创新与超越--世界首创煤电高低位布置示范工程t望

--写在安徽淮北申能平山电厂二期1x1350MW高低位分轴布置超超临界二次再热机组开工建设之际

0 前言

电是二次能源，它犹如现代社会运行的血液不可或缺。人们对电源的期望是多个维度的：可靠、经济(度电成本低)、环保、可持续性(能源安全)。要都满足这几个维度并不容易。看看我国大陆的电力构成。最新一个年度数据是2016年的。

即到2016年末，发电总装机中煤电占57.3%，发电量中煤电占更多为65.2%。煤电装机比例几年来随着可再生能源的快速发展而下降。按照电力发展十三五规划，预计到2020年，煤电装机控制在11亿千瓦，占总装机的54.6%，发电量估计仍占64.3%。预计到2030年煤电占发电量比例为55%左右。我国的能源禀赋决定了煤电在相当长的时间内仍将占主要地位。

现在讲能源革命，是否要革煤电的命?国外如英国、德国制定了去煤电化计划，但在中国还革不到煤电的命，而是煤电向高效、清洁化利用方向发展。

短期来说，大家注意到煤电的几个动向：

1)煤电利用小时数处于低位(约4200小时左右)，显示阶段性过剩。2017年8月，16部委发文，要求停建、缓建煤电产能1.5亿千瓦、淘汰落后产能0.2亿千瓦以上。

2)煤价上涨使得相当部分煤电厂盈利困难。

3)煤电可实现超低排放，达到燃机电厂排放水平。十三五期间超低排放改造规模为4.2亿千瓦。

4)到2020年现役煤电厂平均供电煤耗低于310g/kWh。十三五期间节能改造规模为3.4亿千瓦。相应地，燃煤机组二氧化碳排放强度下降到865g/kWh。

5)2020年大型发电集团单位供电二氧化碳排放控制在550克二氧化碳/千瓦时。为消纳风电、太阳能，煤电实施灵活性改造。十三五期间灵活性改造规模为2.2亿千瓦。煤电功能由电量主体向容量主体转变，向提供可靠电力、调峰调频的基础性电源转变。

在这样的大背景下，安徽淮北申能平山电厂二期1x1350MW高低位分轴布置超超临界二次再热机组(简称平山二期)于2017年8月23日正式开工建设了!为什么在煤电去产能的时候它得以建设，它有什么特点，对我国乃至全球未来煤电的发展又意味着什么?

1 煤电技术的发展

煤电是古老而又由与时俱进的发电方式。它有上百年的历史，根植于热力学的基本定律，在朗肯循环的指引下，随着金属材料、计算、制造、控制等技术的进步而发展，向着大型化、高参数方向发展。近几十年，参数经历了亚临界、超临界、超超临界(普通超超，先进超超)，目前处于620℃阶段，未来在向700℃等级迈进;出力从300、600到1000MW等级;再热从一次再热到二次再热;回热从7级、8级到9级、10级。近两年，华能安源2x660MW、国电泰州二期2x1000MW(600/610/610℃)、华能莱芜2x1000MW超超临界二次再热机组(600/620/620℃)相继投运，还有一批二次再热机组在建。莱芜电厂6号机组的供电煤耗达266.18g/kWh，为在运二次再热机组的新记录。

也有的电厂另辟蹊径。上海外高桥第三发电有限公司(简称外三)在原总工程师、原总经理，现任副董事长冯伟总教授的带领下，采用了众多的包括广义回热为核心的原创技术，把外三2x1000MW超超临界一次再热机组(600/600℃)改造成达到二次再热的水平(折算到考核工况为264g/kWh)。

700℃材料为欧、美、日竞相研究的对象。欧盟500MW700℃一次再热示范机组原计划2011年开始建设，现因造价及材料等瓶颈问题，已无限期推迟。我国700℃超超临界燃煤发电技术创新联盟于2011年6月正式启动了700℃技术开发计划。然而，估计10年内未必看到示范。如果将来700℃材料过关了，由于镍基材料非常昂贵，机组如何布置也是个问题。

在我国700℃电厂材料成熟之前，如何利用现有620℃等级材料，达到700℃材料的机组性能水平，并为700℃材料机组做出示范，这就是平山二期1x1350MW高低位分轴布置二次再热机组的意义所在。

2 创新的工程

平山二期是创新的工程，是冯伟忠与外三创新技术的集成及升级版。最大特点和亮点当然是高低位分轴布置的汽轮机平台。为什么要高低位分轴布置?

2.1 二次再热的布置选择

在600℃等级的材料条件下，与一次再热技术相比，二次再热技术可提高热效率2%左右，并降低CO2排放约4%。传统的二次再热机组结构如图所示。

二次再热机组的蒸汽参数一般选择为 31MPa/600/620 /620℃(汽机侧)，二次再热过热蒸汽吸热量比一次再热的减少，再热蒸汽吸热量增多，其机组结构，热力系统， 操作控制更加复杂。

传统设计的二次再热机组，主蒸汽和两次再热蒸汽管道在锅炉与汽轮机房之间多次来回。对于特大型机组，锅炉越来越高，单根蒸汽管道的平均长度就达200米。其存在的问题主要有：

(1) 增加了压力较低的近200米长的高温大直径第二次再热管道，布置困难。

(2) 大直径高温蒸汽管道价格昂贵。

(3) 增加了系统阻力，降低了蒸汽的做功能力;增加了散热损失。

(4) 大大增加了系统储存的蒸汽量，汽轮机负荷调节惯性显著增加。

(5) 与一次再热机组相比，容量为1000MW的二次传统再热机组的总投资估计需增加约4.4亿元人民币。相当于提升1%效率的成本达2.2 亿元人民币。再考虑到系统的复杂性上升，其投入产出比并没有明显的优势。

为了缩短大容量二次再热机组昂贵的大直径主蒸汽和再热蒸汽管道，从而打开更高蒸汽参数以及高效二次再热超临界机组的发展瓶颈，有4个解决方案供选择：(1)卧式锅炉;(2)地下锅炉;(3)整体提高汽轮机平台;(4)高低位分轴布置。

大型汽轮机的低压缸及凝汽器模块体积庞大，且充水后的凝汽器重量惊人。尤其是循环水泵需将冷却水提升至高位机平台，所增加的水泵能耗将吞噬机组所有的效率提升额。

方案四：高低位布置

其特点是将汽轮机的高压缸和第一级中压缸布置在高位，靠近锅炉过热器和一级过热器出口联箱处，从而大大地缩短了高温主蒸汽和再热蒸汽管道的长度，二次再热机组的优势得以发挥;采用了双轴技术，单机机组容量的瓶颈被打开，按现有的锅炉和汽轮机设计技术，单机容量可达1300~1500MW，而且更具有优化机组二次再热热力学性能的潜力。

显然，前3个方案对于容量达1000MW的超超临界机组来说均是不现实的，唯一可行的方案就是汽轮发电机组分轴高低位布置方案。

2.2高低位分轴布置

冯伟忠早在2007年4月27日，申请了发明专利 “一种高低位分轴布置的汽轮发电机组”，并于2011年12月7日获得专利授权(专利号ZL200710040128.0)。同时，也于2015年获得了美国专利。

其发明的思路是采用双轴汽轮发电机技术，并将高、低轴系错落布置，显著减小了蒸汽管道系统中昂贵的高温高压蒸汽管道的长度和管道系统的压降和散热损失，提高了机组的做功能力，还降低了再热系统的储汽量和机组的调节惯性，并能使二次再热机组的经济性得以充分体现。

同一平面分的轴布置不是新鲜事物。美国最大的出力的分轴布置为8x1300MW，于1973-1984年投运，为原ABB(现为归GE)供货。1991-1992年期间，冯伟忠在崇明发电厂14号机组25+30MW双轴机组改造中，成功地解决了双轴机组启动和同步与超速控制难题(冯伟忠，《双轴汽轮发电机组的启动及同步过程分析》发表在《华东电力》2001.3);冯伟忠，《双轴汽轮发电机组的超速控制及计算分析》发表在《动力工程》1999.1)。按照冯伟忠的话说：“双轴布置最难的部分早在20多年前就解决了”。但高低位分轴布置却是新鲜事物。

2.3二次再热机组容量选择

用1350MW容量高低位分轴布置的设计，能够选择达到最佳热耗值的第二再热压力，约为2.25 MPa。

第二中压缸进汽压力和热耗的关系

若机组容量选1000MW，单轴布置。根据现有的技术，单轴的汽缸总数不能超过5个，最多只能按1个高压缸，1个第一中压缸，1个第二中压缸和2个低压缸考虑。这样，基于第二中压缸的进汽容积流量(对应首级叶片长度)的限制，其进汽压力必须远高于最佳值以控制进汽容积流量，目前上汽型的第二再热压力为3.41MPa，显然，远远偏离了最佳值2.25MPa，热耗必然上升。另外，由于常规布置1000MW机组的二次再热压力大幅上升，其第一中压缸和第二中压缸内的叶片级数的分布与1350MW高、低位布置汽轮机的叶片分布完全不同，其回热抽气口的位置也相应作调整。如此一来，常规布置1000MW机组的第一和第二中压缸的汽缸效率和回热的效益就会受到影响。因此，对于二次再热，机组容量为1000MW并非最佳选择。

1350MW高低位布置二次再热机组流通级组划分示意图

传统二次再热机组流通级组划分示意图

此外，1350MW机组的二次再热压力低，在同样的再热蒸汽温度下，其低压缸的排汽湿度低，其个别原工作于湿蒸汽区的叶片变为处于干蒸汽区，由于在干蒸汽区工作设计叶型的长叶片的效率远高于湿蒸汽区的叶片，这使得低压缸的效率上升。

1000MW和1350MW汽轮机内蒸汽膨胀过程比较示意：

通过热力学计算，比较1350MW二次再热机组高低位布置方式(方案一)与1000MW二次再热机组传统布置方式(方案二)的热耗，其结果为：

(1)方案一大幅降低主蒸汽管道压降和再热系统压降而降低的热耗，降低热耗值42kJ/kWh;

(2)方案一的二次再热压力可取最佳值，抽汽口布置方面的优化降低热耗33.4kJ/kWh;

(3)方案一提高了低压缸末段蒸汽干度而提高了机组效率所降低的热耗23.8kJ/kWh;

(4)方案一对排汽压力(真空)进行了优化，从而降低了机组热耗47.9kJ/kWh。

总之，方案一比方案二热耗共下降147.1 kJ/kWh，折合标准煤耗约下降约5.5g/kWh。由于高低位布置大大缩短了高温蒸汽管道的长度，因而与常规布置的双轴1350MW二次再热超超临界机组设计方案进行比较，前者在进口P92高温大直径管道方面的投资节省约2亿元人民币。

2.3 创新集成

除了高低位布置，平山二期将集成在外三已经成功应用与验证的创新，包括“广义回热”、弹性回热、广义变频中心、凝水和抽汽联合调频、固体颗粒侵蚀(SPE)综合防治系列等创新。

广义回热技术是对传统的汽轮机抽汽加热给水回热技术的发展，其基本原理是通过抽汽加热所有进入锅炉的物质，包括给水、燃料和空气，从而大幅减少冷凝器的冷端损失，提高汽机效率，与此同时，大大优化了锅炉的燃烧性能。广义回热包括“可调式给水恒温回热技术”;“锅炉进风回热技术”;“锅炉送粉回热技术”以及“邻机抽汽回热启动系列技术”等。工程热力学的给水回热循环，其本质也是一种热电联产。

弹性回热解决低负荷下的脱硝。于高压缸处选择一个合适的抽汽点，并相应增加一个抽汽可调的给水加热器，在负荷降低时，通过调节门可控制该加热器的入口压力基本不变，从而能维持给水温度不变，提高汽机效率，还有诸多其他好处。

广义变频中心目的是降低在低负荷下的厂用电率，并在平山二期实现给水泵汽轮机与变频中心的小汽机合二为一，是集中式变频中心的升级版。它利用转速可调的给水泵汽轮机，在驱动给水泵同时，推动一个发电机，根据机组负荷变化，给水泵汽轮机的转速同步改变，从而改变发电机输出的交流电的频率，通过变频母线进而改变连接在其上的所有辅机电动机的电源频率，最终改变辅机转动机械的转速，从而达到减少挡板、阀门节流损失的经济运行目的，更重要的是大大降低了低负荷下厂用电。

这些创新集成将使得供电煤耗降低达10g/kWh左右。

3 高效率的工程

3.1“251工程”

2009年3月，外三启动9号机工程化研究。

早期基于30MPa/600/610/620℃的参数，设计供电效率为48.92%，供电煤耗为251g/kWh，所以称为“251工程”,这是2009年版。其中汽机热耗6947kj/kWh，对应供电效率为47.1%，对应供电煤耗260.8g/kWh;集成创新贡献1.82%的效率增量，相当于降低供电煤耗9.8g/kWh。

3.2 效率优化

随着设计优化，如采用33PMa/600/620/630℃，可以降低供电煤耗约2.5g/kWh。

在参数优化后，1350MW工程的汽机热耗从6947kJ/kWh降低至6882 kJ/kWh，同时， 通过采用一系列创新技术而产生的净效率增加量相应地从1.82%增加至2.3%，使得高低位布置的二次再热机组的设计供电效率从48.92% 增加至49.8%，对应于供电煤耗246.66g/kwh，比251g/kWh下降了4.34g/kWh，尽管人们还是习惯称为“251工程”。

在项目实施过程中，参数可能还有些变化，比如采用610/630/623℃，性能还能稍微提高。

如果将来采用700℃材料和全部创新技术，将1350MW二次再热的温度提高到700℃等级，则其供电效率可达53%，对应于供电煤耗231.76g/kWh。

值得注意的是，上面说的供电煤耗是在满负荷下的，由于平山二期采用了提高部分负荷效率的措施，包括弹性回热、广义变频中心等，使得部分负荷下的效率下降比较平缓。这在当前煤电调峰运行形势是有相当意义的。

4 低排放的工程

常规污染物的超低排放已经不是问题平山二期设计烟尘排放浓度低于5mg/m3，SO2排放浓度低于15mg/m3，NOX排放浓度低于20mg/m3，比超低排放的标准还低。

更重要的意义在于碳排放。

2015年8月3日，美国环境保护署公布了《新排放源性能标准》(NSPS)，将美国新的煤电CO2排放标准严格控制在年均636g/kWh以下(基于发电煤耗)。如果按美国同样的基准计算，则“251工程”CO2排放为635.4g/kWh，低于美国新煤电机组碳排放636g/kWh的准入标准。这里可以看到“251工程”对于燃电CO2减排的重大意义：“251工程”不但对常规污染物超过天然气排放标准的要求，实现了真正的超低排放，而且是在一个相当长的时间内，燃煤电厂CO2减排的最主要的措施，预计在不需要昂贵和高能耗的碳捕捉与埋存(CCS)技术的情况下直接达到美国新的碳排放标准。即使在美国，通过CCS来解决燃煤电厂的CO2减排，由于CCS的技术、能耗、投资和CO2埋存的诸多方面的问题和许多不确定的因素，解决燃煤电厂CO2也是不现实的，更不用说在中国了。“251工程”将重新定义煤电在发电技术中的地位。尤其对于中国这样以煤为主的国家意义非凡，这将使得煤电在战略地位、能源安全、经济性、环保性、可靠性、碳减排合规等方面都统一起来。

5 可靠的工程

“251工程”采用的技术均有可靠的应用。同平面的分轴布置是成熟的;二次再热是成熟的;1350MW级的锅炉在美国、德国均有业绩。例如德国Neurath2x1100MW超超临界机组燃用高水份褐煤，于2012年投入运行。采用塔式炉技术，炉膛截面26x26米，锅炉高度170.7米。如果燃用烟煤，相当于出力可以达到1500MW。

对于二次再热锅炉，其对流受热面数量与辐射受热面的比值远高于一次再热，而塔式锅炉在对流受热面布置的灵活性方面具有先天性优势。此外，塔式炉具有热偏差小，对流受热面磨损率低、水动力好等，尤其是特大型锅炉，在这些方面有着显著的优势。因此，“251工程”选用塔式炉，与外三锅炉(原阿尔斯通技术，上锅制造)一样。

高位机平台采用现有成熟的弹簧汽轮发电机基础，能解决高位机振动能量的吸收问题。平台由带钢斜撑的钢筋混凝土框架支撑，该框架通过铰接庞牍炉主钢结构连接，防止在地震及风载荷的情况下出现不同步位移，导致高位机与锅炉联箱间的短管承受不可接受的应力。高位机的混凝土支撑框架的外围采用轻型钢架，并与其链接，形成传统意义上的汽机房。机组辅助系统的主要大件设备，例如高、低压加热器、除氧器等考虑布置于高位机的支撑结构内。此外，集控室也布置在此框架内，从而还能大量节约电缆及桥架等材料的投资，施工费用也同步下降。德国Linen 800MW机组采用了弹簧支持。

发电机是由600MW级和800MW级的常规发电机组成，而不是一个1350MW的特大型发电机。

6 经济的工程

申能股份有限公司于2017年1月23日公告，平山二期项目动态总投资53.9亿元，即单位千瓦动态投资约3993元。据报道国电泰州2x1000MW超超临界二次再热总投资为83亿元，每单位千瓦4150元。即平山二期单位千瓦投资与近期常规1000MW超超临界二次再热机组基本在同一水平，但供电煤耗要低19.5g/kwh左右(按266.18-246.66计算)，是经济的工程。1350MW的出力，不仅释放了性能的潜力，也有利于降低单位千瓦投资。

7 面向未来的工程

未来一旦700℃材料成熟，平山二期所代表的高低位分轴布置二次再热技术在提高机组效率和降低昂贵管道费用方面的优势将更加突出，很有可能成为唯一选择。

已有大型发电集团对开发建设中等容量的高低位二次再热机组感兴趣。

我国有大约3亿千瓦左右的300/600MW级亚临界机组，如何进行提效改造?冯伟忠教授申请并于2014年4月16日获得了实用新型专利“一种高低位布置的高温亚临界机组”(专利号ZL201320548936.9)。平山二期的示范，将有助于未来亚临界的创新性改造。

8 坎坷的工程

“251工程”从核心专利的授予，到工程化研究论证，到示范项目落地，历经了坎坷。一方面，冯伟忠与外三的创新在不断实施、丰富;另一方面，人们的认识也需要有个过程。

2009年-2011年，外三先后与华东电力设计院、德国阿尔斯通(现归美国通用电气)、德国西门子等合作，就基于现有材料和装备技术，对高低位布置的工程化应用进行了研究论证。早期是希望放在外三9号机。

2014年12月，某中字头的公司在评估“251工程”技术方案时一度把它给否定了，认为在工程投资、节能效益乃至示范意义存在不确定性。

社会上，也有的专家调侃降了1g/kWh，把“251工程”说成250工程。

经过申能、外三的沟通和补充材料，也在有识之士的支持下，形势发生转机。

2015年4月13日，国家能源局电力司发函，委托电力规划设计总院“开展申能股份有限公司新型高效洁净燃煤发电项目评估”。

2015年12月31日，国家能源局发布“国能电力【2015】463号”文，同意将申能安徽平山电厂二期工程列为国家示范工程。虽然依托项目没有在外三9号机，毕竟可以落地了。

申能股份有限公司于2017年1月23日发布公告：公司全资控股的安徽平山电厂二期工程国家示范项目已获核准。

2016年6月7日，申能股份有限公司成立安徽淮北平山电厂二期工程筹建处，任命冯伟忠任筹建处主任。

2016年10月12日，安徽淮北平山电厂二期工程举行奠基仪式。

9 结束语

平山二期作为实施“251工程”的示范项目，将成为世界上最高效、清洁的纯凝发电机组，对未来煤电的发展，应对CO2的挑战有着非凡的意义。此时，我脑海里浮现出毛泽东在《星星之火，可以燎原》中描述新中国的一段话：“它是站在海岸遥望中已经看得见桅杆尖头了的一只航船，它是立于高山之巅远看东方已见光芒四射喷薄欲出的一轮朝日，它是躁动于母腹中快要成熟了的一个婴儿”。“251工程”何尝不是如此。它是中国的原创，是世界的首创，将是世界电力的里程碑，更是中国的骄傲。

【主要参考文献】

[1].冯伟忠，李励. 国家煤电示范项目--安徽平山电厂二期1350MW高低位二次再热超超临界机组工程，第十届超超临界机组技术交流2016年会.济南，2017.02.28.

[2]FENGWeizhong. A High Efficiency Coal-fired Power Technology with Elevated and Conventional Turbine Layout. Proceedings ofthe ASME 2017 Power and Energy Conference PowerEnergy 2017.June 26-30, 2017,Charlotte, North Carolina.

[3].冯伟忠. 新型高效超临界机组设计技术研究——高低位分轴布置汽轮发电机组.第九届超超临界机组技术交流年会. 南京: 中国动力工程学会, 2016.01.14.

[4].毛健雄. 汽轮发电机组分轴高低位布置二次再热超超临界技术. 分布式能源，2016年第三期，Vol.1, No.3,PP37-42.

[5].毛健雄. 关于超低排放和节能改造.第二届煤电超低排放和节能改造技术交流研讨会.呼和浩特：中国电力科技网，2016.07.12.

致谢：本文写作过程中得到清华大学毛健雄教授、祁海鹰教授，以及业界专家们的帮助，在此一并致谢。

原标题:创新与超越--世界首创煤电高低位布置示范工程t望