近年來， 以迅猛態(tài)勢席卷全國的霧霾讓廣大民眾“談霾色變”?！跋F霾，重塑藍(lán)天”已成為民生改善的當(dāng)務(wù)之急。
霧霾是霧和霾的組合詞。霧霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入顆粒物這三項(xiàng)組成。它們與霧氣結(jié)合在一起，讓天空瞬間變得灰蒙蒙的。城市霧霾主要來源于火電廠、煉鋼、化工制造和有色金屬冶煉企業(yè)的排放，機(jī)動(dòng)車尾氣、燒煤供暖所產(chǎn)生的廢氣以及建筑工地和道路交通產(chǎn)生的揚(yáng)塵等。在2012年全世界燃燒的70萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤中，中國就燒了36萬億t，占了51%，排放出的廢氣可想而知。
強(qiáng)力治霾，減煤、脫硝、除塵及控車成為關(guān)鍵詞，大氣污染防治成為熱議話題，也成為各級政府和相關(guān)制造企業(yè)環(huán)保工作的重中之重。
1. 燃煤發(fā)電機(jī)組
2014年9月12日，國家發(fā)改委、環(huán)境保護(hù)部和國家能源局聯(lián)合發(fā)布《煤電節(jié)能減排升級與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014～2020年） 》， 在行動(dòng)目標(biāo)中規(guī)定：“全國新建燃煤發(fā)電機(jī)組平均供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗低于300g/kW·h；100萬千瓦級濕冷、空冷機(jī)組設(shè)計(jì)供電煤耗分別不高于282g/kW·h、299g/kW·h，60萬千瓦級濕冷、空冷機(jī)組分別不高于285g/kW·h、302g/kW·h?！边@是政府對燃煤發(fā)電機(jī)組具體的剛性指標(biāo)。
該行動(dòng)計(jì)劃列舉了燃煤電廠34項(xiàng)節(jié)能減排的技術(shù)，其中最主要的2項(xiàng)是提高蒸汽參數(shù)和二次再熱技術(shù)。
?。?）提高蒸汽參數(shù)?？梢哉f，一部燃煤發(fā)電發(fā)展的歷史就是不斷提高蒸汽參數(shù)的歷史。通常的燃煤電廠是通過產(chǎn)生高溫高壓的水蒸氣來推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。
在374.15℃、22.115MPa壓力下，水蒸氣的密度會(huì)增大到與液態(tài)水一樣，這個(gè)條件便是水的“臨界參數(shù)”，比這還高的參數(shù)便叫作“ 超臨界” ， 如將溫度升高到600℃，壓力到25～28MPa，蒸汽就進(jìn)入“超超臨界”狀態(tài)。從表1可見，隨著進(jìn)汽參數(shù)的逐步提高，機(jī)組功率也相應(yīng)增大。同時(shí)蒸汽的溫度和壓力越高，發(fā)電效率就越高。一般來說，超臨界機(jī)組的熱效率比亞臨界機(jī)組高2%～3%，超超臨界機(jī)組的熱效率比超臨界機(jī)組又要高約4%。
表1 燃煤發(fā)電機(jī)組蒸汽參數(shù)表
熱效率提高的直接效果就是煤耗的降低。上海外高橋第三電廠的百萬超超臨界機(jī)組2010年的供電煤耗降至279.39g/kW·h，成為世界上首個(gè)沖破煤耗280g/kW·h整數(shù)關(guān)口的機(jī)組。據(jù)測試，如果每度電節(jié)省1g煤，該廠全年2臺機(jī)組就能省下近1.2萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。這意味著，與全國平均能耗（335g）相比，外高橋第三電廠2010年節(jié)煤達(dá)到了67萬t左右，折合人民幣約6.7億元；同時(shí)可減排二氧化碳48萬t、二氧化硫0.36萬t和煙塵2.85萬t，達(dá)到了整體節(jié)能減排。
?。?）采用二次再熱技術(shù)。在常規(guī)一次再熱的基礎(chǔ)上，汽輪機(jī)排汽二次進(jìn)入鍋爐進(jìn)行再熱。汽輪機(jī)增加超高壓缸（VHP），超高壓缸排汽為經(jīng)過鍋爐一次再熱器加熱后進(jìn)入高壓缸（HP），高壓缸排汽經(jīng)過鍋爐二次再熱器加熱后進(jìn)入中壓缸（IP），這就是世界上最新的二次再熱技術(shù)（見圖1、圖2）。
圖1 江蘇泰州電廠百萬超超二次再熱機(jī)組各汽缸的蒸汽參數(shù)
圖2 百萬超超二次再熱機(jī)組各汽缸結(jié)構(gòu)圖
2015年9月25日，世界首臺百萬千瓦超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組在江蘇泰州電廠正式投入運(yùn)營。2016年6月，山東萊蕪電廠6號機(jī)百萬超超臨界二次再熱機(jī)組完成各項(xiàng)性能考核試驗(yàn)，在機(jī)組發(fā)電效率、發(fā)電煤耗等指標(biāo)均刷新了世界紀(jì)錄（見表2），機(jī)組各項(xiàng)環(huán)保指標(biāo)全面優(yōu)于國家超低排放限額，成為世界上效率最高、能耗最低、指標(biāo)最優(yōu)且環(huán)保最好的燃煤機(jī)組。
表2 常規(guī)百萬超超臨界一次再熱與二次再熱機(jī)組指標(biāo)比較表
截止2014年末，全國發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)13.601 9kW，居世界第一。我國大陸總?cè)丝?3億人，我國人均發(fā)電裝機(jī)已經(jīng)歷史性達(dá)到1kW。其中，煤電8.3kW，占61%，仍占絕對優(yōu)勢地位。因此，中國的電站設(shè)備制造行業(yè)并不滿足上述指標(biāo)， 仍在不斷創(chuàng)新，不斷優(yōu)化機(jī)組參數(shù)。目前，先進(jìn)的700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)已正在緊鑼密鼓地研發(fā)中，使燃煤機(jī)組朝著大容量、高參數(shù)、排放少、煤耗低的發(fā)展方向闊步前進(jìn)。
2. 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組
天然氣是產(chǎn)生于油氣田的一種無色無臭的可燃?xì)怏w。其主要組分是甲烷（CH4），大約占80%～99%，因此燃燒充分。天然氣作為一種清潔能源，既可減少煤和石油的用量，又能減少二氧化硫和粉塵排放量近100%，減少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%，并有助于減少酸雨形成，舒緩地球溫室效應(yīng)，因而大大改善環(huán)境污染問題。
燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組由于效率高、排放少、可調(diào)峰的優(yōu)點(diǎn)，建造燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組將成為我國中東部大型城市發(fā)電的主導(dǎo)機(jī)組，特別是北京、上海等特大型城市今后基本不上燃煤發(fā)電機(jī)組，改上燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，如北京西三環(huán)的鄭常莊、東部的京橋和高安屯、西五環(huán)的西北熱電、北六環(huán)的未來城以及西北部的上莊燃機(jī)電廠；上海除石洞口3 臺F級燃機(jī)外，臨港電廠上了4 臺F級燃機(jī)（見圖3），接下來，閔行、奉賢及崇明等燃機(jī)電廠也在規(guī)劃中。
圖3 上海臨港燃機(jī)電廠夜景
燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的工作原理：壓氣機(jī)壓縮后的高壓空氣和燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，高溫高壓燃?xì)鈳?dòng)燃?xì)馔钙叫D(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能（見圖4）。
圖4 燃?xì)廨啓C(jī)工作原理圖
由于它以空氣為工作介質(zhì)而不是水蒸氣，從而省去了鍋爐、冷凝器、給水處理等設(shè)備, 目前燃?xì)廨啓C(jī)裝置單循環(huán)效率已經(jīng)達(dá)到了40%。
燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)是廢熱回收的一種有效措施。燃機(jī)的排氣溫度為500～600℃，直接廢氣排空將造成巨大的能源浪費(fèi)，單機(jī)熱效率只有36%～40%。采用聯(lián)合循環(huán)，利用余熱加熱蒸汽，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)作功，可充分提高機(jī)組的整體熱效率（見圖5），最新產(chǎn)品熱效率可達(dá)60%。
燃?xì)廨啓C(jī)根據(jù)透平進(jìn)氣溫度和壓比分為E級、F級和H級（見表3），機(jī)組效率和功率也隨之增加。世界上最先進(jìn)的H級燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合循環(huán)效率可達(dá)60%，功率可達(dá)570MW。
此外， 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組還具有單位投資少（500～600美元/kW），調(diào)峰性能好、啟?？旖?，占地少（約為燃煤電廠的30%～40%），耗水量少（約為燃煤電廠的1/3），建廠周期短（石洞口15個(gè)月建成3臺機(jī)組），自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。
截至到2013年年底，我國天然氣發(fā)電裝機(jī)達(dá)4 309萬kW，僅占總裝機(jī)容量的3.45%；發(fā)電量達(dá)1 143kWh，僅占總發(fā)電量的2.19%。與發(fā)達(dá)國家相比，我國天然氣發(fā)電裝機(jī)比重仍非常低。據(jù)了解美國、日本和歐盟的燃?xì)鈾C(jī)組已分別占到全部裝機(jī)的23.28%、27.42%、23.47%。到2020年，我國天然氣發(fā)電裝機(jī)規(guī)模將達(dá)1億kW，而即便如此，也僅占總裝機(jī)容量的4.71%。任重而道遠(yuǎn)，還需我們繼續(xù)努力！
3. 核電機(jī)組
核電廠用的燃料是鈾。用鈾制成的核燃料在“反應(yīng)堆”內(nèi)發(fā)生裂變而產(chǎn)生大量熱能，再用冷卻劑（ 水或氣體） 將熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)帶著發(fā)電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)，電就源源不斷地產(chǎn)生出來（見圖6），并通過電網(wǎng)送到四面八方。
核電是一種清潔低碳能源，燃料成本低，二氧化碳零排放，經(jīng)濟(jì)性好，持續(xù)供應(yīng)能力強(qiáng)，代表著能源優(yōu)質(zhì)化方向。目前世界上已有30多個(gè)國家或地區(qū)建有核電站。根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）統(tǒng)計(jì)，截至2013年12月，共有436臺核電機(jī)組在運(yùn)行，總裝機(jī)容量約3.7億kW。核電站主要分布在北美的美國、加拿大；歐洲的法國、英國、俄羅斯、德國和東亞的日本、韓國等一些工業(yè)化國家。核電約占全球總發(fā)電量的15%，其中法國高達(dá)74.8%，韓國為30.4%，美國為19%。
圖5 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)基本原理
圖6 核電機(jī)組工作原理
表3 燃?xì)廨啓C(jī)E級、F級和H級各項(xiàng)參數(shù)比較表
中國大陸核電發(fā)展主要經(jīng)歷了核電起步、適度發(fā)展、積極發(fā)展和安全高效發(fā)展階段。20世紀(jì)70年代初，我國大陸核電開始起步。1984年第一座自主設(shè)計(jì)和建造的核電站--浙江秦山核電站破土動(dòng)工，至1991年12月15日成功并網(wǎng)（見圖7）。2000年召開的黨的十五屆五中全會(huì)提出了“適度發(fā)展核電”的方針。我國相繼建成了秦山二期核電站、廣東嶺澳一期核電站、秦山三期核電站等，使我國核電設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行和管理水平得到了很大提高，為我國核電加快發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。進(jìn)入新世紀(jì)，中國核電邁入批量化、規(guī)?；目焖侔l(fā)展階段。2010年10月，黨的十七屆五中全會(huì)確定我國“在確保安全的基礎(chǔ)上高效發(fā)展核電”的方針。我國核電也由此進(jìn)入了安全高效、穩(wěn)步發(fā)展的新階段。
圖7 秦山核電站一期發(fā)電紀(jì)念極限明信片
截止至2015年6月底，中國投入商業(yè)運(yùn)行的核電機(jī)組共25臺，總裝機(jī)容量為2 357萬kW，占總裝機(jī)容量的1.73%。2011年日本福島核事故的陰影正在淡去，我國在2015年正式重啟沿海核電項(xiàng)目審批，在建核電機(jī)組達(dá)到了26臺，在全球各核電國中，核電機(jī)組在建數(shù)量位居第一。根據(jù)中國的核電發(fā)展目標(biāo)，到2020年，中國的核電裝機(jī)容量將從當(dāng)前的2 357萬kW增加到5 800萬kW。
我國當(dāng)前建設(shè)的核電站除秦山第三核電站采用重水堆外，其余核電站均采用壓水堆。壓水堆由（核）蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)（核島或一回路） 和汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)（常規(guī)島或二回路）組成（見圖8），結(jié)構(gòu)緊湊，經(jīng)濟(jì)性好，安全性也好，在蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生的推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的蒸汽不帶放射性。安全殼高約60m，內(nèi)部直徑約40m，厚約1m。而日本福島第一、第二核電站共10臺機(jī)組均為沸水堆，安全性差，其蒸汽帶有放射性。
圖8 壓水堆核電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖
從核電安全標(biāo)準(zhǔn)上，國務(wù)院討論并通過《核電安全規(guī)劃》和《核電中長期發(fā)展規(guī)劃》要求，“按照全球最高安全要求新建核電項(xiàng)目。新建核電機(jī)組必須符合三代安全標(biāo)準(zhǔn)。”我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電技術(shù)目前有華龍一號和CAP1400。其中中核和中廣核合作開發(fā)的“ 華龍一號”將落地福清和防城港二期。
“華龍一號”成熟性、安全性和經(jīng)濟(jì)性可滿足三代核電技術(shù)要求，設(shè)計(jì)技術(shù)、設(shè)備制造和運(yùn)行維護(hù)技術(shù)等領(lǐng)域的核心技術(shù)具有自主知識產(chǎn)權(quán)，是目前國內(nèi)可以自主出口的核電機(jī)型。
自2014年以來，中國核電加快“出?！蹦_步。國家能源局原局長張國寶曾這樣形容：“出口一個(gè)核電站，相當(dāng)于出口100萬輛桑塔納轎車?！敝袊暮穗姵隹谡蔀槔^高鐵之后的又一大名圖6 秦山核電站一期發(fā)電紀(jì)念極限明信片片。中國核電主管部門與核電企業(yè)先后與法國、阿根廷、意大利及西班牙等國簽署了合作文件，特別是巴基斯坦卡拉奇核電項(xiàng)目2號、3號機(jī)組和英國布拉德韋爾核電站將使用“華龍一號”技術(shù)，這意味著“華龍一號”將正式走出國門。
4. 可再生能源發(fā)電機(jī)組
按照國務(wù)院《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》要求，加快發(fā)展可再生能源。到2020年，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到15%。其中力爭常規(guī)水電裝機(jī)達(dá)到3.5億kW左右；風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到2億kW，風(fēng)電與煤電上網(wǎng)電價(jià)相當(dāng)；太陽能光伏裝機(jī)達(dá)到1億kW左右，光伏發(fā)電與電網(wǎng)銷售電價(jià)相當(dāng)；地?zé)崮芾靡?guī)模達(dá)到5 000萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。同時(shí)要提高可再生能源利用水平，加強(qiáng)電源與電網(wǎng)統(tǒng)籌規(guī)劃，科學(xué)安排調(diào)峰、調(diào)頻、儲(chǔ)能配套能力，切實(shí)解決棄風(fēng)、棄水及棄光問題。
環(huán)境保護(hù)部于7月17日向媒體發(fā)布了2016年上半年全國空氣和地表水環(huán)境質(zhì)量狀況，338個(gè)地級及以上城市空氣質(zhì)量總體呈改善趨勢，重點(diǎn)區(qū)域大氣顆粒物濃度持續(xù)下降，78個(gè)城市空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)，同比提高6.5個(gè)百分點(diǎn)；平均優(yōu)良天數(shù)比例為76.7%，同比提高4.0個(gè)百分點(diǎn)?？梢哉f，城市空氣質(zhì)量總體呈改善趨勢與電站設(shè)備制造業(yè)近幾年研發(fā)的高效、低耗和環(huán)保的現(xiàn)代化電站設(shè)備密不可分。我們要為祖國的天更藍(lán)，水更清，空氣更清新而繼續(xù)加倍努力。
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作者：上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠高級工程師 吳天明
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