【微·电力】重提上海火电的“251工程”为何震撼全球？-凯发官网首页

2023-03-14分类：电力资讯 / 电力科技来源：

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上海火电领域将再创世界记录。

国家示范性项目——251工程，计划今年年内开工，力争2018年底建成。

该项目设计供电煤耗可降至251克/度，这是一个全新的世界记录，co2排放量将低于美国新近推出的苛刻标准。

最近，外高桥第三发电厂总经理冯伟忠收到一封来自美国机械工程师协会(asme)电力运行与维护技术委员会副主席克里斯玛塞拉c.e.m.的来信。来信是邀请冯伟忠及其团队参加2016年度asme电力与能源大会，在会议中作为大会主题演讲人发言，并已提名冯伟忠为asme电力部分最高荣誉——委员会主导者奖。

asme有134年历史，是制造业领域世界权威，包括中国在内世界上90多个国家进出口机械工程设备的参考标准由其制定。中国企业家受此高规格邀请，在asme历史上并不多见。

251工程：有望突破不可跨越的界限

吸引asme的除了冯伟忠以往的技术创新，还有上海申能公司正在紧锣密鼓筹划的国家示范性项目251工程。这个全球瞩目的工程选址安徽平山电厂，总投资50亿元左右，计划今年年内开工，力争2018年底建成。

251工程是一台135万千瓦的二次再热超超临界机组，采用的是冯伟忠独创的高低位分轴布置的汽轮发电机组技术以及其他一系列创新技术，设计供电煤耗可降至251克/度。这是一个全新的世界记录。更重要的是，这一工程co2排放量有望低于美国新近推出的苛刻标准。

如今，美国环境保护署(epa)要求，新建煤电的排放要达到636公斤/毛兆瓦时限值。美国国家电力研究院(epri)权威专家专门出具报告称，当前技术水平最高的超超临界(usc)燃煤电厂能达到800公斤/毛兆瓦时，而尚在研究中的下一代先进超超临界(a-usc)电厂也将仅达750公斤/毛兆瓦时。此外，目前较为热门的co2捕捉和储存技术不具有商业竞争力，其技术发展前景存在变数。

因此，epri的结论是，除非能进行大比例的热电联供，否则煤电技术将来无论如何发展也无法突破636公斤/毛兆瓦时的限值。

然而，外三电厂超超临界机组应用后，机组效率已达到46.5%(满负荷额定工况)，对应co2排放量约为670公斤/兆瓦时。而有望于2018年投入运营的平山二期超超临界机组，co2排放量有望低于636公斤/毛兆瓦时的排放限值。

冯教授的成就将可能令全球对于燃煤电厂co2排放量的认知模式发生转变。克里斯玛塞拉c.e.m.表示。

原以为，美国的新燃煤电厂建设项目几乎完全被美国环保局规定的co2排放限值所消灭，而冯教授的技术由于能够实现满足美国环保局规定的co2排放限值，从而有望使整个火电行业获得重生和复兴。克里斯玛塞拉c.e.m.对正在设计中的251工程给出如此评价。

杀手锏：高低位分轴布置的汽轮发电机组

这是如何做到的?杀手锏就是高低位分轴布置的汽轮发电机组。

冯伟忠解释说，对火电厂而言，一公斤标准煤的发电量很大程度上取决于蒸汽参数，蒸汽压力、温度越高，理论上能够发的电也就越多。而温度比压力对效率的影响更大，所以现在世界上火电专家都在研究如何提高温度来提升发电效率。比如，现在所用的超超临界机组中的蒸汽达到600多摄氏度(usc)，目前全球正在挑战700摄氏度大关(a-usc)。

但这一路径遇到了不少阻力，问题主要出在材料上。冯伟忠称，到了700摄氏度，一般钢材不行，需要用到一种叫做‘镍基超级合金’的材料。冯伟忠说，与我们现在超超临界600摄氏度等级的材料价格相比，700摄氏度材料价格要再乘以十。冯伟忠称，仅高温蒸汽管道就将占到造价增加的绝大部分，买这些700摄氏度的管道就要几十亿元。因此，同等容量的下一代a-usc电厂的造价要相当于现有超超临界电厂造价的一倍，但煤耗仅下降约20克/千瓦时，商业价值不高。

我脑筋急转弯，把具有多个汽缸的汽轮机给拆了，一部分放到锅炉上去，从而省却绝大部分的高温高压管道。这不但能大幅度降低投资，而且管道短了，阻力变小，散热损失小了，效率还更高。冯伟忠称。德国西门子公司深入研究后对此技术给予高度评价，该技术能大大提高火力发电机组的净效率，是改革高污染发电行业变身排放绿色产业的唯一机遇，是引领世界煤电继续发展的技术。

这，并不是凭空奇想。冯伟忠凭着一次次大胆创新，将世界先进水平火电机组整整向前推进了一代。2008年，冯伟忠主持建设并运行的外三超超临界火电机组问世，即在世界火电业树起新标杆——每度电平均运行煤耗287.44克。数字背后，外三独揽18项节能减排行业纪录，包括12项世界首创和6项国内首创的技术创新。

2009年，零能耗脱硫技术、广义回热技术等多项节能降耗技术创新措施齐下，外三单耗再下探至282.16克。2010年，凭借冯式创新组合拳，外三相继实施弹性回热技术和节能型快速启动技术等技术改造，在全球火电业首次叩开280克大关——平均每送出一度电煤耗降至279.39克。2011年，外三两台机组实际运行供电煤耗更是降至276.02克/千瓦时，再次大幅刷新自己保持的世界纪录。

破悖论：环保和企业效益并非对立体

外三的技术创新，更悄然改变着整个电力行业的环保理念。

日渐严重的雾霾，让火电企业压力倍增。一时间，在电力行业，一场前所未有的节能减排风暴正在刮起：超低排放、超净排放成为大家耳熟能详的词语。

2014年7月1日，史上最严的《火电厂大气污染物排放标准》开始实施，新的标准出台后引起巨大反响，《中国电力报》曾刊登专家文章，标题为《压垮骆驼的最后一根稻草》来抨击新的标准。先来看指标对比：氮氧化物(nox)的含量从450毫克/立方米垂直下降至100毫克/立方米，二氧化硫(so2)的含量从200毫克/立方米下降至50毫克/立方米，烟尘含量从50毫克/立方米下降至20毫克/立方米(重点地区)。不少电力专家认为，其中有些排放标准比欧盟国家标准还要严格。

指标下降的绝对值十分大。对于当时大多数电厂掌握的技术来看，能想到的无非就是增加过滤次数。这就好比洗衣服时‘过’肥皂水一样，同样多的水，但第一次过掉的肥皂最多。冯伟忠解释道。也就是说，如果减少排放，只是通过增加过滤次数的话，那么成本会上升不少，但减排的边际效益会出现明显下降。

不少人认为，越高的环保标准往往意味着更高的能耗和运行成本，这对企业是一种负担。

而外三研发的创新技术破解了这一矛盾。

2012年3月，环保部来外三看过后惊喜地发现，对于新标准中争议最大的nox排放限值，外三早已优于新标准限值，其当年前两个月的平均排放仅为64.12毫克/立方米，事实上，还可以轻易降至30毫克/立方米以下。有环境科学专家在看了外三在线排放数据曲线后感慨，要不是亲眼所见，无论如何也无法想象。这给环保部门一个强烈的信号：技术上没有障碍。

更让环保部吃惊的是，外三取得这些减排效果，国家并没有投过一分钱。不少电厂都为减排发愁时，外三为何有这么大的积极性?原来，外三的减排不是增能，而是降耗。

全天候脱硝技术就是一例。

当时，掌握脱硝技术并不稀奇，但当发电负荷较低时，就不能用选择性催化还原法(scr)来脱硝了，因此，一般电厂的脱硝投入率仅70%。但这一世界性难题，被冯伟忠攻克了。外三一台机组脱硝的效果相当于其他电厂同类型2台机组在脱硝。不仅如此，外三机组投产后，重点投向了节能型的环保技术创新领域。比如，零能耗脱硫技术、节能型高效除尘、低氧低氮高效燃烧技术等一系列创新技术，使得环保刷新了多次世界纪录，但能耗持续降低。

这再次回答了不少人的疑问：环保和企业效益并不是对立体，可以变成良性互动。

外三一次次的技术创新既坚定了环保部推出严格标准的信心，同时，严重的雾霾和国家严控东部地区新建煤电的举措，也让同行清醒地认识到：环保，电力行业无法置身事外。不少电厂纷纷开始技术自救，向超低排放转变。(来源:上海观察作者:李蕾)

附：上海外三重点技术介绍

第一：零能耗脱硫技术

零能耗脱硫技术核心：

1、通过改进工艺和运行方式，使整个脱硫系统在额定工况下的耗电率降至0.8%以内;

2、研发并加装了脱硫烟气热能回收装置，并将这部分热量送回热力系统以替代汽轮机抽汽加热凝结水，减少汽轮机的热耗，从而平衡脱硫系统的能耗。

3、烟气热能回收装置布置于增压风机与脱硫塔之间，不但能回收锅炉的排烟热能，还能回收引风机与增压风机的做功导致的烟气温升( 5 ℃ -10℃ )，显著提升了项目的边际效益。

技术的关键：防止热能回收装置的烟侧低温腐蚀及积灰堵塞。

金相分析：硫腐蚀对换热器最低温段的金属有效壁厚的最大减薄量仅为0.033mm(管子实际壁厚3.5mm)，其对运行寿命的影响可以忽略。

根据性能试验结果，该系统降低煤耗2.71克/千瓦时，折合年节标煤达3万吨，脱硫吸收塔的水耗下降45吨/小时以上。其投资回收期<3年。

第二：节能高效除尘系列技术

1、降低烟速：通过综合优化，机组烟气总量较设计值减少达18.4%。在静电除尘器结构不变的前提下，烟速降低使其携带动量减小，滞留时间增加，有利于烟尘的在电场内的沉降和降低电除尘出口的二次携带。煤耗及总烟气量的降低，使得静电除尘器比集尘面积相对增加，从而提高电除尘的效率。

2、采用高频电源技术对静电除尘器的电源装置进行改造

高频电源供给电场的是一系列的电流脉冲(脉冲宽度在5~20微秒)，可以提高烟尘的荷电效率，提高粉尘迁移速度，从而提高除尘效率。

在烟尘带有足够电荷的前提下，可尽量减少无效的电场电离，从而大幅度减少电除尘器电场供电能量损耗。

项目成效：

外三机组在技术改造后，电除尘出口烟尘浓度及高频电源总功耗显著降低。目前平均烟尘排放浓度11.03mg/m3，远低于新版标准的限额值。

用电量下降了70%。全年节约厂用电量907万度，粉尘减排量1147吨。

第三：节能型高效全天候脱硝系列技术

scr脱硝技术存在的三大世界性难题：

1、中国发电的主要方式为煤电，其调峰不可避免。上海的调峰范围为40~100%。在低负荷下的scr工作烟温将不能维持，scr不得不退出运行，但此时锅炉的nox产生浓度高达额定负荷时的2-3倍。这意味着在更需要脱硝的情况下，scr反而却不能作为。

2、scr在运行时，会有少量的nh3逃逸，并与烟气中的so3反应生成nh3hso4，易造成空预器低温段的强烈腐蚀及堵灰，继而风机用电显著增加，严重的甚至可危及锅炉的运行安全及出力。外三的scr运行不到一年，空预器就发生了较严重的堵塞。

3、催化剂寿命有限，需定期更换，费用高，工作量大，废旧催化剂的后处理困难。

国外解决scr连续运行的措施：

1、装有scr装置的大型火电机组维持在较高负荷运行。

2、加装锅炉省煤器旁路烟道。在省煤器前直接引一部分烟气至scr装置，提高低负荷下的scr入口烟气温度以维持其运行，这种方法的代价是煤耗显著增加。

3、将锅炉的省煤器设计成两部分，其低温部分置于scr出口侧，将scr布置于烟气温度较高的区域，从而解决低负荷烟温过低无法运行的问题。由于偏离了催化剂的最佳反应温度范围，脱硝效率会有所下降。此外，该方法仅适用于新建机组。

1、节能型全天候脱硝技术

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式的给水加热器。

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基本不变。

节能型全天候脱硝技术的作用及成效：

1、解决了scr低负荷运行的世界难题。低负荷下省煤器入口水温的提高，使其出口烟温相应上升，可确保scr在全负荷范围内处于催化剂的高效区运行，2011-2013年的外三脱硝系统全年投入率均接近100%，真正实现了全天侯脱硝。经上海市环保局统计，外三一台机组全年的nox减排量超过了上海同类两台机组。

2、使环保和节能达到完美统一。低负荷下汽轮机抽汽量的增加，提高了热力系统的循环效率。根据siemens计算，在50%负荷工况下，可降低汽轮机热耗57kj/kw，相当于降低煤耗2.18克/千瓦时，投资可在3年内回收。

3、提高锅炉水动力安全性。省煤器入口水温的提高，使省煤器出口即水冷壁入口水温亦相应提高，减少了水冷壁入口欠焓，显著提高了低负荷工况下的水动力特性，大大提高了水冷壁的运行安全性。

4、提高锅炉低负荷燃烧效率和稳燃性能。省煤器出口烟温的上升，通过空气预热器，相应提高了一次风和二次风的热风温度，即提高了制粉系统的干燥出力，又改善了低负荷下锅炉的燃烧效率和稳燃性能，提高了安全性。

5、显著提高机组的调频能力和调频经济性。在机组需快速加(减)负荷时可使用抽汽调节阀快速减少(增加)抽汽量予以响应，待锅炉热负荷跟上后，再进行反向调节，最终仍满足平均给水温度不变。结合凝结水调频技术，可使汽轮机主调门全开，补汽阀全关，机组调频性能和变负荷经济性显著提高。

6、提高机组调频运行的安全性。由于锅炉省煤器重达2000t，其巨大的蓄热量可使其出口温度在这调节过程中保持不变。而因省煤器及入口联箱等均为碳钢和低合金钢，抗温度变化(应力)能力远优于采用合金钢的过热器、再热器和相关联箱等。故该调频技术的安全性远胜于传统的汽轮机调门调节方法。

2、节能型空预器防堵塞与腐蚀的技术

一、空预器腐蚀及堵塞的产生及常规对策

1、根据氨逃逸率及硫酸氢氨生成浓度的不同，一般在150℃-230℃及以下温度就可能在空预器相应低温区域发生结露，其腐蚀性较强，且温度越低时的结露的趋势越严重。于此同时，呈碱性的烟灰会迅速粘附其上，吸收酸露并生成水泥状附着物，很难清除。为防止腐蚀，空预器的中、低温区域采用了搪瓷换热片。

2、烟气流及所携带的大量烟灰亦会对凸于换热片表面的附着物产生冲刷作用，但当冲刷强度低于烟灰的粘结速率时，粘结附着物便会不断增长。而粘结物造成的通流面积的减少，又降低了烟气流的冲刷能力，导致恶性循环。

二、空预器堵塞治理及广义回热技术(一期)的成效

1、空预器堵塞的治理的关键是全面提高其进风的温度，显著提高空预器冷端换热片的平均运行温度。从而使其的结露区域下移，结露及烟灰粘结速率下降，确保烟气(灰)流的冲刷能力大于附着物粘结速率，消除烟灰粘结现象。与此同时，腐蚀问题也能迎刃而解。

2、广义回热技术(一期)的基本思路是利用汽轮机的抽汽加热空预器进风，与传统暖风器不同的是该系统并不仅在低温季节使用，而是随机组同步运行，不但不会增加煤耗，还能起到降低煤耗的作用。

3、自2009年10月将该系统安装投用后，空预器堵塞问题得到了彻底根治，到目前为止，空预器再未发生任何堵灰情况。后续的检查中发现，空预器冷端受热面表面呈金属光泽，原先尚未清除的灰垢都已不见踪影。经性能试验表明，该技术能降低机组煤耗达2克 /千瓦时。

3、节能型催化剂保效及延寿技术

1、催化剂随着运行时间的的延长，其活性会不断降低。目前相关文献给出的主要原因为：催化剂中毒，积碳和积灰，催化剂烧结，其表面形成水合物，活性组分流失以及机械磨损等。一般过了设计寿命期，其脱销效率会快速下降。单台100万千瓦机组更换一层的费用为1000万/年。

2、外三从工程第一次点火起，就成功应用了自主创新的蒸汽加热启动及催化剂预烘干及加热等技术，颠覆了传统的锅炉启动方式，在锅炉的预热，包括scr 的预热阶段不点火，不但提高了启动安全性，还彻底杜绝了启动阶段，特别是冷态启动阶段燃油的不完全燃烧，尾部受热面以及scr催化剂表面的凝结硫酸露，粘灰及二次燃烧等一系列导致催化剂寿命折损的问题，从而使催化剂的实际运行寿命损耗降到很低。

3、截止于2013年底，scr已累计运行超过38000小时，远远超过了16000小时(80%脱硝效率)的设计寿命。目前的脱硝平均运行效率高达89%以上，2013年平均nox排放27mg/m3，远远优于设计值，甚至远远优于燃气轮机排放标准。从投用至今，从未发现scr效率的下降迹象。

4、一种高低位分轴布置的汽轮发电机组

冯伟忠研发的一种高低位分轴布置的汽轮发电机组这项技术可以在现有的材料和技术平台上，使目前超超临界机组在单位造价不变的前提下，能耗再降约5%，这一项目已获得国家专利授权。

本工程的科技创新研究和节能技术的实施，得到了各投资方和政府部门的关心和支持。由于机组运行后所显示出的优异性能及由此产生的示范效应，对整个国家发电行业的节能减排工作起到了很大的推动作用。工程投产以来，前来我公司考察、参观和学习的人络绎不绝。除了国内有关领导、185批科研院校和电力同行参访调研外，德、英、美、法、日、俄罗斯、韩国等10多个国家的政府官员、新闻媒体和电力专家专程到外三参访调研。中国国电集团还专门下发了特急文件，要求在全集团的基建系统内学习外三。

目前，本公司又有多项新的重大节能减排技术研究已经完成，其中部分项目将在今年择机实施，预计两台机组2014年的实际运行供电煤耗还将进一步显著降低。今后，我们将更加努力的为节能减排、为降低暖室气体的排放、为国际社会的环境保护事业做出更多的贡献。

额定功率： 1350mw

主蒸汽流量：3229t/h，最大3416t/h

主蒸汽压力/一次/二次再热蒸汽压力：30mpa/9.17mpa/2.25mpa

主蒸汽温度/一次/二次再热蒸汽温度：600℃/610℃/620℃

发电机配置：600mw 800mw

设计汽机热耗：6947kj/kwh

全厂净效率：48.92% 【注：此效率除了应用高低位分轴布置外，还应用了外三现有技术，否则只有47.1%】

供电煤耗：251g/kwh

来源：上海观察、电厂运营分析之道

微能网小编编辑整理