增設(shè)零號高壓加熱器控制SCR脫硝煙溫對機組經(jīng)濟性影響的計算研究

余岳溪，廖永進，范軍輝，趙航

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080；2.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

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增設(shè)零號高壓加熱器控制SCR脫硝煙溫對機組經(jīng)濟性影響的計算研究

余岳溪1，廖永進1，范軍輝2，趙航2

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080；2.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

增設(shè)零號高壓加熱器可提高燃煤鍋爐在中低負荷時選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)脫硝反應器入口煙溫，為確定其對機組經(jīng)濟性的影響規(guī)律，以國內(nèi)某電廠600 MW機組為研究對象，首先確定了50%、60%和70%額定負荷下零號高壓加熱器的運行參數(shù)，進而對增設(shè)零號高壓加熱器后各工況進行了熱力性能和成本變化的計算。結(jié)果表明：增設(shè)零號高壓加熱器后，給水的溫升提高了排煙溫度，這會提高SCR脫硝效率，降低了脫硝成本，但同時會增加機組運行的燃煤成本；且較抽汽閥門全開方式，抽汽節(jié)流方式的經(jīng)濟性是降低的。因此，若采用零號高壓加熱器技術(shù)，需要耦合使用低溫省煤器來降低排煙溫度，以消除零號高壓加熱器的增設(shè)對機組經(jīng)濟性的不利影響。

零號高壓加熱器；選擇性催化還原法(SCR)；鍋爐效率；汽輪機效率；循環(huán)熱效率；機組經(jīng)濟性

中國的電力以火力發(fā)電為主，截至2013年11月，中國發(fā)電裝機容量已達1.22 TW，其中火電為0.85 TW[1-2]，占總裝機容量的69.7%，火電發(fā)電量約占總發(fā)電量的80.4%。燃煤過程排放的NOx對環(huán)境造成嚴重污染[3]。對此，2012年1月1日起開始執(zhí)行的GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》規(guī)定：2014年7月1日起，重點地區(qū)火電機組NOx排放量上限為100 mg/m3，新建火電機組NOx排放量必須限制在100 mg/m3及以下[4]。2012年8月由國務(wù)院印發(fā)的《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》，要求繼續(xù)推進全國發(fā)電企業(yè)的脫硫脫硝工作，新建的燃煤機組全面實施脫硝并實現(xiàn)NOx達標排放。

選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)脫硝技術(shù)的脫硝效率高且技術(shù)成熟，是國內(nèi)燃煤電站應用最為廣泛的煙氣脫硝技術(shù)。國內(nèi)外專家學者對在SCR催化機理、反應動力學和催化性能等方面進行了大量研究[5-10]。煙氣溫度是影響SCR脫硝運行特性的關(guān)鍵因素，省煤器出口即SCR反應器入口煙氣溫度是隨機組負荷降低而降低的。低負荷下因省煤器出口煙溫低于SCR脫硝最低允許溫度導致脫硝系統(tǒng)退出運行，是目前國內(nèi)燃煤電站較普遍存在的問題。為提高低負荷下SCR脫硝煙氣溫度，拓寬脫硝系統(tǒng)運行負荷范圍，不同學者提出了不同方法，主要有增加省煤器旁路、提高鍋爐給水溫度、省煤器分級技術(shù)以及開發(fā)寬溫度窗口SCR脫硝催化劑等[11-17]。通過增設(shè)零號高壓加熱器(以下簡稱“高加”)提高低負荷下的給水溫度是其中一種方法。

零號髙加的主要功能是提高省煤器入口水溫，減小水側(cè)與煙氣側(cè)溫差，從而達到減少省煤器換熱量的作用，換熱量的減少將直接導致省煤器出口煙溫的升高。在低負荷時需投運零號髙加，高負荷時退出零號髙加運行。肖志前[18]等人研究了低負荷下通過增設(shè)零號髙加提高給水溫度，分析了零號髙加對排煙溫度以及SCR脫硝效率的影響，但沒有考慮零號髙加的增加對脫硝成本以及整體經(jīng)濟性方面的影響。

因此本文以國內(nèi)某電廠600 MW機組為研究對象，結(jié)合該鍋爐SCR脫硝在不同煙氣溫度下的運行特性，以通過提高給水溫度來提高SCR反應器入口煙氣溫度為目標。首先設(shè)計、計算了在50%、60%和70%額定負荷下零號高加的運行參數(shù)，進而對增設(shè)零號高加后各工況進行了熱力性能和成本變化的計算，從而分析了各工況下零號髙加的增設(shè)對機組經(jīng)濟性的影響。

1　研究對象和方法

1.1研究對象

國內(nèi)某電廠600 MW亞臨界機組采用四角切圓燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態(tài)排渣、緊身封閉、全鋼架結(jié)構(gòu)布置的Π型鍋爐，采用亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機。機組給水回熱系統(tǒng)采用七級回熱抽汽，采用3臺高加加熱進入鍋爐省煤器給水；加熱器采用串聯(lián)布置，疏水方式采用逐級自流方式。

1.2計算方法

增設(shè)零號髙加后，對各工況進行了整體熱力計算，首先確定在50%、60%和70%額定負荷分別提高鍋爐給水溫度10 ℃、20 ℃和30 ℃情況下零號高加的運行參數(shù)，得到各工況下增設(shè)零號高加所需抽汽壓力與抽汽量。然后進行鍋爐整體熱力計算，得到各工況下鍋爐效率；進行汽輪機與回熱系統(tǒng)熱力計算，得到汽輪機效率；進而得到機組循環(huán)熱效率，通過計算供電標準煤耗率分析機組運行的經(jīng)濟性。

零號髙加的增設(shè)在提升給水溫度的同時，可提高SCR脫硝效率[18-19]，這將對電廠的脫硝成本產(chǎn)生影響。脫硝成本包括脫硝氨耗成本，脫硝電耗成本，NOx排放費用，污染物排放達到標準后的電價補償以及人工、折舊、維修等費用，其中污染物排放達到標準后的電價補償以及人工、折舊、維修等費用固定，而氨耗成本和電耗成本均與噴氨量有關(guān)。若所計算的工況下其噴氨量前后保持一致，則需考慮脫硝成本中的NOx排放費用的變化。

1.2.1確定抽汽位置及抽汽量

余岳溪，等：增設(shè)零號高壓加熱器控制SCR脫硝煙溫對機組經(jīng)濟性影響的計算研究增設(shè)的零號高加工作原理如圖1所示，由于各級高加結(jié)構(gòu)與工作原理基本一致，這里不再一一給出。

圖1　零號高加熱力系統(tǒng)

根據(jù)能量平衡方程，可得零號高加的抽汽量[20]為：

(1)

(2)

圖1與式(1)、式(2)中：a0為零號高加抽汽系數(shù)；afw為給水份額；h0為零號高加抽汽焓；hd0為零號高加疏水焓；hw0為零號高加出口給水焓；hw1零號高加入口給水焓；as0為零號高加疏水份額。

其余各級加熱器的計算方法與此類似，通過迭代計算可得到各加熱器抽汽量。

若增設(shè)零號高加實現(xiàn)一定的傳熱量，其抽汽抽出位置不同則所需抽汽量不同，抽汽壓力越高，抽汽流量必然越少。此外若抽汽抽出位置固定，實現(xiàn)不同給水溫升所需的抽汽量也必然不同。

1.2.2供電標準煤耗率

循環(huán)熱效率是整個循環(huán)輸出的有用功和所消耗的熱能(燃料的化學能)之比，其計算公式為

(3)

式中：ηc為循環(huán)熱效率，%；ηg為鍋爐效率，%；ηq為汽輪機效率，%。

電廠供電標準煤耗率作為發(fā)電廠主要的技術(shù)經(jīng)濟性指標，反映了電廠發(fā)電能源利用效率，其計算公式為

式中：bg為供電標準煤耗率，g/kWh；Lfcy為廠用電率，%；ηgd為管道效率，%。

由式(4)可以看出，供電標準煤耗率與循環(huán)熱效率有關(guān)，在廠用電率和管道效率一定的情況下，循環(huán)熱效率越高，供電煤耗率就越低，反映出機組運行的經(jīng)濟性越好，因此循環(huán)熱效率ηc可表征發(fā)電機組運行的經(jīng)濟性。

1.2.3NOx排放費用

根據(jù)廣東省氮氧化物氨氮排污費征收標準，每排放當量NOx收費2.4 元，NOx排放費用計算公式為

(5)

式中：F為NOx排放費，元；m為NOx排放量，kg/h。

2　計算結(jié)果分析

2.1零號高加運行參數(shù)

零號髙加采用抽汽閥門全開的方式分別在50%、60%、70%額定負荷提升給水溫度10 ℃時，零號高加所需抽汽的抽出位置均為高壓缸第五級后，提升20 ℃均需要從第四級后抽汽，提升30 ℃則均需要從第三級后抽汽?？梢哉J為若從高壓缸第五級后抽汽，則只能將給水溫度提高10 ℃時；若從第三級后抽汽，可滿足所有工況要求。

采用從第三級后抽汽時，對于所計算的大多數(shù)工況，需在抽汽口設(shè)置調(diào)節(jié)閥，通過節(jié)流改變抽汽流量。為方便論述，抽汽閥門節(jié)流記為節(jié)流抽汽，抽汽閥門全開記為全開抽汽。

圖2為不同工況下給水溫升與零號高加抽汽量的關(guān)系，可以看出給水溫升與零號高加抽汽量基本呈線性關(guān)系。

A—50%額定負荷全開抽汽工況，B—60%額定負荷全開抽汽工況，C—70%額定負荷全開抽汽工況，D—70%額定負荷節(jié)流抽汽工況。圖2　給水溫升與零號高加抽汽量的關(guān)系

將圖2數(shù)據(jù)進行線性擬合，可以得4種工況下給水溫升與零號高加抽汽量關(guān)系式：

y1=2.032 5×x1-0.125 0，

(6)

y2=2.518 5×x2-0.470 0，

(7)

y3=3.005 9×x3-0.386 0，

(8)

y4=2.953 0×x4-0.502 5.

(9)

其中：x1、x2、x3、x4分別為50%、60%、70%額定負荷全開抽汽工況以及70%額定負荷節(jié)流抽汽工況下給水溫升，℃；y1、y2、y3、y4分別對應各工況的抽汽量，t/h。

可以看出，負荷越高，擬合直線的斜率就越大，說明抽汽量增加幅度也越大，這主要是因給水流量增大所致。

70%額定負荷下，與全開抽汽工況相比，給水溫升相同的工況時節(jié)流抽汽工況的抽汽量會降低1.5%左右，這是由于節(jié)流抽汽的抽汽級數(shù)和抽汽焓略高。

2.2給水溫度提升對機組經(jīng)濟性的影響

為確定增設(shè)零號高加后給水溫度的提升對鍋爐效率、汽輪機效率以及循環(huán)熱效率的影響規(guī)律，以分析給水溫升對機組運行的經(jīng)濟性影響，對機組在增設(shè)零號髙加前后分別進行了整體熱力計算，得到50%、60%以及70%額定負荷下給水溫度分別提高0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃時鍋爐效率、汽輪機效率以及循環(huán)熱效率，其中給水溫度提高0 ℃為原機組未增設(shè)零號髙加時的情況。熱力計算的部分結(jié)果如圖3、圖4和圖5所示。

圖3　給水溫升對鍋爐效率影響曲線

圖3展示不同負荷下鍋爐給水溫度與鍋爐效率的關(guān)系?？梢钥闯?，鍋爐效率隨著給水溫度的提高而降低，主要是由鍋爐排煙溫度升高導致的，這與文獻[18]結(jié)論基本一致。在70%額定負荷的全開抽汽與節(jié)流抽汽2種方式下，給水溫升相同時，鍋爐效率相同，說明不同的抽汽方式對鍋爐效率不會產(chǎn)生影響。根據(jù)機組熱力計算的結(jié)果，增設(shè)零號髙加以后，在給定負荷工況下，給水溫度每提高10 ℃，排煙溫度大概增加4 ℃，鍋爐效率下降0.2%左右。

圖4　給水溫升對汽輪機效率影響曲線

由圖4可知，未增設(shè)零號高加時，根據(jù)設(shè)計工況下校核計算，50%、60%和70%額定負荷下的汽輪機效率分別為41.78%、41.99%和42.70%，70%額定負荷下汽輪機效率最大。增設(shè)零號高加以后，汽輪機效率得到了微小的提高，原因是回熱抽汽量的增加使得汽輪機冷源損失減少。若給水溫升由10 ℃到30 ℃，機組在50%、60%和70%額定負荷下，汽輪機效率分別提高了約0.04%、0.02%和0.01%，可以看出，在50%額定負荷下提高幅度最大。

在70%額定負荷下，采用閥門全開從高壓缸第五級后抽汽來提升給水溫度10 ℃；若從更高級如第四級后抽汽提升相同的溫度，則需采用節(jié)流抽汽方式。根據(jù)汽輪機熱力計算結(jié)果，對比發(fā)現(xiàn)，節(jié)流抽汽工況時汽輪機效率為42.70%，而全開抽汽工況時汽輪機效率為42.72%，說明采用節(jié)流抽汽方式的汽輪機效率是下降的。

圖5　給水溫升對循環(huán)熱效率影響曲線

圖5展示了不同負荷下鍋爐給水溫度與循環(huán)熱效率的關(guān)系，不難看出其基本呈線性關(guān)系，循環(huán)熱效率隨著給水溫度的提高而降低，且隨著負荷升高下降越明顯。未增設(shè)零號髙加時，當機組在50%、60%和70%額定負荷下，其循環(huán)熱效率分別為38.64%、38.74%和39.39%。增設(shè)零號髙加后，在全開抽汽工況下給水溫升由10 ℃到30 ℃時，對應3個負荷的循環(huán)熱效率分別下降了0.12%、0.16%和0.17%。

這是因為：零號髙加的增設(shè)提高了給水溫度，這在一定程度上增加了汽輪機效率，但增幅較小，而鍋爐排煙溫度的提高，使得鍋爐效率的降低更明顯，對整個機組來說，其循環(huán)熱效率是下降的。例如，當機組處于70%額定負荷全開抽汽工況下，給水溫升由10 ℃到30 ℃，排煙溫度的增加使得鍋爐效率下降了0.35%，而汽輪機效率僅升高了0.01%，合計導致機組循環(huán)熱效率下降約為0.17%。

根據(jù)式(4)計算供電煤耗率，當給水溫升為30 ℃時，在50%、60%和70%額定負荷下全開抽汽工況時，由于循環(huán)熱效率下降機組供電煤耗率分別增加了1.49 g/kWh、1.74 g/kWh和2.07 g/kWh，則燃煤成本將分別增加156.7 元/h、219.8 元/h和304.4 元/h，如圖6所示。結(jié)果表明：零號髙加的增設(shè)在提升給水溫度的同時會增加燃煤成本；同樣的給水溫升在不同的負荷下，因循環(huán)熱效率下降幅度不同使得燃煤成本增加不同。

圖6　不同工況下給水溫升與燃煤成本增加的關(guān)系

增設(shè)零號高加后，70%額定負荷下，與全開抽汽方式相比，采用節(jié)流抽汽方式提高給水溫升30 ℃時其燃煤成本將增加27.9 元/h，這主要是由于汽輪機效率的下降導致循環(huán)熱效率下降。

2.3給水溫度提升對脫硝成本的影響

在不同的負荷下，SCR反應器入口煙溫不同，且相同的給水溫升導致的煙氣溫升并不相同，因而SCR脫硝效率水平及其增幅也不相同。根據(jù)文獻[18]給出的SCR脫硝效率與SCR反應器入口煙溫的關(guān)系圖，查得50%、60%和70%額定負荷下不同的給水溫升所對應的SCR反應器入口煙溫及脫硝效率。由于2種抽汽方式下SCR脫硝煙溫相同，脫硝效率不受抽汽方式的影響，因此以下僅研究了3種負荷下零號髙加全開抽汽方式時，提升給水溫度對脫硝成本的影響。

當給水溫度增加30 ℃時，在50%額定負荷下SCR脫硝效率由86.1%提升至88.2%，增幅為2.1%，60%和70%額定負荷下則分別增加了1.9%和1.2%。與未增設(shè)零號髙加相比，在相同的NOx排放值時，50%、60%和70%額定負荷下可分別少噴4.1 kg/h、4.8 kg/h和4.0 kg/h的氨，若氨水價格按3 000 元/t估算，則氨耗成本分別降低了12.3 元/h、14.4 元/h和12.0 元/h，如圖7所示。這說明在保持NOx排放值不變的情況下，增設(shè)零號髙加可降低SCR脫硝的氨耗成本。

圖7　不同工況下給水溫升對氨耗成本的影響

若噴氨量保持不變，SCR脫硝效率提高，出口NOx排放量將會降低。增設(shè)零號髙加將給水溫度提高30 ℃時，在50%額定負荷下，出口NOx排放量由42.3 kg/h降低到了36.1 kg/h，降低了6.2 kg/h，60%和70%額定負荷下則分別降低了6.7 kg/h和4.7 kg/h。根據(jù)式(5)計算NOx排放費用，相應3個負荷下的NOx排放費用將分別降低了15.7 元/h、 16.9 元/h和11.9 元/h，如圖8所示。這說明在噴氨量保持不變的情況下，增設(shè)零號髙加可降低NOx排放費用。

圖8　不同工況下給水溫升對NOx排放費用的影響

綜上所述，在增設(shè)零號高加以后，隨著給水溫度的提高，SCR脫硝效率會有所增加，節(jié)省脫硝成本，但同時排煙溫度的升高會增加機組運行的燃煤成本。例如，當給水溫度提升30 ℃，在50%額定負荷下SCR脫硝效率增加了2.1%，氨耗成本降低了12.3 元/h或NOx排放費用降低15.7 元/h，但燃煤成本卻增加了156.7 元/h。

因此若采用零號髙加技術(shù)，需要耦合使用低溫省煤器來降低排煙溫度，以消除增設(shè)零號髙加對機組經(jīng)濟性的影響，這對鍋爐低負荷下提高SCR反應器入口煙溫的研究具有一定的參考意義。

3　結(jié)論

a)設(shè)計零號高加增設(shè)方案時，可采用不同的抽汽位置及抽汽量來提升鍋爐給水溫度。抽汽位置所在高壓缸級數(shù)越高，抽汽量越大，則給水溫度的提升越明顯，更能達到所需SCR脫硝煙溫的目的。

b)與抽汽閥門全開方式相比，抽汽閥門節(jié)流方式的汽輪機效率會降低，直接導致循環(huán)熱效率下降，降低機組運行的經(jīng)濟性。

c)增設(shè)零號高加后，同樣的給水溫升在不同的負荷下SCR脫硝效率均會有不同幅度的增加，降低了脫硝成本，但由于排煙溫度明顯升高導致燃煤成本大幅增加。

d)若采用零號高加技術(shù)來提高給水溫度，進而控制SCR反應器入口煙溫，需考慮同步使用降低排煙溫度的技術(shù)(如低溫省煤器)，以消除增設(shè)零號髙加對機組運行經(jīng)濟性的不利影響。

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(編輯霍鵬)

Calculation Analysis on Influence on Economy of the Unit by Additional No.0 High Pressure Heater Controlling SCR Denitration Flue Gas Temperature

YU Yuexi1, LIAO Yongjin1, FAN Junhui2, ZHAO Hang2

(1. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China; 2. School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003, China)

It is able to improve entrance flue gas temperature of selective catalytic reduction (SCR) denitration reactor under low and medium load by adding No.0 high pressure heater. In order to determine its influencing law on unit economy, this paper takes one domestic 600 MW unit for a research object and firstly confirms running parameters of the No.0 high pressure heater respectively under 50%, 60% and 70% rated load, and then calculates thermal performance and cost changes under different working conditions. Results indicate that after adding No.0 high pressure heater, temperature of feeding water improves exhaust gas temperature which may increase SCR denitration efficiency and reduce cost, but increase fire coal cost for unit operation at the same time. In addition, compared with wide open condition of the extraction valve, economy of the mode of steam extraction and energy conservation is reduced. Thus, it is needed for coupling low temperature economizer to reduce exhaust gas temperature so as to eliminate negative influence of additional No.0 high pressure heater on unit economy.Key words： No.0 high pressure heater; selective catalytic reduction (SCR); boiler efficiency; steam turbine efficiency; circulating heat efficiency; unit economy

2016-04-19

2016-06-14

中國南方電網(wǎng)有限責任公司科技項目(K-GD2014-173)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.002

TK212；X773

A

1007-290X(2016)09-0007-06

余岳溪(1976)，男，廣東湛江人。高級工程師，工學碩士，主要從事火電廠機組調(diào)試、節(jié)能減排等方面的技術(shù)服務(wù)和研究工作。

廖永進(1971)，男，陜西西安人。教授級高級工程師，工學碩士，主要從事電廠脫硫、脫硝裝置的調(diào)試、試驗及運行優(yōu)化工作。

范軍輝(1988)，男，陜西渭南人。在讀碩士研究生，研究方向為潔凈煤燃燒及環(huán)境污染控制。