煤化工煤电机组低碳发电技改和规划方案研究_王生龙.pdf

第 40 卷，总第 236 期2022 年 11 月，第 6 期 节 能 技 术 ENEGY CONSEVATION TECHNOLOGYVol.40，Sum.No.236Nov 2022，No.6煤化工煤电机组低碳发电技改和规划方案研究王生龙，王江懿，张树芳，邓华，范春安，龙海宽，范卫东(新疆天业集团煤化工煤电技改和规划研究项目技术团队，新疆石河子83200)摘要:针对煤化工传统背压机运行灵活性、经济性和节能效果不理想;燃煤机组流行的供热改造方案局限性，深入研究了汽轮机冷端优化、不同相对体积流量时转速与效率的原理，燃煤机组传热不可逆损失理论，结合实例和参考文献，提出了 0 15 MPa、0 1 MPa 和 0 05 MPa 超低背压烟气 蒸汽回热系统、三轴(高、中、低压缸)变速发电技术和系统集成的循序渐进的创新方案;利用吸收式热泵和混流式换热技术高效回收低品位乏汽和低温烟气余热。使煤化工燃煤机组热效率提高到 81 27%以上;煤化工燃料煤(动力煤)消耗降低 10%40%，燃料煤更多的向化工原料煤转化;供电成本降低 10%30%，为富煤区做强现代煤化工提供了低成本、灵活运行的低碳发电和局域网方案;为其它能源化工、燃煤电厂提供了低碳发电的新思路。展望了光伏电解水制氧与富氧燃烧结合的煤化工 IGCC 多联产碳中和方案。关键词:超低背压;烟气 蒸汽循环;余热利用;变速发电;热泵;混流换热;低碳发电中图分类号:TK11;TK262文献标识码:A文章编号:1002 6339(2022)06 0531 10收稿日期2022 05 26修订稿日期2022 06 18作者简介:王生龙(1959 )，男，硕士，高级工程师，长期从事能源规划研究、项目建设和管理，近年涉足能源化工节能的研究。esearch on Technical Transformation and Planning Schemes ofLow carbon Power Generation for Coal to chemical ProjectsWANG Sheng long，WANG Jiang yi，ZHANG Shu fang，DENG Hua，FAN Chun an，LONG Hai kuan，FAN Wei dong(Xinjiang Tianye Group Coal Chemical Industry Coal Power Technology Transformation andPlanning esearch Project Team，Shihezhi 83200，China)Abstract:In view of the operation flexibility，economy and energy saving effect of traditional coal chemi-cal back press are not ideal，In view Limitations of the popular heating renovation schemes for coal firedgenerating units，The cold end optimization of steam turbine are studied of turbine，the principle of rota-tion rate and efficiency at different relative volume flow，Theory heat transfer of irreversible loss in coal fired generating units，In combination with the examples and references，Proposed the 0 15 MPa，0 1 MPa and 0 05 MPa ultra low back pressure flue gas steam recovery system，three axis(high，medium，low pressure cylinder)variable speed power generation technology and system integration stepby step innovation scheme;Using absorption heat pump and mixed flow heat exchange technology to effi-ciently recover low grade spent steam and low temperature flue gas waste heat technology The thermal ef-ficiency of power plant over 81 27%;fuel coal(power coal)consumption reduce 10%40%，Part fuel135coal to chemical raw material transformation，power supply cost by 10%30%，The provide low costpower and Low carbon power generation and LAN solutions of modern coal chemical industry，and pro-vide new ideas for other energy chemicals and coal fired power plants of Low carbon power generationThe IGCC Joint products carbon neutralization scheme of coal chemical industry combining photovoltaic e-lectrolysis water oxygen production and oxygen rich combustion is discussedKey words:ultra low back pressure;flue gas steam cycle;waste heat utilization;variable speed powergeneration;heat pump;mixed flow heat exchange;low carbon power generation当今，具有煤炭资源优势地区，最基础产业之一，就是发展现代煤化工，煤炭气化技术路线中，燃料煤占煤炭总消耗比例 35%45%1。煤化工选择背压机的依据是节能，实践中，普遍存在“以热定电”约束下灵活性差、发电量低于设计值、备用减温减压装置被迫长期或频繁启用、实际热耗高等问题;选择抽凝机组，灵活性提高了，但政策不鼓励，也不符合低碳发电的形势;研究发现，流行的煤电机组灵活性或供热改造方案，普遍存在盲目性、局限性、不确定性风险和计算条件理想化，且多为采暖供热项目，受全年热化系数低的制约，全年平均经济性差;多数改造方案中，没有进行供热参数“温度对口、梯级利用”和尽量减少传热不可逆损失的优化研究2 15。文献2汽轮机综合改造，机组煤耗下降9 88 g/(kW h);文献 15 改进型空预器旁路余热利用系统节煤 2 998+0 797=3 795 g/(kW h);文献 16 300 MW 抽汽+背压机梯级供热利用案例，降低供电煤耗 5 671 7 725 g/(kW h);文献 17强调多热源梯级余热供热，供热总成本降幅 0 35 0 55 元/GJ;文献 14 将常规 0 895 7 MPa 抽汽压力分别降低至 0 543 4 MPa 和0 198 7 MPa，供热量相同时，发电量增加 9 66 MW 和 26 09 MW;文献 18 突破传统换热思维，引入热泵，突破烟气温降和换热器进出口温度的限制，文献 15 对百万千瓦机组标配设计的空预器旁路余热利用方案提出质疑。以上典型文献，技术贡献是主流，但是某些枝节存在争议和互补。其中，系统复杂、电热负荷边界条件苛刻、全年节能和经济性很有限，降低煤耗和节约标煤量分别在 10 g/(kWh)和 5%之内，距国家“十四五”现代能源体系规划“单位 GDP 能耗五年累计下降 13 5%”的政策要求相差较远19。因此，创新煤电机组发电技术，特别是深刻变革汽轮机效率及冷端损失瓶颈的通流结构、定速发电理念，势在必行。迈向现代煤化工的瓶颈是降能耗和能源化工一体化，实践经验，传统煤化工供电煤耗在现有基础上降低 20%40%是有可能的。排汽压力大于大气压力的汽轮机称背压式汽轮机。国内首台 125 MW 低背压机案例20，其发电总热效率达到 85%，且实现孤网运行，令人鼓舞。图 1，是某 100 万 t 煤制合成气 60 万 t 乙二醇项目热电站系统1，2017 年动工，2020 年开始试生产。项目位于某盆地、某沙漠、某古河道下游，方圆20 km 人烟稀少，地下水相对丰富、水温 9 10，空气温差大、浮尘大、主导风向变化无常;夏季高温、春季大风不宜空冷装置运行。目前，图 1 中 F1 至 F3发电机及汽轮机系统暂时没有施工，煤化工两至三年的试生产期，为项目低碳发电技术研究、改造和规划提供了机遇。图 1某一期工程(50+15+12)MW 热电站原则性热力系统图2020 年，在图 1 基础上，因地制宜，创新提出汽轮机结构(通流、转速、多级抽汽)与热网(温度对口、梯度利用)联合的深度灵活性改造和分期规划方案，旨在节能、经济和灵活性方面比案例20 和其它文献有更大突破。经设计院及权威汽轮机研究所估算21，图 2(一期工程)技改国内首创超低背压0 1 MPa方案，年均全厂热效率 81 27%;图 3(二期235工程)规划国内首创超低背压 0 05 MPa、三轴变速发电和乏汽烟气余热废水的系统集成协同回收方案(以下简称“协同回收”)，全厂热效率 85%;图 4 为三期工程规划方案。目前，国内燃煤机组超低背压(低于 0 15 MPa)、三轴变速发电技术研究和应用尚属空白;“协同回收”多为独立性的研究，更缺少对联合超低背压、三轴变速发电、“协同回收”的同比传统煤电机组投资略高的统筹节能、灵活、经济和可靠的一体化战略研究和实践。本文基于系统的复杂性和科学性，在战术上，结合“十四五规划”提出了方案一至方案六的循序渐进的三期分步现代煤化工发电技术创新计划(图 2 图 4)。其技改和创新主要内容，值得其它行业热电机组的借鉴。图 2某一期工程 2 100 MW 超低背压技术改造原则性热力系统图1技术改造和创新方案方案一:着重完善既有煤化工热电站低压回热系统。技改烟气、乏汽回热系统及“烟道分级低压省煤器和暖风器”;利用抽汽技改 100%容量的汽动给水泵和引风机;利用抽汽回热技改若干台汽动“变频发电机”;技改热电站汽轮机凝汽或低压蒸汽和烟道排烟预热锅炉送风、除盐水、工业水、原煤(浆)、热泵技术的厂区集中供暖等。方案二:在方案一基础上，完善煤化工既有热电站外部回热系统。深度技改气化炉副产蒸汽就地回收利用;技改梯级余热汽轮机空压站、制冷机、变频发电机和余热热泵制冷;所有小蒸汽轮机乏汽实现回热再利用，减少供汽凝结水“有去无回”;严格控制对外供热温差和过热度(过冷度);乏汽、40 以上废水余热热泵回收;煤化工区域工业水、化学水、入炉煤(浆)、蒸发器等预热进入燃煤机组蒸汽 烟气回热系统，热泵技术的城镇集中供暖22 23 等，煤化工可燃气体和锅炉富氧燃烧技术。方案一、二，其中一部分属于传统煤电机组的技改内容，在当今低碳发电环境下，其经济性不能同日而语了(当地煤价三年翻了 2 倍)。初步估算，可以使原有热电站全部热效率从 30%(折合空冷纯凝工况)，提高到 35%40%，降低供电煤耗 5%10%(度电标准煤供电煤耗绝对值降 15 30 g)，达到纯凝机先进水平。方案三:改