煤耗是反映电厂能耗水平的核心指标之一。国家能源局发布的《煤电节能减排升级改造行动计划(2014~2020年)》明确提出,2020年要实现现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗低于310克/千瓦时,这一目标为发电企业节能降耗提出了明确要求。
如何全面理解燃煤电厂的煤耗概念,影响煤耗的主要因素有哪些,哪些环节有不确定性?本期发电周刊特约作者詹华忠为大家作出了简要说明和分析,目的在于揭示煤耗概念与统计的复杂性,并呼吁严肃对待煤耗。
1、发电煤耗与供电煤耗发电煤耗是总的煤耗。因为电厂本身也有厂用电,扣除了厂用电率,则是对外的供电煤耗,为净值。两者的关系可用公式表示为:供电煤耗=发电煤耗/(1-厂用电率)。
煤耗的高低取决于煤电厂的类型 (如煤粉炉与循环流化床)和给水泵(电动泵、汽动泵)等,厂用电率可能在3~10%左右,那么发电煤耗与供电煤耗在数值上可能存在明显差距,比如10~20克/千瓦时。如果在引用数据时只说电厂煤耗,而不言明是发电煤耗还是供电煤耗,这一数值就毫无意义。并且,对电厂而言,更具现实意义的是供电煤耗,这一指标能反映电厂的真实水平,否则人们会被更“好看”的和掩盖了厂用电率的发电煤耗所误导。以下为精简篇幅,如果没有特别说明,煤耗都特指和默认为供电煤耗。
2、设计煤耗与实际煤耗设计煤耗是在设计煤种 (发热量、水分、灰分等等),设计工况(出力、主汽温度、压力、排汽背压等等)下的煤耗。
实际煤耗当然是在实际煤种(发热量、水分、灰分等等),实际工况(出力、主汽温度、压力、排汽背压等等)下的煤耗。
可以想象,实际条件与设计条件差别的项目很多,差别的量会很大,实际的数值与设计的数值会有较大差别。比如说煤质的影响、负荷率的影响、排汽背压的影响会很大。部分电厂折算回设计条件,这一折算过程就成了不确定的因素。
实际煤耗即使在100%负荷下,也会与性能试验时的供电煤耗有所不同,包括了背压、吹灰等的影响。
3、实时煤耗与平均煤耗理论上,电厂进行燃煤发电,就存在煤耗,如果我们取得计算时间足够短,并且技术上也能实现,得出的就是实时煤耗。有的电厂至少在显示上给出了实时的煤耗。
作为统计数值,我们取一天,一个月,一个季度,或者一年为统计时段,就是这一时段的平均煤耗。
我们可以想象,在一个时间段里,变化的因素非常多,煤耗的数值变化较大。如果拿一个短时段的平均值与一个长时段的平均值相比,那是不可比的。即便同一电厂都以年平均煤耗来说,因负荷率等条件不同,也会有较大区别。不过,用长周期的年平均煤耗来比较,更能反映电厂的实际水平。
4、单台机组、单个电厂煤耗与多个电厂平均煤耗单个电厂也许有若干台煤电机组,甚至有亚临界、超临界和超超临界机组并存。
如果说这个电厂的煤耗,就得平均计算。当然,在计算各机组热耗的时候,煤量、厂用电的划分也应该是清晰和准确的。
对于某个集团公司甚至大到全国,存在各种各样的机组,也得平均计算。然而,如何计算平均或加权平均,是以总发电量除以耗煤量,或者各机组热耗的简单平均;是各机组热耗按容量加权平均,抑或各机组热耗按发电量加权平均,结果都不相同。
回顾过去,随着小机组的退役,30万千瓦和60万千瓦级机组的改造,66万千瓦和100万千瓦新机组的投运,各大集团和全国的平均煤耗逐年下降,这是容易理解的。
2006~2010年期间,全国6000千瓦以上火电机组的供电煤耗从370克/千瓦时降到333克/千瓦时,2013年降到321克/千瓦时,2014年为318克/千瓦时。
按照 《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014~2020年)》,到2020年,现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗低于310克/千瓦时,其中现役60万千瓦及以上机组(除空冷机组外)改造后平均供电煤耗低于300克/千瓦时。
电厂煤耗的计算
影响煤耗的主要因素
按照排汽冷却方式分有:湿冷机组与空冷机组(包括直接空冷与间接空冷)。取决于厂址条件,湿冷机组的排汽背压通常为4.9~11.8千帕,南方也有6~11.8千帕;间接空冷通常约13~28千帕,直接空冷约15~35千帕左右。因此,不同类型的机组,以及同一机组在不同背压下煤耗相差很大。
按照电厂参数分有:亚临界,超临界,超超临界机组。亚临界(汽机主汽16.7兆帕/538摄氏度/538摄氏度)、超临界(24.2兆帕/566摄氏度/566摄氏度)的参数比较固定(少数超临界的参数略有不同),超超临界再细分的话有普通超超临界 (25~26.25兆帕/600摄氏度/600摄氏度)和先进超超临界或称高参数超超临界(28兆帕/600摄氏度/620摄氏度),中间过渡还有再热温度610摄氏度的。所以,尽管同为超超临界机组,煤耗也会有2克/千瓦时左右的差别。
按照再热次数分有:一次再热和二次再热 (或称双再热)。如按二次再热31兆帕/600摄氏度/620摄氏度/620摄氏度的方案,二次再热超超临界与一次再热普通超超临界煤耗大致相差8~9克/千瓦时左右。据最新报道,国电泰州100万千瓦超超临界二次再热(汽机主参数31兆帕/600摄氏度/610摄氏度/610摄氏度)的性能试验结果为供电煤耗266.5克/千瓦时,这个数值优于大众的预测。
按热电用途分有:纯凝发电机组与供热机组。供热机组(热电联供)因为利用了低温热能,其煤耗会比纯凝机组好得多,可以轻易地做到200克/千瓦时以下。所以,两种不同的机组不宜直接进行比较。
2、厂用电率由前面的公式可知,供电煤耗与厂用电率密切相关。因此,电厂会想尽办法降低厂用电率,从而有效降低煤耗。根据中电联2014年度火电机组能效水平对标与竞赛的统计数据 (属于电厂自报),100万千瓦级超超临界纯凝湿冷机组平均厂用电率为4.08%,排名前20%为2.99%;100万千瓦级超超临界直接空冷机组平均厂用电率为5.33%;60万千瓦 级超超临界湿冷机组平均厂用电率为4.24%,排名前20%为3.44%;60万千瓦级超临界湿冷机组平均厂用电率为4.66%,排名前20%为3.87%;60万千瓦级超临界空冷机组平均厂用电率6.7%,前20%为4.74%。有的专家认为,3%的厂用电率属于非常好的水平,没有特别措施难以达到。
厂用电的统计口径在各电厂可能略有不同,例如公用系统厂用电如何分摊,新、老机组对卸煤及煤场输煤用电的分摊,脱硫脱硝的用电是否计入等等,存在一定的不确定性。
3、影响煤耗变化的主要因素影响一台运行机组煤耗的因素不少,这里讲两个主要的因素。
季节变化:主要是环境温度变化引起排汽背压的变化,使得汽轮机热耗变化。所以,无论湿冷还是空冷机组,夏季和冬季工况的煤耗相差挺大。例如,100万千瓦超超临界电厂的煤耗,高低背压工况下可能相差17克/千瓦时 (湿冷机组)、26克/千瓦时(空冷机组)。
负荷率变化:负荷率变化对锅炉效率的影响相对较小。例如,100万千瓦普通超超临界烟煤锅炉效率,100%负荷时为93.9%,75%负荷时为94.9%,50%负荷时为95.5%,即部分负荷甚至比满负荷状态还稍好。
主要的影响在于汽机热耗。例如,100万千瓦普通超超临界汽机热耗设计值,100%汽机验收工况 (THA)时约为7370千焦/千瓦时,75%THA时为7500千焦/千瓦时,50%THA时为7820千焦/千瓦时,40%THA时为8110千焦/千瓦时。以汽机热耗的划分大致是负荷降到75%时,超超临界机组成了超临界机组,50%负荷时成了亚临界机组。
根据各种机组供电煤耗与负荷的关系曲线,可以清楚地知道负荷率对煤耗的影响是很大的。例如,早期100万千瓦普通超超临界湿冷机组,100%负荷时的设计供电煤耗大约为283克/千瓦时,70%负荷时约为291克/千瓦时,60%时约为296克/千瓦时,50%时约为305克/千瓦时。
当然,超超临界机组滑压运行到超临界及亚临界区域,因为其温度较高且温度对汽机热耗的影响也比较大,部分负荷性能也比设计参数为超临界及亚临界的机组好一些。
目前,煤电机组的年利用小时数普遍下降,创历史低位。如果按照4500小时估算,全年机组平均负荷利用率为51%左右。因此,今年煤电机组煤耗年平均值也不容乐观。尤其在低负荷率和高环境温度(高背压)的时段,煤耗受双重影响,会普遍偏高。即便是上海外三电厂,在夏天和低负荷率时,也有短期供电煤耗上升到300克/千瓦时的时候,这是符合客观规律的,也是事实求是的。