王生龍，王江懿，張樹芳，鄧 華，范春安，龍海寬，范衛(wèi)東

(新疆天業(yè)集團(tuán)煤化工煤電技改和規(guī)劃研究項(xiàng)目技術(shù)團(tuán)隊(duì)，新疆 石河子 83200)

當(dāng)今，具有煤炭資源優(yōu)勢地區(qū)，最基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，就是發(fā)展現(xiàn)代煤化工，煤炭氣化技術(shù)路線中，燃料煤占煤炭總消耗比例35%～45%[1]。

煤化工選擇背壓機(jī)的依據(jù)是節(jié)能，實(shí)踐中，普遍存在“以熱定電”約束下靈活性差、發(fā)電量低于設(shè)計(jì)值、備用減溫減壓裝置被迫長期或頻繁啟用、實(shí)際熱耗高等問題；選擇抽凝機(jī)組，靈活性提高了，但政策不鼓勵(lì)，也不符合低碳發(fā)電的形勢；研究發(fā)現(xiàn)，流行的煤電機(jī)組靈活性或供熱改造方案，普遍存在盲目性、局限性、不確定性風(fēng)險(xiǎn)和計(jì)算條件理想化，且多為采暖供熱項(xiàng)目，受全年熱化系數(shù)低的制約，全年平均經(jīng)濟(jì)性差；多數(shù)改造方案中，沒有進(jìn)行供熱參數(shù)“溫度對口、梯級利用”和盡量減少傳熱不可逆損失的優(yōu)化研究[2～15]。

文獻(xiàn)[2]汽輪機(jī)綜合改造，機(jī)組煤耗下降9.88 g/(kW·h)；文獻(xiàn)[15]改進(jìn)型空預(yù)器旁路余熱利用系統(tǒng)節(jié)煤2.998+0.797=3.795 g/(kW·h)；文獻(xiàn)[16]300 MW抽汽+背壓機(jī)梯級供熱利用案例，降低供電煤耗5.671～7.725 g/(kW·h)；文獻(xiàn)[17]強(qiáng)調(diào)多熱源梯級余熱供熱，供熱總成本降幅0.35～0.55 元/GJ；文獻(xiàn)[14]將常規(guī) 0.895 7 MPa抽汽壓力分別降低至 0.543 4 MPa和0.198 7 MPa，供熱量相同時(shí)，發(fā)電量增加9.66 MW和 26.09 MW；文獻(xiàn)[18]突破傳統(tǒng)換熱思維，引入熱泵，突破煙氣溫降和換熱器進(jìn)出口溫度的限制，文獻(xiàn)[15]對百萬千瓦機(jī)組標(biāo)配設(shè)計(jì)的空預(yù)器旁路余熱利用方案提出質(zhì)疑。

以上典型文獻(xiàn)，技術(shù)貢獻(xiàn)是主流，但是某些枝節(jié)存在爭議和互補(bǔ)。其中，系統(tǒng)復(fù)雜、電熱負(fù)荷邊界條件苛刻、全年節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性很有限，降低煤耗和節(jié)約標(biāo)煤量分別在10 g/(kW·h)和5%之內(nèi)，距國家《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》“單位GDP能耗五年累計(jì)下降 13.5%”的政策要求相差較遠(yuǎn)[19]。因此，創(chuàng)新煤電機(jī)組發(fā)電技術(shù)，特別是深刻變革汽輪機(jī)效率及冷端損失瓶頸的通流結(jié)構(gòu)、定速發(fā)電理念，勢在必行。邁向現(xiàn)代煤化工的瓶頸是降能耗和能源化工一體化，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，傳統(tǒng)煤化工供電煤耗在現(xiàn)有基礎(chǔ)上降低20%～40%是有可能的。

排汽壓力大于大氣壓力的汽輪機(jī)稱背壓式汽輪機(jī)。國內(nèi)首臺125 MW低背壓機(jī)案例[20]，其發(fā)電總熱效率達(dá)到85%，且實(shí)現(xiàn)孤網(wǎng)運(yùn)行，令人鼓舞。

圖1，是某100萬t煤制合成氣60萬t乙二醇項(xiàng)目熱電站系統(tǒng)[1]，2017年動工，2020年開始試生產(chǎn)。項(xiàng)目位于某盆地、某沙漠、某古河道下游,方圓20 km人煙稀少，地下水相對豐富、水溫9～10℃，空氣溫差大、浮塵大、主導(dǎo)風(fēng)向變化無常；夏季高溫、春季大風(fēng)不宜空冷裝置運(yùn)行。目前，圖1中F1至F3發(fā)電機(jī)及汽輪機(jī)系統(tǒng)暫時(shí)沒有施工，煤化工兩至三年的試生產(chǎn)期，為項(xiàng)目低碳發(fā)電技術(shù)研究、改造和規(guī)劃提供了機(jī)遇。

圖1 某一期工程(50+15+12)MW熱電站原則性熱力系統(tǒng)圖

2020年，在圖1基礎(chǔ)上，因地制宜，創(chuàng)新提出汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)(通流、轉(zhuǎn)速、多級抽汽)與熱網(wǎng)(溫度對口、梯度利用)聯(lián)合的深度靈活性改造和分期規(guī)劃方案，旨在節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和靈活性方面比案例[20]和其它文獻(xiàn)有更大突破。經(jīng)設(shè)計(jì)院及權(quán)威汽輪機(jī)研究所估算[21]，圖2(一期工程)技改國內(nèi)首創(chuàng)超低背壓0.1 MPa方案，年均全廠熱效率81.27%；圖3(二期工程)規(guī)劃國內(nèi)首創(chuàng)超低背壓0.05 MPa、三軸變速發(fā)電和乏汽煙氣余熱廢水的系統(tǒng)集成協(xié)同回收方案(以下簡稱“協(xié)同回收”)，全廠熱效率85%；圖4為三期工程規(guī)劃方案。

目前，國內(nèi)燃煤機(jī)組超低背壓(低于0.15 MPa)、三軸變速發(fā)電技術(shù)研究和應(yīng)用尚屬空白；“協(xié)同回收”多為獨(dú)立性的研究，更缺少對聯(lián)合超低背壓、三軸變速發(fā)電、“協(xié)同回收”的同比傳統(tǒng)煤電機(jī)組投資略高的統(tǒng)籌節(jié)能、靈活、經(jīng)濟(jì)和可靠的一體化戰(zhàn)略研究和實(shí)踐。本文基于系統(tǒng)的復(fù)雜性和科學(xué)性，在戰(zhàn)術(shù)上，結(jié)合“十四五規(guī)劃”提出了方案一至方案六的循序漸進(jìn)的三期分步現(xiàn)代煤化工發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃(圖2～圖4)。其技改和創(chuàng)新主要內(nèi)容，值得其它行業(yè)熱電機(jī)組的借鑒。

圖2 某一期工程2×100 MW超低背壓技術(shù)改造原則性熱力系統(tǒng)圖

圖3 某二期工程2×300 MW超低背壓三軸變速發(fā)電技術(shù)原則性熱力系統(tǒng)圖

圖4 某三期工程煤化工IGCC(能源-化工一體化)多聯(lián)產(chǎn)碳中和方案原則性熱力系統(tǒng)圖

1 技術(shù)改造和創(chuàng)新方案

方案一：著重完善既有煤化工熱電站低壓回?zé)嵯到y(tǒng)。技改煙氣、乏汽回?zé)嵯到y(tǒng)及“煙道分級低壓省煤器和暖風(fēng)器”；利用抽汽技改100%容量的汽動給水泵和引風(fēng)機(jī)；利用抽汽回?zé)峒几娜舾膳_汽動“變頻發(fā)電機(jī)”；技改熱電站汽輪機(jī)凝汽或低壓蒸汽和煙道排煙預(yù)熱鍋爐送風(fēng)、除鹽水、工業(yè)水、原煤(漿)、熱泵技術(shù)的廠區(qū)集中供暖等。

方案二：在方案一基礎(chǔ)上，完善煤化工既有熱電站外部回?zé)嵯到y(tǒng)。深度技改氣化爐副產(chǎn)蒸汽就地回收利用；技改梯級余熱汽輪機(jī)空壓站、制冷機(jī)、變頻發(fā)電機(jī)和余熱熱泵制冷；所有小蒸汽輪機(jī)乏汽實(shí)現(xiàn)回?zé)嵩倮?減少供汽凝結(jié)水“有去無回”；嚴(yán)格控制對外供熱溫差和過熱度(過冷度)；乏汽、40℃以上廢水余熱熱泵回收；煤化工區(qū)域工業(yè)水、化學(xué)水、入爐煤(漿)、蒸發(fā)器等預(yù)熱進(jìn)入燃煤機(jī)組蒸汽-煙氣回?zé)嵯到y(tǒng)，熱泵技術(shù)的城鎮(zhèn)集中供暖[22-23]等，煤化工可燃?xì)怏w和鍋爐富氧燃燒技術(shù)。

方案一、二，其中一部分屬于傳統(tǒng)煤電機(jī)組的技改內(nèi)容，在當(dāng)今低碳發(fā)電環(huán)境下，其經(jīng)濟(jì)性不能同日而語了(當(dāng)?shù)孛簝r(jià)三年翻了2倍)。初步估算，可以使原有熱電站全部熱效率從30%(折合空冷純凝工況)，提高到35%～40%，降低供電煤耗5%～10%(度電標(biāo)準(zhǔn)煤供電煤耗絕對值降15～30 g)，達(dá)到純凝機(jī)先進(jìn)水平。

方案三：改造或新建汽輪機(jī)超低背壓機(jī)組。即，優(yōu)先低壓缸多級抽汽梯級利用，背壓乏汽分級預(yù)熱鍋爐一次風(fēng)、二次風(fēng)、入爐煤、煤漿、化學(xué)水、工業(yè)水、化工蒸發(fā)器、大型集中采暖等，最大程度減少末級背壓排汽“以熱定電”的約束和低品位冷端損失。在方案一、二的基礎(chǔ)上，將電廠全部熱效率提高到65%～70%，降低供電煤耗20%～30%(度電標(biāo)準(zhǔn)煤供電煤耗絕對值降60～90 g)。

方案一至三，構(gòu)成圖2(一期技改工程)的基礎(chǔ)。國內(nèi)有100 MW級背壓機(jī)組案例可以參考[20]，為300 MW級機(jī)組創(chuàng)新方案奠定了基礎(chǔ)。主要攻關(guān)超低背壓技術(shù)應(yīng)用，主要制約因素是化工過程熱量平衡和抽汽量變化對機(jī)組靈活和經(jīng)濟(jì)性的影響；“協(xié)同回收”低成本方案的攻關(guān)等。

圖2“一期技改工程”[21]，顯示了超低背壓機(jī)組技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)性：發(fā)電年平均標(biāo)煤耗率為224.34 g/(kW·h)，供熱年平均標(biāo)煤耗率38.77 kg/GJ，年均全廠熱效率81.27%，年均熱電比622%；最大供熱工況時(shí)，發(fā)電年平均標(biāo)煤耗率為171.19 g/(kW·h)，供熱年平均標(biāo)煤耗率38.34 kg/GJ，年均全廠熱效率85.98%，年均熱電比521%。

方案四：創(chuàng)新汽輪機(jī)“三軸(高、中、低壓缸)變速發(fā)電技術(shù)”及系統(tǒng)集成應(yīng)用。方案一至四，構(gòu)成圖3(二期工程)的基礎(chǔ)。既繼承了圖2熱效率高、運(yùn)行調(diào)節(jié)靈活的優(yōu)勢，也借鑒了壓水堆核電機(jī)組半轉(zhuǎn)速和風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速發(fā)電技術(shù)優(yōu)勢，突破了汽輪機(jī)內(nèi)效率制約，也進(jìn)一步提高了機(jī)組運(yùn)行的靈活性，還降低工程總投資；既可以輸送傳統(tǒng)工頻電源，也可以輸送變頻電源，為區(qū)域網(wǎng)及大型電機(jī)調(diào)速運(yùn)行提供變頻電源，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)由“剛性”向“韌性”的轉(zhuǎn)變。主要攻關(guān)三軸變速發(fā)電技術(shù)應(yīng)用，主要制約因素是三軸汽輪機(jī)通流結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速、電熱功率分配和背壓值的優(yōu)化。圖3，將電廠全部熱效率從65%，提高到85%，降低供電煤耗20%(度電標(biāo)準(zhǔn)煤供電煤耗絕對值降60 g左右)。

方案五：保留少部分純凝工況，是方案四在某些行業(yè)工藝過程無法完全建立和平衡超低背壓乏汽回?zé)崂玫奶乩?/p>

方案六：煤化工IGCC(能源-化工一體化)多聯(lián)產(chǎn)碳中和方案。以煤氣化為基礎(chǔ)，通過燃?xì)廨啓C(jī)把煤化工氣化過程與電力直接聯(lián)系，減少傳統(tǒng)燃煤鍋爐由煤轉(zhuǎn)電過程的熱能不可逆損失，實(shí)現(xiàn)高效、清潔發(fā)電、供熱；合成氣的碳中和優(yōu)勢；耦合光伏發(fā)電電解水制氧富氧燃燒技術(shù)；聯(lián)產(chǎn)多組分化工原料，減少了煤化工項(xiàng)目碳排放量；燃料煤趨向原料煤。是目前煤化工能源梯級利用更徹底、碳排放量更低、整體經(jīng)濟(jì)性更好的方案[24]。方案一至六，構(gòu)成圖4(三期工程)的基礎(chǔ)。主要亮點(diǎn)是煤轉(zhuǎn)電、熱過程的傳熱不可逆損失更低、煤化工工藝副產(chǎn)熱量的回收利用比重大和燃料煤趨向原料煤(政策需要)，難點(diǎn)是能源化工一體化攻關(guān)。

2 技術(shù)原理

2.1 超低背壓機(jī)組技術(shù)原理

理論研究表明[25]，朗肯循環(huán)終參數(shù)降低1 K比初參數(shù)提高1K對效率提高影響要大。

為了簡便，蒸汽動力循環(huán)的效率用卡諾循環(huán)的效率ηc來表示

(1)

式中TH——熱端溫度；

TL——冷端溫度。

對熱端溫度TH求偏微分

對冷端溫度TL求偏微分

即TL變化1 K,對于ηc影響大于TH變化1 K。

文獻(xiàn)[12]，供熱機(jī)組的年發(fā)電節(jié)煤量GX(t/年)按下式計(jì)算

GX=EX(g0-gx)×10-3

(2)

式中EX——X方案的發(fā)電量/(kW·h)·年-1；

gx——x方案的發(fā)電標(biāo)煤耗/kg·(kW·h)-1；

g0——擬比對機(jī)組的發(fā)電標(biāo)煤耗/kg·(kW·h)-1。

從式(2)可以看出，供熱機(jī)組發(fā)電節(jié)煤量不但與發(fā)電煤耗有關(guān)，而且與發(fā)電量有關(guān)，而這后一點(diǎn)往往被大家技改中忽略而產(chǎn)生誤導(dǎo)。

文獻(xiàn)[2-15,26-28]，應(yīng)該有條件地運(yùn)用“以熱定電”的原則；熱電機(jī)組節(jié)能性是一個(gè)相對概念，與抽凝機(jī)組的純凝汽發(fā)電煤耗和全國平均發(fā)電水平相比時(shí)，高參數(shù)熱電冷系統(tǒng)在汽機(jī)抽汽或背壓排汽壓力足夠低時(shí)才具有節(jié)能效果。

超低背壓機(jī)組與傳統(tǒng)熱電機(jī)組不同在于[14,29]：將原抽汽機(jī)較少或背壓機(jī)參數(shù)較高的蒸汽接口，按多梯度分級抽汽,并以較低能級參數(shù)向下一級輸送蒸汽，形成低溫差梯級回路并滿足熱網(wǎng)“溫度對口，梯級利用”要求，減少傳熱不可逆損失；努力使超低背壓回?zé)嵯到y(tǒng)自身熱量基本平衡，減少末級對外部熱負(fù)荷的依賴，在提高全廠熱效率的同時(shí)，機(jī)組運(yùn)行靈活得到了提高[14]。國內(nèi)100 MW級案例實(shí)現(xiàn)了孤網(wǎng)運(yùn)行[20]。此時(shí)，機(jī)組發(fā)電設(shè)備小時(shí)數(shù)利用率的提高，相對降低了設(shè)備折舊分?jǐn)偟焦╇姵杀镜姆蓊~，因此，超低背壓是傳統(tǒng)熱電機(jī)組的升級版。

圖5，某0.3 MPa背壓機(jī)末級葉片運(yùn)行半年的水侵蝕情況，可推理出圖2、圖3方案，在超低背壓排氣壓力小于0.15 MPa，達(dá)到0.05 MPa時(shí)，末級葉片水侵蝕會更嚴(yán)重。濕蒸汽兩相流遠(yuǎn)比蒸汽單相流要復(fù)雜得多，受到實(shí)驗(yàn)條件和凝結(jié)理論的限制，濕蒸汽領(lǐng)域尚存在較多的問題有待解決，僅有的文獻(xiàn)中對濕蒸汽方面的計(jì)算也只是經(jīng)驗(yàn)公式，存在一定的局限性[30]。為提高超低背壓機(jī)組安全可靠性和壽命，參考核電壓水堆轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)濕蒸汽條件，末級葉片沿葉高方向的濕度與理論計(jì)算取用的平均值要高2至3倍進(jìn)行機(jī)組通流結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[30-32]。

圖5 某0.3 MPa背壓機(jī)末級葉片

2.2 三軸(高、中、低壓缸)變速發(fā)電技術(shù)原理

常規(guī)熱電背壓機(jī)組是將汽輪機(jī)冷源(端)損失折算到熱用戶上，體現(xiàn)了機(jī)組總熱效率的提高，事實(shí)上汽輪機(jī)內(nèi)效率并沒有提高。

便于分析汽輪機(jī)級內(nèi)效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，引入相對體積流量數(shù)[33]，用符號RqV表示：

(3)

則對應(yīng)的臨界體積流量qV,cr

(4)

則相對體積流量RqV

(5)

式中λ——級入口到出口的體積膨脹率；

xa——最佳速比；

k——葉片出口汽流角正弦值；

qV——體積流量；

n——轉(zhuǎn)速；

D——節(jié)圓直徑；

Lcr——臨界葉高。

式(5)表征一級特定葉柵入口相對蒸汽體積流量大小的值(簡稱RqV)。RqV在不同取值范圍內(nèi)對應(yīng)的級內(nèi)損失系數(shù)和周輪效率顯然不同。將按RqV值的不同分為超臨界狀態(tài)、亞臨界狀態(tài)和小體積流量狀態(tài)3種情況。

當(dāng)RqV>1時(shí)為超臨界狀態(tài)，級內(nèi)效率較高；當(dāng)0.5≤RqV<1時(shí)為亞臨界狀態(tài)，此時(shí)，級內(nèi)效率隨RqV的變化較為敏感；當(dāng)RqV<0.5時(shí)為小體積流量狀態(tài)，級內(nèi)效率隨RqV的變化而發(fā)生劇烈變化。工程中，當(dāng)無論采用何種方案進(jìn)行汽輪機(jī)設(shè)計(jì)，汽輪機(jī)高壓段都無可避免存在若干個(gè)小體積流量級，因此，從式(5)中看出，提高高壓缸RqV值，宜提高轉(zhuǎn)速n，同時(shí)減少節(jié)圓直徑D和葉高Lcr，該方法已在工程實(shí)踐中得到驗(yàn)證，短葉片級內(nèi)效率有明顯提高[33]。通過優(yōu)化式(5)中nD2Lcr變量，保證圖2、圖3低壓缸RqV值及抽汽量波動時(shí)的內(nèi)效率。

300 MW級機(jī)組，大多數(shù)采用高中壓合缸，高、中、低壓缸功率分配由低到高。文獻(xiàn)[34]，在不同負(fù)荷下，高壓缸效率變化較大，中壓缸效率變化較小，低壓缸效率變化介于高、中壓缸之間，RqV值優(yōu)化過程重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注低壓缸和高壓缸效率的變化。因此，我們將常規(guī)高、中、低壓缸功率分配比例顛倒過來，見圖3方案；在優(yōu)化不同轉(zhuǎn)速葉片頂端線速度和RqV值前提下，提高高壓缸的轉(zhuǎn)速、降低低壓缸的轉(zhuǎn)速和保持中壓缸的轉(zhuǎn)速。

高壓缸各級的能量損失中葉柵端部損失、級內(nèi)間隙漏汽損失所占比例較大，提高其轉(zhuǎn)速，可以減少葉柵端部損失和漏汽損失，從而進(jìn)一步提高高壓缸的內(nèi)效率[33-34]；提高高壓缸的功率分配比重，意圖是進(jìn)一步擴(kuò)大高壓缸對整體循環(huán)效率的貢獻(xiàn)率和發(fā)揮體積更小的優(yōu)勢。估算高壓缸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍6 000～12 000 r/min。

中壓缸一般是工作在過熱蒸汽區(qū)，濕汽損失較小，同時(shí)各級的端部損失和漏汽損失相對較小，機(jī)組中各級的級效率較高。因此，保持中壓缸原有功率的分配比重，進(jìn)一步提高原件的機(jī)械加工制造精度和葉型優(yōu)化手段,擴(kuò)大中壓缸對整體循環(huán)效率的貢獻(xiàn)率[2]。中壓缸采取對稱布置，利于減少軸向推力，利于蒸汽接口的布置，可以進(jìn)一步提高RqV值，降低有限的濕氣損失。中壓缸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍2 000～4 000 r/min內(nèi)調(diào)整，以適應(yīng)中壓缸因抽汽量波動時(shí)的RqV值范圍。高、中壓缸“高位布置”，利于減少電站“四大管道”直接和間接投資。

超低背壓低壓缸通流結(jié)構(gòu)一定時(shí)，濕汽損失所占比重相對較大，除了進(jìn)汽量分流外，選取末級葉片濕蒸汽不利環(huán)境，在優(yōu)化RqV值與末級葉片頂端線速度前提下，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，有利于降低末級葉片水飾強(qiáng)度和濕氣損失[30-31]；再加上先進(jìn)的葉片材料和制造工藝，比如“仿生葉型”、“半速長葉片”，設(shè)置去濕裝置，深度優(yōu)化冷端參數(shù)，來提高低壓缸對整體循環(huán)效率的貢獻(xiàn)率[32,35-36]。優(yōu)化RqV定義中nD2Lcr變量，估算低壓缸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速范圍1 000～2 000 r/min。此時(shí)其體積有所增大，宜采取“低位布置”設(shè)計(jì)。

應(yīng)用“交流勵(lì)磁變速恒頻雙饋感應(yīng)異步發(fā)電系統(tǒng)”(AC Excited Variable Speed Constant Frequency Doubly-fed Induction Generator,簡稱DFIG)變速技術(shù)，讓高、中壓缸承擔(dān)更多的調(diào)峰，使低壓缸盡可能穩(wěn)定在75%以上負(fù)荷區(qū)，有利于降低末級葉片的水飾現(xiàn)象和鼓風(fēng)發(fā)熱。

利用DFIG及控制技術(shù)[37]、抽汽量調(diào)節(jié)技術(shù)[29,38]、回?zé)峄芈穮?shù)調(diào)整和增設(shè)回?zé)嵯到y(tǒng)儲熱裝置等手段進(jìn)行系統(tǒng)電熱調(diào)峰和一次調(diào)頻[39-41]。局域網(wǎng)或孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)[20,42-43]，低壓缸及DFIG設(shè)置相對“定頻”運(yùn)行方式，承擔(dān)基礎(chǔ)“電源”。圖2、圖3方案中，工業(yè)水池和城鎮(zhèn)熱泵集中供熱，將納入超低背壓回?zé)峄芈返膬?，不但解決了末級回?zé)嵯到y(tǒng)調(diào)峰儲熱問題，還解決了項(xiàng)目冬季的融冰難題和熱電經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

高、中、低壓缸分體式結(jié)構(gòu)，有利用汽輪機(jī)多級回?zé)岬膬?yōu)化設(shè)計(jì)、接口布置、降低制造工藝要求、降低制造成本。

3 系統(tǒng)集成

3.1 煙氣-蒸汽回?zé)嵯到y(tǒng)

鍋爐排煙余熱屬于低溫余熱，可用于加熱凝結(jié)水、除鹽水、工業(yè)水、入爐煤(漿)、集中采暖等，或通過加熱空氣預(yù)熱器進(jìn)口冷空氣以引入鍋爐，但這兩種鍋爐排煙余熱利用方式產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)性，由于機(jī)組冷源損失變化和計(jì)算方法的差異性，鍋爐排煙損失如何運(yùn)用熵平衡原理及方法，建立煙氣側(cè)回?zé)峁こ虩崃W(xué)，導(dǎo)致對其評價(jià)一直存在爭議[15]。同時(shí)，百家爭鳴，派生出若干余熱利用形式和理論。

根據(jù)電站鍋爐受熱面能級分析[44]，廣義的講朗肯循環(huán)的終參數(shù)除了與蒸汽的冷源損失有關(guān)外，還應(yīng)該包括鍋爐排煙損失。文獻(xiàn)[45]，李沁倫等提出了“溫度和熱容流率匹配相結(jié)合”的梯級利用理論；文獻(xiàn)[17]，李巖等提出乏汽高背壓、吸收式熱泵、熱網(wǎng)低溫回水3種技術(shù)結(jié)合和互補(bǔ)的梯級利用創(chuàng)新；文獻(xiàn)[29]，車洵等新型背壓機(jī)研究理論；文獻(xiàn)[46]，楊勇平等因“能級不匹配”而提出煙氣側(cè)與乏汽側(cè)傳熱融合新理念；文獻(xiàn)[23]，薛清元等認(rèn)為“使用汽輪機(jī)級間抽汽驅(qū)動熱泵達(dá)不到節(jié)能目的，利用煙氣余熱等不影響機(jī)組做功的熱源作為驅(qū)動熱源，級間抽汽僅作為輔助、備用熱源使用”；文獻(xiàn)[47-49]，提供了回?zé)崾狡麆右L(fēng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和煙氣余熱回收的工程經(jīng)驗(yàn)等；其中，文獻(xiàn)[18]吳華新的天然氣吸收式汽-水換熱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了天然氣煙氣動力回收、熱回收、潛熱回收與深度利用，為燃煤煙氣余熱利用提供了參考，見圖6。

圖6 文獻(xiàn)[18]煙氣梯級回收方案

總結(jié)各文獻(xiàn)利弊，結(jié)合煤化工蒸汽參數(shù)等級多、飽和蒸汽量大、乏汽和廢熱量大、傳熱不可逆熱損失和潛熱損失較大、煤化工啟動時(shí)電熱負(fù)荷波動大等特點(diǎn)，圖2、圖3、圖4中，堅(jiān)持抽汽供熱“溫度對口，梯度利用”及兼顧節(jié)能、成本和靈活性的前提下，將鍋爐、汽輪機(jī)和煤化工作為一個(gè)整體優(yōu)先考慮煙氣和乏汽余熱梯級利用。初步設(shè)計(jì)中，優(yōu)先設(shè)置低壓級回?zé)峒墧?shù)[15]；分級提高給水溫度；增加回?zé)峒俺跗餍顭醄39]；較低壓抽汽小汽輪機(jī)代替電動機(jī)驅(qū)動[13]；系統(tǒng)簡單化[15]等；低溫差分級換熱[14]。乏汽拓展到吸熱式熱泵、混流(直接接觸)式、蒸汽噴射換熱和直流蒸發(fā)器技術(shù)[17,47,50-52]；低溫?zé)煔馔卣沟降投瞬顡Q熱器、混流(直接接觸)式換熱器技術(shù)應(yīng)用[17,48-49]等方案。見圖7、圖8、圖9。

圖7 吸熱式熱泵示意圖

圖8 噴射換熱器示意圖

圖9 協(xié)同回收混流式換熱示意圖

文獻(xiàn)[18][23][53]“協(xié)同回收”系統(tǒng)構(gòu)架和工程經(jīng)驗(yàn)，為鍋爐、汽輪機(jī)和煤化工作為一個(gè)整體優(yōu)先考慮煙氣和乏汽余熱梯級利用和回收提供參考。

3.2 DFIG、變頻電源及“韌性電網(wǎng)”

DFIG、變頻電源組成“韌性”局域電網(wǎng)，DFIG均可以獨(dú)立變頻供電也可以切換至工頻母線供電。為保持汽輪發(fā)電機(jī)組原有的一部分機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量儲能優(yōu)勢，采取DFIG“變頻”手段(原理及等效電路圖，見圖10)，來提高“韌性”為特征局域網(wǎng)的可行性[37]，而不采取看似簡單且相對柔性的“全功率變換變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)”。

圖10 DFIG原理和等效電路圖

DFIG自動調(diào)節(jié)技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)“三軸變速發(fā)電”功率平衡和一次調(diào)頻、煤氣化過程電熱平衡、氣化成分變換調(diào)節(jié)動態(tài)匹配、“韌性”局域電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)奠定了理論基礎(chǔ)，DFIG原理如下

(6)

(7)

(8)

(9)

式(6)～(9)中U1,U2，——定子(局域網(wǎng))、轉(zhuǎn)子電壓向量;

E1.氣隙磁場感應(yīng)電動勢向量;

I1,I2,Im——定、轉(zhuǎn)子電流和磁場電流向量;

r1,r2——定子、轉(zhuǎn)子電阻;

X1σ,X2σ,Xm——定、轉(zhuǎn)子漏抗和互抗，為簡便，記X1=X1σ+Xm,X2=X2σ+Xm;

n——轉(zhuǎn)差率;

Pcu1,Pcu2——定、轉(zhuǎn)子銅損;

X1σ,X2σ,Qe——定、轉(zhuǎn)子消耗的無功功率和氣隙磁場功率;

a,b,c,d——發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)差率有關(guān)的系數(shù)。

式(6)，反映DFIG定、轉(zhuǎn)子電壓電流關(guān)系。

式(7),式(6)，轉(zhuǎn)子控制變量(U2,I2)和電網(wǎng)電壓及控制對象定子(P,Q)之間的原理關(guān)系。

式(9)，定、轉(zhuǎn)子有功、無功功率原理關(guān)系。

3.3 深度的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖2、圖3、圖4方案，相比傳統(tǒng)熱電項(xiàng)目增加了20%～40%總投資，必須打破傳統(tǒng)電力規(guī)劃、設(shè)計(jì)理念和習(xí)慣，創(chuàng)新設(shè)計(jì)“規(guī)程和規(guī)范”，通過深度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將其單位千瓦投資平抑在7 000元左右，其深度優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則為：

汽輪機(jī)高、中、低缸高低位布置；輔機(jī)取消備用容量設(shè)計(jì)，并盡量單臺運(yùn)行設(shè)計(jì)；“協(xié)同回收”、超低排放和煙塔合一技術(shù)，取代傳統(tǒng)冷卻塔和煙囪；光伏電解制氧代替空分制氧；優(yōu)化回?zé)峒疤菁壚玫统杀痉桨?；?yōu)先抽汽汽輪機(jī)的進(jìn)汽壓力；優(yōu)化局域網(wǎng)“黑啟動”及高低壓“大旁路”容量；鍋爐“精準(zhǔn)摻配煤炭干預(yù)燃燒”技術(shù)；優(yōu)化后煤倉和輸煤形式設(shè)計(jì)；優(yōu)化除氧器儲熱等一次調(diào)頻手段容量；低品位熱能優(yōu)先混流(直接接觸)式換熱器；鋁制替代銅制動力電纜；光纖盡量替代控制電纜；嚴(yán)格選址及地基處理經(jīng)濟(jì)性論證；嚴(yán)格“法人制”、閉口合同、3D施工圖管理；創(chuàng)新項(xiàng)目無息融資方案。

3.4 光伏電解水制氧與CO2捕捉

圖4中，光伏電解水O2代替部分空氣作為低溫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室氧化劑與高溫燃?xì)廨啓C(jī)排氣中CO2形成混合物，進(jìn)入低溫汽輪機(jī)燃燒，排氣中產(chǎn)生高濃度的CO2。采用 O2/CO2混合物而不是純氧的原因是為了控制火焰溫度。富氧燃燒優(yōu)勢在于煙氣中高濃度的CO2，簡化了煤氣燃燒后CO2的分離、純化過程，凸顯了項(xiàng)目CO2低成本捕捉的效果,形成一個(gè)可再生能源發(fā)電驅(qū)動的小型碳循環(huán)。項(xiàng)目的光伏資源豐富，光伏電解水制氧成本低，可以節(jié)省煤化工昂貴且耗能大的空分裝置和空分成本。

4 規(guī)劃設(shè)計(jì)及原則性熱力系統(tǒng)圖

詳見圖2、圖3、圖4。

5 結(jié) 論

圖2、圖3、圖4技改和規(guī)劃抓住了電力供電成本中燃料成本(50%左右)和折舊費(fèi)用(35%左右)合計(jì)占總成本85%的牛鼻子，經(jīng)估算，不同方案節(jié)煤10%～40%；通過深度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，總投資略高于傳統(tǒng)燃煤電機(jī)組，供電成本同比下降10%～30%。

圖2、圖3、圖4，超低背壓、三軸變速發(fā)電、“協(xié)同回收”、DFIG參與煤氣化變換調(diào)節(jié)的IGCC等技術(shù)理論成立，也有案例和文獻(xiàn)可以參考。改變?nèi)S變速汽輪機(jī)RqV中變量n可以更好滿足煤化工啟動和正常運(yùn)行時(shí)電熱負(fù)荷波動大的需求[33]。

汽輪機(jī)通流結(jié)構(gòu)、三軸變速發(fā)電轉(zhuǎn)速和背壓值的優(yōu)化，不同工況及回?zé)崞胶?，各級RqV值合理范圍，多級抽汽設(shè)計(jì)技改或制造條件、標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品制造序列等，“三軸(高、中、低壓缸)變速發(fā)電”體系制造及系統(tǒng)集成，超低端差換熱器及低溫腐蝕，混流(直接接觸)式換熱器結(jié)構(gòu)，DFIG聯(lián)合控制等，還需要聯(lián)合制造廠和設(shè)計(jì)院進(jìn)行攻關(guān)或創(chuàng)新。

超低背壓機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)與化工熱力平衡，梯級利用形式，系統(tǒng)靈活性和低成本優(yōu)化，“協(xié)同回收”與煤化工一體化研究，三軸變速恒頻(含DFIG附加頻率、轉(zhuǎn)速非線性、并網(wǎng)等控制技術(shù))及FDIG之間邏輯控制關(guān)系，三軸變速RqV值與煤化工電熱工況研究等，是中試項(xiàng)目的焦點(diǎn)。“黑啟動”方案及FDIG抵抗負(fù)荷振蕩的手段是局域網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行的焦點(diǎn)。

圖2、圖3、圖4，相對獨(dú)立，又有內(nèi)在聯(lián)系，可以獨(dú)立方案和聯(lián)合方案運(yùn)行，其理論對其他能源化工、熱電機(jī)組實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)電具有參考價(jià)值。

圖4，煤氣化、變換、分離技術(shù)復(fù)雜、集成度高，核心技術(shù)不易被掌控；DFIG參與煤氣化變換調(diào)節(jié)的研究，對煤化工產(chǎn)品的靈活性、負(fù)荷率控制和項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性，燃料煤轉(zhuǎn)向原料煤，意義重大。