超臨界鍋爐超低排放系統(tǒng)微能耗運(yùn)行探究與應(yīng)用

姚國(guó)華 金 閃

上海外高橋第二發(fā)電有限責(zé)任公司

0 項(xiàng)目背景

隨著燃煤電廠的環(huán)保設(shè)施日趨完善，國(guó)內(nèi)的燃煤電廠都已基本完成超低排放改造。上海外高橋第二發(fā)電公司兩臺(tái)900MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組分別于2015年11月和2016年6月完成超低排放系統(tǒng)（MGGH）改造工程。

超低排放系統(tǒng)（MGGH）投入運(yùn)行后使外二公司的發(fā)電鍋爐煙氣中污染物排放大幅降低，污染物排放控制成效在國(guó)內(nèi)名列前茅。通過(guò)與已實(shí)現(xiàn)超低排放同級(jí)別機(jī)組企業(yè)的交流，發(fā)現(xiàn)新系統(tǒng)運(yùn)行均造成發(fā)電機(jī)組供電煤耗上升，其增幅約為3g/kWh。供電煤耗增加不符合國(guó)家對(duì)火電企業(yè)提出的“三降低，三提高”思想，而且目前燃煤市場(chǎng)價(jià)格不斷攀高，燃煤機(jī)組負(fù)荷率持續(xù)下降，煤耗的上升造成企業(yè)燃料成本進(jìn)一步上升，對(duì)整個(gè)燃煤發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益帶來(lái)較大的沖擊。

公司采用的超低排放（MGGH）技術(shù)引進(jìn)了國(guó)外的成熟技術(shù)，通過(guò)一年多實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)中許多關(guān)鍵數(shù)據(jù)值得商榷，存在較大優(yōu)化空間。本文重點(diǎn)介紹公司在超低排放系統(tǒng)（MGGH）能耗方面做出的研究和優(yōu)化工作。

1 機(jī)組概況

公司兩臺(tái)鍋爐為900MW超臨界直流鍋爐，由ALSTOM-EVT（阿爾斯通能源系統(tǒng)公司）制造，結(jié)構(gòu)形式：塔式、超臨界壓力、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、單爐膛四角切圓燃燒、露天布置、固態(tài)排渣煤粉爐。在超低排放改造之前，已對(duì)鍋爐煙氣采取了多種處理措施。

1.1 原有煙氣處理裝置

(1)煙氣除塵。每爐配備2臺(tái)靜電除塵器（ESP），為三室四電場(chǎng)，露天布置，經(jīng)過(guò)高頻電源改造，除塵效率達(dá)到99．80%，煙塵排放濃度降至15mg/Nm3以內(nèi)，運(yùn)行能耗下降約50%。

(2)煙氣脫硫。采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝（FGD），于2008年10月和12月相繼投運(yùn)。在2014年3月和9月完成脫硫增效擴(kuò)容改造，脫硫效率提升至97．5%以上。

(3)煙氣脫硝。兩臺(tái)機(jī)組分別于2012年12月和2013年6月，在爐后出口垂直煙道至空氣預(yù)熱器之間加裝選擇性催化還原法（SCR）脫硝裝置，大幅降低NOX（氮氧化物）排放。

1.2 煙氣超低排放（MGGH）改造

在原有煙氣處理基礎(chǔ)上進(jìn)行超低排放系統(tǒng)工程改造。改造后煙囪出口DUST、SO2和NOX的平均排放濃度分別下降89．3%、55．5%和57．8%，均優(yōu)于國(guó)家超低排放要求，已達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)排放水平，減排成績(jī)顯著。公司超低排放系統(tǒng)設(shè)備主要由兩級(jí)煙氣、水換熱器和熱媒水循環(huán)回路三部分組成。系統(tǒng)布置及工作流程如圖1所示。

圖1 超低排放改造后煙氣系統(tǒng)

在鍋爐空氣預(yù)熱器與靜電除塵器之間的煙道上布置煙氣冷卻器（簡(jiǎn)稱煙冷器），通過(guò)熱媒水吸收未除塵煙氣（原煙氣）熱量降低煙氣溫度，一方面回收煙氣余熱用以節(jié)能，另一方面降低進(jìn)入靜電除塵器的煙氣溫度可以提高電除塵效率，達(dá)到控制DUST排放目的。在脫硫工藝出口與煙囪之間的煙道上布置煙氣加熱器（簡(jiǎn)稱煙熱器），利用熱媒水在煙冷器內(nèi)吸收的熱量對(duì)此處已脫硫的煙氣（凈煙氣）進(jìn)行加熱，達(dá)到消除煙囪出口“白色煙羽”的目的；熱媒水回路采用除鹽水閉式循環(huán)保證煙冷器和煙熱器連續(xù)工作。為彌補(bǔ)機(jī)組不同工況下煙氣吸熱量和放熱量的不平衡，在熱媒水回路上設(shè)置輔助蒸汽加熱器，汽源來(lái)自機(jī)組冷再蒸汽。

超低排放系統(tǒng)原設(shè)計(jì)指標(biāo)：煙氣冷卻器進(jìn)口煙溫125℃，出口煙溫≮90℃；煙氣加熱器進(jìn)口溫度為FGD工作溫度，出口煙溫要求≥80℃；在機(jī)組100%工況下能夠達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)煙氣吸熱量和放熱量的平衡。

1.3 煙氣超低排放系統(tǒng)（MGGH）主要能耗

超低排放系統(tǒng)以熱媒水作為熱量交換載體，由熱媒水泵提供動(dòng)力使其在煙冷器和煙熱器之間保持循環(huán)，實(shí)際運(yùn)行功率約為210kW，引起單元機(jī)組廠用電率上升。

超低排放系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)煙冷器吸熱量和煙熱器放熱量隨著負(fù)荷波動(dòng)而變化，當(dāng)煙冷器吸熱量不能滿足煙熱器處放熱量時(shí)，需使用輔助熱源對(duì)熱媒水進(jìn)行加熱以補(bǔ)充煙熱器放熱量，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)附加熱耗。由于熱源為機(jī)組冷再蒸汽，抽出熱力循環(huán)中蒸汽能量進(jìn)行一次無(wú)經(jīng)濟(jì)效益加熱然后將該熱量通過(guò)煙囪直接排向大氣，最終使機(jī)組煤耗上升。上述超低排放系統(tǒng)運(yùn)行能耗中，加熱所消耗的能量占比最大，是超低排放系統(tǒng)投用后機(jī)組供電煤耗上升的最主要因素。

超低排放系統(tǒng)熱量交換不匹配表現(xiàn)為：煙囪排煙溫度不變，F(xiàn)GD出口溫度基本恒定，加熱溫升穩(wěn)定；鍋爐排煙溫度隨負(fù)荷而變，煙冷器出口煙溫穩(wěn)定，煙氣溫降變化。該系統(tǒng)僅在設(shè)計(jì)工況夏季100%負(fù)荷時(shí)實(shí)現(xiàn)熱量交換平衡，當(dāng)負(fù)荷高于設(shè)計(jì)工況時(shí)，吸熱量多于加熱量，煙氣余熱有富余；反之則吸熱量少于加熱量，須加熱補(bǔ)充。根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，不同工況下的輔助加熱蒸汽用量如表1所示（秋季工況）。其中，因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)階段中100%工況時(shí)的鍋爐排煙溫度低于設(shè)計(jì)值，故在機(jī)組負(fù)荷為900MW時(shí)仍需耗用部分輔助加熱蒸汽。

根據(jù)對(duì)應(yīng)負(fù)荷下蒸汽品質(zhì)核算，輔助蒸汽量折算到供電煤耗約在0．6～3．5g/kWh之間，說(shuō)明輔助加熱蒸汽的耗用對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益存在較大影響。

表1 超低排放系統(tǒng)輔助蒸汽耗用量統(tǒng)計(jì)

2 降低能耗研究

2.1 降低能耗的主要途徑

從目前主流的超低排放改造系統(tǒng)來(lái)看，降低熱量消耗的途徑有三種：外加熱源替換、減少脫硫后煙氣加熱量以及增加原煙氣吸熱量。外二廠的900 MW機(jī)組系統(tǒng)中，沒(méi)有合適的余熱熱源可用以替代超凈排放系統(tǒng)的加熱量；其次，由于FGD出口煙溫基本維持在50℃，而環(huán)保部門要求的煙囪側(cè)排煙溫度最低為75（78）℃，二者決定了無(wú)法通過(guò)改變FGD后煙氣的加熱量來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。因此增加原煙氣的吸熱量成為了主要研究的方向。

圖1系統(tǒng)的煙冷器設(shè)計(jì)出口煙溫為90℃，該溫度以上煙氣熱量已被回收利用；當(dāng)煙氣經(jīng)過(guò)FGD脫硫塔被噴淋降溫，出口煙溫基本維持在48℃～52℃之間，進(jìn)出口約40℃的溫差未被有效利用。如果對(duì)該溫差段煙氣熱量加以部分回收，用于FGD后煙氣再加熱，不但可以減少加熱用的蒸汽，甚至可去除輔助加熱蒸汽，能降低脫硫系統(tǒng)噴淋用水量，有效降低系統(tǒng)能耗。但是，當(dāng)含硫煙氣溫度過(guò)低可能會(huì)引起換熱器受熱面產(chǎn)生凝酸結(jié)露，導(dǎo)致低溫酸腐蝕，影響企業(yè)安全生產(chǎn)。

3.2 煙氣酸露點(diǎn)的研究

為防止低溫腐蝕，國(guó)內(nèi)外已有大量關(guān)于鍋爐煙氣露點(diǎn)溫度的研究，計(jì)算方法和結(jié)論圖表眾多，露點(diǎn)溫度偏差較大，低溫腐蝕的形成機(jī)理和因素關(guān)聯(lián)尚未形成統(tǒng)一看法。目前工程上“有限腐蝕”理論即煙溫已降到酸露點(diǎn)以下但仍處在腐蝕低谷區(qū)是目前接受度較廣的一種論點(diǎn)，也常常作為換熱器降溫設(shè)計(jì)或受熱面壁溫控制依據(jù)，前提是受熱面已經(jīng)發(fā)生凝酸結(jié)露。筆者認(rèn)為工程上只有煙道或受熱面表面產(chǎn)生大面積結(jié)露才會(huì)導(dǎo)致明確低溫腐蝕，因此，超低排放系統(tǒng)換熱器受熱面結(jié)露溫度較理論煙氣酸露點(diǎn)溫度更具實(shí)際意義。另外，采用低低溫電除塵技術(shù)，煙氣中SO3轉(zhuǎn)化為硫酸蒸汽被飛灰大量吸附，尤其當(dāng)灰硫比大于100時(shí)不會(huì)發(fā)生低溫腐蝕[1]，由于筆者所在公司長(zhǎng)期使用低硫分煤種（加權(quán)硫分小于2%），理論上低硫分小范圍變化對(duì)酸露點(diǎn)影響不大[2]，所以本公司的煙冷器出口側(cè)可以在理論酸露點(diǎn)溫度以下安全運(yùn)行。

根據(jù)常用鍋爐熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法中煙氣酸露點(diǎn)公式以及在受熱面設(shè)計(jì)中慣用的經(jīng)驗(yàn)公式[3-4]，結(jié)合我公司常用配煤方式，煙氣酸露點(diǎn)計(jì)算溫度約為80℃～100℃。公司對(duì)煙冷器區(qū)域凝酸結(jié)露進(jìn)行多次試驗(yàn)，通過(guò)理論計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)實(shí)際煙氣結(jié)露溫度遠(yuǎn)小于理論值，大量結(jié)露溫度接近50℃。依據(jù)不同配煤工況的煙氣酸露點(diǎn)測(cè)試，煙氣酸露點(diǎn)溫度接近水露點(diǎn)溫度，且結(jié)露溫度與機(jī)組負(fù)荷和排煙溫度無(wú)直接關(guān)聯(lián)，該試驗(yàn)證實(shí)公司常用煤種的硫分對(duì)酸露點(diǎn)影響不大。

3 降溫運(yùn)行

根據(jù)上述理論分析及對(duì)超低排放系統(tǒng)尤其是煙冷器和煙熱器區(qū)域出口煙氣溫度進(jìn)行降溫試驗(yàn)并檢查實(shí)際運(yùn)行效果。

3.1 煙冷器區(qū)域降溫運(yùn)行

基于上述實(shí)測(cè)酸露點(diǎn)分布情況，我們首先相對(duì)固定煙熱器出口煙氣溫度（設(shè)計(jì)值），然后對(duì)煙冷器實(shí)施小幅多次降溫運(yùn)行方案，同時(shí)統(tǒng)計(jì)各降溫區(qū)間內(nèi)機(jī)組不同負(fù)荷段熱媒水輔助加熱蒸汽投用量情況。試驗(yàn)結(jié)果顯示，煙冷器出口煙溫控制值可穩(wěn)定在75℃運(yùn)行，比設(shè)計(jì)值低15℃。

經(jīng)過(guò)3-6個(gè)月降溫運(yùn)行，利用機(jī)組調(diào)停、檢修等機(jī)會(huì)，對(duì)相關(guān)受熱面腐蝕情況進(jìn)行仔細(xì)觀察，并對(duì)附著物取樣分析，煙冷器區(qū)域受熱面未見(jiàn)因降溫引起明顯酸腐蝕（見(jiàn)圖2），由此證明煙冷器能長(zhǎng)期在75℃安全運(yùn)行。

圖2 三次降溫運(yùn)行后煙冷器受熱面情況

3.2 煙熱器區(qū)域降溫運(yùn)行

煙熱器降溫可能會(huì)導(dǎo)致“白色煙羽”問(wèn)題，在上海市環(huán)保部門最新頒布的《上海市燃煤電廠石膏雨和有色煙羽測(cè)試技術(shù)要求（試行）》中有明確規(guī)定，筆者于2017年對(duì)“白色煙羽”機(jī)理進(jìn)行研究，確定在一定氣象條件下煙熱器出口煙溫（即煙囪出口排煙溫度）實(shí)現(xiàn)低于環(huán)保規(guī)定溫度的無(wú)“白色煙羽”排放[5]。逐步對(duì)煙熱器實(shí)施分段控制，根據(jù)近3個(gè)月跟蹤觀察與統(tǒng)計(jì)，煙熱器出口煙氣溫度比設(shè)計(jì)值平均下降8℃且未有“白色煙羽”現(xiàn)象產(chǎn)生。

3.3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

當(dāng)煙冷器降溫至75℃和煙熱器降溫至72℃穩(wěn)定運(yùn)行，超低排放系統(tǒng)熱量交換的平衡點(diǎn)從設(shè)計(jì)工況下移至45%負(fù)荷工況甚至更低，系統(tǒng)在可調(diào)負(fù)荷段內(nèi)也基本停用熱媒水輔助加熱蒸汽，表1中所列因消耗蒸汽所增加的機(jī)組煤耗基本被抵消。以全年機(jī)組65%的負(fù)荷率測(cè)算，機(jī)組的供電煤耗將下降2．8g/kWh，能耗降低效果明顯，在目前嚴(yán)峻的外部環(huán)境下有助于提高發(fā)電企業(yè)的整體效益。

4 結(jié)論

近兩年來(lái)，通過(guò)對(duì)超低排放系統(tǒng)實(shí)施降溫運(yùn)行措施，機(jī)組整體供電煤耗較超低排放系統(tǒng)改造前沒(méi)有發(fā)生明顯的上升，在保證環(huán)保排放指標(biāo)符合相關(guān)要求的前提下，公司經(jīng)濟(jì)效益未受到影響，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保和節(jié)能的有機(jī)結(jié)合。同時(shí)，基于長(zhǎng)周期對(duì)煙冷器和煙熱器區(qū)域受熱面跟蹤分析，未發(fā)現(xiàn)受熱面發(fā)生低溫腐蝕的情況，保障鍋爐正常安全運(yùn)行。通過(guò)整套降溫運(yùn)行方案的實(shí)施，目前超低排放系統(tǒng)的整體能耗已降至較低水平，超低排放系統(tǒng)微能耗運(yùn)行基本實(shí)現(xiàn)。

由于大量同類型機(jī)組相繼投用相似技術(shù)路線的超低排放系統(tǒng)，使本文中所述整套降溫運(yùn)行方案在行業(yè)內(nèi)具有推廣的意義，為行業(yè)贏得節(jié)能減排雙贏的良好局面。