淺談超臨界機(jī)組節(jié)能減排的方法

國(guó)能孟津熱電有限公司 候金坤

神華國(guó)華孟津發(fā)電有限責(zé)任公司一期2×600MW機(jī)組，鍋爐由中國(guó)東方鍋爐廠設(shè)計(jì)制造，全燃煤或燃油混燒，超臨界參數(shù)變壓直流爐，單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐爐膛水平切面積為19419.2×15456.8mm（寬×深）、鍋爐總高86350mm，頂棚拐點(diǎn)高度73250mm，水平煙道深5486.4mm，后豎井煙道6604×8331.2mm,水冷壁下集箱標(biāo)高6250mm，超臨界壓力一次中間再熱鍋爐采用旋流式燃燒器，前后墻對(duì)沖布置提高機(jī)組效率的途徑主要有兩個(gè)方面：一是提高蒸汽參數(shù)；一是降低排煙溫度。該鍋爐額定工況下主汽壓力設(shè)計(jì)值為25.73MPa，主再熱汽溫分別為541℃和569℃；受汽輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的限制鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)不能進(jìn)一步提高。但實(shí)際運(yùn)行中為保證機(jī)組效率應(yīng)盡可能使運(yùn)行參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值。

排煙溫度偏高不僅直接影響鍋爐效率，還降低電除塵效率和增加脫硫工藝的用水量。對(duì)排煙溫度偏高的問(wèn)題，從機(jī)組整體效率考慮降低排煙溫度應(yīng)首先對(duì)鍋爐進(jìn)行改造，省煤器的換熱系數(shù)大，一般情況下只要條件許可進(jìn)行省煤器改造具有較大的投資收益比。但鍋爐改造（包括省煤器或空預(yù)器等）往往受到溫壓及空預(yù)器腐蝕、堵塞等的限制，空預(yù)器出口溫度不能降低得更低。為提高電除塵除塵效率和減少脫硫工藝的用水量需將排煙溫度降到更低，此時(shí)可考慮按有限腐蝕原則布置低溫省煤器來(lái)進(jìn)一步降低排煙溫度[1]。

孟電鍋爐夏季滿(mǎn)負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行中排煙溫度最高可達(dá)到～155℃，冬季滿(mǎn)負(fù)荷不投熱風(fēng)再循環(huán)的情況下排煙溫度～115℃，300MW負(fù)荷運(yùn)行時(shí)僅～95℃。根據(jù)600MW負(fù)荷下測(cè)試數(shù)據(jù)，預(yù)熱器進(jìn)風(fēng)溫度為27℃時(shí)鍋爐空預(yù)器出口排煙溫度為145℃。從考慮預(yù)熱器運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，夏季預(yù)熱器出口最佳排煙溫度為～115℃（冬季進(jìn)口風(fēng)溫低時(shí)排煙溫度應(yīng)更高）。

以孟電#1鍋爐為例，鍋爐年平均排煙溫度額定負(fù)荷時(shí)為132.8℃，超過(guò)機(jī)組設(shè)計(jì)排煙溫度10.8℃，造成鍋爐排煙熱損失較大，其1～12月排煙溫度分別如下。50%THA：97.5/98.5/102.0/112.0/112.0/121.0/1 18.0/115.5/119.5/115.5/106.5/100.5；75%THA：105.5/106.0/109.5/119.5/125.5/133.5/125.5/131.0/130.0/1 25.0/120.5/114.5；100%THA：117.0/113.5/122.0/12 8.0/141.0/143.5/148.0/142.5/138.0/135.5/131.5/133.5。且在冬季機(jī)組低負(fù)荷存在空預(yù)器冷風(fēng)溫度偏低、硫酸氫銨腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。因此無(wú)論從經(jīng)濟(jì)性能還是從環(huán)保指標(biāo)考慮，降低和控制排煙溫度是必要的，有利于降低排煙熱損失、煙氣濃度、空預(yù)器腐蝕等[2]。

1 機(jī)組節(jié)能減排可行性方案前期調(diào)研分析

節(jié)能降耗是全世界都關(guān)注的課題，西方發(fā)達(dá)國(guó)家的能源利用率較高，單位產(chǎn)值所需的能耗比我國(guó)低很多，國(guó)外燃煤火力發(fā)電廠鍋爐煙氣余熱回收的技術(shù)和工程實(shí)踐以德國(guó)和日本為領(lǐng)先代表。

1.1 鍋爐煙氣余熱回收利用的技術(shù)和工程應(yīng)用

回收煙氣余熱加以德國(guó)Schwarze Pumpe（黑泵）電廠為代表，低溫省煤器煙氣側(cè)布置在電除塵器和脫硫塔之間的煙道上，煙氣流過(guò)低溫省煤器，煙氣溫度從170℃降低到130℃后進(jìn)入脫硫塔；水側(cè)布置在汽輪機(jī)低壓抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)加熱凝結(jié)水。德國(guó)Schwarze Pumpe（黑泵）電廠2×800MW鍋爐機(jī)組燃用褐煤，煙氣溫度降低了49℃，部分凝結(jié)水溫度提高了44℃，低溫省煤器在設(shè)計(jì)負(fù)荷工況的最低傳熱管金屬壁溫高于87℃。

回收煙氣余熱加熱鍋爐進(jìn)風(fēng)（低溫省煤器和暖風(fēng)器組合）。以德國(guó)（梅隆）Mehrum電廠為代表，電廠一臺(tái)712MW煙煤鍋爐應(yīng)用這一系統(tǒng)。低溫省煤器煙氣側(cè)布置在電除塵器和脫硫塔之間的煙道上，煙氣流過(guò)低溫省煤器，煙氣溫度從150℃降低到90℃后進(jìn)入脫硫塔；循環(huán)水側(cè)熱端進(jìn)入低溫省煤器，冷端進(jìn)入鍋爐暖風(fēng)器，將鍋爐進(jìn)風(fēng)溫度由25℃提高到64℃。煙氣溫度降低了60℃，鍋爐進(jìn)風(fēng)溫度提高了39℃。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，其鍋爐進(jìn)風(fēng)流量遠(yuǎn)大于鍋爐煙氣流量，應(yīng)是在單側(cè)煙道上設(shè)置了低溫省煤器，其他數(shù)據(jù)不詳，不能分析該應(yīng)用實(shí)例是如何考慮防止煙氣低溫腐蝕的。

旁路高溫省煤器和低溫省煤器組合（加熱高壓與低壓給水）。以德國(guó)科隆Nideraussem（950MW機(jī)組）電廠為代表，其在空氣預(yù)熱器旁路煙道系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置高溫省煤器，加熱汽輪機(jī)高/低壓抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)的凝結(jié)水；在電除塵器和脫硫塔之間的煙道上布置低溫省煤器，煙氣流過(guò)低溫省煤器，煙氣溫度從160℃降低到100℃后進(jìn)入脫硫塔；循環(huán)水側(cè)熱端進(jìn)入低溫省煤器，冷端進(jìn)入鍋爐暖風(fēng)器，將鍋爐進(jìn)風(fēng)溫度由25℃提高到120℃。

上述3種系統(tǒng)比較全面的覆蓋了鍋爐煙氣余熱回收的技術(shù)和應(yīng)用方式。但德國(guó)上述煙氣余熱回收熱交換的傳熱管采用了非金屬材料，設(shè)備體積大，投資過(guò)億，性?xún)r(jià)比不高。

1.2 加裝暖風(fēng)器的實(shí)際應(yīng)用

現(xiàn)有鍋爐送風(fēng)加熱方式有兩種：熱風(fēng)再循環(huán)或采取蒸汽加熱的暖風(fēng)器。第一種方式造成鍋爐效率的降低，同時(shí)再循環(huán)熱風(fēng)中攜帶的粉塵造成風(fēng)機(jī)葉片的磨損減薄，帶來(lái)安全隱患。目前有電廠采用旋轉(zhuǎn)暖風(fēng)器再冬季用來(lái)提高空預(yù)器入口風(fēng)溫，夏季旋轉(zhuǎn)暖風(fēng)器退出、減小風(fēng)機(jī)阻力，降低風(fēng)機(jī)能耗[3-4]。

2010年6月，國(guó)華定州電廠就暖風(fēng)器改造問(wèn)題赴內(nèi)蒙古岱海電廠進(jìn)行調(diào)研，岱海電廠當(dāng)時(shí)1號(hào)爐暖風(fēng)器已由原先傳統(tǒng)的鰭片式改造為旋轉(zhuǎn)暖風(fēng)器，既達(dá)到了冬季投入時(shí)提高入口風(fēng)溫，又保證了夏季退出降低風(fēng)阻、節(jié)能降耗的目的。2012年10月國(guó)華錦界電廠3號(hào)機(jī)組一二次暖風(fēng)器采用200920030549.X《電站鍋爐動(dòng)態(tài)暖風(fēng)器》等專(zhuān)利技術(shù)提出的解決方案，將傳統(tǒng)的鰭片式暖風(fēng)器改造為旋轉(zhuǎn)暖風(fēng)器。華能上安電廠2臺(tái)600MW、2臺(tái)300MW機(jī)組于2011年10月將傳統(tǒng)的鰭片式改造為旋轉(zhuǎn)暖風(fēng)器。以上旋轉(zhuǎn)暖風(fēng)器使用效果良好，冬季投運(yùn)時(shí)滿(mǎn)足空氣升溫條件，夏季退出投運(yùn)，可節(jié)能降耗。

2 機(jī)組節(jié)能減排可行性方案對(duì)比分析

2.1 機(jī)組節(jié)能減排可行性方案闡述分析

2.1.1 方案一

在SCR出口增設(shè)布置SCR后省煤器（對(duì)原省煤器進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)容）。為解決夏季排煙溫度偏高的問(wèn)題和不影響SCR投入，可再SCR裝置后增設(shè)一組省煤器受熱面，受熱面增加量受到冬季和低負(fù)荷預(yù)熱器運(yùn)行安全溫度和磨煤機(jī)干燥溫度等的限制，省煤器受熱面只能使額定負(fù)荷工況條件下鍋爐排煙溫度降低10℃，提高鍋爐效率約0.5%、節(jié)約發(fā)電煤耗1.6g/kWh，冬季或部分低負(fù)荷工況排煙溫度本身較低時(shí)，需通過(guò)熱風(fēng)再循環(huán)等來(lái)防止排煙溫度過(guò)低，此時(shí)新增省煤器無(wú)法達(dá)到降低煤耗的作用。改造后全年鍋爐年平均降低排煙溫度按6℃計(jì)算，平均可降低煤耗0.993g/kWh，年發(fā)電量32億kWh，每年可節(jié)約標(biāo)煤3478噸，按標(biāo)煤630元/噸計(jì)算，年可節(jié)約購(gòu)煤款200.2萬(wàn)元/年.改造投資2130萬(wàn)元，改造回收期約為10.7年。

2.1.2 方案二

在SCR出口增設(shè)布置SCR后省煤器（對(duì)原省煤器進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)容）+旋轉(zhuǎn)蒸汽暖風(fēng)器。通過(guò)增加布置蒸汽暖風(fēng)器來(lái)解決方案一中所降低排煙溫度收到預(yù)熱器安全性和磨煤機(jī)干燥出力限制的問(wèn)題，可增加布置SCR后省煤器受熱面積，使額定負(fù)荷工況條件下省煤器增容后鍋爐排煙溫度至少降低15℃，提高鍋爐效率約0.75%，節(jié)約發(fā)電煤耗2.48g/kWh，冬季或部分低負(fù)荷工況排煙溫度本身較低時(shí)，需通過(guò)增加的蒸汽暖風(fēng)器加熱冷風(fēng)提高排煙溫度，避免空預(yù)器低溫腐蝕和保證磨煤機(jī)干燥出力，此將消除部分有用蒸汽，使得節(jié)約煤耗下降，初步估算此時(shí)節(jié)約煤耗約1g/kWh，多數(shù)運(yùn)行工況的節(jié)煤在1.0～2.48g/kWh之間，按平均1.74g/kWh計(jì)算，年發(fā)電量32億kWh每年可節(jié)約標(biāo)煤5568噸，按標(biāo)煤630元/噸計(jì)算、年可節(jié)約購(gòu)煤款350.8萬(wàn)元/年。改造投資2350+350（暖風(fēng)器費(fèi)用）=2700萬(wàn)元，改造回收期約為7.7年。

2.1.3 方案三

僅增加布置低溫省煤器。夏季滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行鍋爐排煙溫度偏高時(shí)，低溫省煤器將排煙溫度由115℃降低到100℃，將熱量用于加熱凝結(jié)水可節(jié)約發(fā)電煤耗2.0g/kWh，冬季滿(mǎn)負(fù)荷或其它季節(jié)低負(fù)荷工況鍋爐排煙溫度115℃，低溫省煤器將排煙溫度繼續(xù)由115℃降低到100℃，將熱量用于加熱凝結(jié)水可節(jié)約發(fā)電煤耗0.6g/kWh，冬季部分負(fù)荷下即使投運(yùn)熱風(fēng)再循環(huán)的情況下排煙溫度本身也只能達(dá)到100℃，低溫省煤器無(wú)法投運(yùn)，綜合測(cè)算將熱量加熱凝結(jié)水年平均可節(jié)約發(fā)電煤耗1.0g/kWh。年發(fā)電量32億kWh，每年可節(jié)約標(biāo)煤3200噸，按標(biāo)煤630元/噸計(jì)算，年可節(jié)約購(gòu)煤款201.6萬(wàn)元/年。改造投資1900萬(wàn)元，改造回收期約為9.7年。

2.1.4 方案四

在SCR出口增加布置SCR后省煤器（對(duì)原省煤器進(jìn)行擴(kuò)容）+電除塵入口增加布置煙氣余熱回收裝置和冷風(fēng)加熱器系統(tǒng)。為解決方案二中采用抽汽加熱空預(yù)器入口冷風(fēng)，消耗較高品質(zhì)能量的問(wèn)題（進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力）和方案三單純低溫省煤器冬季無(wú)法投運(yùn)、造成年平均節(jié)能效果有限的問(wèn)題，采用內(nèi)部工質(zhì)為水的冷風(fēng)加熱器替代蒸汽暖風(fēng)器。冬季或低負(fù)荷需要加熱冷空氣時(shí)，加熱熱源優(yōu)先采用低溫省煤器的余熱（當(dāng)余熱不足時(shí)，也可采用汽機(jī)低品質(zhì)抽汽），夏季高負(fù)荷運(yùn)行不需要加熱冷空氣時(shí)，可將回收的余熱用于加熱汽機(jī)側(cè)凝結(jié)水，排擠抽汽達(dá)到節(jié)能的目的，始終保持排煙溫度除塵器入口溫度不高于100℃（在不改造除塵器的情況下，若改造除塵器可進(jìn)一步降低到90℃。

額定負(fù)荷工況下省煤器增容后鍋爐排煙溫度至少降低15℃，提高鍋爐效率約0.75%，節(jié)約發(fā)電煤耗2.48g/kWh，夏季低溫省煤器將排煙溫度繼續(xù)降低到100℃和冬季暖風(fēng)器利用余熱，可節(jié)約發(fā)電煤耗約1g/kWh（滿(mǎn)負(fù)荷），夏季共節(jié)約發(fā)電煤耗3.48g/kWh，冬季采用余熱替代原鍋爐運(yùn)行中的熱風(fēng)再循環(huán)可節(jié)約部分能量，當(dāng)余熱不足時(shí)將取汽機(jī)側(cè)低品質(zhì)熱能加熱冷風(fēng)也減少部分汽機(jī)做功，將冬季不再投熱風(fēng)再循環(huán)節(jié)約的煤耗與汽機(jī)側(cè)取熱的煤耗相抵消，再考慮部分低負(fù)荷的影響，全年平均節(jié)約煤耗約3.0g/kWh。年發(fā)電量32億kWh，每年可節(jié)約標(biāo)煤9600噸，按標(biāo)煤630元/噸計(jì)算，年可節(jié)約購(gòu)煤款604.8萬(wàn)元/年。改造投資2350+1600=3950萬(wàn)元，改造回收期約為6.5年。

2.1.5 方案五

原省煤器增加煙氣旁路及SCR出口增加布置SCR后省煤器。為應(yīng)對(duì)國(guó)家越來(lái)約嚴(yán)格的環(huán)保要求，將原省煤器進(jìn)行增加煙氣旁路改造，以縮短鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中未投入SCR的時(shí)間，雖然投入煙氣旁路的運(yùn)行將犧牲鍋爐的經(jīng)濟(jì)性，但在增加煙氣旁路的同時(shí)進(jìn)行增加SCR后省煤器的改造，在克服低負(fù)荷投運(yùn)煙氣旁路經(jīng)濟(jì)性降低的同時(shí)，還可在不設(shè)冷風(fēng)加熱器或暖風(fēng)器的情況下保證夏季高負(fù)荷排煙溫度降低幅度達(dá)15℃，為將來(lái)環(huán)保要求嚴(yán)格時(shí)進(jìn)行廢水處理或WGGH預(yù)留可能的改造措施，在該方案中雖也可進(jìn)行余熱改造但暫時(shí)不進(jìn)行，以后下一步結(jié)合環(huán)保要求論證余熱利用方式（節(jié)能、處理廢水、提高脫硫后的煙溫等）。

在節(jié)能方面，額定負(fù)荷工況條件下省煤器增容后鍋爐排煙溫度至少降低15℃，提高鍋爐效率約0.75%，節(jié)約發(fā)電煤耗2.48g/kWh，冬季或部分低負(fù)荷工況排煙溫度本身較低時(shí)，通過(guò)新增加省煤器煙氣旁路或原有熱風(fēng)再循環(huán)來(lái)防止排煙溫度過(guò)低，此將增加煤耗，改造后全年按鍋爐平均降低排煙溫度10℃計(jì)算，平均可降低煤耗1.65g/kWh，年發(fā)電量32億kWh，每年可節(jié)約標(biāo)煤5280噸，按標(biāo)煤630元/噸計(jì)算，年可節(jié)約購(gòu)煤款332.6萬(wàn)元/年。改造投資2350+450=2800萬(wàn)元，改造回收期約為7.1年。

2.2 機(jī)組節(jié)能減排可行性方案結(jié)論分析

方案一。優(yōu)點(diǎn)：投資少、技術(shù)可靠、布置簡(jiǎn)單、實(shí)施容易、不影響后期進(jìn)行廢水處理、WGGH等相關(guān)改造。缺點(diǎn)：因受鍋爐運(yùn)行條件限制年平均節(jié)約煤效果有限，投資回收期長(zhǎng)；方案二。優(yōu)點(diǎn)：投資少、技術(shù)可靠、投資回收期短，旋轉(zhuǎn)暖風(fēng)器冬季提高風(fēng)溫，夏季退出降低風(fēng)機(jī)能耗，不影響后期進(jìn)行脫硫廢水處理、WGGH等相關(guān)改造。缺點(diǎn)：需消耗部分有用蒸汽，使得節(jié)約煤耗量下降，暖風(fēng)器進(jìn)汽、疏水管旋轉(zhuǎn)接頭密封不足；

方案三。優(yōu)點(diǎn)：投資少。缺點(diǎn)：投資回收期長(zhǎng)，后期檢修成本升高，后期若進(jìn)行廢水處理，WGGH等其它環(huán)保改造將與節(jié)能發(fā)生沖突；方案四。優(yōu)點(diǎn)：深度節(jié)能，節(jié)能效果最好。缺點(diǎn)：后期若進(jìn)行廢水處理、WGGH等其它環(huán)保改造將與節(jié)能發(fā)生沖突，存在一定設(shè)備使用壽命，檢修成本高等技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；方案五。優(yōu)點(diǎn)：兼顧寬負(fù)荷脫硝等，投資較少，投資回收期較短，不影響后期進(jìn)行脫硫廢水處理、WGGH等相關(guān)改造。缺點(diǎn)：未充分挖掘節(jié)能潛力，存在旁路煙氣擋板密封不嚴(yán)、卡澀的隱患，影響機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。