600MW超臨界機(jī)組優(yōu)化調(diào)整降低煤耗分析

國能銅陵發(fā)電有限公司 張 煒

1 600MW超臨界機(jī)組概況

某600MW超臨界鍋爐是直流爐、單爐膛、全懸吊結(jié)構(gòu)，根據(jù)鍋爐機(jī)組的最大連續(xù)出力判斷工況。電廠內(nèi)一臺(tái)鍋爐配備6臺(tái)磨煤機(jī)，型號(hào)為HP1008，為中速磨，利用彈簧加載。

1.1 機(jī)組問題

SCR脫硝裝置分布在省煤器出口和空預(yù)器入口處的垂直煙道中，SCR入口處為混合煙氣溫度。在添加設(shè)計(jì)煤種（淮南煤）情況下，該入口處的溫度達(dá)到375.31℃，符合設(shè)備使用的溫度標(biāo)準(zhǔn)。在機(jī)組負(fù)荷下降中，入口處煙氣溫度相應(yīng)調(diào)整。在負(fù)荷僅有40%THA的狀態(tài)下，入口處溫度是285℃，未能達(dá)到其標(biāo)準(zhǔn)溫度區(qū)間（290～400℃）的最低要求，導(dǎo)致脫硝裝置直接被強(qiáng)制退出，此時(shí)煙氣排放異常。

1.2 影響因素

機(jī)組負(fù)荷。在機(jī)組負(fù)荷下降中所有出入口處的煙溫均下降，同時(shí)排煙溫度也會(huì)有明顯下降，這使得鍋爐的熱效率提高，機(jī)組的耗煤量會(huì)相應(yīng)減少。本文所述鍋爐具有對(duì)流特性，如鍋爐負(fù)荷下降則燃煤量與內(nèi)部傳熱量、爐膛出口處的煙氣溫度均下調(diào)，由此促使對(duì)流受熱區(qū)域的傳熱溫差縮小、煙溫下降。所以，減輕鍋爐負(fù)荷省煤器出口處的煙氣與排煙的實(shí)際溫度會(huì)降低，此時(shí)機(jī)組因?yàn)榕艧熢斐傻臒崃繐p失也會(huì)減少。

煤種。機(jī)組運(yùn)行中，如改變煤種會(huì)引起煙氣物理特性的明顯變化，繼而對(duì)機(jī)組換熱效果帶來影響，引發(fā)煙溫變化。煤炭的眾多成分，對(duì)SCR裝置的入口煙溫有較明顯影響的是低位發(fā)熱量與水分含量。一方面，低位發(fā)熱量變化是借助碳元素與灰分含量調(diào)整實(shí)現(xiàn)的，在總量不變情況下二者含量是負(fù)相關(guān)。在低位發(fā)熱量下降過程中SCR裝置的入口煙溫隨之提高，前者下降1%、后者隨之提高0.13℃左右。而排煙溫度及燃料量同樣會(huì)因低位發(fā)熱量下降而提高，在該種發(fā)熱量降低1%時(shí)排煙溫度可在原有基礎(chǔ)上提升0.088℃左右，煤耗量每小時(shí)增加1噸以上。假設(shè)鍋爐效率是固定的，低位發(fā)熱量下降煤耗量就要增多；另一方面，煤炭水分含量，其每提高1%會(huì)導(dǎo)致SCR裝置入口處的煙溫提高0.149℃左右，燃煤量每小時(shí)多出0.012噸上下。

低負(fù)荷工況下前后煙道的煙氣比。在鍋爐機(jī)組尾部設(shè)置分煙道的結(jié)構(gòu)。前煙道部分，順著煙氣移動(dòng)的過程包括低溫再熱裝置與省煤器；而后煙道部分則是低溫過熱器與省煤器。所以，二者內(nèi)部的煙氣量改變會(huì)引起吸熱量變化，繼而使SCR裝置入口處的煙溫隨之調(diào)整。使用淮南煤時(shí)機(jī)組處于40%THA狀態(tài)中，前后煙道內(nèi)煙氣量的比例分別是68%、32%。在前煙道的占比減少，后煙道增加中，SCR裝置入口處的煙溫相應(yīng)下降。出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因在于：前省煤器相較于后省煤器來說入口溫度更小，同時(shí)前者的受熱面積也更小，所以在前煙道份額下降、后煙道份額上升中換熱量會(huì)提高，繼而使得SCR裝置入口處煙氣和排煙溫度下降。同時(shí)因低溫再熱器安置在前煙道，在此空間內(nèi)的煙氣份額縮小后再熱蒸汽的吸熱量會(huì)下降，相應(yīng)溫度降低[1]。

2 600MW超臨界機(jī)組優(yōu)化調(diào)整現(xiàn)有方案

2.1 600MW超臨界機(jī)組優(yōu)化

省煤器給水旁路。在原有機(jī)組結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加給水旁路管道，當(dāng)機(jī)組處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)中，調(diào)整省煤器旁路給水，讓有些入口處的給水借助旁路管道來到出口處。整個(gè)原理是下調(diào)省煤器給水量，控制傳熱溫差及熱量，實(shí)現(xiàn)調(diào)高出口處煙氣溫度的目的。所述鍋爐的尾端共有兩個(gè)煙道，在前省煤器處設(shè)置低溫再熱器；后省煤器則配備低溫過熱器。假設(shè)給水旁路是一個(gè)大旁路，可把前后省煤器視為整體，管道兩端分別和出入口集箱相連，借助流量調(diào)節(jié)閥改變給水量。

省煤器煙氣旁路。在原有機(jī)組結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上添加煙氣旁路。機(jī)組在低負(fù)荷工作中改變煙氣量，讓部分原本在入口處的高溫?zé)煔庠诓粨Q熱的情況下和出口處煙氣接觸，是為提高出口處的溫度。在機(jī)組改造調(diào)整中，前后省煤器添加煙氣旁路管道，并在煙道出口處增設(shè)擋板，避免煙氣進(jìn)入。機(jī)組運(yùn)行中，利用改變擋板開度實(shí)現(xiàn)對(duì)旁路管道煙氣流量的控制。

分級(jí)設(shè)置省煤器。該方案要求全面調(diào)整省煤器管組結(jié)構(gòu)，將既有下半部分拆掉，同時(shí)在SCR出口處連接的煙道中增加適量受熱面。而原有的省煤器傳熱區(qū)域縮小，使得內(nèi)部傳熱量得以下調(diào)，讓SCR反應(yīng)裝置的入口處溫度有所上升。在煙氣經(jīng)過脫硝處理后會(huì)由低溫級(jí)的省煤器繼續(xù)降溫，使機(jī)組在改造前后總換熱量大體上一致[2]。

2.2 現(xiàn)有方案比較分析

2.2.1 煙氣溫度

對(duì)比上述三個(gè)改造方案下，機(jī)組處于40%THA狀態(tài)，把SCR入口處煙氣溫度提高到最低限制及其以上可能會(huì)付出的代價(jià)：給水旁路改造。因水側(cè)放熱系數(shù)明顯超過煙氣側(cè)的放熱系數(shù)，所以選擇優(yōu)化給水側(cè)，但溫度調(diào)節(jié)幅度并不大。在給水份額超過64%，SCR入口處的煙氣溫度才可達(dá)到最低標(biāo)準(zhǔn)；煙氣旁路改造。在后省煤器的旁路煙氣份額處于35%上下時(shí)，也就是煙氣總量的11.2%，入口溫度可滿足最低限度；分級(jí)設(shè)置省煤器。將高溫級(jí)省煤器的受熱區(qū)域占比提高至83%，入口處的溫度可滿足需要。從該項(xiàng)衡量指標(biāo)看最后一個(gè)方案相對(duì)較好。2.2.2 排煙溫度

使機(jī)組保持在40%THA狀態(tài)中，通過以上方案改造，在入口溫度提高至最低限值的過程中三個(gè)方案的排煙溫度變化分別為+2.41℃、+2.37℃、124℃沒變。由此來看，前兩個(gè)方案在達(dá)到入口處煙氣溫度中排煙溫度會(huì)隨之提升。理論分析中，SCR自身換熱的問題能不考慮，所以二者中的SCR入口煙氣與排煙的溫度同步提高。最后一個(gè)方案因省煤器受熱區(qū)域整體未進(jìn)行調(diào)整，所排煙溫度不變。2.2.3 鍋爐工作狀態(tài)

省煤器出口處的水溫。方案一，因入口給水中有一部分沒有吸熱，所以造成出口處溫度提高。在給水旁路的份額逐步提高中水溫隨之增加，過冷度不斷下降。在滿足煙溫標(biāo)準(zhǔn)后，前省煤器出口處的過冷度不到8℃、后省煤器則達(dá)到31℃。二者都沒有實(shí)現(xiàn)飽和，這會(huì)形成安全隱患；方案二是將部分高溫的煙氣略過放熱環(huán)節(jié)，使得省煤器內(nèi)的換熱量下降，出口處水體溫度同樣下降；方案三中，因受熱區(qū)域的面積無變化，加之煙氣與溫度等都沒有變化，所以出口處的水溫同樣未變。

將機(jī)組調(diào)整至100%BMCR的工作狀態(tài)，SCR裝置入口處的煙溫是375.31攝氏。假設(shè)選擇方案一，該工況下就要完全關(guān)閉調(diào)節(jié)閥；方案二的煙氣擋板也要完全閉合。此種情況下二者改造前后無區(qū)別；方案三在該工況中省煤器受熱范圍縮小，煙溫與金屬壁的溫度會(huì)提高，不僅可能面臨超過標(biāo)準(zhǔn)溫度區(qū)間的問題，還容易使金屬壁的溫度過高。針對(duì)方案三的問題，SCR入口處的煙溫最高值是395℃，金屬管的外壁不可超過煙溫，此處管路材料選擇20號(hào)鋼、該材料的溫度承受限值是430℃，不涉及到超溫的問題，所以該方案也適用[3]。

2.2.4 改造難度

方案一中，把省煤器的出入口集箱利用額外設(shè)置的管道連接，借助旁路管道的調(diào)節(jié)閥門改變給水量，且旁路中的水體不涉及到裝置內(nèi)部換熱。此方案的改造難度低、建設(shè)工作量少，所以優(yōu)化調(diào)整的風(fēng)險(xiǎn)較低；方案二中改造原理和上一種類似，其是在機(jī)組尾部煙道外增加煙道旁路，在此處改變煙氣量，且所需煙氣量占比不高。此方案改造難度與任務(wù)量都不大，但要求所用材料的耐溫性能較佳，特別是擋板，否則會(huì)因材料變形發(fā)生內(nèi)漏；方案三中把少部分的省煤器受熱面拆掉，轉(zhuǎn)移到SCR裝置。由于需改變受熱面的位置，無論是工作量還是難度均極大。且SCR增加受熱面的改造中還要調(diào)整給水管路，把低溫級(jí)與高溫級(jí)的省煤器連在一起，再加上物理空間的束縛，此方案對(duì)現(xiàn)有機(jī)組的改動(dòng)較多。

3 600MW超臨界機(jī)組優(yōu)化調(diào)整結(jié)合方案

基于對(duì)三個(gè)改造方案的比較分析，選擇后兩種改造思路，即煙氣旁路與分級(jí)設(shè)置，提煉二者優(yōu)勢得出結(jié)合改造方案。該方案把脫硝裝置和空預(yù)器間的煙道中添加小部分的受熱面，同時(shí)省煤器增設(shè)煙氣旁路，借此可在保障出口處煙溫安全達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上兼顧控制排煙溫度，讓機(jī)組改造及運(yùn)行成本較低。

3.1 改造部分

機(jī)組內(nèi)高溫級(jí)的省煤器設(shè)置后煙道的旁路，入口處加裝擋板，利用其開度調(diào)整旁路流量；高溫級(jí)省煤器的受熱區(qū)域不進(jìn)行任何調(diào)整，僅在SCR的出口處煙道中留出適量空間，裝設(shè)低溫級(jí)的省煤器。該項(xiàng)改造處理可起到下調(diào)排煙溫度的作用，能提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；給水系統(tǒng)部分的調(diào)整，將兩個(gè)級(jí)別的省煤器連起來。機(jī)組啟動(dòng)后給水會(huì)先達(dá)到低溫級(jí)的省煤器，而后經(jīng)過換熱[4]。

3.2 省煤器改造

在低溫級(jí)省煤器的受熱區(qū)域逐漸擴(kuò)大中，SCR裝置的入口煙溫與省煤器出口處的水溫都會(huì)隨之提高。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因在于：省煤器入口處的水體經(jīng)過加熱器后溫度會(huì)提高，使裝置內(nèi)的傳熱溫差縮小，這樣便能提高出口處的煙溫。同時(shí)，給水通過換熱，加之受熱總面積擴(kuò)大，使得出口處的水溫上升。而在鍋爐尾部的煙道換熱區(qū)域擴(kuò)大中煙氣放熱量提高，此時(shí)空預(yù)器入口處的煙溫與排煙溫度隨之下降。由此提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，鍋爐的工作效率優(yōu)化，耗煤量相應(yīng)下降。

在低溫級(jí)省煤器的實(shí)際受熱區(qū)域擴(kuò)大后，空預(yù)器的入口處煙氣溫度隨之下降，機(jī)組運(yùn)行環(huán)境溫度無變化，此時(shí)空預(yù)器中的傳熱溫差縮小，促使傳熱量降低，因而排煙溫度的下調(diào)幅度在空預(yù)器降幅以下。機(jī)組處于40%THA中，排煙溫度是124℃，空預(yù)器的入口煙溫是310.57℃。為保障超臨界機(jī)組安全運(yùn)行，要把排煙溫度控制在該數(shù)值左右。運(yùn)用結(jié)合方案優(yōu)化機(jī)組，SCR入口處的煙溫上升約10℃。當(dāng)旁路沒有煙氣的情況下，空預(yù)器的入口煙溫同時(shí)下調(diào)約10℃。在低溫級(jí)省煤器改造后的受熱面積是原有的20%時(shí)空預(yù)器的入口煙溫是296.83℃，而排煙溫度是91℃。

3.3 優(yōu)化效果

在結(jié)合方案中，SCR出口到空預(yù)器入口的部分加裝一臺(tái)低溫級(jí)省煤器，其受熱面積是原有省煤器的20%，借助旁路擋板改變煙道流量。在增加擋板開度，煙氣份額隨之增多，而SCR入口處煙氣和排煙的溫度都會(huì)提高，同時(shí)省煤器出口的給水溫度降低。在煙氣旁路的實(shí)際份額調(diào)整值33.5%的狀態(tài)時(shí)，SCR裝置入口處的煙溫高于320℃，符合機(jī)組運(yùn)行的需要。排煙溫度超過120℃，該數(shù)據(jù)相較于旁路無份額狀態(tài)下有所提升，但與機(jī)組改造前對(duì)比，溫度總體下降的狀態(tài)，結(jié)合機(jī)組投運(yùn)情況來說，預(yù)計(jì)煤炭耗用量能下降0.4g/kWh左右。

經(jīng)過上述結(jié)合方案調(diào)整后，因?yàn)樵阱仩t的尾部煙道加裝低溫級(jí)的省煤器，所以即便沒有相應(yīng)的旁路調(diào)節(jié)，也能達(dá)到升溫的目的。由此，機(jī)組處于高負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，脫硝裝置入口處將面臨有煙氣溫度超過催化劑發(fā)生反應(yīng)區(qū)間的可能性，所以要對(duì)最高工況加以評(píng)估。此處對(duì)比“淮南煤”與“混合煤”的使用，后者低位發(fā)熱量相對(duì)更少，并且水分含量大。而SCR入口處的煙溫會(huì)因?yàn)槊禾康牡臀话l(fā)熱量下降，出現(xiàn)上升的情況，并在水分含量增加中該處煙溫也會(huì)提高。所以，機(jī)組在面對(duì)最大工況的運(yùn)行工作中應(yīng)當(dāng)添加混合煤。

機(jī)組通過結(jié)合方案的優(yōu)化調(diào)整后，處于100% BMCR狀態(tài)中，當(dāng)旁路沒有煙氣份額的情況下，SCR裝置入口處的煙溫超過380℃，總體有所提高，并且還在其正常的反應(yīng)溫度范圍內(nèi)，所以不會(huì)出現(xiàn)超溫的問題。同時(shí)，經(jīng)過改造后的機(jī)組排煙溫度下降，每小時(shí)的耗煤量減少0.36噸，鍋爐的運(yùn)行效率有所優(yōu)化，機(jī)組工作經(jīng)濟(jì)性明顯提升。

綜上，通過上文對(duì)鍋爐機(jī)組的討論分析，會(huì)影響煤耗量的是煙氣溫度。因此在優(yōu)化調(diào)整機(jī)組中，應(yīng)當(dāng)以控制SCR裝置入口出煙氣與機(jī)組排煙的溫度，有效提高鍋爐效率，達(dá)到降低煤耗的目的。在實(shí)際改造設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員需要考慮方案的可行性，分別從改造難度、工作量、經(jīng)濟(jì)性等角度剖析，最終篩選出方案中的優(yōu)勢，經(jīng)過合理化整合，保障機(jī)組改造的效果，為電廠機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)以及燃煤量的控制提供有效保障。