基于彈性回熱技術的低負荷SCR脫硝系統性能研究

李 勵

(上海外高橋第三發電有限責任公司，上海 200137)

基于彈性回熱技術的低負荷SCR脫硝系統性能研究

李 勵

(上海外高橋第三發電有限責任公司，上海 200137)

分析了低負荷下給水溫度降低是導致SCR脫硝系統退出運行的關鍵因素，研究了基于彈性回熱技術的低負荷SCR脫硝系統性能。理論分析、仿真計算和綜合評估表明彈性回熱技術能夠提高低負荷下給水溫度，保證SCR正常運行。同時能夠提高機組經濟性，且負荷越低，煤耗收益越大；還帶來改善低負荷下直流鍋爐水動力特性、提高穩燃性能和燃燒效率、提高機組調頻性能等諸多收益。

低負荷；SCR脫硝；彈性回熱技術

氮氧化物(以下簡稱NOx)是酸雨形成的重要因子，是生成臭氧和光化學煙霧的重要前體物之一，也是形成區域超細顆粒(PM2.5)污染和灰霾的重要原因[1]。近年來隨著我國大范圍內灰霾天氣的集中爆發，減排成為環保工作的突出重點。燃煤電廠作為NOx的重要排放源，大部分采用選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝技術[2]來降低NOx的排放濃度。該技術的特點是脫硝催化劑有一定的溫度窗口，若煙氣低于一定溫度則SCR系統退出運行[3]。

另一方面，在全球二氧化碳減排的大形勢下，電網中風能、太陽能等新能源所占比例不斷提高，燃煤火電由帶基礎負荷變為調節負荷的主力，低負荷運行難以避免。而通常低負荷下鍋爐省煤器出口煙溫太低，導致SCR系統退出運行，造成嚴重的NOx排放污染，是一個世界性難題[4]。

面對SCR低負荷退出運行問題，傳統的解決方法[5]有：省煤器煙側旁路，水側旁路和省煤器分級布置等。其中煙側和水側旁路方案均會提高鍋爐排煙溫度，但降低了機組經濟性，且水側旁路方案還存在省煤器出口沸騰的危險。省煤器分級布置方案對于已建成機組改造量和成本偏高。

本文通過原理分析、仿真計算和綜合評估，研究了文獻[6]提出的基于彈性回熱技術的低負荷SCR脫硝系統性能，為解決低負荷下鍋爐SCR脫硝退出問題和其他一系列問題提供參考。

1 低負荷下鍋爐運行問題分析

低負荷下SCR脫硝系統退出運行，直接原因是省煤器出口(SCR催化劑進口)煙溫過低。而究其原因，一方面是由于省煤器進口煙氣溫度較低，更為重要的是低負荷下省煤器進口水溫過低。由于目前燃煤機組普遍采用多級抽汽給水回熱系統，省煤器進口水溫由末級高壓加熱器抽汽壓力決定，根據弗留格爾公式：

(1)

式中D1，0，D0——變工況前、后的級組通流量，kg/s；p1，0，p1——變工況前、后的級組前壓力，MPa；p2，0，p2——變工況前、后的級組后壓力，MPa；T1，0，T1——變工況前、后的級組前溫度，K。

(2)

由式(2)可以看出，負荷降低，汽輪機通流量降低，則各級抽汽壓力隨之近似線性降低，末級抽汽壓力的降低直接導致末級高加出口給水溫度顯著下降。以外三1 000 MW超超臨界汽輪機為例，負荷從100%降低至40%時，給水溫度從293℃降低至237℃。事實上，低負荷下鍋爐省煤器進口給水溫度下降除了會導致SCR退出運行，還有一系列不利影響。如：

(1) 直流鍋爐低負荷下水動力問題惡化。省煤器進口水溫低，從而出口水溫低，則水冷壁入口欠焓過大，導致水動力問題惡化。

(2) 鍋爐穩燃性能和燃燒效率下降。空預器進口煙溫降低，出口熱一、二次風溫度降低，熱一次風溫降低導致制粉系統干燥出力下降，熱二次風溫下降導致鍋爐穩燃性能及燃燒效率下降。

(3) 熱力系統循環效率下降。根據卡諾循環原理，低負荷下，在主蒸汽溫度不變的條件下，給水溫度下降導致平均吸熱溫度降低，熱力系統循環效率下降。

由上述分析可見，低負荷下鍋爐運行的諸多問題都與給水溫度過低有關，若能夠提高給水溫度，則能夠有效解決上述問題。

2 彈性回熱技術的理論分析

2.1 基于廣義回熱理論的彈性回熱技術

文獻[7中的]廣義回熱理論將汽輪機抽汽回熱的視角從經典回熱理論中單一的汽水系統拓展至了整個電廠熱力系統甚至更廣，使回熱介質從單一的給水拓展至水、風、煤等，打開了火電廠進一步提升機組效率的瓶頸，其理論原理圖如圖1所示。

圖1 廣義回熱理論原理

基于廣義回熱理論，包括彈性回熱技術的一系列技術被研發應用。彈性回熱技術是在原有的不可調抽汽回熱系統的基礎上，于高壓缸上增設一級壓力更高的抽汽并增設一個附加給水加熱器，將做過功的一部分蒸汽通過增設的抽汽管道引至該附加給水加熱器，用以補充加熱鍋爐的給水，并在增設的抽汽管道上安裝抽汽調節閥門，在通常的負荷變化范圍內保持抽汽調節閥后的壓力基本不變，從而達到維持給水溫度基本不變的目的，其原理圖和系統圖如圖2所示。

圖2 彈性回熱技術的原理和系統圖

該技術的一個顯著特征是在滿負荷工況下，附加給水加熱器抽汽量基本為零，而隨著負荷的逐步降低，其抽汽量將不斷增加，負荷越低，抽汽量越大，直至調節閥全開為止。

2.2 彈性回熱技術對汽輪機熱力系統的影響分析

現代火電廠機組，特別是大容量超(超)臨界機組，普遍采用的是基于朗肯循環的一次再熱或兩次再熱、多級回熱加熱的復雜熱力循環。以外三兩臺1 000 MW超超臨界機組為例，采用了“三高四低一除氧”的八級回熱，額定負荷下給水溫度為293℃，其熱力循環T-S圖如圖3所示。

圖3 外三機組熱力循環T-S圖

推導可得循環效率ηi對回熱級數的函數[8]：

(3)

當循環參數一定時，M為定值，由式(3)可知，ηi是z的遞增函數，也是收斂函數，也就是說，ηi隨著z的增加而增加，但增加的幅度不斷減小。

彈性回熱技術是在原末級高壓回熱加熱器后增加一級可調節的回熱加熱器，實質上增加了回熱級數，此時相當于變成了“四高四低一除氧”的九級回熱加熱系統。因此可以判斷，彈性回熱技術能夠提高循環效率，同時會引起機組汽耗率增加。

2.3 彈性回熱技術對SCR和鍋爐系統的影響分析

分析省煤器進口水溫升高對換熱量的影響，根據傳熱學知識，煙氣和給水換熱量可以寫成：

Q=kA(tg-tw)

(4)

式中k——煙氣與水的換熱系數；A——換熱面積；tg，tw——煙氣平均換熱溫度和水側平均換熱溫度。

在其他條件不變的情況下，入口水溫升高，會使水側平均換熱溫度tw升高，則煙氣和水的換熱溫差tg-tw減小，導致換熱量Q減小。

此時以煙氣為研究對象，根據熱力學知識換熱量可以寫作：

Qg=Q=Ggcp，g(tg，in-tg，out)

(5)

可以得到省煤器出口煙溫的表達式：

tg,out=tg,in-Q/(Ggcp，g)

(6)

式中Gg——煙氣的流量；cp，g——煙氣的定壓比熱容；tg，in——省煤器煙氣進口溫度；tg,out——省煤器煙氣出口溫度。

當換熱量Q減少，Gg、tg，in和cp，g不變，此時tg，out必然變大，也就是說省煤器出口煙溫上升，SCR反應器入口煙溫上升，這對于低負荷下SCR的運行是有利的。

同理分析可知，空預器進口煙溫升高導致煙氣側平均換熱溫度tg升高，所以換熱量增大，空氣側出口溫度ta,out增高，煙氣出口溫度tg,out也相應增高。而空預器出口煙溫的升高，意味著鍋爐排煙熱損失增加。

3 彈性回熱技術的仿真計算

為了對彈性回熱技術對機組經濟性的影響和對SCR脫硝系統的影響進行定量研究，需要分別對帶彈性回熱技術的汽輪機熱力系統和鍋爐煙風系統進行仿真計算。

3.1 帶彈性回熱技術的汽輪機熱力系統仿真計算

在原有的汽輪機熱力系統上增加彈性回熱加熱器，是典型的變工況，需要進行迭代計算。凝汽式汽輪機的熱力系統變工況計算實質就是確定新的汽輪機汽態膨脹過程線。一旦新的過程線確定，便可確定高中低壓缸進汽參數、凝汽參數以及抽汽參數，進而可以對各回熱加熱器求解，得出加熱器進出口水溫、抽汽流量和疏水溫度等一系列參數，最終得出汽輪機組和全廠的熱經濟指標。帶彈性回熱技術的外三機組原則性熱力系統如圖4所示，按照上述思路對該系統進行仿真迭代計算。

圖4 帶彈性回熱技術的外三機組原則性熱力系統圖

分別計算40%、50%和80%三個負荷工況下，有無彈性回熱技術的汽輪機給水溫度和熱耗，得到曲線如圖5所示。

圖5 40%、50%和80%負荷工況下有無彈性回熱技術的汽輪機給水溫度和熱耗

由圖5可以看出，使用彈性回熱技術后，給水溫度在50%到100%負荷區間內能夠保持在額定負荷水平即293℃，至50%負荷以下開始下滑，但在40%負荷仍在275℃以上。

同時，彈性回熱技術在不同負荷率下均能降低汽輪發電機熱耗，且負荷越低，熱耗相對降低越多。計算表明使用彈性回熱技術后，500 MW功率下汽輪發電機組熱耗率由7 658 kJ/kWh變為7 601.7 kJ/kWh，下降了56.3 kJ/kWh。

3.2 鍋爐煙風系統仿真計算

分析可知，彈性回熱技術提高了省煤器進口水溫，對鍋爐傳熱的影響主要體現在省煤器和空預器上，而對于鍋爐爐膛內的水冷壁和對流受熱面等影響很小，可以不予考慮。因此需要進行鍋爐煙風系統仿真計算，重點計算省煤器和空預器的傳熱變化情況，此處把實際的三分倉空預器簡化為二分倉模型，即一次風和二次風合并為風側，不影響空預器出口煙溫的變化分析。

仿真計算的思路是先根據已有的邊界條件，校核計算省煤器和空預器的換熱系數和面積的乘積kA。然后在省煤器進口水溫提高的條件下，迭代計算新的出口煙溫，即可得到使用彈性回熱技術后SCR系統入口煙溫。空預器則在新的進口煙溫條件下，迭代計算新的出口煙溫和風溫。

使用彈性回熱技術后，40%、50%和80%三個負荷工況下，鍋爐省煤器出口煙溫和水溫變化曲線如圖6所示。

圖6 使用彈性回熱技術后不同負荷工況下省煤器出口煙溫和水溫

從省煤器出口煙溫的變化可以看出，在原工況下，負荷低于50%時省煤器后煙氣溫度低于320℃，此時SCR系統不得不退出運行。使用了彈性回熱技術之后，一方面，負荷從100%下滑至40%的過程中，省煤器出口煙溫下降的速度明顯減緩，各個負荷下出口煙溫均有不同程度的升高，這意味著其他條件不變時，整個負荷區間內的SCR運行效率都將得到提升。另一方面，負荷降至40%時省煤器出口煙溫仍有接近340℃，高于SCR最低運行溫度約20℃，完全能夠保證SCR正常運行不退出。也就是說，帶彈性回熱技術的SCR系統實現了部分負荷下特別是低負荷下穩定高效運行的目標。同時，省煤器出口水溫也有不同程度的提高，經校核，變工況后的省煤器出口水溫仍低于省煤器出口壓力對應的飽和水溫10℃以上，并不存在發生沸騰的危險。

省煤器迭代計算完成后，出口煙溫作為空預器進口煙溫條件，進行空預器迭代計算，得到40%、50%和80%三個負荷工況下，空預器出口煙溫和風溫變化曲線如圖7所示。

圖7 使用彈性回熱技術后不同負荷工況下空預器出口煙溫和風溫

從圖7中可以發現，使用彈性回熱技術后，在空預器進口煙溫升高的條件下，空預器出口煙溫也相應升高，且負荷越低，出口煙溫增加量越大。同時，出口熱風溫度也得到提高，這意味著省煤器減少的換熱量，一部分被熱風吸收重新進入鍋爐，剩下的被鍋爐排煙帶走，成為增加的熱量損失。考慮到目前低溫省煤器已在火電廠得到了較多的應用,該裝置可以回收相當比例的煙氣廢熱，所以上述由空預器出口煙溫上升導致的排煙損失可以被低溫省煤器加以利用,進一步提高機組經濟性。若機組應用了中溫省煤器這樣更高效的煙氣廢熱回收裝置(如外三)，則上述排煙損失可以被降低至忽略不計。

4 基于彈性回熱技術的低負荷SCR脫硝系統性能綜合分析

4.1 彈性回熱技術對機組煤耗的影響

綜合前述計算結果來看，彈性回熱技術能夠有效保證SCR系統低負荷下的穩定高效運行，提高了汽輪發電機組的效率，但同時降低了鍋爐效率，所以分析彈性回熱技術對于整個電廠經濟性的綜合影響時需要同時考慮這兩個因素。

火電廠供電煤耗能夠反映整個機組性能，設汽輪發電機組的熱耗為HR，鍋爐效率為ηb，管道效率為ηc，廠用電率為K，則機組供電煤耗bs的計算式為：

(7)

根據該公式，把有無彈性回熱技術時的機組熱耗和鍋爐效率(不考慮煙氣余熱回收)帶入計算，得到機組供電煤耗如表1所示。

表1 有無彈性回熱技術的鍋爐效率和供電煤耗

從表1中數據可以看出，彈性回熱技術降低了汽輪發電機組的熱耗，在不考慮煙氣余熱回收的前提下，排煙損失也有所增大，但是總的效果是降低了機組供電煤耗。也就是說，彈性回熱技術在保證了SCR低負荷下穩定高效運行的同時，還提高了機組的凈效率，即降低了機組煤耗，且負荷越低，降低煤耗量越大，也就是說負荷越低越經濟。

4.2 彈性回熱技術對機組的其他收益

彈性回熱技術對機組的重要影響之一是改善水冷壁低負荷下的水動力特性。理論分析和鍋爐省煤器變工況計算均表明，采用彈性回熱技術后，省煤器出口水溫升高，水冷壁入口給水欠焓減少，且負荷越低欠焓減少的幅度越大，所以彈性回熱技術對于低負荷下鍋爐水冷壁的水動力的穩定性是有利的。

其次，空預器計算結果表明使用彈性回熱技術后，進入鍋爐爐膛的一次風溫和二次風溫均升高，一次風攜帶煤粉進入鍋爐，一次風溫升高有利于提高制粉系統的干燥出力，加快煤粉顆粒進入爐膛后的著火和燃燒過程，對避免低負荷水冷壁結焦有利。二次風溫升高則改善了鍋爐低負荷下的燃燒條件，對提高鍋爐燃燒效率有利。

另外，彈性回熱技術在火電機組調頻方面也有很大作用。在機組需快速加(減)負荷時可使用抽汽調節閥快速減少(增加)抽汽量予以響應，待鍋爐熱負荷跟上后，再進行反向調節，最終仍滿足平均給水溫度不變。結合凝結水調頻技術，可使汽輪機主調門全開，補汽閥全關，機組調頻性能和變負荷經濟性顯著提高。同時，該調頻方法的安全性遠勝于傳統的汽輪機調門調節方法。

5 結論

對基于彈性回熱技術的低負荷SCR脫硝系統性能，通過原理分析、仿真計算和綜合評估的方法進行研究后，可以得到以下結論：

(1) 基于廣義回熱理論的彈性回熱技術通過提高低負荷下鍋爐給水溫度的方法提高了省煤器出口煙溫，保證了SCR系統在低負荷下安全高效運行。在經濟性方面，彈性回熱技術顯著降低了汽輪機熱耗，且負荷越低，降低越多；雖然鍋爐排煙溫度有所上升，若無煙氣余熱回收裝置，則鍋爐效率亦略有下降，但因汽輪機熱耗的降低值顯著高于排煙損失的增量，故其綜合后的機組供電煤耗仍降低，且負荷越低，相對降低越多。

(2) 低負荷下SCR脫硝系統退出運行是低負荷下鍋爐運行所面臨的一系列難題之一，其關鍵在于低負荷下給水溫度過低。彈性回熱技術可以把低負荷下給水溫度維持在額定負荷水平，不僅解決了低負荷SCR退出問題，還對低負荷下鍋爐水動力特性、燃燒穩定性和效率，機組調頻性能方面有顯著好處。

[1] 劉建民, 薛建明, 王小朋. 火電廠氮氧化物控制技術[M]. 北京: 中國電力出版社，2012.

[2]FORZATTI P. Present status and perspectives in de- SCR catalysis[J]. Applied Catalysis A,2001，222: 221-236.

[3]FORZATTI P, NOVA I, TRONCONI E, et al. Effect of operating variables on the enhanced SCR reaction over a commercial V2O5-WO3/TiO2catalyst for stationary applications[J]. Catalysis Today, 2012，184: 153-159.

[4]FENG Wei-zhong. Developing green, highly efficient coal-fired power technologies. [C].Proceedings of the ASME 2015 Power and Energy Conversion Conference 2015,California.

[5]馮偉忠. 環保部關于外三節能環保技術的專題調研會上的報告[R], 2012.

[6]馮偉忠.一種用于汽輪發電機組的可調式給水回熱系統：中國，CN201110459533.2[P]．2012-7-4．

[7]FENG Wei-zhong. The high-efficiency and clean combustion of coalbased on generalized regeneration[R].Beijing:The 8th international symposium on coal combustion, 2015.

[8]嚴俊杰,黃錦濤,張 凱，等. 發電廠熱力系統及設備[M].西安:西安交通大學出版社，2003.

(本文編輯：楊林青)

電力簡訊

《國家電力示范項目管理辦法》發布

11月22日，國家能源局在其發布的《國家電力示范項目管理辦法》中確定了示范內容，對示范項目的申請、評估優選以及審批、實施、政策、后評估考核以及示范技術推廣應用等9個方面做出要求，旨在充分發揮能源技術創新的引領作用，推進電力行業高效清潔、綠色低碳發展，加強電力(含火電、電網、系統儲能項目)示范項目管理。

在示范項目的申請方面，計劃單列企業集團和中央管理企業根據國家能源局確定的示范項目內容，經商項目所在地省級政府能源主管部門后，向國家能源局提出擬參與的示范項目申請。其它企業通過項目所在地省級政府能源主管部門提交示范項目申請。企業(含主機廠和設計院)聯合申請的同一示范內容的項目，不得重復申報或多頭申報。

項目單位須提交示范項目實施方案，具體內容包括：示范項目概況、工程技術方案、示范內容研究報告、項目單位相關工作基礎及業績、項目實施方案以及知識產權管理等內容。

在示范項目評估和優選方面規定，示范項目評估和優選除必要的條件論證外，還需從技術方案、規劃布局、產業政策、行業發展等方面嚴格論證項目的整體可行性及示范作用，禁止借示范之名變相投資新建電力項目。

(本刊訊)

Performance of a Low-Load SCR De-NOx System Based on the Flexible Feedwater Regeneration Technology

LI Li

(Shanghai Waigaoqiao No.3 Power Generation Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

This paper analyzes that the low feedwater temperature is the key factor of SCR quitting operation under low load. The performance of a low-load SCR De-NOx system is researched based on the flexible feedwater regeneration technology. Theoretic analysis, simulation calculation and comprehensive evaluation indicate that the flexible feedwater regeneration technology can ensure the operation of SCR system under low load and improve the unit efficiency at the same time. The lower the load is, the larger the coal consumption benefit is. In addition, this technology can improve the hydrodynamic instability of once-through boiler, the combustion stability and efficiency, and the frequency control performance of the unit.

low load; SCR De-NOx; flexible feedwater regeneration technology

10.11973/dlyny201606016

李 勵(1991)，男，碩士，助理工程師，從事發電企業節能減排技術研發和維護工作。

X773

A

2095-1256(2016)06-0740-06

2016-10-15