300 MW亞臨界機組深度節(jié)能改造技術(shù)應(yīng)用

郭春暉，劉 龍，趙永國

(1.國家能源集團山東電力有限公司，濟南 250101；2.國家能源集團菏澤發(fā)電有限公司，山東 菏澤 274032)

0 引 言

國家能源菏澤發(fā)電有限公司2臺300 MW亞臨界機組，在尚未開展通流改造和供熱改造的之前供電煤耗在325 g/(kW·h)左右， 為了達到國家要求的供電煤耗(310 g/之下)目標， 2016年對汽輪機進行通流改造后，修正后額定負荷試驗熱耗率為7 892 kJ/(kW·h)，供電煤耗為315.2 g/(kW·h)，因此僅靠通流改造不能滿足供電煤耗目標[1-2]。為了達到此目標， 2016年至2018年，國家能源菏澤發(fā)電有限公司先后實施了多項深度節(jié)能改造技術(shù)，依據(jù)技術(shù)改造與節(jié)能工作經(jīng)驗，對300 MW亞臨界機組的主設(shè)備及輔助系統(tǒng)、運行優(yōu)化、燃料等三個方面進行深度節(jié)能改造。

1 主設(shè)備及輔助系統(tǒng)深度節(jié)能改造技術(shù)

1.1 磨煤機制粉系統(tǒng)安裝CO在線監(jiān)測設(shè)備

通過在磨煤機制粉系統(tǒng)安裝CO在線監(jiān)測設(shè)備和相應(yīng)DCS組態(tài)控制邏輯，實現(xiàn)CO實時在線監(jiān)測，徹底杜絕制粉系統(tǒng)爆燃、自燃事故的發(fā)生，在安全的前提下提升磨煤機出口一次風溫10 ℃，以優(yōu)化燃燒，降低排煙溫度，提高鍋爐效率，達到降低煤耗的目的[3]。在2020年3月25日至2020年4月15日進行測試。測試初期，為了驗證CO實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，分別在不同磨煤機、不同煤種、不同負荷情況下進行溫升5 ℃、10 ℃、15 ℃的預試驗，查找個別測點CO濃度一直偏高的原因，消除了B1粗粉分離器出口CO濃度一直偏高的缺陷。為了測算磨煤機出口一次風溫提升對經(jīng)濟性指標的影響，在300 MW、240 MW工況下，進行磨煤機出口一次風溫提升10 ℃對比測試。磨煤機出口一次風溫升溫試驗數(shù)據(jù)見表1，試驗結(jié)果分析見表2。

表1 4號爐磨煤機出口一次風溫升溫試驗數(shù)據(jù)

表2 磨煤機出口一次風溫升溫試驗結(jié)果分析

由試驗結(jié)果計算得出，在保證安全的前提下，提高磨煤機出口溫度10 ℃以上，在240 MW工況下，排煙溫度可降低3.95 ℃，飛灰含碳量降低0.87%，鍋爐效率可提高0.47%，機組供電煤耗降低1.598 g/(kW·h)，年直接經(jīng)濟效益141.4萬元；在300 MW工況下，排煙溫度可降低3.87 ℃，飛灰含碳量降低0.93%，鍋爐效率可提高0.48%，機組供電煤耗降低1.632 g/(kW·h)，年直接經(jīng)濟效益144.4萬元。

1.2 熱管式空氣預熱器的應(yīng)用

熱管具有很高的軸向?qū)嵝?、?yōu)良的等溫性、高效的傳熱性。在電力工程上，應(yīng)用熱管換熱器作為鍋爐的低溫空氣預熱器(如圖1示)，能徹底解決低溫預熱器腐蝕、堵灰、磨損、換熱效率低等問題[4]。

圖1 熱管式空氣預熱器布置圖

根據(jù)菏澤發(fā)電廠鍋爐熱管式空氣預熱器改造實例進行說明。該廠熱管式空氣預熱器改造前存在以下問題：

1) 空氣預熱器內(nèi)大量積灰、堵灰，嚴重影響了空氣與煙氣的換熱，致使鍋爐效率大幅下降，排煙溫度持續(xù)上升，造成停爐進行處理。

2) 空氣預熱器大量漏風，導致空氣預熱器堵灰，增加了引、送風機單耗，造成停爐處理。

3) 低溫結(jié)露金屬腐蝕，已影響到空氣預熱器的整體壽命。

改造后,解決了以上問題，并且各項運行指標變現(xiàn)優(yōu)良，機組運行穩(wěn)定，風機能耗大大降低,運行數(shù)據(jù)見表3。

表3 空預器改造前后主要運行參數(shù)對比

從改造前后參數(shù)比較可知：改造前，送風機已達最大出力，但送風量不足，氧量偏低，排煙溫度偏低，再熱汽溫度低，不能維持滿負荷出力；改造后，在同樣運行工況下：送風機電流平均降12 A，吸風機電流平均降8 A，送風量、含氧量能滿足滿負荷要求，再熱汽溫度能維持在539 ℃以上，排煙溫度降低3.17 ℃。從熱試組漏風試驗看，目前空預器漏風率較低，漏風率為1.23%，比改造前降低20.39%。從爐渣情況看，雖然此次改造增加部分爐膛燃帶，但尚未發(fā)現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象。

2 運行優(yōu)化

2.1 基于SCR系統(tǒng)三場多參數(shù)復合噴氨優(yōu)化技術(shù)

為了提高脫硝性能，消除SCR系統(tǒng)的NOx分布不均和局部氨逃逸峰值，減少氨逃逸量，降低空預器差壓，徹底解決空預器堵塞，提高機組整體經(jīng)濟性和安全性[5]。

經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)和研究，于2017年2月對菏澤發(fā)電有限公司3號、4號爐SCR系統(tǒng)采用三場多參數(shù)復合噴氨優(yōu)化技術(shù)進行噴氨優(yōu)化。三場多參數(shù)復合噴氨優(yōu)化技術(shù)針對SCR系統(tǒng)的煙氣流速場、NOx濃度場、NH3濃度場進行網(wǎng)格法測量，采用函數(shù)擬合繪制了脫硝系統(tǒng)的煙氣流速、NOx濃度、NH3濃度分布圖，直觀的分析脫硝出口氨逃逸率與NOx濃度場、煙氣速度場分布狀況的相互影響關(guān)系，從而找出問題根源和解決辦法。

三場多參數(shù)復合噴氨優(yōu)化技術(shù)在調(diào)整噴氨量和查找NH3逃逸根源上具有同類技術(shù)無法比擬的優(yōu)越性。煙氣流速場、NOx濃度場、NH3濃度場分布圖如圖2～4所示。

圖2 煙氣流速場分布圖

圖3 NOx體積分數(shù)場分布圖

圖4 NH3體積分數(shù)場分布圖

優(yōu)化后SCR系統(tǒng)的NOx分布不均勻度明顯改善，消除了局部氨逃逸峰值，并降低了氨逃逸率；3號、4號爐空氣預熱器差壓分別降低了1.2 kPa、2 kPa，空預器漏風率分別降低了1.58%、1.99%，排煙溫度分別降低了1.6 ℃、2.5 ℃，經(jīng)過測算，綜合供電煤耗分別降低1.973 g/(kW·h)、3.157 g/(kW·h)，年經(jīng)濟效益分別為268萬元、429萬元，2臺機組合計年經(jīng)濟效益697萬元。

2.2 低負荷最少的磨煤機運行方式

磨煤機運行臺數(shù)對制粉單耗的影響分析如下：

1)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析：同樣負荷下，運行2臺磨煤機比運行3臺磨煤機，制粉單耗下降1/3左右。

2)同樣負荷下，負荷越高，運行2臺磨煤機單耗下降越少；負荷越低，運行2臺磨煤機單耗下降越多。

3)無論3臺磨煤機運行還是2臺磨煤機運行，隨著負荷的升高，單耗均下降。

4)受煤質(zhì)影響，250 MW負荷以下，運行2臺磨煤機(目前最多帶230 MW)，磨煤機單耗未達到設(shè)計值24.40(kW·h)/t;250 MW負荷以上，運行2臺磨煤機能低于設(shè)計值；運行3臺磨煤機在滿負荷時也未達到設(shè)計值[6]。

磨煤機運行臺數(shù)對廠用電率的影響：

1)運行2臺磨煤機，隨著負荷的降低，廠用電率下降較多，250 MW負荷以下運行2臺磨煤機，廠用電率至少降低0.5%以上。

2)運行2臺磨煤機，在負荷210 MW以上，廠用電率能低于設(shè)計值(4.98%)，而運行3臺磨煤機負荷應(yīng)在230 MW以上，廠用電率能達到設(shè)計值[6]。

磨煤機運行臺數(shù)對飛灰、爐渣可燃物的影響：2臺磨煤機運行，飛灰可燃物含量平均達到4.41%，爐渣可燃物含量平均達到4.95%，分別比3臺磨煤機運行時高1.5%、2.38%。

綜上可以看出，在機組230 MW負荷以下，2臺磨煤機運行比較經(jīng)濟。

2.3 調(diào)門優(yōu)化及滑壓運行優(yōu)化

調(diào)門重疊度合理判別依據(jù)是負荷穩(wěn)定、重疊度盡可能小。定滑壓運行涉及機組的耗汽量、汽溫、減溫水量、調(diào)門節(jié)流損失、排煙溫度、凝結(jié)水泵電耗等。機組通流改造后，熱試組通過對汽輪機多個負荷段不同壓力下熱效率進行測試，制定出新的定滑壓運行曲線[8]指導運行操作。新、舊滑壓曲線經(jīng)濟性進行對比，優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

圖5 通流改造前后滑壓運行曲線

通過優(yōu)化前后滑壓曲線比較，平均主汽壓力向上修正了0.8 MPa左右，可實現(xiàn)降低供電煤耗1.12 g/(kW·h)，熱經(jīng)濟性顯著。

3 燃料節(jié)能技術(shù)

根據(jù)實際來煤特性，借助適當?shù)腻仩t燃燒調(diào)整試驗及分析計算模型，通過對摻配煤種熱力計算，對比摻配前后鍋爐效率和供電煤耗，計算出經(jīng)濟煤種摻燒邊界，再依據(jù)煤炭市場行情進行科學合理摻配經(jīng)濟煤種,以降低綜合入爐煤單價，提高經(jīng)濟效益。

混煤摻燒邊界的計算式：

a=[(bhs-bsj)·p·j]/w

(4)

式中：a為混煤摻燒邊界，元/t；bhs為混燒經(jīng)濟煤種時供電煤耗，g/(kW·h)；bsj為燃燒設(shè)計煤種時供電煤耗，g/(kW·h)；p為機組供電量，kW·h；j為入爐煤價格，元/t；w為經(jīng)濟煤種摻燒量，t/d。

￡=[(jsj-jhs)-a]×w

(5)

式中：￡為混煤摻燒經(jīng)濟效益，元/d；jsj為設(shè)計煤種價格，元/t；jhs混燒經(jīng)濟煤種價格，元/t。

因此，如果設(shè)計入爐標煤價格與摻配經(jīng)濟煤種價格的差值大于摻燒邊界，進行經(jīng)濟煤種摻燒可以產(chǎn)生經(jīng)濟效益；差值越大，經(jīng)濟效益越好，反之則不能產(chǎn)生經(jīng)濟效益。煤炭價格變化較大，參考此摻燒邊界值，就可以通過對比煤價，及時評估混煤摻燒的經(jīng)濟性。

2017年2月，專門成立經(jīng)濟煤種摻配專項工作小組，選擇4號爐進行經(jīng)濟煤種摻配試驗，對摻燒的經(jīng)濟煤種制定了摻配方案，通過熱力計算給出了摻燒邊界，并依據(jù)煤炭市場行情對經(jīng)濟煤種摻配方案進行了實施；經(jīng)過一段時間的摸索和燃燒調(diào)整，摻配效果越來越好，機組運行安全穩(wěn)定，飛灰可燃物和爐渣可燃物得到合理的控制；當煤價差高于摻燒邊界時，經(jīng)濟煤種大量摻燒可以產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益[9]。

此次對4號爐摻燒低揮發(fā)份經(jīng)濟煤種, 該經(jīng)濟煤種為揮發(fā)份15%左右的陽泉煤，經(jīng)濟煤種上在B磨B2倉，摻燒量約20 t/h。為了方便效益對比，摻配煤量均按照20 t/h進行計算，實際上給煤量略有偏差。按照試驗要求，從2017年2月20日至2017年3月3日，燃料對4號爐B2倉上陽泉煤(貧瘦煤)，菏澤發(fā)電有限公司熱力試驗組對經(jīng)濟煤種摻配效果進行熱力計算和經(jīng)濟效益分析。試驗結(jié)果見下表4。

表4 試驗結(jié)果匯總

通過此次試驗，在摻配量20 t/h的狀況下，摻配揮發(fā)分15%左右的經(jīng)濟煤種，初步確定電廠2臺300 MW機組經(jīng)濟煤種參配邊界為40.61元/t，根據(jù)煤炭市場行情，當經(jīng)濟煤種價格低于煙煤價格40.61元/t，進行經(jīng)濟煤種摻燒就會產(chǎn)生經(jīng)濟效益。試驗期間，貧煤與煙煤價差147元/t，按照B磨單倉摻配方案來算，表4中5個負荷工況產(chǎn)生的日經(jīng)濟效益分別為：53 433元、34 297元、46 576元、60 193元和60 839元，平均日經(jīng)濟效益51 067元，5個試驗工況的平均負荷為239.5 MW，每發(fā)1 kW·h電能產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為0.008 884 3元，按照菏澤發(fā)電廠2臺300 MW機組年發(fā)電量33億(kW·h)計算，年經(jīng)濟效益2 932萬元。因此，當煤價差比較大時，進行經(jīng)濟煤種摻配能大幅降低燃煤成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

4 結(jié) 語

針對菏澤電廠300 MW機組深度節(jié)能改造技術(shù)，從主設(shè)備及輔助設(shè)備、鍋爐和汽機側(cè)運行優(yōu)化和燃料等三個方面進行節(jié)能改造。

1)通過在磨煤機制粉系統(tǒng)安裝CO在線監(jiān)測設(shè)備，在安全提升磨煤機出口一次風溫10 ℃的前提下，優(yōu)化燃燒。

2)SCR系統(tǒng)采用三場多參數(shù)復合噴氨優(yōu)化技術(shù)進行噴氨優(yōu)化。

3)通過對摻配煤種熱力計算，對比摻配前后鍋爐效率和供電煤耗，計算出經(jīng)濟煤種摻燒邊界，再依據(jù)煤炭市場行情進行科學合理摻配經(jīng)濟煤種。

現(xiàn)場應(yīng)用該技術(shù)方法，降低了煤耗，提高了電廠經(jīng)濟效益，取得良好的節(jié)能效果。