上海外高橋第三發(fā)電有限責任公司(簡稱外三)投產(chǎn)當年，就創(chuàng)出全世界最低的實際運行供電煤耗：287克 /千瓦時。這還是在只有74%的負荷率的情況下。此后每年，在持續(xù)的技術創(chuàng)新的推動下，都大幅刷新供電煤耗最低世界紀錄。到2013年，國際煤電界由外三創(chuàng)造的紀錄已進入280克 /千瓦時以下，達到276克 /千瓦時左右。
世界范圍內(nèi)，中國以外公認技術指標最好的燃煤發(fā)電廠是丹麥NORDJYLLAND電廠3號機組，由于實施了二次再熱超超臨界技術，并有超低溫冷卻海水的得天獨厚的優(yōu)勢，其實際運行供電煤耗為286.08克 /千瓦時。
這項“原世界紀錄”比外三差了10克 /千瓦時，而10克 /千瓦時是煤電行業(yè)通常所稱的一代技術的差距。
鍋爐側(cè)的主要技術
1、排煙損失及回收技術
眾所周知，鍋爐的各項損失中，排煙損失約占全部損失的80%，因此，如何降低該項損失是極具吸引力的課題。此外，引風機和脫硫增壓風機做功致使煙氣焓和溫度上升，其溫升最高可達10℃左右，頗為可觀。不過，鍋爐排煙溫度的絕對值較低，一般在130℃左右甚至更低，可資利用的有用能有限。由于煙氣中含有SO2，安裝SCR 脫硝裝置后還會增加SO3 及硫酸氰胺，余熱回收裝置易出現(xiàn)表面凝結(jié)硫酸露，這會對換熱器產(chǎn)生強腐蝕，同時煙氣中的飛灰極易粘在結(jié)露的換熱器表面，堿性的煙灰與硫酸露結(jié)合后呈水泥狀，極難清除。這種情況持續(xù)發(fā)展甚至可以使煙道的通風能力嚴重下降。德國在解決這類問題方面作了有益的探索，采用耐酸塑料管材制作換熱器。但是，由于塑料的換熱系數(shù)很低，制成的換熱裝置非常龐大，造價昂貴。據(jù)悉，日本采用了鋼制換熱器回收煙氣余熱，但為防止結(jié)露，煙氣溫降有限，且燃煤的含硫量需嚴格控制。
中國的動力煤蘊藏量豐富，但含硫量較高且不穩(wěn)定。此外，作為發(fā)展中國家，投資要考慮性價比，故上述兩種方案均難以借鑒。
通過深入研究，我們改變解題的角度，從而破解了這一難題。其基本思路是通過專門的控制措施盡可能不讓換熱器表面結(jié)酸露，輔之以換熱器低溫段的鋼材具備一定的耐酸性，并將其置于增壓風機與脫硫塔間的低塵區(qū)域，既能防止磨損，又降低了積灰和堵塞的風險，還兼顧了引風機、增壓風機做功致煙氣焓的回收。換熱器采用鰭片管以提高換熱效率。余熱回收工質(zhì)為低壓加熱器間的凝結(jié)水，被加熱的凝結(jié)水減少了低壓缸抽汽，降低了汽輪機的熱耗。
兩臺機組的脫硫煙氣余熱回收系統(tǒng)分別于2009 年6月和10 月先后投入運行，至今運行情況良好。經(jīng)多次檢查，腐蝕情況甚微，壽命影響可以忽略。性能試驗表明，該套裝置的投產(chǎn)，使機組的效率上升了0.4%，脫硫塔噴水降低45t/h。
2、空預器密封技術
回轉(zhuǎn)式空預器是當今大型鍋爐的通用配置，外三電廠采用的是轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)式，轉(zhuǎn)子直徑17m× 高2.5m。設計漏風率<5%，一年后<6%。
轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)式空預器雖有很多優(yōu)點，但其轉(zhuǎn)子在運行中會出現(xiàn)“蘑菇型”非線性變形，動靜間隙較難控制，這導致其漏風率較大。漏風會導致兩個后果，一是各相關風機的總風量增大，功耗相應增加，其功率增量約與漏風率的三次方正相關;二是致空預器換熱效率下降，導致排煙損失增加，鍋爐效率下降。
為降低空預器的漏風率，我們研究開發(fā)了一種“全向柔性密封技術”，這種密封裝置是以不改變原有設備結(jié)構(gòu)為前提，在徑向、軸向和環(huán)向均加裝了磨損率可控的接觸式柔性密封，利用其柔性特點補償動靜間隙的非線性變化，從而使漏風率顯著降低。應用該技術后，額定工況下的廠用電率降至3.5% 以下(包括脫硫、脫硝)。與此同時，鍋爐熱風溫度也明顯上升，相應提高了鍋爐熱效率。該項創(chuàng)新提升了約0.29% 機組效率。
3、鍋爐的節(jié)能啟動系列技術
大型超(超)臨界機組的啟動，需要消耗大量的水、電、油、煤、蒸汽等資源，時間長，且這一階段的風險遠遠高于機組正常運行時期。為防止粘性油煙對除塵裝置的污染，純?nèi)加图懊河突鞜A段不宜投除塵器，從而又顯著增加了這一階段的污染物排放量。
通過對國內(nèi)外直流鍋爐不同啟動方式以及相應的優(yōu)、缺點和存在問題的深入研究，我們在理論上取得了一系列的重大突破。在此基礎上，對傳統(tǒng)的機組啟動方式進行了全面的顛覆和創(chuàng)新，研究并設計出了一整套全新的啟動技術，取得了卓有成效的成果。如：
(1)不啟動給水泵、靜壓狀態(tài)下的鍋爐上水及不點火的熱態(tài)水沖洗
這種水沖洗技術不用啟動給水泵，也不用點火加熱，節(jié)約了大量的燃料和廠用電，并且操作簡單，可控性好。由于沖洗的水溫高，且整個被沖洗受熱面內(nèi)的沖洗介質(zhì)均處于汽水兩相流，極大地改善了沖洗效果。
(2)直流鍋爐蒸汽加熱啟動和穩(wěn)燃技術
采用這一啟動技術后，耗油量下降了一個數(shù)量級以上。該方法不僅將鍋爐由原來的冷態(tài)啟動轉(zhuǎn)為熱態(tài)啟動，并且使煙風系統(tǒng)的運行條件更優(yōu)于熱態(tài)啟動，極大地改善了鍋爐的點火和穩(wěn)燃條件，創(chuàng)造了最低斷油穩(wěn)燃負荷<20%BMCR的紀錄，顯著提高了鍋爐的啟動安全性。
(3)取消爐水循環(huán)泵的低給水流量疏水啟動
這一技術大大簡化了啟動系統(tǒng)和運行控制，提高了安全性和可靠性，減少了啟動損失，同時仍具有常規(guī)帶爐水循環(huán)泵鍋爐的極熱態(tài)啟動時間短，損失小的特點。
新啟動技術成功應用后，整個啟動操作過程明顯簡化，時間大為縮短，啟動能耗大幅降低，特別是廠用電及點火助燃用油呈數(shù)量級下降，而安全性則得到顯著提高。目前，不論機組處于何種狀態(tài)，包括冷態(tài)啟動在內(nèi)，從鍋爐的點火至發(fā)電機并網(wǎng)，時間可控制在120 分鐘以內(nèi)。耗油小于10 ～ 20 噸，耗電8 萬度，耗煤200 噸(含加熱蒸汽)。
汽輪機側(cè)的主要技術
1、主蒸汽參數(shù)及運行調(diào)節(jié)方式的優(yōu)化
西門子的超(超)臨界汽輪機均采用了無調(diào)節(jié)級設計，基本的運行方式為滑壓運行。為進一步提高調(diào)頻運行的經(jīng)濟性，其為中國市場推介的超超臨界機型采用了“補汽閥”的調(diào)頻和過負荷調(diào)節(jié)技術。其高壓缸增加了一個第五級動葉后的進(補)汽口。在主汽閥后與補汽口之間連有一個補汽調(diào)節(jié)閥。在正常負荷范圍內(nèi)，其主調(diào)門及補汽閥均參與調(diào)頻。通過開啟補汽閥或關小主調(diào)門來響應加(減)負荷。顯然，當補汽閥打開時汽輪機效率會顯著下降。而若頻繁開啟補汽閥并在小開度下運行，極易造成沖蝕和泄漏。
為避免一般情況下開啟補汽閥，針對補汽閥作用的兩種情況，對設計參數(shù)和控制方式等作了以下優(yōu)化和創(chuàng)新：
(1)適當提高主蒸汽設計壓力，并將補汽閥的過負荷開啟點設置到夏季最高冷卻水溫下的額定負荷，從而確保全年在額定負荷及以下工況不開啟補汽閥。
(2)針對正常負荷段的汽輪機調(diào)頻運行，研究開發(fā)成功節(jié)能型抽汽調(diào)頻技術。該方法的著眼點是改變汽輪機的調(diào)頻原理。通過調(diào)節(jié)凝結(jié)水流量，間接地同步改變相關級回熱抽氣量，輔之以高加抽汽調(diào)節(jié)的配合，以達到汽輪機暫態(tài)功率調(diào)節(jié)的目的(而后由鍋爐燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)跟進)。用此方法，可使主調(diào)門全開，補汽閥全關，消除汽輪機進汽節(jié)流損失。
采用這種調(diào)頻法反應速度快，功率調(diào)節(jié)范圍相對較大。從外高橋三期兩臺機組的實踐來看，新的調(diào)頻方式獲得了成功。目前，機組的加(減)負荷的速率能達到和超過1.5MW/min。經(jīng)測算，上述兩種優(yōu)化和創(chuàng)新措施，約可提升0.22% 的機組效率。不過在性能考核試驗中，這些效益并不會得到體現(xiàn)。
2、給水泵及系統(tǒng)的優(yōu)化和節(jié)能
通過對以往工程給水系統(tǒng)的配置、調(diào)試和運行情況的分析，參考美國、德國的大型超(超)臨界機組的給水系統(tǒng)設計和運行經(jīng)驗，外三電廠在中國首次采用100%汽動給水泵，自配獨立凝汽器，可單獨啟動，取消電動給水泵。其啟動汽源取自相臨機組的冷再熱蒸汽。
在機組啟動階段，一旦鍋爐產(chǎn)汽后，給水泵汽輪機的汽源即可適時切回本機(冷再熱蒸汽)，相當于回收利用了部分原本通過低壓旁路排向凝汽器的蒸汽。這就大大降低了機組啟動階段的能耗。
外三電廠選用了德國阿爾斯通的給水泵專用小汽輪機，該小汽輪機的保證效率高達86.7%。此外，該小汽輪機還增加了一個汽源為冷再熱蒸汽的調(diào)門及對應的調(diào)節(jié)級。
在機組額定工況時，可設定為前兩個調(diào)門全開，第三個調(diào)門則在超過額定負荷時補汽，并在機組FCB 等工況(汽輪機抽汽消失)時承擔全部的功率。因此，機組在額定工況時的運行效率能達到最大化。
此外，研究并試驗成功汽動給水泵組低速啟動及全程調(diào)速運行技術，不僅大大降低了鍋爐啟動時的能量損耗，還提高了機組效率，極大地簡化了系統(tǒng)控制策略，也消除了最小流量再循環(huán)閥的沖蝕泄漏風險，提高了設備運行安全性。與其他同類機組相比，該汽動泵相當于使機組提升效率約0.117%。
3、廣義回熱理論及系列技術
廣義回熱理論是對經(jīng)典熱力學理論的一種突破，其要點是從傳統(tǒng)的以鍋爐給水為回熱媒介的經(jīng)典回熱循環(huán)，拓展為以鍋爐輸入的水、風、煤等均作為回熱媒介的廣義回熱循環(huán)。由于回熱介質(zhì)得以拓展，增加了汽輪機的抽汽應用范疇及抽汽量，從而可降低汽輪機的排汽損失。
根據(jù)這一理論，外三電廠開發(fā)出了相應的系列技術，并獲得了全面成功。以鍋爐進風回熱技術為例，該技術利用汽輪機抽汽，與鍋爐空預器配合，加熱鍋爐的進風，在回收汽輪機抽汽熱能的同時提高了鍋爐燃燒效率。
該技術不像傳統(tǒng)暖風器會增加機組煤耗，在提高空預器運行安全性的同時，亦提高了機組的運行效率。該技術的全面應用，可提高機組運行效率0.42% 以上。
廣義回熱理論適用于所有燃煤機組，能突破火電機組熱效率進一步提升的瓶頸，并能解決一系列的環(huán)保問題。
4、彈性回熱技術
該技術是對傳統(tǒng)的給水回熱技術的拓展，通過增加調(diào)節(jié)式高壓抽汽，以維持低負荷下的給水溫度盡可能不降低或減少降幅，同時也大大減少了低負荷下鍋爐省煤器出口煙溫的降幅，這能徹底解決脫硝系統(tǒng)在低負荷下必須退出運行的固有問題，顯著提升機組的環(huán)保水平;而利用抽汽調(diào)節(jié)閥具有快速改變高壓抽汽的能力，還能顯著改善機組的調(diào)頻響應特性;與此同時，低負荷下汽輪機抽汽量的增加還能提高機組的運行效率;此外，低負荷下熱風溫度的提高及水冷壁進口溫度的提高，能明顯改善鍋爐低負荷的燃燒穩(wěn)定性、燃燒效率和水動力等問題。在75% 的負荷下，該技術約能提高機組運行效率0.2%。
5、超超臨界機組的效率保護
作為超超臨界機組，隨著蒸汽參數(shù)的提高，特別是溫度的提高，新的技術問題和矛盾也伴隨而至。而這其中的一個突出問題——管道的蒸汽側(cè)氧化及由此引起的固體顆粒侵蝕(SPE)，對機組的安全和經(jīng)濟運行產(chǎn)生了嚴重威脅。該問題較多發(fā)生在機組的啟動階段，因鍋爐受熱沖擊引起管子汽側(cè)氧化鐵剝離，剝離的氧化物根據(jù)情況，或在管內(nèi)沉積，或隨蒸汽運動并形成固體顆粒。在爐管內(nèi)沉積嚴重的會發(fā)生爆管。而隨蒸汽運動的固體顆粒會造成汽輪機葉片的侵蝕，使其內(nèi)效率出現(xiàn)不可逆性永久性下降。另外，啟動過程中的固體顆粒還會侵蝕旁路閥的密封面，使其產(chǎn)生泄漏并將一部分蒸汽直接短路，從而降低了電廠效率，中國近年來陸續(xù)投產(chǎn)的超(超)臨界機組，也出現(xiàn)了這方面的嚴重問題，部分機組僅運行兩年多，汽輪機效率就下降了4% 以上。
防治管道的蒸汽側(cè)氧化及由此引起的固體顆粒侵蝕問題，阻止效率下降，也是一種具有重要意義的節(jié)能方式。不過，這牽涉到主設備選型、系統(tǒng)設計、安裝調(diào)試、運行方式及控制理念等諸多環(huán)節(jié)，需要進行全方位和全過程的綜合防治。我們通過10 多年的的跟蹤和研究，取得了一系列突破性的的成果，據(jù)此制定出了一整套的綜合防治技術，并在外三電廠建設中得到了嚴格的貫徹。
例如，施工階段的高過熱度干態(tài)吹管，解決了常規(guī)方式水冷壁出口區(qū)域吹管動量不足的問題，有效提高了吹管效果;配置大容量旁路系統(tǒng)，并研究開發(fā)了機組啟動過程中的“高動量沖洗技術”，在汽輪機沖轉(zhuǎn)前實施變負荷、變參數(shù)和變回路的高動量沖洗，配以特殊的旁路系統(tǒng)和控制方式，能在每次汽輪機啟動前最大程度地剝離氧化物，并將系統(tǒng)內(nèi)已剝落的氧化皮，包括滯留在零流速區(qū)的顆粒物等全部直接送至凝汽器，徹底清除系統(tǒng)內(nèi)已脫落的氧化物，徹底杜絕機組在高溫及高負荷情況下系統(tǒng)內(nèi)氧化皮及顆粒物的再次析出，從而確保機組的安全性和經(jīng)濟性;研究出新的旁路系統(tǒng)配置設計和控制方式，有效地解決了旁路的侵蝕問題，同時還能縮短機組的啟動和帶旁路運行過程。此外，蒸汽加熱啟動及低負荷穩(wěn)燃技術是采用蒸汽替代燃油和燃煤對鍋爐進行整體預加熱，使鍋爐在點火時已處于一個“熱爐、熱風”的熱環(huán)境。杜絕了通常鍋爐點火后爐水尚未飽和導致對流受熱面先“干燒”并加速高溫氧化及產(chǎn)汽后蒸汽進入對流受熱面導致“驟冷”使氧化皮松脫及剝落現(xiàn)象的發(fā)生。
在運行了30 個月后，外三電廠對鍋爐的三級過熱器和二級再熱器的管道進行了割管檢查，過熱器和再熱器管道內(nèi)光滑如初，沒有任何氧化皮脫落和氧化物堆積的現(xiàn)象。
外三公司的汽輪機在運行了30 個月后，所拍到的中壓缸第一級葉片的顯示，葉片依然光亮如新。性能試驗的比對表明，從機組的第一次啟動至今，汽輪機的內(nèi)效率絲毫未變。
下一步的節(jié)能創(chuàng)新
目前，外三公司又有一批新的重大節(jié)能創(chuàng)新技術完成了前期研究、項目策劃。其中世界首創(chuàng)的“火電廠變頻總電源技術”項目已建成投產(chǎn)，目前額定工況下的廠用電率可降至1.7% 以下。該技術同時還能使主汽輪機的運行效率有所提高。另外，下一步還有新的節(jié)能創(chuàng)新技術將結(jié)合機組檢修分批實施。屆時，外三電廠兩臺機組的能效水平還將不斷提升。
采用“一種高低位分軸布置的汽輪發(fā)電機”設計技術
對于能顯著提高機組效率的兩次再熱和700℃計劃，高溫蒸汽管道都是最大的障礙，針對這一問題，筆者提出了“一種高低位分軸布置的汽輪發(fā)電機”設計技術。
這一專利技術的核心是采用雙軸汽輪發(fā)電機方案，不同于傳統(tǒng)的是將其中的高(中)壓缸軸系布置于鍋爐上靠近過熱器和再熱器的出口聯(lián)箱處，而另外的(中)低壓缸軸系則仍按常規(guī)布置。
這一技術的獨特優(yōu)勢在于取消了大部分高價值的高溫高壓蒸汽管道，從而也相應消除了這部分管道產(chǎn)生的壓力和散熱損失。顯而易見，該技術能使二次再熱機組的效率優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，同時也能避免因增加第二次再熱蒸汽管道所帶來的蒸汽阻力和散熱損失、現(xiàn)場布置困難、投資大等負面影響。
目前已完成的技術論證表明，高(中)壓缸軸系的高位布置完全可行。而應用本技術，根據(jù)西門子所做的熱平衡計算表明，若采用600℃等級蒸汽參數(shù)及二次再熱方案，其汽輪發(fā)電機的熱耗水平與目前一次再熱常規(guī)布置方案相比可再相對下降5%，非?？捎^。此外，由于采用了雙軸方案，其單機容量的瓶頸也被打開，按目前的技術水平，單機容量可達1500MW。
由于本設計方案省去了絕大部分高價值的大直徑高溫高壓管道，相應的支吊架及保溫材料和施工費用等，與增加的鍋爐二次再熱器及汽輪機第二中壓缸的費用，高位平臺等的費用基本相當。故本設計的機組單位造價并未因此增加。
另外，對于今后發(fā)展700℃高效超臨界機組，需要采用極其昂貴的大口徑厚壁蒸汽管道，故本技術在大幅度降低造價及提高效率等方面都將具有無可比擬的優(yōu)勢。
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