大型火力发电厂优化设计探讨.pdf

第 3 1卷 第7期 2 0 0 9年 7月 华 电 技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo 1 ． 3l No． 7 J u 1 ． 2 0 0 9 大型火力发 电厂优化设计探讨 ． 任振 伟 电渠东热电项 目筹建处 ， 河南 新乡4 5 3 0 0 0 摘要 随着燃煤火力发电利润的直线下降， 工程造价对投资收益的影响 日益突出， 突破传统常规的优化设计已成为必 然趋势。优化设计时要突破习惯性思维， 在保证安全稳定运行的基础上， 以总体效益为出发点 ， 本着简化工艺系统、 优化 布置、 减少厂区占地、 降低工程初投资和运行成本等目的开展优化设计和创新设计， 以保证投资和运行经济效益最优化。 关键词 火电厂； 优化设计 ； 运行； 经济效益 中图分类号 T M 6 2 1 文献标 志码 B 文章 编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 0 9 O 7 0 0 3 5 0 4 0 引言 电力工业是国民经济的重要基础工业 ， 也是 国 民经济发展战略 中的重点 产业 、 先行 产业、 支柱产 业。我国的资源国情决定了我国能源结构以火电为 主 、 水电为辅、 核 电风 电作补的格局 ， 预计在近 1 0 年内火力发电所 占比重仍在 7 0 ％ 以上 ， 火力发 电仍 然会是我 国主要的发电手段。随着煤炭资源的收缩 和煤炭原料价格的 日益递增 ， 电力行业的竞争 日趋 激烈，燃煤火力发 电利润在直线快速下降 ， 工程造 价对投资收益影响 日益突出。降低工程造价 、 降低 运营成本 、 全面提高项 目营运后综合竞争实力是火 电厂项 目建设 的核心。工程设计对于拟建项 目的工 程质量 、 建设周期 、 工程造价 以及建成后能否获得较 好的经济效果起着决定性 的作用 ， 把工程造价控制 的重点转移到设计 阶段上来 ， 是一件投入小 、 收益 大 、 见效快的工作。特别是优化设计 ， 不仅影响项 目 建设的一次性投资， 而且还影 响使用 阶段的经 常性 费用。一次性投资与经 常性费用有一定 的反 比关 系， 但通过优化设计可寻求这两者的最佳结合 ， 使项 目建设的全寿命费用最低。 1 优化设计原则和 目的 工程设计优化 围绕“ 循环经济发 电、 节约能源 、 提高效率 、 提高安全可靠性 ” 的基本要求 ， 以“ 经济 适用、 系统简单、 合理备用、 安全可靠、 高效环保、 以 人为本” 为原则 ， 以依靠技术进步 ， 积极稳妥地推广 国内外先进技术 ， 因地制宜地采用新材料 、 新设备 、 新工艺、 新布置 、 新结构为手段 ， 以提高 电厂的可靠 性、 可用率、 劳动生产率， 降低造价、 煤耗、 水耗、 厂用 电率 ， 节约能源 ， 节约 占地 ， 缩短建设工期等为主要 收稿 日期 2 0 0 9 0 4 0 9 评价依据。在优化设计上突破 习惯性思维， 本着简 化工艺系统 、 降低工程初投资和运行成本等 目的和 原则开展优化设计 ， 切实减少不 必要的系统备用。 采用模块化设计 ， 运用先进的设计手段优化布置 ， 以 期工程达到较高的机组 自动化水平 ， 先进 的运营管 理计算信息系统 ， 较少 的人员编 制， 较少 的厂 区 占 地 ， 符合国情 的建筑规模 和建筑标 准， 合理 的工 程 造价。 2 优化设计和创新设计 2 ． 1厂址 及 总平面 火电厂总平面设计是涉及多领域的综合技术 ， 处 于整个电厂工程设计总揽全局的重要地位。厂区总 平面根据用地条件分析的结果和布置的基本原则， 因 地制宜优化厂区总平面布置 ， 做到总平面布局紧凑、 征地少、 土地利用率高。在优化总平面布置时应充分 考虑以后的扩建工程， 尽可能为扩建创造条件。 1 新建项 目可研 阶段 ， 需要对每个厂址 的技 术条件和经济条件做综合全面比较 ， 对一些投资高、 工程量大的建厂条件要做充分的论证 ， 既有工程 的 直接费用 比较 ， 还要有建成后的运行费用 比较 ， 以便 做出科学的决策。 2 厂址是一种不可再生 的资源， 新建项 目厂 址应与城镇 、 工业 区、 港 区规划相协调， 使之成为一 个统一的整体。可研阶段应规划出电厂周边的相关 规划 ， 节约厂区用地量是优化全厂 总体规划和厂区 总平面布置的重要 目标 ， 应充分挖掘厂址的潜力 ， 降 低项 目总投资。 3 根据地形条件和主要建构筑物地基情 况合 理选择竖向布置方式 ， 避免深挖高填 ， 做到厂区满足 防排洪要求 、 排水顺 畅， 厂区、 施工区和建 构 筑物 基槽余土土方综合平衡 ， 减少主要建构筑物地基处 理费用 ， 厂内外设施标高衔接适 当。 3 6 华 电技 术 第 3 1 卷 4 控制厂前建筑物的建筑面积， 并积极考虑 采取联合建筑 、 合并建筑等方式 ， 以降低工程投资， 节省建筑物 占地面积。 5 可考虑不单独设置输煤综合楼 ， 与 电厂相 应的检修问 、 配电问、 控制室 、 人厂煤制样间和浴室 等合并布置 ， 只要工程条件和运行管理模式许 可， 完全可以实现辅助车间全能值班方案 。如安徽巢湖 发电有限公司将输煤系统和脱硫 、 除灰配电装置及 控制系统合并布置在一起， 建立一个综合控制楼。 6 根据厂区地质和地下水情况 ， 厂区管线优先 采用综合管架架空布置， 综合管架尽量采用钢筋混凝 土结构支柱 钢梁／ 钢桁架 ， 兼顾工程造价 ， 以有利施 工、 便于维护检修， 达到减少占地、 便于布置 目的。 7 采用联合建筑。不设 厂前 区， 将 电厂行政 管理和公共服务设施合并为一栋综合楼布置； 工业 、 生活 、 消防水泵房合并为综合泵房 ， 泵房与蓄水池贴 建 ； 材料库及检修问成组布置； 化学实验楼靠近主厂 房时， 生产办公楼等也与化学实验楼合并 ； 电厂的废 水设施和污水处理设施采用联合布置。 2 ． 2主厂房布置 主厂房是电厂的核心建筑 ， 主厂房设计直接影 响整个工程进展和投资， 因此， 主厂房布置应是设计 优化的重点。应优化结构布局特点 ， 打破传统设计 理念， 最大程度地利用厂房的空问。 1 主厂房布置推行模块化设计思路 ， 从 占地 面积 、 体积 、 四大管道和烟风煤粉管道工程量 、 电缆 长度 、 运行 、 维护和检修条件 、 建设工期等方面进行 综合优化。根据布置要求 ， 对模块逐个进行优化 ， 可 采用不等距布置方式 ， 改变以往大主厂房的布置格 局 ， 实现合理紧凑布置。提出最优设计方案， 以缩小 建筑面积 ， 节约工程投资。 2 为降低工程造价 ， 主厂房应优先采用钢筋 混凝土结构 。对于 6 0 0 MW 及 以上机组 ， 总平面布 置较紧凑 ， 征地少 ， 可采用侧煤仓间、 低运转层布置 方案， 优化四大管道布置 ， 打破传统电厂设备排列组 合方式设计思路。如安徽巢湖发电有限公司采用了 侧煤仓方案 ， 压缩了汽机与锅炉之间距离， 大幅减少 四大管道管 材用量 ， 减 少管道阻力 ， 节省 了工程造 价 ， 提高了机组热经济性。 3 优先考虑将电气共箱母线布置在主厂房内 的A排侧， 增加 A排外立面的美观， 降低工程造价。 4 脱硫系统有条件时优先考虑增压风机与引 风机合并设置 ， 简化系统。脱硫废水处理系统 、 吸收 剂制备系统及石膏脱水系统尽量集中布置， 减少建 构 筑物 ， 降低造价。脱硫装置的吸收区和制浆脱 水公用区之间浆液和工艺水等输送较多 ， 在条件许 可的情况下 ， 使这 2个 区域靠近布置， 以减少管架和 降低设备出力 ， 降低造价。 5 主厂房电缆桥架采用架 空方式 ， 主厂 房配 电室内不设电缆夹层 ， 可降低主厂房的高度 ， 节约投 资。厂区电缆桥架采用与其他专业合用综合管架方 式， 节约投资 ， 减少施工工作量。 6 优先考虑采暖加热站布置在框架两端的空 余位置， 减少站房使用面积， 缩短送出主厂房的采暖 管道长度。 7 闭式水热交换器及循环水泵等可以选用室 外露天 布置方式 ； 送／ 一次风机空气预热器下方布 置、 引风机前后烟道叠式布置等优化方案。 8 集控室优先采用多机一控设计方案 ， 减少 控制室建筑面积 、 降低工程造价 ， 实现电厂减员增效 的 目的， 利于统一运行管理 。如华能玉环 电厂采用 了 4机 1控的集控模式， 集控室布置在靠近主厂房 固定端， 进一步集中监控 ， 是新建大型电厂的趋势。 9 条件许 可时优先考 虑 电子设备 间分散布 置 、 控制系统机柜分散布置 的设计 ，主要 目标 是提 高电厂运行 的安全经济性 ， 缩小厂房面积 ， 节 约投 资。我国一些 电厂逐渐开始把监控系统物理配置由 过去的全部集 中到一个控制楼里的单一配置方式 ， 转变成从实际出发 的多样化方式 ， 为 了减少 电缆敷 设长度 ， 将电子设备间分散布置在离机组就地设备 较近的位置。 1 0 对多台机组的脱硫 、 脱硝公用设施 ， 应统 一 集 中规划布置 ， 分期建设。 2 ． 3 附属设 施和 工艺 系统 附属系统根据设备 和系统 的功能要求合理设 置 ， 有条件的尽可能简化和集中、 合并布置。 1 辅助蒸汽系统设计考虑机组直接采用汽动 给水泵运行启动的条件 ， 增加机组实 际启动运行的 灵活性 ， 取消电动给水泵或减少电动给水泵启动时 的电耗。如上海外高桥第三发电厂在国内百万千瓦 级机组上首次采用 了单 台 1 0 0 ％ 容量的汽动给水 泵 ， 在汽动给水泵出口配置调节旁路， 用来在汽动给 水泵最低转速时调节给水流量。 2 优先采用等离子 点火或锅 炉节油点 火技 术 ， 优化燃油系统的出力 ， 减少油罐 区容量 ， 节省投 资和占地 ， 基建调试期间可为电厂节约燃油费 ， 投运 后可减少燃油用量。另外 ， 等离子煤粉点火技术 的 应用 ， 使电除尘器在锅炉启动及低负荷期问可正常 投入， 大大减少粉尘的排放 ， 避免了环境} 亏 染。 3 对开式循环 冷却水 系统进行核算和优化。 在循环水泵扬程及开式循环冷却水回水压头均满足 要求的前提下 ， 可考虑取消开式循环冷却水泵。 第 7期 任振伟 大型火力发电厂优化设计探讨 3 7 4 考虑采用主厂房专业厂用和仪用压缩空气 系统 、 除灰气力除灰渣压缩空气系统 、 脱硫和补给水 处理压缩空气系统合并设计方案 ， 对全厂用气统一 规划设计。不仅有利于节省空气供应系统的土建和 设备投资 、 减少各专业 的设备 备用 、 提高供气可靠 性 ， 而且有利于集 中优质管理。如渠东热 电项 目2 3 0 0 MW 机组 ， 通过空气 压缩 系统优化后 ， 全厂仅 需 要配置 3台运行 、 2台备用共 5台空气压缩机， 减小 了占地面积。 5 重视冷端优化计算 ， 并 在此基础上确定 主 机背压 。当年总费用差距不大时 ， 应优先考虑低 背 压、 冷却系统低功耗方案。 6 厂内输煤 系统的布置 ， 在满足卸煤 、 贮煤 、 筛碎 、 混煤及上煤 的前提下 ， 应尽量做到流程最短 、 转运环节最少。在满足 当地环保要求 的前提下 ， 贮 煤设施可首选常规 的斗轮机露天煤场加防风抑尘网 的形式 ， 节省初投资。 7 根据 锅炉排灰 量大小 和收尘设 备 布置条 件 ， 选择高浓度气力输灰系统， 就近设 置储灰库 ， 优 化气力输灰管道布置 ， 尽量缩短输灰管道距离 ， 减少 管架和管道阻力 ， 降低设备出力。 8 对再扩建机组容量不 明确或扩建时间不确 定的项 目， 输煤系统 的设计应立足本期 ， 仅留出扩建 的条件 ， 不要 将下期 的设施 投 资 提前投入 到本 期 ， 这更有利于下期扩建时的灵活性 ， 不受机组容量 及时间的限制。 9 当条件具备时 ， 脱硫 系统设计应优先考虑 取消 G G H， 可考虑增压风机和引风机合并设置 的方 案 ， 按照脱硫系统是否设置旁路 ， 对采用动叶／ 静 叶 可调轴流式风机进行优化 比选后最终确定 ， 降低投 产后的运行和维护费用 。 1 0 6 0 0 Mw 及 以下机组 ， 中压厂用 电应采用 6 k V 或 1 0 k V一级电压 ， 不设置公用段 ， 以减少共箱 母线的数量及 中压配电室的占地面积。 1 1 优化空调冷源系统方案 ， 根据地域 、 空调 负荷使用时段的不 同， 北方地 区集控室采用集 中冷 暖式集中空调机 ， 电子设备间采用多联式空调机 ， 生 产办公楼等建筑夏季采用多联式空调机加冬季采用 散热器采暖的方式。 1 2 主厂房通风在北方地 区湿冷机组 的汽机 房和紧身封闭锅炉房采用屋顶通风器 ， 利用热压 自 然通风 ， 不采用屋顶风机通风 ， 间接减少配电装置数 量 ， 降低运行费用和屋顶风机故障后的更换费用 。 1 3 采用再生水 源、 利用地表水作备用时， 地 表水可取消全套原水预处理系统， 处理系统直接利 用再生水深度处理系统 。 1 4 贮灰场建设在满足工程要求 、 符合 国家建 设标准情况下 ， 贮灰场的建设要坚持整体规划分期 建设的原则 ， 对平面布置及环保措施进行优化设计。 2 ． 4 设备选择 1 辅机设备的选型需对各系统严格计算之后 再按规程要求的裕量进行选择 ， 杜绝估算和加大辅 机的容量 ， 确保各 辅机能安全 、 合 理、 高效地运行。 设备选型时 ， 应将能耗指标作为选型的重要依据 。 2 凝结水泵 、 给煤机 、 空冷 风机 、 暖风器疏水 泵等运行工况变化较大或与季节有关的设备尽可能 采用变频调速驱动方式 ； 对其他负荷变化较大或需 要变速运行的水泵和风机 ， 应积极采用变频调速技 术以降低能耗 。使用变频调速后 ， 电机的启动方式 为软启动， 避免了大功率电动机启动时的冲击力矩 对电机的损坏 ； 减少了电机启动时的大电流对 电机 绝缘 的损害 ， 可以延长电机的使用寿命 ； 减轻对管道 和叶片的冲蚀 ， 延长检修期 ， 减轻 了检修维护人员 的 维护工作量 ， 减少检修费用。 3 在设计过程 中， 需进行 除氧器滑压运行瞬 态过程的计算 。为节省空 间和运行平层布置美观 ， 应采用内置式除氧器。 4 优化换热首站的热 网换热器 和循环水泵 的 数量 ， 尽量采用板式换热器 ， 减少换热首站的建筑容 积和征 地 ， 降低 工程 投 资 ， 提 高换 热效 率 和经 济 效益。 5 热控专业应考虑扩大 D C S 远程 I ／ 0技术 的 应用范围， 距离集 中控 制室较远但又与机组运行密 切相关 的辅助车间如循环水泵房 、 燃油泵房等采用 远程 I ／ O站技术， 减少常规电缆和桥架的数量， 方便 电缆桥架的布置设计 ， 以节省电缆投资。 6 合理设 计控制系统与控制点 ， 将 电厂相互 独立的各个辅助系统集 中控制或相对集 中控制。辅 助 车问应尽量按无人值班方式设置 ， 提高 自动化水 平 ， 实现辅助公用系统的无人值班化 ， 是 自动化设计 的发 展方 向。 7 对于国内能够生产 的质量过关 的设备 ， 应 优先选用国产设备 ； 对于个别设备 的关键部件 ， 国内 采购有一定问题的可以采用进 口件。 8 电气 MC C和热控电子设备间布置应“ 物理 分散”， 减少电缆用量 。对电缆进行 合理合并布置 ， 采用专业的电缆敷设软件 ， 合理确定电缆敷设路径。 9 主厂房 、 锅炉及其他建 筑物的照明应采用 新型的节能型光源及附件 ； 厂 区道路及远离厂房 的 区域 ， 照明应按照绿色环保的要求 ， 尽量采用太阳能 光源， 降低厂用电率 ， 改善照明环境 和质量 ， 减少环 境 污染 3 8 华 鬯裁 第 3 l卷 3 火电项目新技术和新理念 1 采用数字化等新的设计 手段 ， 积极 推进数 字化电厂设计思路和理念 ， 采用先进的设计思路和 方法 ， 真正做到精细化 、 定制化设计。 2 设计上积极采用 C A E S A R I I 管道应力计算 软件 、 P I P E N E T管道暂态分析软件 以及计算流体流 动和传热 问题 的大 型商用计 算机 应用软 件 F L U E N T， P E， P I D， P D MS ， P R M 等软件 ， 做到更加精细 化设计。 3 随着 自动化技术发展 、 自动化水平的提高， 值班人员的职责理念也正在发生变化 ， 机组 的运行 日益依赖 自动化系统。实现全厂高度集 中控制 ， 控 制室与机组距离逐渐扩大 ， 控制室的面积随着值班 人员的减少而减小 ， 控制室设置也 日益多样化 ， 对于 连续建设的多台机组 ， 采用多机一控或全厂集 中控 制方式已逐渐成为发展趋势 。 4 从节能、 节水方面考虑， 直流锅炉大型汽动 给水泵组采用低速启动及运行方式 ， 直流锅炉采用 蒸汽加热启动法及稳燃技术等启动和运行方式 ， 不 仅降低了锅炉启动时 的能量损耗 ， 将锅炉 由原来 的 冷态启动转为热态启动 ， 并且使烟风系统的运行条 件更优于热态启动， 极大地改善 了锅炉的点火和稳 燃条件 ， 提高了机组效率。 5 火力发电厂一体化监控技术方案及现场总 线技术应用是一个值得探讨研究的题 目， 具有较高 的经济及技术效益。 6 锅炉排烟余热 回收利用系统。针对凝结水 预热器系统 、 暖风器系统、 空气预热器旁路省煤器系 统 加热高压与低压给水 、 暖风器与凝结水预热器 联合系统等方式进行研究和论证 ， 确定适合工程特 点的系统， 降低机组排烟损失 。 7 鉴于将执行对 N O 排放收费的新标准 ， 必 须抓紧采取技术措施降低 N O 的排放。 8 积 极 地 研 发 超 临 界 循 环 流 化 床 锅 炉 C F B 、 整 体 煤 气 化 燃 气 一蒸 汽 联 合 循 环 系 统 I G C C 和多联 供 等洁 净煤 发 电技术。世界 首 台 6 0 0 MW 超临界循环流化床示范工程在四川 白马电 厂已进入实质性的实施阶段。 9 从建筑材料、 建筑布置和建筑与环境 的有 机结合 、 相互协调等方面考虑 ， 积极采用高效节能 、 绿色和可持续发展的建筑形式 ， 体现节能 、 环保 、 可 持续发展理念， 并且更多地考虑充分利用太 阳能技 术为各建筑物正常运行提供必要的能源和动力。 4 结论 我国火力发 电厂优化设计 尚处于起步阶段 ， 许 多设计优化和创新的思路还有待更深入地探讨和研 究。节约 占地 、 节能 、 环保 、 减排、 节水和提高机组经 济效益已成为火力发 电的优化设计主题 ， 通过对设 备特性和系统设计规范 的全面分析和研究 ， 在保证 安全稳定运行的基础上 ， 突破传统的设计思维 ， 以总 体效益为出发点 ， 追求投资和运行经济效益最优化。 为满足和适应今后电力市场的发展需要 ， 必要 的简 化和必需的优化相加是不可阻挡的发展趋势。 参考文献 [ 1 ] 杨小华． 1 0 0 0M W超超临界发电机组设计优化[ J ] ． 电力 设计 ， 2 0 0 6 6 4 4 4 8 ． 编辑 刘 芳 作者 简介 任振伟 1 9 6 0 一 ， 男 ， 山东枣庄人 ， 高级工程师 ， 从 事火 力发电厂基建和生产技术管理方面的工作。 ● ●0。● ● ● 。 ● ●● ● ●● ● 。●● 。● ● ●‘ ● ●● ● ●● ●●● ●●● ● ● ● ● 国电南京 自动化股份有限公司 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 中国华电工程 集团 有限公司水处理分公司 ⋯⋯⋯⋯一 四川建设机械 集团 股份有限公 司⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 国电南京 自动化股份有限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 北京中能博瑞控制技术有 限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 中国华电工程 集团 有限公司新能源技术开发公司 ⋯ 豪顿华工程有限公司⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 广 告 索 引 日 承 I 北京华 能达 电力技术应用有 限责任公司 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 前插 5 山东耐德电力设备有限公司 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 前插 6 北京华德创业环保设备有限公 司 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 前插 7 中国长江航运集 团电机厂 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 后插 1 中船重工 重庆 海装风电设备有限公司 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 后插 2 第九届中国国际电力电工高低压电器展览会 ⋯⋯⋯⋯⋯ 后插 3 浙江大学热工与动力系统研究所 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 后插 4 i； 二三一氐● 2 3 4 址 枷懈 饰饰 饰 ； H 日l n 日 H R H