火力发电技术的发展趋势.ppt
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1、专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,1,火力发电技术的发展趋势,2,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,一、火力发电概述,1.1 火力发电生产过程 1.2 世界电力工业的发展1.3 我国电力工业概况,3,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,主要内容,一、火力发电概述二、火力发电技术的发展趋势提高超临界火电机组效率燃气蒸汽联合循环发电技术多联产发电技术洁净煤燃烧发电技术燃煤磁流体发电技术 空冷发电技术 火电厂计算机控制技术 三、新能源发电技术,4,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,1.1 火力发电生产过程,火力发电厂概念:就能量转换的形式而言,火力发电机组的作用是将燃料(煤、石油、天然
2、气)的化学能经燃烧释放出热能,再进一步将热能转变为电能。火电厂外景其发电方式有:汽轮机发电、燃气轮机发电及内燃机发电三种。其中汽轮机发电所占比例最大,燃气轮机发电近年来有所发展,内燃机发电比例最小。火电厂(汽轮机)能量转换过程与三大主机作用如下:锅 炉:燃料化学能蒸汽热能 汽轮机:蒸汽热能机械能,外形图,结构图 发电机:机械能电能火力发电厂原理和生产过程示意图和火电厂分类(按蒸汽参数),5,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,1.2 世界电力工业的发展,电力工业回顾 发电量、发电装机容量及其地区分布 用电量及其构成的变化世界电力发展概况和预测,6,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,90年
3、代后,电力发展三个突出的动向,世界发电量的年增长率趋缓,而一些发展中国家,特别是亚洲国家仍维持较高的电力增长速度;电力技术的发展向效率、环保的更高目标迈进;电业管理体制和经营方式发生变革,由垄断经营逐步转向市场开放。,7,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,1.3 我国电力工业概况,我国能源形势我国电力工业起源与发展 我国电力工业与国外差距我国火电(集控室图)设备生产历程,8,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,二、火力发电技术发展趋势,2.1 提高超临界火电机组效率 2.1.1 提高初参数,采用超超临界 初参数的提高主要受金属材料在高温下性能是否稳定的限制,目前,超临界机组初温可达538
4、576。随着冶金技术的发展,耐高温性能材料的不断出现,初温可提高到600700。如日本东芝公司1980年着手开发两台0型两段再热的700MW超超临界汽轮机,并相继于1989年和1990年投产,运行稳定,达到提高发电端热效率5的预期目标,即发电端效率为41,同时实现了在140分钟内启动的设计要求,且可在带10额定负荷运行。在此基础上,该公司正推进1型(3099MPa、593593593)、2型(3452MPa、650593593)机组的实用化研究。据推算,超超临界机组的供电煤耗可降低到279gkWh。,9,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,超临界火电机组概况,世界第一台125MW超临界机组于
5、1959年4月在美国投运,至今已有近40年的历史,目前超临界机组最大单机容量为1300MW,在美国、日本及俄国,超临界机组占火电容量的50%以上。目前,国际上已经投运了单机在800MW以上火电机组的国家主要有美国、日本、原苏联和德国等。我国超临界机组现已投运或正在安装的有6000MW(有300MW、500MW及600MW机组共14台),大都是进口设备,最大单机容量为900MW。目前国内还不具备整套设计和制造超临界机组的能力。河南华能沁北电厂2600MW工程作为国产超临界机组示范电站,主机招标锅炉由东方锅炉厂中标,汽轮发电机组由哈尔滨动力集团中标;发电机由上汽发电集团中标;该工程于2004年9月
6、投产。上海外高桥电厂2900MW机组于2004年5月投产.,10,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,超临界机组发展,世界第一台,1959年(美国),125MW,31MPa,621/566/566。目前单机容量最大(美国)1300MW,26.5MPa,538/538,共有六台,第一台1969投产。目前参数最高的是(美国西屋公司制造)325MW,34.3MPa,649/566/566,二次再热,1959年投产。欧洲几大发电集团正合作攻关蒸汽温度为700 的燃煤机组.2015达到40MPa/700/720,11,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,超临界、超超临界机组的特点,机组热效率高(与同
7、容量亚临界火电机组比较,超临界机组可提高效率2-2.5%,超超临界机组可提高效率约5%,供电煤耗可降低到279g/Kw.h),可靠性好,环保指标先进;可复合变压运行,调峰性能好;(1)在低负荷时效率高;(2)具有良好的启动性能;(3)具有良好的负荷适应性。蒸汽压力高,蒸汽比容小,汽轮机叶片短,加之级问压差大,影响内效率,因而超临界及超超临界参数更适于大容量机组。,12,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,超临界机组关键技术,新钢种的研究开发新钢种的开发与应用;调峰运行问题;材料的研究与国产化。超临界压力锅炉的关键技术超临界压力汽轮机的关键技术其它关键技术汽水化学工况;辅助设备;自动控制技术;
8、运行技术。,13,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,2.1.2 采用高性能汽轮机,汽轮机制造技术已很成熟,但仍有进一步提高其效率的空间,主要有以下三种途径:(1)首先是进一步增加末级叶片的环形排汽面积,从而达到减小排汽损失的目的。末级叶片的环形排汽面积取决于叶片高度,后者受制于材料的耐离心力强度。日本700MW机组已成功采用钛制1016M的长叶片,它比目前通常采用的12Cr钢制的0842M的叶片增加了离心力强度,排汽面积增加了40,由于降低了排汽损失,效率提高16。(2)其次是采用减少二次流损失的叶栅。叶栅汽道中的二次流会干扰工作的主汽流产生较大的能量损失,要进一步研制新型叶栅,以减少二次
9、流损失。(3)最后是减少汽轮机内部漏汽损失。汽轮机隔板与轴间、动叶顶部与汽缸、动叶与隔板间均有一定间隙。这些部位均装有汽封,以减少漏汽损失。要研制新型汽封件以减少漏汽损失。,14,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,建设有大容量火电机组群的大电厂,世界上2000 MW以上大型火电厂有82座,其中4000MW以上的5座,3001MW4000MW的24座25013000MW的24座,20002500删的有29座。世界最大的燃褐煤和燃烟煤的火电厂分别是波兰的贝尔哈托夫电厂和南非的肯达尔电厂,最大的燃气和燃油电厂分别是俄罗斯的苏尔古特第二火电厂和日本鹿岛火电厂,其装机容量分别为4320 MW4 11
10、6 MW,4800MW和4400 MW 我国目前最大的火力发电厂浙江北仑发电厂终于全面建成;该厂总装机容量达360万千瓦。(共6台600MW机组),15,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,2.2 燃气蒸汽联合循环发电技术(Combined Cvcle,简称CC或GTCC),联合循环:就是把在中低温区工作的蒸汽轮机的朗肯(Rankine)循环和在高温区工作的燃气轮机的布雷登(Brayton)循环的叠置,组成一个总能系统循环,由于它有很高的燃气初温(12001500)和蒸汽作功后很低的终温(3040),实现了热能的梯级利用,使总的循环效率很高。,16,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,2.
11、2.1 燃气蒸汽联合循环的主要优点,热效率高,目前为50%55%,2000年以后渴望达到60%61%;低污染,环保性能好;运行灵活,可靠性高,可日启停、调峰性能好;单位容量投资较低,简单燃气轮机每千瓦投资为l00300美元kW,汽轮发电机组为6001000美元kW,而联合循环发电机组为280530美元kW;标准的模块化设计,建设周期短,可分阶段建设,一年内即可发出6070额定负荷;占地少,仅为PCFGD发电厂占地的13;节水,为同容量常规电站用水量的13;,17,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,2.2.2 联合循环机组举例,电站项目 燃机型号 出力MW 燃料 供电效率%投运日期日本辅助F
12、uttsu电站 14STAG109E 2000 LNG 48.5 1985土耳其Ambarbi 1350 天然气 52.5 1991韩国Seoinchon电站 8STAG107F 1910 天然气 54 1992香港Blaok Poink电站 8PG9311FA 拟扩到600 天然气 54(设计)52.9(当地)1996英国Didcot电站 4V94.3 1350 天然气 55.5 1996 我国大陆以煤为主要发电一次能源,目前联合循环机组容量仅占全国发电容量的15。,18,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,2.3 多联产发电技术,2.3.1 热电联产 指的是火电机组在发电的同时,用抽汽或
13、背压机组的排汽进行供热,由于实现了热能的梯级利用,其总的能源利用率为7080。如果联合循环机组用于热电联产,即高作功能力的燃气(1000以上)在燃气轮机中做功,其排气在余热锅炉中产生中等作功能力的蒸汽(500以上),驱动汽轮机继续做功,其低作功能力的抽汽或排汽用于工业或生活用汽用热,形成联合循环热电联产(图),其总的能源利用率可达8090(理论极限为93)。热电联产比热电分产可节约能源30左右。我国有50万台工业锅炉,年耗煤4亿吨,平均容量228吨时,如果其供热量的一半由热电联产供给,则年可节煤12亿吨。,19,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,2.3.2 热、电、冷三联产,热电冷三联产:
14、指锅炉产生的蒸汽在背压汽轮机或抽汽汽轮机发电,其排汽或抽汽,除满足各种热负荷外,还可做吸收式制冷机的工作蒸汽,生产68冷水用于空调或工艺冷却.热电冷三联产的优点:(1)蒸汽不在降压或经减温减压后供热,而是先发电,然后用抽汽或排汽满足供热、制冷的需要,可提高能源利用率;(2)增大背压机负荷率,增加机组发电,减少冷凝损失,降低煤耗;(3)保证生产工艺,改善生活质量,减少从业人员,提高劳动生产率;代替数量大、型式多的分散空调,改善环境景观,避免“热岛”现象。,20,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,2.3.3 热、电、煤气三联产,煤中挥发份和部分固定碳受热后气化,产生城市煤气供万人城镇民用,焦碳
15、送CFBC锅炉中燃烧产生蒸汽,用于热电联产。此外,在电厂中安装蓄热器回收排热或机组起停过程中排汽,可对热负荷移峰填谷;可增加尖峰发电力出力,提高能源利用率和机组稳定运行水平。还有一种双背压凝汽式汽轮发电机,是通过凝结水串联通过凝汽器的两个部分,形成两个不同的背压。由于改善了蒸汽热负荷的不均匀性,使其平均背压低于传统的单背压汽轮机的背压,可提高循环热效率。,21,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,2.3.4 燃气轮机高效热力循环,a)程式双流体热力循环(回注蒸汽的燃气轮机热力循环)指余热锅炉产生的过热蒸汽,与压气机来的高温高压空气一起进入燃烧室,燃料燃烧产生的燃气和被加热到燃气初温的蒸汽,一
16、起进入燃气轮机中作功,形成燃气、蒸汽在同一台燃机中膨胀作功的双流体热力循环。该循环燃机功率增大,循环效率提高;对燃气叶片冷却效果好,没有蒸汽轮机系统,使系统简化;可降低NOx排放。,22,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,b)湿空气透平(HAT)循环(蒸发-回热 式双流体循环),指软化水经燃机排气加热后喷人压气机出口蒸发器中被高温高压空气蒸发,空气与水蒸汽混合物在回热器中被燃气排气加热后,供给燃烧室,产生的燃气、蒸汽混合物进入燃气轮机作功。由于燃机排气余热的充分利用,可大大提高循环效率;由于燃机工质流量增加,使机组功率也大大增加;由于没有了蒸汽轮机,使系统大为简化,造价仅为余热锅炉型联合循
17、环的50。如果把整体煤气化产生的煤气经净化后供燃烧室燃烧,就形成IGHAT循环,也大大简化系统,节约投资。,23,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,2.4 煤炭洁净燃烧发电技术,火力发电发展至今,其一次能源仍以煤为主。如我国煤炭在一次能源的生产和消费中占了大头,同时煤电在电力装机总容量中占了75.燃煤发电目前存在着两个突出的问题:一是燃煤技术有待改善,煤的利用率要进一步提高;二是煤燃烧除放出热量外,还会产生大量的烟尘、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等污染环境的排放物。我国烟尘排放量的70、二氧化硫排放量的90都来自燃煤。洁净煤技术(CCT-Clean Coal Techno1ogy),指的是
18、在利用煤炭发挥一次能源最大作用的同时,污染环境的气、固、液态排放量最少;也可定义为减少污染、提高效率的煤炭开采加工、运输、转化、燃烧、污染控制、综合利用等技术的总称。它是以三E为目标(经济Economics,环境Enviroment,效率Efficieney),是先进、清洁的“绿色煤电”。,24,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,煤炭利用引起污染的种类,生产环节:排放污染物及危害开采:气态(煤层瓦斯CH4、CO2、氯氟烷烃等温室气体)固态(矸石)液态(煤泥水、矿井水)运输:煤中灰份、石、杂质 燃烧:气态(尘埃、SO2、NOX、CO2、二恶英)固态(灰渣)液态(冲灰渣水),25,专题一:火力
19、发电技术发展趋势-宋长华,煤炭清洁、高效利用方法分类,燃烧前处理(源处理)指在开采到用户使用前这一阶段煤的处理方法;燃烧中清洁利用(过程处理)主要指流化床燃烧技术(FBC:Fluidized-bed Combustion);整体煤气化蒸汽燃气联合循环(IGCC:Integrated GasificationCombined Cycle);整体煤气化燃料电池(IGFC:Integrated Gasification Fuel Cell)、磁流体发电技术;炉内脱硫:炉内喷钙脱硫,喷钙加尾部增湿活化脱硫;炉内脱硝:低NOx燃烧器、低温燃烧、整体分级燃烧、回气再循环、再燃烧技术等;燃烧后清洁处理(烟气
20、净化);包括除尘、脱硫、脱硝、废水处理及零排放,废水资源化和干除渣、灰渣分除及综合利用。,26,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,2.4.1 燃烧前的煤炭加工和转化技术,煤炭加工技术:是指在煤炭燃烧之前,以物理方法为主对其进行加工的各类技术,主要包括洗选、型煤、水煤浆技术。煤炭转化技术:是指在燃烧之前对煤进行改质反应,包括煤气化和液化两种。洗选处理:型煤加工:水煤浆:煤炭气化:煤炭液化:,27,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,2.4.2 燃烧中净化技术,燃烧中净化技术:是指燃料在燃烧过程中提高效率减少污染排放的技术,它是洁净煤技术的重要组成部分,由五项技术组成。先进的燃烧器:循环流化
21、床技术(CFBC):增压流化床联合循环技术(PFBCCC):整体煤气化联合循环技术(IGCC):直接燃用超净煤粉的燃气蒸汽联合循环技术(CENCC),28,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,(1)流化床燃烧技术FBC,定义及分类 把8mm以下的煤粒和脱硫剂石灰石,加入燃烧室床层上,在通过布置在炉底的布风板送出的高速气流作用下,形成流态化翻滚的悬浮层,进行流化燃烧,同时完成脱硫,这种燃烧技术叫流化床燃烧技术。按燃烧室运行压力的不同,分为常压流化床AFBC(Atmospheric Fluidized-bed Combustion)和增压流化床PFBC(Pressurized FBC);按流化速
22、度和床料流化状态不同,二者又可分为鼓泡床BFBC(Bubbling FBC)和循环流化床CFBC(Cireulaiing FBC)。,29,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,流化床燃烧方式的特点,清洁燃烧,低污染排放,环保性能好;燃料适应性强,特别适合于中、低硫煤;燃烧效率高;负荷适应性好;灰渣综合利用好;PFBC还有结构紧凑、锅炉尺寸小的特点.,30,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,FBC技术的应用及发展情况,1921年弗里茨温克勤(Fritz Wink1er)建立了世界第一台小型流化床燃烧试验台,60年代中期,第一台FBC锅炉在美国投入运行;BFBC的“世界之最”为芬兰Rauba
23、1anii热电站的295 MW机组,日本竹原电厂2号机(350 MW)燃油炉正改为BFBC,届时将成为世界最大BFBC;CFBC的最大机组为法国stein公司为法国Gardanne电站改造煤粉炉而制造的一台900 th(配250 MW机组)CFBC,2000年实现600MW的CFBC;我国自60年代初开始研究与应用FBC技术,目前国内FBC锅炉制造厂家有22家;410 th CFBC装于四川内江高坝电厂,已于1996年投人生产;国家电力公司在内江正建设一座300 MW CFBC锅炉示范电站。,31,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,(2)增压流化床 PFBC,进一步提高高温烟气除尘装置的除
24、尘效率,减少燃机叶片磨损,如研制高效陶瓷过滤器;第二代PFB以2G-PFBC)的开发 燃气轮机,自动控制装置及PFBC关键设备的国产化;提高脱硫剂利用率,实现低CaS比下达到高脱硫效率的目的;脱硫、脱硝、床温及CaS间的最佳配合;开发增压循环流化床PCFB的研究,它运行费用低,适于高硫煤,可降低CaS;PFBC大型化及CFBC-CC联合循环的研究;湿式给料机和干渣排出装置的开发,保证最佳粒度匹配,减少渗水量;保证在炉内压力下灰渣的连续稳定排除。,32,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,(3)煤整体气化燃气蒸汽联合循环发电技术IGCC,发电原理 煤经过气化和净化后,固体燃料已转化成清洁气体燃
25、料,以此驱动燃气轮机发电,再用排出的高温燃气进入锅炉,产生蒸汽带动汽轮机发电,形成燃气与蒸汽联合循环发电(图)。IGCC的特点(1)热效率高,其效率比煤粉炉高10以上,可达4050;(2)污染排放少,环保性能优良;脱硫率9899,NOx及CO2排 放减少;(3)燃料适应性强,同一电站设备可燃用多种燃料,对高硫煤有独特的适应性;(4)容量可大型化,单位造价不断降低;(5)调峰性能好,起停机时间短;,33,专题一:火力发电技术发展趋势-宋长华,IGCC发展概况,1984年1月美国建成世界最早的商业验证电站一Cool Water电站,该电厂发电出力为120MW,耗资262亿美元;现在世界上已建、在建
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