝Q₄₁（1-η_TL）（2）

式中：C_PH及m_H为高温工质的定压比热及质量

C_PL及m_L为低温工质的定压比热及质量

Q₄₁为燃气轮机废气排给锅炉之热量

Q₄₁＝m_HC_PH（T₄-T₁）

η_TL为低温蒸汽循环之热效率

${\eta }_{\mathrm{TL}}=\frac{h_e{\mathrm{-h}}_f}{h_e{\mathrm{-h}}_b}$

因此，燃气-蒸汽联合循环的理论热效率为：

${\eta }_{\mathrm{TSG}}\mathrm{=1-}\frac{Q_{\mathrm{f\; a}}}{Q_{\mathrm{23}}}\mathrm{=1-}\frac{Q_{\mathrm{41}}{\mathrm{(1-\eta }}_{\mathrm{TL}})}{Q_{\mathrm{23}}}\mathrm{=1-}\frac{{\mathrm{1-\eta }}_{\mathrm{TL}}}{\frac{T_2}{T_1}}\mathrm{=1-}\frac{1}{\frac{\mathrm{K-1}}{K}}{\mathrm{(1-\; \eta }}_{\mathrm{TL}}\mathrm{)\; (3)}$

                β

式中：β＝ (P₂)/(P₁) 为燃气轮机的增压比，从公式（3）可知，当选用高增压比的燃气轮机时，可提高η_TSG值。

为便于理解与计算，η_TSG也可表达为燃气轮机循环热效率η_TSG＝1－ (Q₄₁)/(Q₂₃) 和蒸汽循环热效率之函数，即：

${\eta }_{\mathrm{TSG}}\mathrm{=1-}\frac{Q_{\mathrm{fa}}}{Q_{\mathrm{23}}}\mathrm{=\; 1-}\frac{Q_{\mathrm{41}}{\mathrm{(1-\eta }}_{\mathrm{TL}})}{Q_{\mathrm{23}}}{\mathrm{=\; 1-(1-\eta }}_{\mathrm{TH}}\mathrm{)\; ·\; (1-\eta }{}_{\mathrm{TL}}\mathrm{)=\eta }{}_{\mathrm{TH}}\mathrm{+\eta }{}_{\mathrm{TL}}\mathrm{(1-\eta }{}_{\mathrm{TH}}\mathrm{)\; (4)}$

例如，原电厂的发电效率为28%，节能改造中加装的燃气轮机效率为32%，代入公式（4），则可算得改造后燃汽-蒸汽联合循环的发电效率：

η_TSG＝0.32+0.28（1-0.32）＝0.51

由于各种假定条件及存在各种损失，经节能改造的联合循环发电效率在0.4～0.45左右，热电联产时可达0.8～0.86左右。

由上例可见，当采用本发明的节能改造技术可使原电厂（或机组）的发电效率得到明显地提高，煤耗大为下降，以每提高效率1%时煤耗下降2.5%计算，煤耗可降低约42.5%。设发电效率28%时煤耗为637克，改造后煤耗可降到270克，改造后的联合循环发电总容量比原电厂（或机组）增加二倍左右，且投资最省，因而本发明可收到事半功倍的效果。

本发明以下述方式实现的：

在有燃气和/或燃油条件地区（例如沿海进口燃料的省市;产油（气）区;厂矿生产过程易燃（和/或易爆）气体回收;城市煤气或电厂自建煤气等）对已经和计划停役和/或报废的中小型电厂（或机组）（包括已热电联产的工业锅炉）可率先采用本发明进行节能改造。

1、根据原蒸汽循环的参数选用燃气轮机，并根据燃气轮机厂提供的余热回收蒸汽特性曲线校核余热锅炉在维持原蒸汽参数下的蒸发量能否达到或基本达到原锅炉水平（指无辅助燃烧时）以维持原汽轮发电机在最佳效率下经济运行。可使用GTPRO等专用程序辅助设计（CAD）。

2、确定余热锅炉采用一级汽压或二级汽压（见图三甲、乙），热电联供系统情况（见图四），锅炉上是否加装辅助燃烧装置和/或予燃室等（即考虑原制粉系统及燃油（气）系统的利用与否），原热力系统中哪些设备留用和/或改造等均由技术经济比较后确定。

3、锅炉本体设计，包括最佳窄点的选择，各加热段的设计和计算，其它主要另部件的计算及强度计算等等，原则上均利用原锅炉之钢架、汽包、过热器、省煤器和保温等，水冷壁的全部或部分更换视循环方式和辅助燃烧的强度而定。（对容量大的锅炉及热电联产需要时可考虑利用或加装再热器，根据设计的蒸汽回路而定），以及尽可能利用原烟囱及送风机吸风管道等。

4、燃气轮发电机组设备布置与余热锅炉及旁路烟道的接口设计，应考虑燃气轮发电机出线及主蒸汽管线的布线最短。（图五给出一个例子，无旁路烟道）

5、确定联合循环和/或程氏循环发电供热的运行方式及与余热锅炉，汽轮机协调控制系统，以便选购或配套控制仪表。

6、主变及升压站的扩建与一般电厂相同。

7、对蒸汽循环部分除按能源部节能[1991]98号文“火力发电厂节约能源规定”（试行）进行节能改造外，还需进行下述工作：

（1）彻底清洗汽轮机汽室、喷咀、叶片、汽水管道、伐门及设备以及化学水处理系统，（按实际情况予以节能改造或升级）以提高蒸汽品质。

（2）选用引进技术或按三元流动特性设计制造的叶片更换旧叶片，以减少叶型损失。

（3）改善汽封和两端轴封的密封情况，以减少漏气损失。

（4）改造排汽缸扩散段型线（有条件的话），以减少排汽损失。

（5）校核凝汽器工况，坏铜管更换或重新布置管束，以减少压降，优化除气，消除过冷和增加传热面。

（6）凝汽器及循环水管加装阴极保护，以延长寿命。

上述几项技术改造后汽轮机可望提高出力5～10%。

8、对原未装汽轮机的工业锅炉按本发明节能改造时，按燃汽轮机和改造后的锅炉的参数选用汽轮发电机，但应先做全面的技术经济比较。

本发明与改造前相比的优点：

1、发电效率可提高12-16%，降低煤耗30-45%，基本上消除环境污染。

2、便于把原中小型电厂（或机组）改造成热电联产而无需更换凝汽式汽轮机。

3、投资省，改造时间短，且回收投资快。

4、改造后可使原电厂（或机组）不被淘汰且可增容二倍以上。

本发明的潜在经济效益：

本发明旨在把中央计划报废的效率低、煤耗高、污染重的500万千瓦中小型机组改造成效率高、煤耗低、清洁的电厂的同时，把原500万千瓦增容到1500万千瓦，约占目前全国总机容量1亿千瓦的15%，改造（新增的1000万千瓦）所需投资估算为250亿元，若新建1000万千瓦（按引进60万、30万千瓦火电机组）的设备总价约为833亿元，故本发明至少可节省投资约达583亿元，每年节煤约400万吨。

由于本发明在燃气-蒸汽循环改造中就可把原电厂（或机组）改造成热电联产而无需把原凝汽式汽轮机更换成背压式或抽汽式汽轮机而节省了投资。

本发明也适用于石化系统的辅助锅炉，燃油锅炉及工矿企业的工业锅炉的节能改造。

本发明有利于促进城市煤气化和集中供热化，驱使城市规划，能源平衡布局更趋于协调和合理。把我国能源利用率提高一个台阶，同时也有得利于推动我国燃气轮机和燃气-蒸汽联合循环的发展。

Claims (6)

1、一种用于对中小型电厂(或机组)节能改造的方法，其技术特征是把原燃煤(或燃油、燃气)锅炉改造成余热回收锅炉(简称余热锅炉)，加装燃气轮机发电机后构成燃气一蒸汽联合循环的发电或热电联产的高效、低耗、清洁的新电厂。

2、按权利要求1，其技术特征在于本方法也适用于工矿企业的工业锅炉和石化系统的辅助锅炉及燃油锅炉等的节能改造，已安装小汽轮机的按权利要求1，未安装的按加装的燃气轮机及余热锅炉的参数配装小汽轮机，以使联合循环达到最佳的效率水平。

3、按权利要求1，其技术特征在于能够保证改造后余热锅炉的蒸汽量，汽压和汽温等主要参数符合或基本符合原锅炉的水平，以维持原汽轮机组在最佳效率下经济运行。

4、按权利要求1，其技术特征在于能够满足原煤粉系统和/或燃油（气）系统在改造成余热锅炉后可考虑利用原系统即余热锅炉上加装辅助燃烧装置的方案。对煤粉系统的辅助燃烧，为使炉膛火焰稳定，可在炉前加装予燃室。

5、按权利要求1，其技术特征在于本方法也能满足程氏-循环（Cheng-Cycle）的运行方式。

6、按权利要求1，其技术特征在于该“联合循环”的蒸汽循环能够进行除能源部“火力发电厂节约能源规定”以外的节能改造。

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