660MW超超臨界機組給水提溫適應寬負荷脫硝運行的可行性研究

李軍　王燕山　姚凱

摘要：如何在低負荷下保持脫硝系統入口煙溫是影響煤電機組深度調峰的一個關鍵問題，鑒于此，提出一種基于高效壓力混配裝置的低負荷給水提溫技術，利用低過高品質蒸汽引射一抽蒸汽后送入#1高壓加熱器，從而提升給水溫度，達到減少省煤器區域吸熱量，提高省煤器出口煙氣溫度的目標，滿足了煤電機組低負荷工況脫硝安全運行要求。

關鍵詞：給水提溫;寬負荷;混配

中圖分類號：TK267? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）06-0051-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.06.015

0? ? 引言

習近平總書記在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上提出，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現碳中和。電力行業既是國民經濟的基礎產業，也是碳排放重點行業。雙碳目標的引領帶來了我國電力供應結構的巨大變化，全國能源信息平臺發布數據顯示，2020年全國煤電裝機容量占全部裝機容量的49.07%，煤電占比歷史性首次降至50%以下。目前，我國水電、風電、光伏裝機容量已經穩居世界第一位，隨著“十四五”期間國家大力發展新能源，煤電裝機容量占比將會進一步下降，在清潔低碳、安全高效的電力能源體系建設過程中，煤電的市場定位變為調峰和兜底保供，國家電網也在大力推進煤電機組深度調峰靈活性改造，為光伏發電、風電等新能源提供更大的發展空間。因此，提升機組的深度調峰能力成為當前所有煤電企業生存發展的關鍵環節。

1? ? 設備簡介

蘇晉保德煤電有限公司安裝兩臺660 MW超超臨界低熱值煤空冷發電機組，選用上海鍋爐廠生產的SG2102/29.40-M型超超臨界鍋爐，上海汽輪機廠引進西門子技術生產的ZKN660-28/600/620直接空冷汽輪機，配套上海電機廠生產的QFSN-660-2型水-氫-氫冷卻式發電機。煙氣脫硝、脫硫工程同期建設投運。#1、#2機組分別于2020年12月24日和2021年1月25日移交商業運行。

脫硝系統采用選擇性催化還原（SCR）工藝，脫硝工藝系統按入口NOx濃度300 mg/Nm3、處理100%煙氣量、最終NOx排放濃度不大于45 mg/Nm3、脫硝效率≥85%進行設計，SCR裝置能在入口煙氣溫度300～420 ℃條件下持續安全運行。

為了適應電網深度調峰的要求，結合同類型機組運行情況，公司計劃實現機組深度調峰至30%（198 MW）的運行目標。在電科院深度調峰摸底試驗后得出結論：公司機組無助燃最低穩燃負荷為190 MW（為額定電負荷的28.8%），此負荷下機組各輔機運行正常，各運行參數穩定，汽溫在可調整范圍內，壁溫無超溫問題，高低加疏水正常，脫硫、除塵系統運行正常。機組設備基礎良好，不足之處是SCR入口煙溫低值時到302 ℃，接近SCR裝置入口煙氣溫度運行下限300 ℃，煙溫調整裕量較小，極易在運行中脫硝退出造成環保事故。本廠在基建設計之初已采用兩級省煤器，但在實際運行中，由于實際燃用煤種收到基全水含量、收到基全硫含硫量、干燥無灰基揮發分等均低于設計煤種和校核煤種，機組調至30%～40%額定發電負荷時，SCR入口煙氣溫度在295～302 ℃范圍波動，偏離了最低300 ℃的噴氨煙溫。

脫硝入口煙溫低于300 ℃的最低噴氨煙溫，脫硝系統會被迫停運，造成電廠排放超環保指標，不但拿不到脫硝電價補貼，而且會面臨環保部門的巨額罰款。同時，機組長時間在此溫度下運行，會影響催化劑活性，縮短其使用壽命;且當SCR煙氣溫度較低時，氮氧化物與氨氣反應不充分會生成銨鹽NH4HSO4，造成空預器堵塞，引起風機電耗增大和失速等問題。因此，如何在低負荷下保持脫硝系統入口煙溫是影響保德煤電機組深度調峰的關鍵問題。

2? ? 靈活性改造技術路線

保證SCR脫硝裝置適應機組寬負荷運行，目前主要有兩種技術方案：一種是以提升鍋爐煙溫滿足催化劑要求為手段，主要開展脫硝裝置入口煙溫提升改造，一般集中在省煤器區域的煙氣側和給水側進行改造，目前大部分電廠采用省煤器區域改造方案，省煤器煙氣側改造方案主要采用煙氣旁路技術，省煤器給水側改造方案包括省煤器給水旁路、省煤器熱水再循環、省煤器分級布置[1]，另外還有在汽機房給水系統改造的#0高加方案;另一種是以寬負荷低溫催化劑適應低負荷時煙溫要求為手段，確保催化劑能滿足機組低負荷運行要求，雖然目前適應250～420 ℃條件的寬負荷催化劑在國家能源集團和發電廠有所應用，但這項技術使用很少。

在改造技術路線的選擇上，公司和設計單位進行了充分的醞釀比對：

方案一：省煤器煙氣旁路改造方案主要是采取在尾部煙道加裝煙氣旁路的方式，把高溫煙氣引出來送到SCR系統入口煙道，從而提高低負荷工況時脫硝入口煙氣溫度，旁路煙道上安裝有調節擋板進行煙氣流量的調節。該方案已在同煤蒲州發電分公司、漳澤電力侯馬熱電分公司等工程中使用，方案系統簡單，低負荷時煙溫調節范圍大，但省煤器入口前加裝煙氣旁路相當于減少了煙道中的高溫煙氣量，這樣會減少省煤器吸熱，從而影響汽水系統熱量分配;另外，調節擋板增加了煙氣側阻力，機組高負荷下旁路調節擋板容易變形產生內漏，這些都會對鍋爐效率產生一定影響。

方案二：省煤器給水側改造方案中省煤器分級布置已經使用，但是未達到機組30%額定負荷運行的要求。繼續整改工作量大、費用高、機組停運時間長，故不再考慮。

方案三：省煤器給水旁路改造主要是通過旁路部分給水、減少省煤器吸熱量，從而改變省煤器出口煙氣溫度，在新裝的旁路管道上安裝電動調節閥，各種工況點通過調節省煤器內的水流量提升省煤器出口的煙氣溫度。這種方案已在陽西海濱發電廠、中電投貴溪電廠等工程投入使用，方案系統布置簡潔，只需要增加旁路管道和電動調節閥就行，但旁路水量較多時會造成省煤器內部沸騰現象，工質混合不均勻的情況下會對系統水動力產生影響，所以省煤器旁路的水量不能太大，煙氣溫度調節范圍一般小于10 ℃。另外，機組雙煙道布置時省煤器旁路管道布置困難，這種方案只適用于單煙道機組。

方案四：省煤器熱水再循環方案包括兩個子系統，首先布置一個省煤器給水旁路系統，再疊加一個省煤器給水再循環系統，即從鍋爐省煤器出口靠近集箱出口處與省煤器給水旁路接口點之間的管道上某點引出部分熱水，再用熱水循環泵把熱水送至省煤器入口給水管路靠近省煤器進口集箱處，這樣就可以提高進入省煤器的給水溫度，從而進一步提高省煤器出口煙溫。這種方案在粵電集團沙角C發電廠中已經使用，使用此方案后煙氣溫度可以在0～60 ℃之間調節，完全能夠滿足全負荷脫硝煙溫要求，而且調節精確、快速。但是因為系統復雜，增加高溫高壓下運行的爐水循環泵系統，對泵及閥門的性能要求較高，初投資比較大，對鍋爐效率有一定影響。

方案五：#0高加方案即使用可調節抽汽加熱鍋爐給水技術，在汽輪機高壓缸處選擇一個合適的抽汽點，同時增加一個抽汽可調式給水加熱器。在機組負荷降低時，通過調節閥控制該加熱器的入口壓力基本不變來維持給水溫度基本不變。這種方案在大唐托克托電廠、上海外高橋電廠等項目進行了使用，采用此方案后，在機組負荷變化時能使省煤器出口煙溫保持穩定，使脫硝設備一直在接近最佳工況下運行，而且增設#0高加后對機組整體效率沒有影響。但是這種方案增加設備較多，工程造價大，而且增設#0高加必須在新建或現有機組對高壓缸改造中才能實施。

方案六（采用方案）：通過對現有方案的分析比較，結合現場實際情況，公司從對機組整體效率影響最小的角度出發，提出一種基于高效壓力混配裝置的低負荷給水提溫技術。通過增設高效蒸汽噴射器，利用低過高品質蒸汽引射一抽蒸汽，混合后進入#1高加，提高進汽參數及#1高加進汽量，從而提升給水溫度，達到減少省煤器區域吸熱量，提高省煤器出口煙氣溫度的目的;同時增設高效蒸汽噴射器旁路系統，以保證高效蒸汽噴射器可隨時退出運行。基于高效壓力混配裝置的低負荷給水提溫技術系統如圖1所示。

采用此系統后，可以實現機組脫硝全負荷調節：機組并網時采用低過蒸汽直接減溫減壓的方式進入#1高加，提高#1高加的出水溫度，進而提高鍋爐的給水溫度;當負荷上升到20%～25%時，可以啟用蒸汽混配模式，利用低過蒸汽提高一抽的參數及流量，進而提高#1高加的出水溫度;當負荷升到40%～50%區間時，恢復到原來一抽正常運行模式。系統主要通過低過出口的蒸汽調門來控制，當調門關到最小位置時，一抽恢復到原來的運行模式。本項目設備系統改造簡單，系統可靠性比較高。

3? ? 改造施工和調試

確定改造技術路線后，對計算的低過汽源引出量與上海鍋爐廠設計室進行了交流，確認引出蒸汽量不影響鍋爐運行安全。然后在保德煤電#2機組進行了方案實施，本次改造施工難點如下：

（1）高效蒸汽噴射器選型及布置。高效蒸汽噴射器是本次改造的核心設備，為了達到設計參數，保證運行安全，本項目選用了FISONIC品牌高效蒸汽噴射器，設備布置在汽機房屋頂空曠位置，設計了隔音房以減小運行噪聲。因高效蒸汽噴射器供貨周期長，設計參數確定后需要提前訂貨。

（2）低過蒸汽管道開孔和接引。低過蒸汽管道接引時從左、右側低過蒸汽管道分別接出，合并為一根管道后送往高效蒸汽噴射器，低過蒸汽管道處施工空間狹窄，施工難度較大。本項目采用低過集箱開孔后焊接集管座，然后接引蒸汽管道的方案，所有焊口按規范進行熱處理和射線檢查，保證焊接質量符合電力施工規范要求。

（3）疏水管路布置。本項目所有疏水管路全部接入汽輪機疏水集管后送入汽輪機排汽裝置，保證所有疏水有效回收，整個疏水管路施工現場路線長，布置比較復雜。

施工時首先進行高效蒸汽噴射器布置和中間管路施工（工期約20天），中間部分施工完畢后選取機組臨停的時機進行系統接入（工期5～7天），最后進行系統吹掃和調試投運（工期3～5天），在機組小修期間可以完成。2021年7月22日，保德煤電#2機組發電負荷穩定在（190±5）MW;02：40，給水提溫系統開始投運，高效蒸汽噴射器入口電動調節門緩慢開啟;02：50，高效蒸汽噴射器入口電動調節門開度為30%，此時關閉高效蒸汽噴射器旁路電動閥，高效蒸汽噴射器獨立運行并帶負荷工作，高效蒸汽噴射器出口壓力及溫度開始提高;逐漸開大高效蒸汽噴射器入口電動調節門開度，至03：20高效蒸汽噴射器入口電動調節門全開。系統投運后運行可靠穩定，性能良好。#2機組#1高加出口給水溫度由232.6 ℃提高22.1 ℃至254.7 ℃;SCR反應器平均入口煙氣溫度為329.4 ℃（最高溫度點為341.8 ℃，最低溫度點為318.5 ℃），較改造前SCR反應器平均入口煙氣溫度314.7 ℃（最高溫度點為326.6 ℃，最低溫度點為304.8 ℃）提升了14.7 ℃。#2機組SCR反應器入口煙氣溫度得到大幅改善，機組在同等低發電負荷工況下，寬負荷脫硝能力大幅提升，達到改造預期目標。

4? ? 結論

實施給水提溫適應寬負荷脫硝運行改造后，保德煤電#2機組最低負荷從280 MW（42.4%）降低至190 MW（28.8%），機組深度調峰能力顯著提高，可以有效保障當地電網對風電、太陽能等新能源的吸納能力，減少了棄風棄光的資源浪費。同時，可以進一步增強機組在電力輔助服務調峰市場的競爭力和盈利能力，即使面對山西電力現貨交易市場，在低電價或零電價區段，電廠可以通過報價減少機組負荷90 MW，從而提升機組盈利能力。

實踐證明，給水提溫適應寬負荷脫硝運行是一項方案可行、系統簡單、安全可靠的脫硝裝置入口煙溫提升技術，能夠可靠滿足超超臨界機組深度調峰工況運行參數要求，為SCR脫硝裝置改造提供了新的思路，值得在同類工程中推廣應用。

[參考文獻]

[1] 張廣才，周科，魯芬，等.燃煤機組深度調峰技術探討[J].熱力發電，2017，46（9）：17-23.

收稿日期：2021-12-27

作者簡介：李軍（1975—），男，山西人，工程師，研究方向：電廠設備管理。

姚凱（1976—），男，山西人，工程師，研究方向：鍋爐設備安裝和檢修。

通信作者：王燕山（1980—），男，山西人，高級技師，研究方向：汽輪機設備安裝和檢修。