某300MW機組20%TRL工況寬負荷脫硝技術改造方案探討

楊 坤，申偉偉，王 羽

(1.北京國電智通節能環保科技有限公司，北京 100053；2.國家電投集團中電神頭發電有限責任公司，山西 朔州 036011)

隨著電網容量的增加和用電結構的變化，電網峰谷負荷差值逐漸增大，對調峰電源的需求也逐漸升高。大容量機組在我國各大電網占有的比例越來越大，因而大容量機組參與調峰運行已成必然趨勢。提高火電機組的靈活性，為國內清潔能源讓路，在保證電網穩定運行的前提下，燃煤機組要求鍋爐在機組≤30%額定負荷條件下能夠穩定運行，同時降低鍋爐出口NOX的排放值。提高電廠鍋爐投運穩定靈活性，實現深度調峰(低負荷運行)，快速啟停，爬坡能力加強。火力發電廠“超低負荷靈活性穩定運行”改造工作勢在必行[1-3]。

本文所分析機組是哈爾濱鍋爐廠有限公司設計制造的配300MW汽輪發電機組的亞臨界參數、一次中間再熱、自然循環汽包爐，采用平衡通風、四角切圓燃燒方式，設計燃料為褐煤。本文以20%TRL目標進行脫硝系統改造方案的分析和探討。

1 寬負荷脫硝改造方案

20%TRL試驗期間，SCR入口煙溫在292℃，故需要考慮對SCR系統進行全負荷脫硝研究。通常SCR裝置的最佳反應溫度范圍為300～400℃，對于特定的裝置，催化劑的設計溫度范圍稍有變化，通常按照鍋爐正常負荷的省煤器出口煙溫設計，當鍋爐低負荷運行時，省煤器出口煙氣溫度會低于下限值，無法滿足脫硝裝置的溫度要求。寬負荷脫硝技術一般分為兩類：(1)催化劑改造為低溫催化劑，使得催化劑能夠滿足低負荷時煙氣溫度的運行要求；(2)提高進入SCR煙氣的溫度，控制機組在任意負荷下反應器中煙氣溫度均在300～400℃之間。目前低溫催化劑僅存在于實驗室階段，本本主要討論提高SCR入口煙氣溫度的方法，采取的改造方案主要有以下幾種：(a)簡單水旁路方案；(b)省煤器熱水再循環；(c)煙氣旁路方案。

1.1 簡單水旁路

該方案是通過在省煤器進口集箱之前設置調節閥和連接管道，將部分給水短路，直接引至下降管中，減少流經省煤器的給水量，從而減少省煤器從煙氣中的吸熱量，以達到提高省煤器出口煙溫的目的。

方案的改造范圍：

需要設置的管道旁路包括：冷熱水混合器，調節閥，截止閥，止回閥，新增原給水管道至下降管之間的給水管道，管道支吊架，其他疏水設置等。

1.2 省煤器流量置換方案

該方案是在省煤器簡單水旁路的基礎之上進一步發展的方案。第一部分也是通過在省煤器進口集箱之前設置調節閥和連接管道，將部分給水短路直接引至下降管中，減少流經省煤器的給水量，從而減小省煤器從煙氣中吸熱量。第二部分再通過熱水再循環系統將省煤器出口的熱水再循環(增加泵)引至省煤器進口，提高省煤器進口的水溫，降低省煤器的吸熱量，提高省煤器出口的煙氣溫度。

方案需要改造的范圍：

方案在冷熱水混合器，調節閥，截止閥，止回閥，新增原給水管道至下降管之間的給水管道，管道支吊架，其他疏水設置等的基礎之上，增加了一套省煤器再循環系統，包括：再循環泵，壓力容器罐，調節閥，截止閥，止回閥，以及相應的疏水系統。

1.3 煙氣旁路方案

本方案是通過設置一個煙氣旁路將高溫煙氣直接引入SCR入口處與省煤器出口的低溫煙氣混合，提高SCR入口煙溫的方案。該方案設置簡單，該方案一般用于雙煙道以及有施工條件的機組。

方案改造范圍：

包括鍋爐增加的旁路煙道，原煙道的拆除，關斷閥、膨脹節調節擋板、支吊SCR基礎鋼架的校核與加固，增加吹灰器，平臺扶梯等。

該方案通過在轉向室的兩側的煙道上開孔，抽走一部分煙氣引至SCR入口煙道處，在低負荷下，通過抽取較高溫度的煙氣與省煤器出口過來的煙氣混合，使低負荷下SCR入口處的煙氣溫度提高。煙氣旁路方案會使再熱汽溫有所降低。煙氣從煙氣轉向室處旁路方案從轉向室抽取煙氣的原因是此處煙溫較高以及抽取的煙氣量比較合適，通過計算得出，從轉向室需要抽取10%左右煙氣，若從尾部豎井煙道的其他位置抽取，所需的煙氣量較大，通過阻力平衡以及擋板很難調節所要的煙氣量通過旁路，從而達不到效果，另外，從更高煙溫處抽取煙氣，一方面會影響高溫受熱面吸熱，另一方面煙氣混合不均時的影響更大，因此一般選擇在轉向室處。

2 各方案評價

2.1 省煤器簡單水旁路方案

改造效果上：本方案高低負荷下可以提高SCR入口煙溫10℃左右，改造后在75%TRL負荷以上可以維持SCR入口煙溫在315℃以上，在50%TRL負荷可以提高SCR入口煙溫10℃，根據目前電廠省煤器出口煙溫來看，在20%TRL下，煙氣溫度勉強達到300℃。

安全可靠性上：通過旁路省煤器的給水，可以提高省煤器出口煙溫10℃左右，此時，省煤器懸吊管的溫度仍然有一定的過冷度，完全可以保證省煤器的安全。即在保證省煤器懸吊管溫度有過冷度的前提下，低負荷下可以提高省煤器出口煙溫10℃左右。

工程投資及復雜性：

工程投資小，系統簡單，安全可靠。總投資在300萬左右。

應用調研情況：

目前國內采用簡單水旁路方案改造成功的業績較少，如國電投平圩電廠，浙能紹興熱電等。實爐試驗的效果與計算值基本一致，在10℃左右。

該方案總投資費用較低，保證省煤器安全的前提下，SCR出口煙氣溫度提升10℃左右。

2.2 省煤器流量置換方案

改造效果上：

可以在50%負荷到30%BMCR負荷之間，通過循環泵循環一部分熱水配合旁路一定流量的給水，能保證省煤器各個負荷下，省煤器出口煙溫達到315℃滿足煙溫要求。

安全可靠性上：

通過循環泵循環一部分熱水配合旁路一定流量的給水，可以使各個負荷省煤器出口煙溫都可以達到315℃以上，此時，省煤器懸吊管的溫度仍然有一定的過冷度，完全可以保證省煤器的安全，同時也滿足目前國內要求的調峰實際情況，另外增加了泵自身的旁路，避免了泵的啟停，保證了泵的安全運行。

工程投資及復雜性：

本方案進一步改善SCR入口煙氣溫度，需要設置一條再循環泵旁路系統，系統穩定可靠，在高負荷下不調節時不會對鍋爐產生影響。投資約1200萬。

對經濟性的影響：

改造后，在高負荷下，不需要泵循環熱水以及旁路給水，因此不會影響到鍋爐正常運行，經濟性跟改造前一樣。在低負荷下，需要泵循環熱水以及旁路部分給水，鍋爐排煙溫度會升高，效率會有所降低。

應用調研情況：

目前國內改造成功的電廠有：沙角C廠、闞山電廠、利港電廠等。實爐運行效果跟理論分析一致，提升溫度可到40℃，運行中投自動，人工不干預。在國家要求深度調峰的大背景下，大多數電廠采用該方案配合低負荷穩燃。

2.3 煙氣旁路方案

通過設置一個煙氣旁路將高溫煙氣直接引入SCR入口處與省煤器出口的低溫煙氣混合，提高SCR入口煙溫。

改造效果上：

根據同類機組，采用煙氣旁路方案鍋爐在低負荷下最多可以提升SCR入口煙溫20℃。旁路煙道的煙氣量時根據旁路煙道的阻力和原主煙道阻力平衡得出的，在實際工程中對于單煙道鍋爐，不經過調節的話往往主煙道的阻力并不足以讓通過旁路煙道的煙氣量達到理論值，因此調節效果不理想，單煙道若增加擋板，增加施工和成本。

安全可靠性上：

旁路煙道在不用時是關閉的，當長時間不用時，關閉閥上會積滿灰，等需要用時，存在關斷閥打不開的現象。很多煙氣旁路工程應用不好的原因在于，現場的結構讓旁路的高溫煙氣和省煤器出口的低溫煙氣不能混合均勻，導致局部煙氣溫度高，而局部煙氣溫度低，局部過高的煙氣可能導致SCR催化劑燒結失效。這對于機組是十分不利的。因此該方案一般用于雙煙道以及有施工條件的機組。

工程投資及復雜性：

整個方案設置一個或者兩個煙氣旁路通道，在旁路煙道中安裝膨脹節、關斷閥以及調節閥。

對經濟性的影響：

方案三改造后對鍋爐經濟性在高負荷完全關閉關斷閥不考慮煙氣泄漏的情況下不影響，在低負荷下打開旁路煙道，讓高溫煙氣與省煤器出口的低溫煙氣直接混合，提高SCR入口煙氣溫度，因此鍋爐效率降低。

應用調研情況：

目前國內改造成功的電廠有：潮州電廠以及北方一些機組。方案評價：煙氣旁路方案適用于雙煙道爐型，同時該方案實施后存在幾個問題：1)旁路煙道的關斷閥如果長期不用，可能導致卡死打不開。2)旁路煙道不能完全關死，存在一定的漏氣量。3)旁路煙道后，冷熱煙氣混合不均勻，可能導致較高負荷下SCR局部催化劑燒結。鑒于這幾點考慮，一般不推薦旁路煙道方案。

3 結論與探討

改造效果對比如表1。

表1 寬負荷脫硝方案對比

在火電機組低負荷運行越來越成為常態的背景下，超低負荷下鍋爐SCR入口煙溫達不到脫硝設備安全投運的煙溫要求，影響機組的安全溫度運行。為此，針對該300MW機組寬負荷脫硝進行研究，形成如下結論：

從調節煙溫的效果和改造效果上來看，煙氣旁路、省煤器熱水再循環方案均能提升SCR入口煙溫20～30℃。

煙氣旁路方案對機組的改造適應性有缺陷，主要表現在：(1)尾部煙道為單煙道，旁路煙道的煙氣量不能滿足要求，如果加裝擋板調節存在較大的布置和施工困難；(2)采用煙氣旁路方案對高低溫煙氣的混合，后期的安全運行和運行維護的可靠性均存在安全缺陷。高負荷煙氣混合不好容易使催化劑燒結；(3)煙氣擋板長時間不用容易發生卡塞，尤其目前運行低負荷少時；(4)旁路煙道存在漏煙，不能完全關斷，在高負荷時影響鍋爐爐效。

省煤器熱水再循環方案系統方案復雜，提升煙溫效果好，但是該方案投資較大，選取進口循環泵和進口閥門安裝周期較長，同時投資額在1000萬以上，因此不推薦熱水再循環方案。

簡單水旁路方案是省煤器熱水再循環方案的一部分，該方案提升煙溫效果在10℃左右，總體改造方案實施簡單，投資較少在300萬左右。

考慮到目前機組在20%負荷工況下的實際煙溫在292℃，距離300℃煙溫差距在10℃以內，從技術方案的角度和投資效果來說，推薦簡單水旁路方案作為深度調峰的脫硝改造方案。