寬負荷高效回熱系統應用分析

呂少勝曲海云

(中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司,河北 石家莊 050031)

1 寬負荷高效回熱系統概況

寬負荷高效回熱技術是基于熱力系統回熱原理,其關鍵是機組低負荷時提高給水溫度,從而滿足電網調頻需求以及節能減排的社會需求。通過此技術可達到2個目標:通過設置高參數汽源接入的0號高壓加熱器,擴大機組低負荷給水系統穩定溫度區域的寬度,進而減少冷源損失,提高機組效率;當機組負荷低時,給水溫度提高后,可有效提高部分負荷經過省煤器后的煙氣溫度,并可確保SCR 在寬負荷范圍內處于催化劑高效區的運行,有效防止了在低負荷時脫硝裝置的退出,從而實現節能減排的目的。

在汽輪機發電廠中,通過配置多級回熱系統逐級加熱凝結水和給水,以提高熱力系統循環效率。而回熱效率又與最佳回熱給水溫度密切相關,給水溫度與抽汽的壓力成正比,即抽汽壓力越高,給水溫度越高。目前國內的汽輪機發電廠基本采用滑壓運行模式,伴隨著機組負荷的下降,抽汽壓力隨之下降,導致給水溫度也隨之下降,從而制約了機組整體熱力循環效率。

寬負荷高效回熱系統通過配置0號高壓加熱器,在機組負荷處于80%負荷及以下時,0號高壓加熱器投入運行,可有效提高給水溫度,使其接近最佳回水溫度,提高機組效率。在機組負荷高的時候,由于0號高壓加熱器投入運行時給水溫度升高有限,同時降低機組出力,影響機組滿負荷發電,可在80%負荷以上逐漸將0號高壓加熱器切除。該寬負荷高效回熱系統應用到了國內某1 000 MW 超超臨界燃煤發電機組工程中,機組于2019年4月通過168 h試運行并成功投入商業運行中。該項目汽輪機采用超超臨界參數、一次中間再熱、單軸、五缸六排汽、三背壓、濕冷、凝汽式汽輪機。汽輪機參數為28 MPa/600 ℃/620 ℃,額定給水溫度298.4 ℃,回熱系統采用11級抽汽(0號高壓加熱器+3級高壓加熱器+1級除氧+6級低壓加熱器)。

2 系統關鍵參數確定

高壓汽源的選擇決定著寬負荷高效回熱系統的可行性,工程采用從高壓缸上打孔抽汽作為寬負荷高效回熱系統的高壓汽源的形式,根據主機廠提供的熱平衡圖數據,可知汽輪機高壓缸0段抽汽參數及疏水溫度參數如表1所示。

表1 汽輪機高壓缸0段抽汽及疏水溫度參數

3 熱經濟性分析

在工程設計中,經過與汽輪機廠多次配合,當機組不投入0號高壓加熱器時100%THA、80%THA、75%THA、50%THA 等4 個工況機組主要熱經濟性指標見表2。

表2 不投入0號高壓加熱器機組熱經濟性指標

在實際運行中,當機組負荷處于80%負荷及以下時0號高壓加熱器投入運行,可有效提高給水溫度,使給水溫度接近最佳回水溫度,從而提高機組效率。當0 號高壓加熱器投入時,100%THA、80%THA、75%THA、50%THA 等4個 工況給水溫度分別提高6.1 ℃、21.1 ℃、24.3 ℃、22.2 ℃。假定機組在出力恒定的情況下,機組熱耗分別降低2 kJ/k Wh、21 kJ/k Wh、40 kJ/k Wh、37 kJ/k Wh,節能效果明顯,特別是在80%THA工況及以下,節能效果更加明顯。機組投入0號高壓加熱器后的水溫及熱耗變化情況見表3。

表3 投入0號高壓加熱器后水溫及熱耗變化

伴隨著省煤器入口給水溫度的提升,鍋爐排煙溫度也會相應提高,導致鍋爐效率略有下降。根據鍋爐熱平衡計算結果,當0號高壓加熱器投入80%THA、75%THA、50%THA 等3個工況,鍋爐效率分別下降約0.05%、0.06%、0.10%。綜合考慮熱耗、鍋爐效率的降低,折合到機組發電標準煤耗3 個工況分別下降1.25 g/k Wh、1.29 g/k Wh、1.07 g/k Wh,收益明顯,特別是在75%THA 工況達到最高值。投入0號高壓加熱器后的機組經濟指標值見表4。

表4 投入0號高壓加熱器后機組熱經濟性指標(單臺機組)

從相關的性能實驗和實踐報告中能夠充分看出,在有效利用該系統之后所產生的效益有著巨大的增加,節能效益得到充分的呈現。100%THA、80%THA、75%THA、50%THA 等4個 工況煤耗值分別降低0.07 g/k Wh、1.25 g/k Wh、1.29 g/k Wh、1.07 g/k Wh。機組熱耗及煤耗值明顯下降,項目運行成本得到了極大的減少。從表4可以看出,機組投入0號高壓加熱器后從全廠熱效率角度綜合考慮,每臺機組年節約成本約410.7萬元,節能效果明顯。

4 減排效果分析

4.1 脫硝設計選擇

依據本工程設計煤種,脫硝工藝采用選擇性催化還原脫硝工藝(SCR)法,入口NOx濃度按300 mg/m3(6%O2)考慮,每套脫硝裝置處理煙氣量為每臺鍋爐BMCR 工況下100%的煙氣量。脫硝效率按不小于85%設計,催化劑“2+1”布置。脫硝裝置不設置煙氣旁路和省煤器高溫旁路系統。

4.2 脫硝溫度要求

由于鍋爐燃燒和SCR 催化反應過程中會產生SO3,當SCR 溫度較低時,煙氣中的SO3會與NH3反應造成催化劑表面銨鹽沉積問題,覆蓋催化劑有效活性面積,使系統性能受到影響,反應方程式如下:NH3+SO3+H2O→NH4HSO4;2NH3+SO3+H2O→(NH4)2SO4;故機組運行中要限制運行溫度:最高運行溫度430 ℃,最低運行溫度320 ℃。受物理化學因素的限制,故本項目要求最低噴氨溫度320 ℃以上。而運行溫度與催化劑反應溫度關系不大,主要還是受煤質因素的影響,且難于改變。所以只能通過提高低負荷工況下的反應器入口溫度來改善。

本工程通過設置0號高壓加熱器,機組在不同負荷下平均給水溫度能維持基本不變。因而在低負荷下,給水溫度相對顯著提高,省煤器出口煙氣溫度亦相對升高,即使在最低負荷下進入脫硝系統反應器的入口煙氣溫度仍然能確保大于320℃,使催化劑安全運行,從而使脫硝系統(SCR)在最低穩燃以上負荷范圍內不再需要退出運行,大大提高了脫硝系統的利用率,顯著提升了機組的環保水平,減少了排放量。

從實驗中能夠看出,在具體的操作環節有針對性的投用,應用脫銷裝置SCR,在負荷大于50%THA時有效運行并呈現出更顯著的效益,更大程度上實現節能高效。在50%THA 負荷工程下,實際給水溫度提高22.2℃。因此,在設置寬負荷高效回熱系統后給水溫度將大幅提升,低負荷工況下SCR裝置入口的排煙溫度也將明顯提高,基本能滿足最低穩燃負荷以上噴氨運行的要求。

4.3 污染物減排收益

根據本工程煤質資料和熱力平衡計算得出本工程省煤器出口煙氣成分構成為14.56%CO2、0.093 9 %SO2、72.59%N2、2.5%O2、10.26%H2O、BMCR工況省煤器出口煙氣溫度372 ℃、脫硝裝置入口NOx濃度300 mg/m3,SCR 裝置效率85%,50%BMCR工況下脫硝裝置入口的煙氣量為388.71 m3/s(干煙氣量),根據以上數據計算得出全年能減排NOx計90 t,節省排污費用11.3萬元/年。

5 投資收益分析

寬負荷高效回熱系統主要投資包括100%容量0號高壓加熱器、0號抽氣管道上的調節閥、隔離閥、止回閥及高溫高壓管道。根據設備、管道招標情況統計:單臺機組需增加1套0號高壓加熱器628.2萬元,配套的高溫高壓危機疏水調節閥、水側、汽側氣動隔離閥等一套共計132萬元,1套電氣、控制費用20萬元,1套管道、閥門及支吊架76萬元,總投資增加856.2萬元。收益為提升部分負荷工況熱經濟性所帶來的收益410.7 萬(每臺機組)、排污費用收益11.3 萬元/年(每臺機組)。根據以上投資增加、收益計算,設置寬負荷回熱系統,本工程每臺機組增加投資總計856.2萬元,總收益422.0 萬/年,靜態投資回收期約為2.1年。

6 結束語

工程設置了寬負荷高效回熱系統利用汽輪機高壓抽汽,通過設置0號高壓加熱器,提高機組部分負荷工況的給水溫度,使給水溫度接近最佳回熱溫度,增加熱力系統回熱量,可改善熱力循環效率,降低機組供電煤耗。當機組負荷低時,省煤器中水溫下降,導致煙氣溫度也下降,脫硝裝置只能退出。給水溫度提高后,可有效提高部分負荷時鍋爐側經過省煤器后的煙氣溫度。可確保SCR 在寬負荷范圍內處于催化劑的高效區運行,防止了在低負荷時脫硝裝置退出,提高了機組環保水平,具有節能減排的示范意義,同時具有較高經濟性。