燃用无烟煤的660 MW超临界机组锅炉选型技术经济分析

孔 亮，易 宁，张 健，贺清辉，刘 雷，杨祖华

(1. 电力规划设计总院，北京 100120；2. 西南电力设计院，成都 610021)



燃用无烟煤的660 MW超临界机组锅炉选型技术经济分析

孔 亮1，易 宁1，张 健1，贺清辉2，刘 雷2，杨祖华1

(1. 电力规划设计总院，北京 100120；2. 西南电力设计院，成都 610021)

随着四川白马600MW超临界CFB示范工程顺利投产，燃用无烟煤的660MW超临界机组在锅炉选型时除W火焰锅炉，又有了新的选择。以正在开展前期工作的某电厂项目为例，对燃用无烟煤的锅炉选型从技术经济角度进行了分析比较，从而为决策者提供参考。

660 MW超临界机组；CFB锅炉；W火焰锅炉；锅炉选型；无烟煤

考虑到贵州地区无烟煤着火稳定性差、着火温度高、着火时间长，燃烬率低等特点，目前新建及在建的660 MW超临界机组普遍采用W火焰锅炉(以下简称W炉[1-3])。2013年4月四川白马600 MW超临界CFB示范工程顺利投产，标志着目前世界上第一台也是世界最大的超临界CFB锅炉正式进入商业运行，为今后燃用无烟煤的发电项目锅炉选型提供了新的选择[4-5]。

本文以安顺地区正在开展前期工作的某电厂项目为例，对燃用无烟煤的660 MW超临界机组锅炉选型从技术经济角度进行了分析比较。

1 煤质特性

该电厂项目煤质情况如表1所示，设计煤种与校核煤种均为低挥发分、高灰分、低水分的无烟煤。按普华煤质判别准则，属难着火、燃烧难稳定、极难燃烬、燃烧性极差、中等结渣、中等沾污、灰磨损性严重的煤种。

表1 煤质特性分析表

2 锅炉技术差异

2.1 W型火焰锅炉

W炉主要用于燃烧干燥无灰基挥发分小于10%的无烟煤和挥发分小于15%的贫煤，其特点在于，燃烧器沿炉宽方向错列布置在前后墙水冷壁组成的两个拱上；双拱炉膛配以下射式燃烧器，形成了W型火焰。W型火焰可使煤粉气流尽可能多地接触高温回流热烟气并获得充分的扰动和混合，可以提高燃烧器出口火焰根部的着火温度水平。

W炉优点主要为，煤粉颗粒在燃烧区内有足够行程和停留时间，可提高燃料的燃烬率和燃烧效率，尤其适用无烟煤；采用的旋流燃烧器可提高一次风中煤粉浓度，并降低气粉混合物入炉风速，有利于煤粉的着火；燃烧所需的空气只有很小一部分从拱上送入，大部分燃烧空气通过拱下前后墙上的二次风口分级送入炉膛，从而实现分级送风、分级燃烧，这种燃烧方式既可提高无烟煤的着火稳定性又可降低NOx的生成。

W炉缺点主要为，炉内燃烧温度高，容易产生结焦现象，NOx排放浓度很高；对于高硫煤，还易产生炉膛高温腐蚀和尾部低温腐蚀，通常需进行受热面喷涂、采用高等级材料和提高设计排烟温度，锅炉效率相对较低。

对于W炉的污染物排放，本项目脱硫系统需采用单塔双循环石灰石-石膏湿法脱硫工艺，脱硫效率按98.0%设计，设计和校核煤种SO2排放浓度分别为78 mg/Nm3和140 mg/Nm3，两台炉SO2排放量约为1 850 t/a。脱硝系统采用SCR工艺，锅炉出口NOx浓度小于800 mg/Nm3，脱硝系统效率按85%设计，烟囱出口NOx排放浓度小于120 mg/Nm3，两台炉排放量约为2 670 t/a。

2.2 CFB锅炉

CFB锅炉的煤种适应性强，可以燃用任何固体燃料，实际多用于燃用劣质煤，且具有较好的环保性能，因此在我国煤炭综合利用电站中得到了广泛应用。其特点在于能使燃料和脱硫剂在较低温度下(850～900℃)呈流化状态在锅炉内循环燃烧。

CFB锅炉优点在于，煤种适应性广，能适应贵州地区煤源点多、煤质变化大的特点。燃料制备简单，无制粉系统，仅需设置简单的破碎装置。采用炉内喷钙脱硫，炉内脱硫效率大于90%，SO2排放浓度较低，尾部不易产生低温腐蚀。采用低温燃烧，不易结焦，不易产生高温腐蚀，锅炉出口NOx排放浓度较低。

CFB锅炉缺点是水冷壁较煤粉炉容易磨损，爆管问题相对突出。由于超临界机组水容积小，全厂失电时易烧坏受热面，需设置紧急补水系统[5]。超临界CFB锅炉投产业绩少，经验不足。

对于CFB锅炉的污染物排放，脱硫系统除炉内脱硫外，设置采用干法脱硫工艺的炉后二级脱硫，炉内加炉外综合脱硫效率99.0%以上，设计和校核煤种SO2排放浓度分别为40 mg/Nm3和70 mg/Nm3，大幅低于现行环保排放要求，两台炉SO2排放量约为924 t/a。脱硝系统采用相对简单的SNCR工艺，锅炉出口NOx浓度小于160 mg/Nm3，脱硝系统效率按50%设计，烟囱出口NOx排放浓度小于80 mg/Nm3，两台炉排放量约为1 782 t/a。

2.3 技术分析结论

对于燃用无烟煤的660 MW超临界机组，目前可选的炉型只有W炉和CFB炉，从技术角度，两者均可行。其中，W炉技术相对更加成熟，但是污染物排放相对较高，容易产生结焦、高温和低温腐蚀；CFB炉煤种适应性强，污染物排放低，但是投产业绩少，且存在水冷壁容易磨损的问题。

3 经济性分析

3.1 工程造价差异

根据设计方案，工程造价差异主要涉及锅炉、风机、制粉系统、烟风煤管道、汽水管道、热力系统砌筑及保温、输煤系统、除灰系统、主厂房、烟囱、脱硫脱硝系统等方面。设备价格主要参考《火电工程限额设计参考造价指标(2013年水平)》(以下简称限额指标)[6]，安装工程和土建工程费用按照《国家能源局关于颁布2013版电力建设工程定额和费用计算规定的通知》(国能电力[2013]289号)中要求的概算定额和取费标准进行测算。以下费用如无特殊说明均为2台机组对应的价格[7]。

(1)锅炉造价

表2 锅炉造价差异表

锅炉造价差异如表2所示，其中W炉设备费为限额指标价，CFB炉价格是来自东方锅炉厂的询价，前者锅炉设备费比后者低25 456万元；W炉和CFB炉重量分别为34 110 t和46 900 t，按照安装费单价2 511元/t测算，前者锅炉安装费比后者低3 212万元；W炉受热面喷涂面积6 200 m2，费用3 000万；CFB炉每炉设一套紧急补水系统、两炉费用5 000万，每炉设6台冷渣器、两炉费用1 800万；W炉和CFB炉基础分别为7 500 m3和11 000 m3，按照土建工程费单价1 197元/m3测算，前者锅炉基础土建工程费比后者低419万元；锅炉部分合计，W炉比CFB炉造价低32 886万元。

(2)风机造价

风机造价差异见表3，W炉的一次风机和送风机均为动叶可调轴流风机，CFB炉的一次风机和二次风机均为离心风机且压头更高，前者比后者费用分别低480和400万元；流化风机为CFB炉特有，按1炉5台配置，费用1200万；风机部分合计，W炉比CFB炉造价低2 080万元。

表3 风机造价差异表 万元

(3)制粉系统造价

两种炉型的制粉系统造价差异如表4所示，由此可见存在较大差异。W炉每炉设6台双进双出钢球磨和12台电子称重式皮带给煤机，按限额指标价，费用分别是8 400万和648万。CFB炉没有磨煤机，每台炉设称重式皮带给煤机4台、链式给煤机4台、启动床料称重皮带给料机1台、启动床料链式给料机1台、中心给料机4台，费用共计1 116万元。制粉系统合计，W炉比CFB炉造价高7 932万元。

表4 制粉系统造价差异表 万元

(4)烟风煤管道与汽水管道造价

烟风煤管道与汽水管道造价差异见表5，W炉和CFB炉的冷风道、热风道、烟道、原煤管道、送粉管道分别为640和900 t、800和450 t、1 180和800 t、40和20 t、1 015和0 t，烟风煤管道费用前者比后者高1 661万元；W炉和CFB炉的中低压汽水管道分别为1 500 t和1 650 t，费用前者比后者低300万元；烟风煤管道与汽水管道合计，W炉比CFB炉造价高1 361万元。

表5 烟风煤管道与汽水管道造价差异表 万元

(5)热力系统砌筑与保温造价

热力系统砌筑与保温造价差异如表6所示，其中W炉和CFB炉的锅炉砌筑、锅炉保温工程量分别为6 500 m3和8 416 m3、9 820 m3和17 050 m3，按照综合单价3 778元/m3和1 538元/m3，得到前者比后者费用分别低724万元和1 112万元，合计造价低1 836万元。以上CFB炉工程量来自白马示范工程初步设计收口概算工程量。

表6 热力系统砌筑与保温造价差异表 万元

(6)输煤系统造价

输煤系统造价差异如表7所示，其中CFB炉设置用于二次破碎的碎煤机4台，同时配活化给煤机4台、细筛煤机2台、配套细碎煤机的布料器4台、梳式摆动筛4台、及相应的碎煤机室起重设施，碎煤机询价得到350万/台，由此费用合计1 943万元；W炉设置梳式摆动筛2台，碎煤机室起重设施相比简单，费用合计77万元万元；输煤系统合计，W炉比CFB炉造价低1 866万元。

表7 输煤系统造价差异表 万元

(7)除灰系统造价

除灰系统造价差异见表8，W炉除渣系统采用刮板捞渣机-渣仓方案、费用合计1 020万元，CFB炉采用刮板输送机-斗式提升机-渣仓方案、费用合计740万元，除渣设备前者造价高280万元；气力除灰设备，考虑到W炉比CFB炉灰量小，因此前者比后者造价低500万元；除灰系统合计，W炉比CFB炉造价低220万元。

表8 除灰系统造价差异表 万元

(8)主厂房及烟囱造价

主厂房及烟囱造价差异如表9所示，其中W炉主厂房426 544m3，CFB炉没有煤仓间主厂房仅393 999 m3，按350元/m3测算，前者比后者主厂房土建造价高1 139万元；W炉烟囱为湿烟囱方案、采用钛钢复合板单内筒套筒烟囱(高240 m，出口内径11 m)，CFB炉为干烟囱方案、采用直筒型砖内筒套筒烟囱(高240 m，出口内径10.5 m)，前者比后者烟囱土建造价高1 476万元；主厂房及烟囱合计，W炉比CFB炉造价高2 615万元。

表9 主厂房及烟囱造价差异表 万元

(9)脱硫脱硝造价

脱硫脱硝造价差异如表10所示，其中W炉炉外脱硫系统选取石灰石-石膏湿法脱硫工艺、并采用石灰石粉进厂的单塔双循环方案，CFB炉选择循环流化床干法脱硫工艺，前者比后者脱硫系统造价高5 056万元；CFB炉的炉内脱硫需要设置石灰石粉储存和输送系统，费用分别约为850万元和474万元，合计1 324万元；W炉脱硝系统选取SCR工艺，CFB炉选择SNCR工艺，前者比后者脱硝系统造价高9 000万元；脱硫脱硝系统合计，W炉比CFB炉造价高12 732万元。

表10 脱硫脱硝系统造价差异表 万元

(10)造价差异合计

由以上各系统的造价差异分析得到，就当前的价格水平而言，选用W炉的工程造价比CFB炉低14 248万元。

3.2 运行费用差异

(1)当前环保政策下的差异

W炉与CFB炉的年运行费用差异如表11所示，其中W炉与CFB炉的脱硫石灰石粉耗量分别为163 020 t/a和433 300 t/a，单价分别为90元/t和60元/t，前者比后者石灰石粉年费用低1 566万元；脱硫生石灰仅在CFB炉发生，耗量为11 000 t/a，单价450元/t，年费用495万元；W炉与CFB炉的液氨耗量分别为8 800 t/a和2 750 t/a，单价3 200元/t，前者比后者增加1 936万元；湿法脱硫工艺及干法脱硫工艺用水均使用电厂循环水排水，不占用全厂补给水量指标，因此耗水量费用差异不予考虑；脱硝催化剂更换和锅炉受热面喷涂更换都仅在W炉发生，催化剂按4年更换一次、摊销到每年的费用为800万元，受热面喷涂4年更换一次、摊销到每年的费用为750万元；W炉与CFB炉的SO2和NOx排放量分别为1 850 t/a和924 t/a、2 670 t/a和1 782 t/a，贵州地区目前执行《排污费征收标准管理办法》(国家计委、财政部、国家环保总局、国家经贸委第31号令)中的收费标准632元/t·a，因此前者SO2和NOx的年排污费仅比后者分别高58万元和56万元；发电煤耗和厂用电率两种炉型在本项目差异不明显，因此忽略相应的年费用差异；以上各项合计，W炉比CFB炉年运行费用高1 540万元。

(2)排污权交易实施后的差异

为促进生态文明建设，在2006年《国务院关于落实科学发展观加强环境保护的决定》就明确指出，实施污染物总量控制制度，将总量控制指标逐级分解到地方各级人民政府并落实到排污单位。2007年以来，国务院有关部门组织天津、河北等11个省(区、市)开展排污权有偿使用和交易试点。2014年8月，国家又下发了《国务院办公厅关于进一步推进排污权有偿使用和交易试点工作的指导意见》(国办发〔2014〕38号)，明确了对于增量排污权原则上通过公开拍卖方式取得，并且规定火电企业(除热电联产机组供热部分)原则上不得与其他行业企业进行涉及大气污染物的排污权交易。因此，对于新建燃煤发电机组的排污权，只能从其他火电企业购买排污指标，据估计购买排放指标的价格将达到10 000元/t·a，在排放量都需购买的情况下，W炉比CFB炉的SO2与NOx年排污费将高926万元和888万元，从而年费用合计高3 239万元。

(3)环保电价奖惩机制实施后的差异

此外，为进一步推进节能减排，国家在2014年3月下发了《关于印发<燃煤发电机组环保电价及环保设施运行监管办法>的通知》(发改价格[2014]536号)，通知中明确燃煤发电机组SO2、NOx小时均值超过限值要求仍执行环保电价的，由政府价格主管部门没收超限值时段的环保电价款；超过限值1倍及以上的，并处超限值时段环保电价款5倍以下罚款。假设W炉的SO2和NOx排放量超CFB炉后，无法获取环保电价，按利用小时5 000 h、厂用电率6.59%、脱硫环保电价15元/MWh、脱硝环保电价10元/MWh测算，W炉较CFB炉的SO2和NOx的电价损失分别为4 629万元/a和2 050万元/a，从而得到W炉比CFB炉年运行费用合计高8 104万元/a。

3.3 整体经济性差异

综合工程造价与运行费用差异，机组运行周期按20年考虑、折现率按7%，采用费用净现值法进行分析的结果如表11所示，当排污费单价为632元/t·a时(即情况1)，W炉费用净现值比CFB炉高2 063万元，此时从经济性分析W炉与CFB炉相当，CFB炉略优；当排污费单价为10 000元/t·a时(即情况2)，W炉费用净现值比CFB炉高20 067万元，此时从经济性分析CFB炉优势明显；当W炉超CFB炉年排放量而无法获取环保电价时(即情况3)，W炉费用净现值比CFB炉高71 609万元，此时从经济性分析CFB炉优势更加明显。

表11 费用净现值表 万元

4 运行业绩

自2009年以来，600 MW级超临界W炉有22台投入运行，包括珙县电厂、福溪电厂、桐梓电厂、兴义电厂等，在解决了初期出现的水冷壁拉裂等技术问题后，国内大型锅炉制造厂在技术上已趋于成熟[4]。

600 MW级超临界CFB炉目前仅有白马示范工程1台投入运行，燃用贫煤，投产1年来技术性能稳定，但长期运行效果还有待进一步检验。

5 结语

660 MW超临界机组燃用挥发分大于5%的无烟煤时，采用W炉和CFB炉在技术上均是可行的。就锅炉设备的技术成熟性而言，超临界W炉较超临界CFB锅炉优，但其污染物排放量相对较高，且易结焦、产生高温和低温腐蚀；CFB炉煤种适应性广，污染物排放低，设计成熟，但是国内投产业绩少，且较W炉水冷壁容易磨损，实际运行性能还有待进一步验证。

就经济性而言，W炉工程造价比CFB炉低约1.42亿元，但运行费用高于CFB炉，采用费用净现值分析法得到，当执行当前排污标准时，W炉与CFB炉经济性相当；当环保要求更趋严格时，CFB炉经济性更好。

因此，投资方在锅炉选型时，应根据自身实际资金筹措、风险控制要求、环保排放及收费预期等因素，谨慎进行决策。

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(本文编辑：杨林青)

Technical and Economic Analysis on Boiler Selection of 660 MW Supercritical Units Burning Anthracite Coal

KONG Liang1, YI Ning1, ZHANG Jian1, HE Qing-hui2, LIU Lei2, YANG Zhu-hua1

(1. Electric Power Planning & Engineering Institute, Beijing 100120, China；2. Southwest Electric Power Design Institute, Chengdu 610021, China)

As the 600 MW supercritical CFB demonstration project has successfully been completed and put into operation in Baima, Sichuan province, in addition to the W-shape flame boiler, the CFB boiler is becoming a new choice for 660 MW supercritical units burning anthracite coal. In order to provide references for decision makers, this paper takes a real project as an example to analyze the technological and economic differences between W-shape flame boiler and CFB boiler.

660 MW supercritical unit; CFB boiler; W-shape flame boiler; boiler selection; anthracite coal

10.11973/dlyny201506026

孔 亮(1980)，男，博士，高级工程师，主要从事电力行业项目评审、产业政策咨询工作。

TM621

A

2095-1256(2015)06-0858-06

2015-08-08