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中国现役煤电机组延续运行的经济性分析

2020-06-04 289 上传者：管理员

摘要：分析了现役煤电机组综合升级改造后的能耗、环保和运行可靠性状况，基于此分析了制约煤电机组系统寿命的关键因素。通过典型机组案例计算，从度电经济成本和度电污染成本角度分析了新建机组和现役机组延续运行的经济性。综合得出，中国现役煤电机组有足够的能力和可靠性延续运行，且现役煤电机组延续运行的经济性优于新建机组。

关键词：
延续运行
煤电机组
状态评价
设备状态
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在建设美丽中国和绿色低碳转型的总体要求下，中国坚持创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，着力落实“四个革命、一个合作”能源战略，加快构建清洁、高效、安全、可持续的现代能源体系。燃煤发电在今后相当长的时期内仍在中国电力能源结构中占主导地位，已成为共识[1]。进入“十三五”以来，中国积极推进煤电转型升级，出台了一系列防范煤电产能过剩发展相关政策，用以规范和引导煤电产业向更加健康有序的可持续轨道发展。全面开展煤电机组超低排放和节能改造[2,3,4]，提高在役煤电机组运行的经济性和环保性。

按照煤电机组设计寿命30a统计，从现在至2030年，面临关停的煤电机组容量约为0.9×108kW，占目前煤电总装机容量的10%左右，这与煤电结构性产能过剩、转变发展方式在时间上高度吻合。由此导致社会上出现“煤电机组运行寿命只有30a”“小火电是落后产能，必须淘汰”“控煤就是控煤电”等一系列不科学的观点和说法，致使有的地方未充分挖掘煤电存量资产的经济潜力，而采取“一刀切”的方式，强制关停运行30a但环保排放达标、能耗和可靠性指标同类占优、资产优良的300MW机组，由此造成国有资产的浪费和损失，也不利于煤电产业结构的优化调整。因此，在当下电力市场化改革的进程中，开展煤电机组状态评价与寿命管理的研究非常必要，不仅可为国家能源主管部门指导煤电产业优化升级、制订相关政策提供有力支撑，也可以推动中国煤电产业加快转型升级，适应新的发展形势，提高发展质量。

1、煤电机组能耗环保可靠性状况

目前，针对机组能耗状况，充分运用国内现有成熟技术，吸收引进国外先进的理念、技术和工艺，按照要求对大多数现役煤电机组进行了相关改造。

截至2018年第三季度末，全国节能改造累计完成6.5×108kW，占全国煤电机组装机总量的65%左右，其中，“十三五”期间完成改造3.5×108kW，提前超额完成“十三五”期间3.4×108kW的改造目标。2018年煤电机组分容量等级供电煤耗及变化幅度如图1所示。由图1可知，经改造后，300MW级机组平均供电煤耗值为307g/(kW·h)，与600MW级机组的305g/(kW·h)相差无几，远远优于300MW级以下的煤电机组。

图1 2018年煤电机组分容量等级供电煤耗及变化幅度图

历年来电力烟尘、SO2、NOx排放量及排放绩效如图2所示。截至2018年年底，中国煤电机组累计完成超低排放改造8.1×108kW，占全国煤电总装机的80%。由图2可知，中国老旧煤电机组大部分已开展综合节能改造及环保设施改造，改造后节能和环保状况大幅改善。从硬件设备的角度来看，老旧机组已经具备了落实机组延续运行的条件。

图2 电力烟尘SO2NOx排放量及排放绩效图

煤电机组的运行可靠性可用等效可用系数和等效强迫停运率表征[5,6]。图3给出了2016年、2017年煤电机组分容量等级运行可靠性主要指标对比情况。

由图3可知，2017年300MW级煤电机组等效可用系数为93.16%，运行系数为69.62%，等效强迫停运率为0.63%，非计划停运次数为0.65次/（台·年），这些指标均优于2017年新投产的煤电机组。新建机组等效强迫停运率和非计划停运次数远远高于运行多年的现役老机组，说明通过技术管理水平的提升、制造工艺升级和机组综合升级改造等，煤电机组运行的可靠性得到了提高。

图3 煤电机组分容量等级运行可靠性主要指标对比图

2、煤电机组寿命的技术分析

2.1 煤电机组寿命定义

煤电机组关键组成部件的安全性能是决定其寿命的重要因素，即“安全寿命”是决定煤电机组能否继续运行的关键所在，而传统煤电机组的“寿命”主要考虑机组的设计寿命。从国外煤电机组的长周期运行、退役及寿命评估情况分析来看，真正关注的是煤电机组的“安全寿命”，而非“设计寿命”。

2.2 煤电机组寿命的制约因素

实际上，机组作为一个复杂的系统，影响机组整体寿命的核心构件主要有两大类：a)高温承压部件和高速旋转部件（包括锅炉、汽轮机和发电机三大主机、热力系统主要管道等）以及电气一次设备（主要是变压器）；b)主厂房、主钢架等主要建（构）筑物。

一般情况下，煤电机组运行寿命主要由电站系统苛刻的工作环境、一旦失效会造成严重事故的主要金属部件的寿命决定。设计过程中，技术人员对机组的设计寿命持保守态度，为保留一定的安全裕度，通常将设计寿命定为30a。随着科研人员在实践中进一步掌握了不可更换设备在运行中的老化情况，他们已经逐渐意识到煤电机组实际寿命要远长于设计寿命。

近年来，火电设备年运行时间均出现不同程度的下降，2016年、2017年和2018年全国火电机组设备利用时间仅为3785h、3680h和4361h。如果按照机组运行30a，火电设备年运行时间为4800h(30a运行年平均值）计算，原经验寿命为30a的火电机组的实际安全运行寿命理论上讲应该为41.7a。理论上，服役30a的煤电机组至少还有10a以上的寿命，考虑到设备的更新改造，其理论寿命会更长。

另外，煤电机组的寿命主要取决于其采用的关键设备（或部件）的寿命，而设备（或部件）的寿命主要取决于使用的金属材料的安全使用寿命。影响机组金属部件剩余寿命的两个主要因素为运行时间和启停情况，具体见表1。

表1 金属部件及其剩余寿命主要影响因素

3、煤电机组延续运行的经济性分析

3.1 煤电机组发电成本模型

度电经济成本是分析电厂发电成本最广为接受的指标，表示机组经营期内发生的全部成本与全部发电量的比值。在分析度电经济成本时，不包含排污税费、碳排放等污染成本。常用的度电经济成本[7]的计算公式如（1）公式，按照LCOE公式的思路，构造如下度电污染成本指标如（2）式，式(2)中，LEOE为度电污染成本，元/(kW·h);SEn、NEn、PMn和CEn分别为脱硫、脱硝、除尘和CO2排放成本，元/(kW·h);E为年发电量，kW·h。

3.2 新建机组与延运机组发电成本比较

选取了A厂两台具有代表性的煤电机组：1号机组为330MW机组，5号机组为1000MW机组。1号机组1990年7月投产，即将达到30a的设计退役年限；5号机组2012年12月投产，服役年限尚不足10a，基本可以代表新建机组。根据厂里统计的近3年的发电生产数据，1号机组和5号机组的基本运行指标如表2所示。

表2 1号和5号机组基本运行指标的比较

根据这些指标，对3种情况下的机组度电经济成本进行比较，比较结果如表3所示。

表3 两项目的LCOE核算对比

比较结果表明，1号机组延续运行的度电经济成本均低于5号机组，这一成本上的差异主要来自发电煤耗、机组延续运行技改投资和新建投资；而1号机组的度电污染成本比5号机组高0.00215元/(kW·h)，这主要是因为5号机组的发电效率高，单位发电量的煤耗和污染排放比较低。综合分析，煤电机组延续运行在经济性上优于新建机组。煤电机组除承担基础负荷任务外，还具有调峰、供热、备用电源（热源）等功能。如果用大机组替代小机组进行调峰调频、供热，必然会降低其运行工况，导致煤耗增加，不仅会提高经济成本和污染成本，而且会引起煤电产能过剩的问题，造成资源浪费。

4、结语

a)中国现役煤电机组能耗和环保指标水平均满足国家政策要求，领先世界同类机组；煤电机组通过技术管理水平的提升、制造工艺升级和机组综合升级改造等，运行可靠性不断提高，与新投产机组相比，老旧机组的设备可靠性并不落后。b)典型现役煤电机组剩余寿命计算结果表明，锅筒、主蒸汽管道、汽轮机转子等关键部件在长期运行过程中的实际损伤值远小于设计损伤值，在原设计寿命的基础上具备10～20a延续运行的寿命。c)服役30a的300MW亚临界湿冷机组延续运行20a，与新投产的1000MW超临界湿冷机组运营20a的发电成本比较，1000MW机组在度电污染成本上的优势，不足其在度电经济成本上的劣势。综合分析，煤电机组延续运行的经济性优于新建机组。

参考文献：

[1]杨勇平,杨志平,徐钢,等.中国火力发电能耗状况及展望[J].中国电机工程学报,2013,33(23):1-11.

[2]张东辉,庄烨,朱润儒,等.燃煤烟气污染物超低排放技术及经济分析[J].电力建设,2015,36(5):125-130.

[3]赵永椿,马斯鸣,杨建平,等.燃煤电厂污染物超净排放的发展及现状[J].煤炭学报,2015,40(11):2629-2640.

[4]李博,王卫良,姚宣,等.煤电减排对中国大气污染物排放控制的影响研究[J].中国电力,2019,52(1):110-117.

[5]史进渊.大型发电机组可靠性预测方法与应用[J].机械工程学报,2011,47(18):165-172.

[6]史进渊.大型火电成套机组的可靠性设计及验证方法[J].动力工程学报,2014,34(12):972-977.

[7]袁家海,艾昱,曾昱榕,等.中国燃煤发电成本和上网电价政策研究[J].煤炭经济研究,2018,38(11):43-48.

宋绍伟.中国煤电机组设备状态评价及分析[J].能源与节能,2020(05):136-138.