0號(hào)高壓加熱器和外置式蒸汽冷卻器的并聯(lián)應(yīng)用

何俊鋒

(上海電氣電站服務(wù)公司，上海 201199)

0 引 言

2014年9月12日，國家發(fā)展和改革委員會(huì)、環(huán)境保護(hù)部和國家能源局以(發(fā)改能源[2014]2093號(hào))下發(fā)文件印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014一2020年)》計(jì)劃要求加快推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，進(jìn)一步提升煤電高效清潔發(fā)展水平，到2020年，現(xiàn)役600 MW及以上機(jī)組(除空冷機(jī)組外)改造后平均供電煤耗要低于300 g/(kW·h)。

國家環(huán)保部發(fā)布了GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，自2014年7月1日起，燃煤火電鍋爐在重點(diǎn)地區(qū)氮氧化物排放濃度限值為100 mg/Nm3。

2020年12月25日，《碳排放權(quán)交易管理辦法(試行)》由生態(tài)環(huán)境部部務(wù)會(huì)議審議通過，自2021年2月1日起施行。1月1日，全國碳市場(chǎng)發(fā)電行業(yè)第一個(gè)履約周期正式啟動(dòng)，首個(gè)履約周期到2021年12月31日截止，涉及2 225家發(fā)電行業(yè)重點(diǎn)排放單位。

為了有效地完成節(jié)能減排、寬負(fù)荷脫硫脫硝、碳排放的政策要求，有必要針對(duì)給水回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。本文將對(duì)給水回?zé)嵯到y(tǒng)[1]升級(jí)改造的相關(guān)技術(shù)展開探討，得出結(jié)論并對(duì)后續(xù)進(jìn)一步研究進(jìn)行展望。

1 給水回?zé)嵯到y(tǒng)升級(jí)改造

給水回?zé)嵯到y(tǒng)升級(jí)改造的技術(shù)方案主要有：增設(shè)低溫省煤器、增設(shè)0號(hào)高壓加熱器(以下簡(jiǎn)稱0號(hào)高加)、增設(shè)外置式蒸汽冷卻器(以下簡(jiǎn)稱外置式蒸冷器)等。

增設(shè)低溫省煤器：在鍋爐尾部煙道中加裝低溫省煤器，利用煙氣加熱回?zé)嵯到y(tǒng)中的凝結(jié)水,可提高鍋爐綜合效率，同時(shí)將排煙溫度降低到90～110 ℃，實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的深度回收。

增設(shè)0號(hào)高加：在給水回?zé)嵯到y(tǒng)的1號(hào)高加后增設(shè)1臺(tái)0號(hào)高加，從汽輪機(jī)新增抽汽口(或者利用汽輪機(jī)補(bǔ)氣閥接口)抽汽，提高低負(fù)荷下進(jìn)入省煤器的給水溫度，降低機(jī)組在部分負(fù)荷下的發(fā)電煤耗，提高機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性。

增設(shè)外置式蒸冷器：利用三段抽汽的部分過熱度，在三段抽汽進(jìn)入3號(hào)高加前先流經(jīng)外置式蒸冷器，提升1號(hào)高加給水出口的溫度，冷卻后的蒸汽再進(jìn)入3號(hào)高加進(jìn)行換熱。

在同一機(jī)組中，上述技術(shù)方案既可以單獨(dú)應(yīng)用，也可以耦合應(yīng)用。本文就0號(hào)高加和外置式蒸冷器的并聯(lián)應(yīng)用進(jìn)行闡述。

2 0號(hào)高加和外置式蒸冷器的并聯(lián)應(yīng)用

2.1 工程背景介紹

以某電廠為例，根據(jù)省電科院的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2017年該廠600 MW超臨界機(jī)組全年平均煤耗為306.9 g/(kW·h)，2018年1-10月的平均煤耗為305.64 g/(kW·h)，已無法滿足國家和地方對(duì)煤耗指標(biāo)的最低要求。通過對(duì)標(biāo)同類型機(jī)組的煤耗水平，無論在行業(yè)內(nèi)、在集團(tuán)內(nèi)部、還是在安徽省區(qū)域內(nèi)，該機(jī)組在近兩年的對(duì)標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)中均處在落后地位。

脫硝裝置考慮系統(tǒng)、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、脫硝效率的需求，一般采用選擇性催化還原(SCR)脫硝系統(tǒng)，該技術(shù)非常成熟，被廣泛應(yīng)用于大型火電機(jī)組中。SCR脫硝技術(shù)的核心是催化劑，應(yīng)用最多的催化劑是V-W(Mo)-Ti系列，所需溫度一般控制在300～400 ℃[2]，此時(shí)脫硝效率最高可達(dá)90%以上，且氨逃逸率符合HJ 2040-2014《火電廠煙氣治理設(shè)施運(yùn)行管理技術(shù)規(guī)范》。若催化劑長期在允許的最低溫度以下運(yùn)行，會(huì)造成催化劑中毒，影響催化劑的活性，導(dǎo)致脫硝的效率及經(jīng)濟(jì)性降低。一旦電網(wǎng)調(diào)峰，機(jī)組負(fù)荷降低，脫硝SCR退出運(yùn)行將導(dǎo)致機(jī)組NOx排放超標(biāo)。從長遠(yuǎn)來看，隨著國家的環(huán)保政策日益嚴(yán)格，發(fā)電機(jī)組的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)和要求也將更高，寬負(fù)荷脫硝改造勢(shì)在必行。

增設(shè)0號(hào)高加、外置式蒸冷器能有效降低機(jī)組的熱耗，尤其是低負(fù)荷時(shí)候的熱耗，同時(shí)能提高鍋爐給水溫度，降低其在省煤器中的吸熱量，從而提高SCR入口煙氣溫度。另外，增加了外置式蒸冷器后，3號(hào)高加進(jìn)汽的過熱度大幅減小，與進(jìn)入3號(hào)高加的給水溫度差值變小，減少了高加泄漏的概率。

2.2 回?zé)嵯到y(tǒng)邊界條件

根據(jù)汽機(jī)各工況熱平衡圖，主要數(shù)據(jù)如表1。

表1 汽機(jī)各工況主要數(shù)據(jù)表

(續(xù)表1)

2.3 方案描述

為了提高機(jī)組在低負(fù)荷工況的效率，針對(duì)熱力系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，采用增加回?zé)峒?jí)數(shù)方案，降低機(jī)組熱耗率。本次改造方案在原來的3臺(tái)高加的給水系統(tǒng)上增加1臺(tái)0號(hào)高加，設(shè)置于靠近省煤器的1號(hào)高加之后，與原給水系統(tǒng)的3臺(tái)高加串聯(lián)運(yùn)行，共用原給水系統(tǒng)的給水大旁路。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，給水流過增設(shè)的0號(hào)高加流向鍋爐省煤器。其基本原理圖如圖1：

圖1 增設(shè)0號(hào)高加給水溫度方案系統(tǒng)圖

由于汽輪機(jī)采用滑壓運(yùn)行，隨著機(jī)組負(fù)荷的下降，汽輪機(jī)抽汽壓力隨之下降，回?zé)嵯到y(tǒng)的給水溫度也隨之降低，較額定工況下進(jìn)入低溫省煤器的給水溫度降低很多，降低了省煤器出口的煙氣溫度，導(dǎo)致脫硝SCR退出運(yùn)行，機(jī)組NOx排放超標(biāo)。

提高給水溫度的方案是在回?zé)嵯到y(tǒng)1號(hào)高加后增設(shè)1臺(tái)0號(hào)高加，從汽輪機(jī)新增抽汽口抽汽，提高低負(fù)荷下進(jìn)入省煤器的給水溫度，降低了機(jī)組在部分負(fù)荷下的發(fā)電煤耗，提高了機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性，特別近幾年火電機(jī)組整體負(fù)荷較低，0號(hào)高加優(yōu)勢(shì)更加明顯。

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷較低的時(shí)候(90%負(fù)荷及以下)，0號(hào)高加投入運(yùn)行，可有效提高給水溫度，使其接近最佳回水溫度，提高機(jī)組效率；在機(jī)組負(fù)荷高的時(shí)候，由于0號(hào)高加投入運(yùn)行時(shí)給水溫度升高有限，同時(shí)降低機(jī)組出力，若影響機(jī)組滿發(fā)，可在90%負(fù)荷以上逐漸將0號(hào)高加退出。通過本技術(shù)，機(jī)組寬負(fù)荷運(yùn)行范圍的綜合效率將得到提高。

除了增設(shè)0號(hào)高加外，還考慮增加外置式蒸冷器，如圖2。利用三級(jí)抽汽進(jìn)一步加熱1號(hào)高加出口給水。

圖2 增設(shè)外置式蒸冷器系統(tǒng)圖

外置式蒸冷器與0號(hào)高加通常有串聯(lián)和并聯(lián)兩種布置形式。根據(jù)600 MW等級(jí)機(jī)組的改造工程經(jīng)驗(yàn)，串聯(lián)布置一般將0號(hào)高加和外置式蒸冷器均設(shè)計(jì)為100%容量，并聯(lián)布置一般將0號(hào)高加設(shè)計(jì)為60%容量，外置式蒸冷器設(shè)計(jì)為40%容量。兩種方案比較，串聯(lián)形式一般比并聯(lián)形式可多降低熱耗約4 kJ/(kW·h)，但是相應(yīng)的設(shè)備容量大，造價(jià)高，占地面積大。本項(xiàng)目由于為改造工程，根據(jù)原廠房設(shè)計(jì)資料，只能布置部分容量的0號(hào)高加和外置式蒸冷器。因此按照0號(hào)高加和外置式蒸冷器并聯(lián)布置，0號(hào)高加設(shè)計(jì)為60%容量，外置式蒸冷器設(shè)計(jì)為40%容量，方便布置，節(jié)省造價(jià)。

0號(hào)高加和外置式蒸冷器并聯(lián)布置的形式，三抽蒸汽過熱度跨越3個(gè)抽汽能級(jí)，與0號(hào)高加并聯(lián)加熱給水，利用于較高能位上，排擠了更高品質(zhì)的汽輪機(jī)抽汽，進(jìn)一步降低熱耗，同時(shí)被排擠的蒸汽具有更高做功能力，增加了機(jī)組出力裕量。其基本原理圖如圖3。

圖3 增設(shè)0號(hào)高加與外置式蒸冷器并聯(lián)布置系統(tǒng)圖

2.4 改造效果預(yù)估

某電廠機(jī)組通過應(yīng)用增加0號(hào)高加和外置式蒸冷器并聯(lián)布置的升級(jí)改造，預(yù)計(jì)在機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)，能降低熱耗約15 kJ/(kW·h)，在50%～90%負(fù)荷工況下，能降低熱耗25～50 kJ/(kW·h)，同時(shí)能提高鍋爐給水溫度15～25 ℃左右，為SCR脫硝裝置能在低負(fù)荷投運(yùn)提供了一定的幫助。

具體到高加系統(tǒng)給水出口進(jìn)鍋爐的溫度和機(jī)組熱耗，改造前后的對(duì)比如表2。

表2 高加系統(tǒng)給水出口進(jìn)鍋爐改造前后對(duì)比表

3 結(jié) 論

通過增加0號(hào)高加和外置式蒸冷器并聯(lián)布置的改造技術(shù)，使同時(shí)具有0號(hào)高加和外置式蒸冷器優(yōu)點(diǎn)，能有效降低機(jī)組的熱耗，尤其是低負(fù)荷時(shí)候的熱耗，同時(shí)能提高鍋爐給水溫度，有利于鍋爐寬負(fù)荷脫硝。