孔 亮，易 寧，張 健，賀清輝，劉 雷，楊祖華

(1. 電力規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；2. 西南電力設(shè)計院，成都 610021)

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燃用無煙煤的660 MW超臨界機組鍋爐選型技術(shù)經(jīng)濟分析

孔 亮1，易 寧1，張 健1，賀清輝2，劉 雷2，楊祖華1

(1. 電力規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；2. 西南電力設(shè)計院，成都 610021)

隨著四川白馬600MW超臨界CFB示范工程順利投產(chǎn)，燃用無煙煤的660MW超臨界機組在鍋爐選型時除W火焰鍋爐，又有了新的選擇。以正在開展前期工作的某電廠項目為例，對燃用無煙煤的鍋爐選型從技術(shù)經(jīng)濟角度進行了分析比較，從而為決策者提供參考。

660 MW超臨界機組；CFB鍋爐；W火焰鍋爐；鍋爐選型；無煙煤

考慮到貴州地區(qū)無煙煤著火穩(wěn)定性差、著火溫度高、著火時間長，燃燼率低等特點，目前新建及在建的660 MW超臨界機組普遍采用W火焰鍋爐(以下簡稱W爐[1-3])。2013年4月四川白馬600 MW超臨界CFB示范工程順利投產(chǎn)，標(biāo)志著目前世界上第一臺也是世界最大的超臨界CFB鍋爐正式進入商業(yè)運行，為今后燃用無煙煤的發(fā)電項目鍋爐選型提供了新的選擇[4-5]。

本文以安順地區(qū)正在開展前期工作的某電廠項目為例，對燃用無煙煤的660 MW超臨界機組鍋爐選型從技術(shù)經(jīng)濟角度進行了分析比較。

1 煤質(zhì)特性

該電廠項目煤質(zhì)情況如表1所示，設(shè)計煤種與校核煤種均為低揮發(fā)分、高灰分、低水分的無煙煤。按普華煤質(zhì)判別準(zhǔn)則，屬難著火、燃燒難穩(wěn)定、極難燃燼、燃燒性極差、中等結(jié)渣、中等沾污、灰磨損性嚴(yán)重的煤種。

表1 煤質(zhì)特性分析表

2 鍋爐技術(shù)差異

2.1 W型火焰鍋爐

W爐主要用于燃燒干燥無灰基揮發(fā)分小于10%的無煙煤和揮發(fā)分小于15%的貧煤，其特點在于，燃燒器沿爐寬方向錯列布置在前后墻水冷壁組成的兩個拱上；雙拱爐膛配以下射式燃燒器，形成了W型火焰。W型火焰可使煤粉氣流盡可能多地接觸高溫回流熱煙氣并獲得充分的擾動和混合，可以提高燃燒器出口火焰根部的著火溫度水平。

W爐優(yōu)點主要為，煤粉顆粒在燃燒區(qū)內(nèi)有足夠行程和停留時間，可提高燃料的燃燼率和燃燒效率，尤其適用無煙煤；采用的旋流燃燒器可提高一次風(fēng)中煤粉濃度，并降低氣粉混合物入爐風(fēng)速，有利于煤粉的著火；燃燒所需的空氣只有很小一部分從拱上送入，大部分燃燒空氣通過拱下前后墻上的二次風(fēng)口分級送入爐膛，從而實現(xiàn)分級送風(fēng)、分級燃燒，這種燃燒方式既可提高無煙煤的著火穩(wěn)定性又可降低NOx的生成。

W爐缺點主要為，爐內(nèi)燃燒溫度高，容易產(chǎn)生結(jié)焦現(xiàn)象，NOx排放濃度很高；對于高硫煤，還易產(chǎn)生爐膛高溫腐蝕和尾部低溫腐蝕，通常需進行受熱面噴涂、采用高等級材料和提高設(shè)計排煙溫度，鍋爐效率相對較低。

對于W爐的污染物排放，本項目脫硫系統(tǒng)需采用單塔雙循環(huán)石灰石-石膏濕法脫硫工藝，脫硫效率按98.0%設(shè)計，設(shè)計和校核煤種SO2排放濃度分別為78 mg/Nm3和140 mg/Nm3，兩臺爐SO2排放量約為1 850 t/a。脫硝系統(tǒng)采用SCR工藝，鍋爐出口NOx濃度小于800 mg/Nm3，脫硝系統(tǒng)效率按85%設(shè)計，煙囪出口NOx排放濃度小于120 mg/Nm3，兩臺爐排放量約為2 670 t/a。

2.2 CFB鍋爐

CFB鍋爐的煤種適應(yīng)性強，可以燃用任何固體燃料，實際多用于燃用劣質(zhì)煤，且具有較好的環(huán)保性能，因此在我國煤炭綜合利用電站中得到了廣泛應(yīng)用。其特點在于能使燃料和脫硫劑在較低溫度下(850～900℃)呈流化狀態(tài)在鍋爐內(nèi)循環(huán)燃燒。

CFB鍋爐優(yōu)點在于，煤種適應(yīng)性廣，能適應(yīng)貴州地區(qū)煤源點多、煤質(zhì)變化大的特點。燃料制備簡單，無制粉系統(tǒng)，僅需設(shè)置簡單的破碎裝置。采用爐內(nèi)噴鈣脫硫，爐內(nèi)脫硫效率大于90%，SO2排放濃度較低，尾部不易產(chǎn)生低溫腐蝕。采用低溫燃燒，不易結(jié)焦，不易產(chǎn)生高溫腐蝕，鍋爐出口NOx排放濃度較低。

CFB鍋爐缺點是水冷壁較煤粉爐容易磨損，爆管問題相對突出。由于超臨界機組水容積小，全廠失電時易燒壞受熱面，需設(shè)置緊急補水系統(tǒng)[5]。超臨界CFB鍋爐投產(chǎn)業(yè)績少，經(jīng)驗不足。

對于CFB鍋爐的污染物排放，脫硫系統(tǒng)除爐內(nèi)脫硫外，設(shè)置采用干法脫硫工藝的爐后二級脫硫，爐內(nèi)加爐外綜合脫硫效率99.0%以上，設(shè)計和校核煤種SO2排放濃度分別為40 mg/Nm3和70 mg/Nm3，大幅低于現(xiàn)行環(huán)保排放要求，兩臺爐SO2排放量約為924 t/a。脫硝系統(tǒng)采用相對簡單的SNCR工藝，鍋爐出口NOx濃度小于160 mg/Nm3，脫硝系統(tǒng)效率按50%設(shè)計，煙囪出口NOx排放濃度小于80 mg/Nm3，兩臺爐排放量約為1 782 t/a。

2.3 技術(shù)分析結(jié)論

對于燃用無煙煤的660 MW超臨界機組，目前可選的爐型只有W爐和CFB爐，從技術(shù)角度，兩者均可行。其中，W爐技術(shù)相對更加成熟，但是污染物排放相對較高，容易產(chǎn)生結(jié)焦、高溫和低溫腐蝕；CFB爐煤種適應(yīng)性強，污染物排放低，但是投產(chǎn)業(yè)績少，且存在水冷壁容易磨損的問題。

3 經(jīng)濟性分析

3.1 工程造價差異

根據(jù)設(shè)計方案，工程造價差異主要涉及鍋爐、風(fēng)機、制粉系統(tǒng)、煙風(fēng)煤管道、汽水管道、熱力系統(tǒng)砌筑及保溫、輸煤系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)、主廠房、煙囪、脫硫脫硝系統(tǒng)等方面。設(shè)備價格主要參考《火電工程限額設(shè)計參考造價指標(biāo)(2013年水平)》(以下簡稱限額指標(biāo))[6]，安裝工程和土建工程費用按照《國家能源局關(guān)于頒布2013版電力建設(shè)工程定額和費用計算規(guī)定的通知》(國能電力[2013]289號)中要求的概算定額和取費標(biāo)準(zhǔn)進行測算。以下費用如無特殊說明均為2臺機組對應(yīng)的價格[7]。

(1)鍋爐造價

表2 鍋爐造價差異表

鍋爐造價差異如表2所示，其中W爐設(shè)備費為限額指標(biāo)價，CFB爐價格是來自東方鍋爐廠的詢價，前者鍋爐設(shè)備費比后者低25 456萬元；W爐和CFB爐重量分別為34 110 t和46 900 t，按照安裝費單價2 511元/t測算，前者鍋爐安裝費比后者低3 212萬元；W爐受熱面噴涂面積6 200 m2，費用3 000萬；CFB爐每爐設(shè)一套緊急補水系統(tǒng)、兩爐費用5 000萬，每爐設(shè)6臺冷渣器、兩爐費用1 800萬；W爐和CFB爐基礎(chǔ)分別為7 500 m3和11 000 m3，按照土建工程費單價1 197元/m3測算，前者鍋爐基礎(chǔ)土建工程費比后者低419萬元；鍋爐部分合計，W爐比CFB爐造價低32 886萬元。

(2)風(fēng)機造價

風(fēng)機造價差異見表3，W爐的一次風(fēng)機和送風(fēng)機均為動葉可調(diào)軸流風(fēng)機，CFB爐的一次風(fēng)機和二次風(fēng)機均為離心風(fēng)機且壓頭更高，前者比后者費用分別低480和400萬元；流化風(fēng)機為CFB爐特有，按1爐5臺配置，費用1200萬；風(fēng)機部分合計，W爐比CFB爐造價低2 080萬元。

表3 風(fēng)機造價差異表 萬元

(3)制粉系統(tǒng)造價

兩種爐型的制粉系統(tǒng)造價差異如表4所示，由此可見存在較大差異。W爐每爐設(shè)6臺雙進雙出鋼球磨和12臺電子稱重式皮帶給煤機，按限額指標(biāo)價，費用分別是8 400萬和648萬。CFB爐沒有磨煤機，每臺爐設(shè)稱重式皮帶給煤機4臺、鏈?zhǔn)浇o煤機4臺、啟動床料稱重皮帶給料機1臺、啟動床料鏈?zhǔn)浇o料機1臺、中心給料機4臺，費用共計1 116萬元。制粉系統(tǒng)合計，W爐比CFB爐造價高7 932萬元。

表4 制粉系統(tǒng)造價差異表 萬元

(4)煙風(fēng)煤管道與汽水管道造價

煙風(fēng)煤管道與汽水管道造價差異見表5，W爐和CFB爐的冷風(fēng)道、熱風(fēng)道、煙道、原煤管道、送粉管道分別為640和900 t、800和450 t、1 180和800 t、40和20 t、1 015和0 t，煙風(fēng)煤管道費用前者比后者高1 661萬元；W爐和CFB爐的中低壓汽水管道分別為1 500 t和1 650 t，費用前者比后者低300萬元；煙風(fēng)煤管道與汽水管道合計，W爐比CFB爐造價高1 361萬元。

表5 煙風(fēng)煤管道與汽水管道造價差異表 萬元

(5)熱力系統(tǒng)砌筑與保溫造價

熱力系統(tǒng)砌筑與保溫造價差異如表6所示，其中W爐和CFB爐的鍋爐砌筑、鍋爐保溫工程量分別為6 500 m3和8 416 m3、9 820 m3和17 050 m3，按照綜合單價3 778元/m3和1 538元/m3，得到前者比后者費用分別低724萬元和1 112萬元，合計造價低1 836萬元。以上CFB爐工程量來自白馬示范工程初步設(shè)計收口概算工程量。

表6 熱力系統(tǒng)砌筑與保溫造價差異表 萬元

(6)輸煤系統(tǒng)造價

輸煤系統(tǒng)造價差異如表7所示，其中CFB爐設(shè)置用于二次破碎的碎煤機4臺，同時配活化給煤機4臺、細(xì)篩煤機2臺、配套細(xì)碎煤機的布料器4臺、梳式擺動篩4臺、及相應(yīng)的碎煤機室起重設(shè)施，碎煤機詢價得到350萬/臺，由此費用合計1 943萬元；W爐設(shè)置梳式擺動篩2臺，碎煤機室起重設(shè)施相比簡單，費用合計77萬元萬元；輸煤系統(tǒng)合計，W爐比CFB爐造價低1 866萬元。

表7 輸煤系統(tǒng)造價差異表 萬元

(7)除灰系統(tǒng)造價

除灰系統(tǒng)造價差異見表8，W爐除渣系統(tǒng)采用刮板撈渣機-渣倉方案、費用合計1 020萬元，CFB爐采用刮板輸送機-斗式提升機-渣倉方案、費用合計740萬元，除渣設(shè)備前者造價高280萬元；氣力除灰設(shè)備，考慮到W爐比CFB爐灰量小，因此前者比后者造價低500萬元；除灰系統(tǒng)合計，W爐比CFB爐造價低220萬元。

表8 除灰系統(tǒng)造價差異表 萬元

(8)主廠房及煙囪造價

主廠房及煙囪造價差異如表9所示，其中W爐主廠房426 544m3，CFB爐沒有煤倉間主廠房僅393 999 m3，按350元/m3測算，前者比后者主廠房土建造價高1 139萬元；W爐煙囪為濕煙囪方案、采用鈦鋼復(fù)合板單內(nèi)筒套筒煙囪(高240 m，出口內(nèi)徑11 m)，CFB爐為干煙囪方案、采用直筒型磚內(nèi)筒套筒煙囪(高240 m，出口內(nèi)徑10.5 m)，前者比后者煙囪土建造價高1 476萬元；主廠房及煙囪合計，W爐比CFB爐造價高2 615萬元。

表9 主廠房及煙囪造價差異表 萬元

(9)脫硫脫硝造價

脫硫脫硝造價差異如表10所示，其中W爐爐外脫硫系統(tǒng)選取石灰石-石膏濕法脫硫工藝、并采用石灰石粉進廠的單塔雙循環(huán)方案，CFB爐選擇循環(huán)流化床干法脫硫工藝，前者比后者脫硫系統(tǒng)造價高5 056萬元；CFB爐的爐內(nèi)脫硫需要設(shè)置石灰石粉儲存和輸送系統(tǒng)，費用分別約為850萬元和474萬元，合計1 324萬元；W爐脫硝系統(tǒng)選取SCR工藝，CFB爐選擇SNCR工藝，前者比后者脫硝系統(tǒng)造價高9 000萬元；脫硫脫硝系統(tǒng)合計，W爐比CFB爐造價高12 732萬元。

表10 脫硫脫硝系統(tǒng)造價差異表 萬元

(10)造價差異合計

由以上各系統(tǒng)的造價差異分析得到，就當(dāng)前的價格水平而言，選用W爐的工程造價比CFB爐低14 248萬元。

3.2 運行費用差異

(1)當(dāng)前環(huán)保政策下的差異

W爐與CFB爐的年運行費用差異如表11所示，其中W爐與CFB爐的脫硫石灰石粉耗量分別為163 020 t/a和433 300 t/a，單價分別為90元/t和60元/t，前者比后者石灰石粉年費用低1 566萬元；脫硫生石灰僅在CFB爐發(fā)生，耗量為11 000 t/a，單價450元/t，年費用495萬元；W爐與CFB爐的液氨耗量分別為8 800 t/a和2 750 t/a，單價3 200元/t，前者比后者增加1 936萬元；濕法脫硫工藝及干法脫硫工藝用水均使用電廠循環(huán)水排水，不占用全廠補給水量指標(biāo)，因此耗水量費用差異不予考慮；脫硝催化劑更換和鍋爐受熱面噴涂更換都僅在W爐發(fā)生，催化劑按4年更換一次、攤銷到每年的費用為800萬元，受熱面噴涂4年更換一次、攤銷到每年的費用為750萬元；W爐與CFB爐的SO2和NOx排放量分別為1 850 t/a和924 t/a、2 670 t/a和1 782 t/a，貴州地區(qū)目前執(zhí)行《排污費征收標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》(國家計委、財政部、國家環(huán)?？偩?、國家經(jīng)貿(mào)委第31號令)中的收費標(biāo)準(zhǔn)632元/t·a，因此前者SO2和NOx的年排污費僅比后者分別高58萬元和56萬元；發(fā)電煤耗和廠用電率兩種爐型在本項目差異不明顯，因此忽略相應(yīng)的年費用差異；以上各項合計，W爐比CFB爐年運行費用高1 540萬元。

(2)排污權(quán)交易實施后的差異

為促進生態(tài)文明建設(shè)，在2006年《國務(wù)院關(guān)于落實科學(xué)發(fā)展觀加強環(huán)境保護的決定》就明確指出，實施污染物總量控制制度，將總量控制指標(biāo)逐級分解到地方各級人民政府并落實到排污單位。2007年以來，國務(wù)院有關(guān)部門組織天津、河北等11個省(區(qū)、市)開展排污權(quán)有償使用和交易試點。2014年8月，國家又下發(fā)了《國務(wù)院辦公廳關(guān)于進一步推進排污權(quán)有償使用和交易試點工作的指導(dǎo)意見》(國辦發(fā)〔2014〕38號)，明確了對于增量排污權(quán)原則上通過公開拍賣方式取得，并且規(guī)定火電企業(yè)(除熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱部分)原則上不得與其他行業(yè)企業(yè)進行涉及大氣污染物的排污權(quán)交易。因此，對于新建燃煤發(fā)電機組的排污權(quán)，只能從其他火電企業(yè)購買排污指標(biāo)，據(jù)估計購買排放指標(biāo)的價格將達到10 000元/t·a，在排放量都需購買的情況下，W爐比CFB爐的SO2與NOx年排污費將高926萬元和888萬元，從而年費用合計高3 239萬元。

(3)環(huán)保電價獎懲機制實施后的差異

此外，為進一步推進節(jié)能減排，國家在2014年3月下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)<燃煤發(fā)電機組環(huán)保電價及環(huán)保設(shè)施運行監(jiān)管辦法>的通知》(發(fā)改價格[2014]536號)，通知中明確燃煤發(fā)電機組SO2、NOx小時均值超過限值要求仍執(zhí)行環(huán)保電價的，由政府價格主管部門沒收超限值時段的環(huán)保電價款；超過限值1倍及以上的，并處超限值時段環(huán)保電價款5倍以下罰款。假設(shè)W爐的SO2和NOx排放量超CFB爐后，無法獲取環(huán)保電價，按利用小時5 000 h、廠用電率6.59%、脫硫環(huán)保電價15元/MWh、脫硝環(huán)保電價10元/MWh測算，W爐較CFB爐的SO2和NOx的電價損失分別為4 629萬元/a和2 050萬元/a，從而得到W爐比CFB爐年運行費用合計高8 104萬元/a。

3.3 整體經(jīng)濟性差異

綜合工程造價與運行費用差異，機組運行周期按20年考慮、折現(xiàn)率按7%，采用費用凈現(xiàn)值法進行分析的結(jié)果如表11所示，當(dāng)排污費單價為632元/t·a時(即情況1)，W爐費用凈現(xiàn)值比CFB爐高2 063萬元，此時從經(jīng)濟性分析W爐與CFB爐相當(dāng)，CFB爐略優(yōu)；當(dāng)排污費單價為10 000元/t·a時(即情況2)，W爐費用凈現(xiàn)值比CFB爐高20 067萬元，此時從經(jīng)濟性分析CFB爐優(yōu)勢明顯；當(dāng)W爐超CFB爐年排放量而無法獲取環(huán)保電價時(即情況3)，W爐費用凈現(xiàn)值比CFB爐高71 609萬元，此時從經(jīng)濟性分析CFB爐優(yōu)勢更加明顯。

表11 費用凈現(xiàn)值表 萬元

4 運行業(yè)績

自2009年以來，600 MW級超臨界W爐有22臺投入運行，包括珙縣電廠、福溪電廠、桐梓電廠、興義電廠等，在解決了初期出現(xiàn)的水冷壁拉裂等技術(shù)問題后，國內(nèi)大型鍋爐制造廠在技術(shù)上已趨于成熟[4]。

600 MW級超臨界CFB爐目前僅有白馬示范工程1臺投入運行，燃用貧煤，投產(chǎn)1年來技術(shù)性能穩(wěn)定，但長期運行效果還有待進一步檢驗。

5 結(jié)語

660 MW超臨界機組燃用揮發(fā)分大于5%的無煙煤時，采用W爐和CFB爐在技術(shù)上均是可行的。就鍋爐設(shè)備的技術(shù)成熟性而言，超臨界W爐較超臨界CFB鍋爐優(yōu)，但其污染物排放量相對較高，且易結(jié)焦、產(chǎn)生高溫和低溫腐蝕；CFB爐煤種適應(yīng)性廣，污染物排放低，設(shè)計成熟，但是國內(nèi)投產(chǎn)業(yè)績少，且較W爐水冷壁容易磨損，實際運行性能還有待進一步驗證。

就經(jīng)濟性而言，W爐工程造價比CFB爐低約1.42億元，但運行費用高于CFB爐，采用費用凈現(xiàn)值分析法得到，當(dāng)執(zhí)行當(dāng)前排污標(biāo)準(zhǔn)時，W爐與CFB爐經(jīng)濟性相當(dāng)；當(dāng)環(huán)保要求更趨嚴(yán)格時，CFB爐經(jīng)濟性更好。

因此，投資方在鍋爐選型時，應(yīng)根據(jù)自身實際資金籌措、風(fēng)險控制要求、環(huán)保排放及收費預(yù)期等因素，謹(jǐn)慎進行決策。

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(本文編輯：楊林青)

Technical and Economic Analysis on Boiler Selection of 660 MW Supercritical Units Burning Anthracite Coal

KONG Liang1, YI Ning1, ZHANG Jian1, HE Qing-hui2, LIU Lei2, YANG Zhu-hua1

(1. Electric Power Planning & Engineering Institute, Beijing 100120, China；2. Southwest Electric Power Design Institute, Chengdu 610021, China)

As the 600 MW supercritical CFB demonstration project has successfully been completed and put into operation in Baima, Sichuan province, in addition to the W-shape flame boiler, the CFB boiler is becoming a new choice for 660 MW supercritical units burning anthracite coal. In order to provide references for decision makers, this paper takes a real project as an example to analyze the technological and economic differences between W-shape flame boiler and CFB boiler.

660 MW supercritical unit; CFB boiler; W-shape flame boiler; boiler selection; anthracite coal

10.11973/dlyny201506026

孔 亮(1980)，男，博士，高級工程師，主要從事電力行業(yè)項目評審、產(chǎn)業(yè)政策咨詢工作。

TM621

A

2095-1256(2015)06-0858-06

2015-08-08