淺談超臨界機組節能減排的方法

國能孟津熱電有限公司 候金坤

神華國華孟津發電有限責任公司一期2×600MW機組，鍋爐由中國東方鍋爐廠設計制造，全燃煤或燃油混燒，超臨界參數變壓直流爐，單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型鍋爐爐膛水平切面積為19419.2×15456.8mm（寬×深）、鍋爐總高86350mm，頂棚拐點高度73250mm，水平煙道深5486.4mm，后豎井煙道6604×8331.2mm,水冷壁下集箱標高6250mm，超臨界壓力一次中間再熱鍋爐采用旋流式燃燒器，前后墻對沖布置提高機組效率的途徑主要有兩個方面：一是提高蒸汽參數；一是降低排煙溫度。該鍋爐額定工況下主汽壓力設計值為25.73MPa，主再熱汽溫分別為541℃和569℃；受汽輪機設計參數的限制鍋爐設計參數不能進一步提高。但實際運行中為保證機組效率應盡可能使運行參數達到設計值。

排煙溫度偏高不僅直接影響鍋爐效率，還降低電除塵效率和增加脫硫工藝的用水量。對排煙溫度偏高的問題，從機組整體效率考慮降低排煙溫度應首先對鍋爐進行改造，省煤器的換熱系數大，一般情況下只要條件許可進行省煤器改造具有較大的投資收益比。但鍋爐改造（包括省煤器或空預器等）往往受到溫壓及空預器腐蝕、堵塞等的限制，空預器出口溫度不能降低得更低。為提高電除塵除塵效率和減少脫硫工藝的用水量需將排煙溫度降到更低，此時可考慮按有限腐蝕原則布置低溫省煤器來進一步降低排煙溫度[1]。

孟電鍋爐夏季滿負荷實際運行中排煙溫度最高可達到～155℃，冬季滿負荷不投熱風再循環的情況下排煙溫度～115℃，300MW負荷運行時僅～95℃。根據600MW負荷下測試數據，預熱器進風溫度為27℃時鍋爐空預器出口排煙溫度為145℃。從考慮預熱器運行安全性和經濟性的角度考慮，夏季預熱器出口最佳排煙溫度為～115℃（冬季進口風溫低時排煙溫度應更高）。

以孟電#1鍋爐為例，鍋爐年平均排煙溫度額定負荷時為132.8℃，超過機組設計排煙溫度10.8℃，造成鍋爐排煙熱損失較大，其1～12月排煙溫度分別如下。50%THA：97.5/98.5/102.0/112.0/112.0/121.0/1 18.0/115.5/119.5/115.5/106.5/100.5；75%THA：105.5/106.0/109.5/119.5/125.5/133.5/125.5/131.0/130.0/1 25.0/120.5/114.5；100%THA：117.0/113.5/122.0/12 8.0/141.0/143.5/148.0/142.5/138.0/135.5/131.5/133.5。且在冬季機組低負荷存在空預器冷風溫度偏低、硫酸氫銨腐蝕的風險。因此無論從經濟性能還是從環保指標考慮，降低和控制排煙溫度是必要的，有利于降低排煙熱損失、煙氣濃度、空預器腐蝕等[2]。

1 機組節能減排可行性方案前期調研分析

節能降耗是全世界都關注的課題，西方發達國家的能源利用率較高，單位產值所需的能耗比我國低很多，國外燃煤火力發電廠鍋爐煙氣余熱回收的技術和工程實踐以德國和日本為領先代表。

1.1 鍋爐煙氣余熱回收利用的技術和工程應用

回收煙氣余熱加以德國Schwarze Pumpe（黑泵）電廠為代表，低溫省煤器煙氣側布置在電除塵器和脫硫塔之間的煙道上，煙氣流過低溫省煤器，煙氣溫度從170℃降低到130℃后進入脫硫塔；水側布置在汽輪機低壓抽汽回熱系統加熱凝結水。德國Schwarze Pumpe（黑泵）電廠2×800MW鍋爐機組燃用褐煤，煙氣溫度降低了49℃，部分凝結水溫度提高了44℃，低溫省煤器在設計負荷工況的最低傳熱管金屬壁溫高于87℃。

回收煙氣余熱加熱鍋爐進風（低溫省煤器和暖風器組合）。以德國（梅?。㎝ehrum電廠為代表，電廠一臺712MW煙煤鍋爐應用這一系統。低溫省煤器煙氣側布置在電除塵器和脫硫塔之間的煙道上，煙氣流過低溫省煤器，煙氣溫度從150℃降低到90℃后進入脫硫塔；循環水側熱端進入低溫省煤器，冷端進入鍋爐暖風器，將鍋爐進風溫度由25℃提高到64℃。煙氣溫度降低了60℃，鍋爐進風溫度提高了39℃。據相關數據，其鍋爐進風流量遠大于鍋爐煙氣流量，應是在單側煙道上設置了低溫省煤器，其他數據不詳，不能分析該應用實例是如何考慮防止煙氣低溫腐蝕的。

旁路高溫省煤器和低溫省煤器組合（加熱高壓與低壓給水）。以德國科隆Nideraussem（950MW機組）電廠為代表，其在空氣預熱器旁路煙道系統內設置高溫省煤器，加熱汽輪機高/低壓抽汽回熱系統的凝結水；在電除塵器和脫硫塔之間的煙道上布置低溫省煤器，煙氣流過低溫省煤器，煙氣溫度從160℃降低到100℃后進入脫硫塔；循環水側熱端進入低溫省煤器，冷端進入鍋爐暖風器，將鍋爐進風溫度由25℃提高到120℃。

上述3種系統比較全面的覆蓋了鍋爐煙氣余熱回收的技術和應用方式。但德國上述煙氣余熱回收熱交換的傳熱管采用了非金屬材料，設備體積大，投資過億，性價比不高。

1.2 加裝暖風器的實際應用

現有鍋爐送風加熱方式有兩種：熱風再循環或采取蒸汽加熱的暖風器。第一種方式造成鍋爐效率的降低，同時再循環熱風中攜帶的粉塵造成風機葉片的磨損減薄，帶來安全隱患。目前有電廠采用旋轉暖風器再冬季用來提高空預器入口風溫，夏季旋轉暖風器退出、減小風機阻力，降低風機能耗[3-4]。

2010年6月，國華定州電廠就暖風器改造問題赴內蒙古岱海電廠進行調研，岱海電廠當時1號爐暖風器已由原先傳統的鰭片式改造為旋轉暖風器，既達到了冬季投入時提高入口風溫，又保證了夏季退出降低風阻、節能降耗的目的。2012年10月國華錦界電廠3號機組一二次暖風器采用200920030549.X《電站鍋爐動態暖風器》等專利技術提出的解決方案，將傳統的鰭片式暖風器改造為旋轉暖風器。華能上安電廠2臺600MW、2臺300MW機組于2011年10月將傳統的鰭片式改造為旋轉暖風器。以上旋轉暖風器使用效果良好，冬季投運時滿足空氣升溫條件，夏季退出投運，可節能降耗。

2 機組節能減排可行性方案對比分析

2.1 機組節能減排可行性方案闡述分析

2.1.1 方案一

在SCR出口增設布置SCR后省煤器（對原省煤器進行適當擴容）。為解決夏季排煙溫度偏高的問題和不影響SCR投入，可再SCR裝置后增設一組省煤器受熱面，受熱面增加量受到冬季和低負荷預熱器運行安全溫度和磨煤機干燥溫度等的限制，省煤器受熱面只能使額定負荷工況條件下鍋爐排煙溫度降低10℃，提高鍋爐效率約0.5%、節約發電煤耗1.6g/kWh，冬季或部分低負荷工況排煙溫度本身較低時，需通過熱風再循環等來防止排煙溫度過低，此時新增省煤器無法達到降低煤耗的作用。改造后全年鍋爐年平均降低排煙溫度按6℃計算，平均可降低煤耗0.993g/kWh，年發電量32億kWh，每年可節約標煤3478噸，按標煤630元/噸計算，年可節約購煤款200.2萬元/年.改造投資2130萬元，改造回收期約為10.7年。

2.1.2 方案二

在SCR出口增設布置SCR后省煤器（對原省煤器進行適當擴容）+旋轉蒸汽暖風器。通過增加布置蒸汽暖風器來解決方案一中所降低排煙溫度收到預熱器安全性和磨煤機干燥出力限制的問題，可增加布置SCR后省煤器受熱面積，使額定負荷工況條件下省煤器增容后鍋爐排煙溫度至少降低15℃，提高鍋爐效率約0.75%，節約發電煤耗2.48g/kWh，冬季或部分低負荷工況排煙溫度本身較低時，需通過增加的蒸汽暖風器加熱冷風提高排煙溫度，避免空預器低溫腐蝕和保證磨煤機干燥出力，此將消除部分有用蒸汽，使得節約煤耗下降，初步估算此時節約煤耗約1g/kWh，多數運行工況的節煤在1.0～2.48g/kWh之間，按平均1.74g/kWh計算，年發電量32億kWh每年可節約標煤5568噸，按標煤630元/噸計算、年可節約購煤款350.8萬元/年。改造投資2350+350（暖風器費用）=2700萬元，改造回收期約為7.7年。

2.1.3 方案三

僅增加布置低溫省煤器。夏季滿負荷運行鍋爐排煙溫度偏高時，低溫省煤器將排煙溫度由115℃降低到100℃，將熱量用于加熱凝結水可節約發電煤耗2.0g/kWh，冬季滿負荷或其它季節低負荷工況鍋爐排煙溫度115℃，低溫省煤器將排煙溫度繼續由115℃降低到100℃，將熱量用于加熱凝結水可節約發電煤耗0.6g/kWh，冬季部分負荷下即使投運熱風再循環的情況下排煙溫度本身也只能達到100℃，低溫省煤器無法投運，綜合測算將熱量加熱凝結水年平均可節約發電煤耗1.0g/kWh。年發電量32億kWh，每年可節約標煤3200噸，按標煤630元/噸計算，年可節約購煤款201.6萬元/年。改造投資1900萬元，改造回收期約為9.7年。

2.1.4 方案四

在SCR出口增加布置SCR后省煤器（對原省煤器進行擴容）+電除塵入口增加布置煙氣余熱回收裝置和冷風加熱器系統。為解決方案二中采用抽汽加熱空預器入口冷風，消耗較高品質能量的問題（進一步挖掘節能潛力）和方案三單純低溫省煤器冬季無法投運、造成年平均節能效果有限的問題，采用內部工質為水的冷風加熱器替代蒸汽暖風器。冬季或低負荷需要加熱冷空氣時，加熱熱源優先采用低溫省煤器的余熱（當余熱不足時，也可采用汽機低品質抽汽），夏季高負荷運行不需要加熱冷空氣時，可將回收的余熱用于加熱汽機側凝結水，排擠抽汽達到節能的目的，始終保持排煙溫度除塵器入口溫度不高于100℃（在不改造除塵器的情況下，若改造除塵器可進一步降低到90℃。

額定負荷工況下省煤器增容后鍋爐排煙溫度至少降低15℃，提高鍋爐效率約0.75%，節約發電煤耗2.48g/kWh，夏季低溫省煤器將排煙溫度繼續降低到100℃和冬季暖風器利用余熱，可節約發電煤耗約1g/kWh（滿負荷），夏季共節約發電煤耗3.48g/kWh，冬季采用余熱替代原鍋爐運行中的熱風再循環可節約部分能量，當余熱不足時將取汽機側低品質熱能加熱冷風也減少部分汽機做功，將冬季不再投熱風再循環節約的煤耗與汽機側取熱的煤耗相抵消，再考慮部分低負荷的影響，全年平均節約煤耗約3.0g/kWh。年發電量32億kWh，每年可節約標煤9600噸，按標煤630元/噸計算，年可節約購煤款604.8萬元/年。改造投資2350+1600=3950萬元，改造回收期約為6.5年。

2.1.5 方案五

原省煤器增加煙氣旁路及SCR出口增加布置SCR后省煤器。為應對國家越來約嚴格的環保要求，將原省煤器進行增加煙氣旁路改造，以縮短鍋爐啟動過程中未投入SCR的時間，雖然投入煙氣旁路的運行將犧牲鍋爐的經濟性，但在增加煙氣旁路的同時進行增加SCR后省煤器的改造，在克服低負荷投運煙氣旁路經濟性降低的同時，還可在不設冷風加熱器或暖風器的情況下保證夏季高負荷排煙溫度降低幅度達15℃，為將來環保要求嚴格時進行廢水處理或WGGH預留可能的改造措施，在該方案中雖也可進行余熱改造但暫時不進行，以后下一步結合環保要求論證余熱利用方式（節能、處理廢水、提高脫硫后的煙溫等）。

在節能方面，額定負荷工況條件下省煤器增容后鍋爐排煙溫度至少降低15℃，提高鍋爐效率約0.75%，節約發電煤耗2.48g/kWh，冬季或部分低負荷工況排煙溫度本身較低時，通過新增加省煤器煙氣旁路或原有熱風再循環來防止排煙溫度過低，此將增加煤耗，改造后全年按鍋爐平均降低排煙溫度10℃計算，平均可降低煤耗1.65g/kWh，年發電量32億kWh，每年可節約標煤5280噸，按標煤630元/噸計算，年可節約購煤款332.6萬元/年。改造投資2350+450=2800萬元，改造回收期約為7.1年。

2.2 機組節能減排可行性方案結論分析

方案一。優點：投資少、技術可靠、布置簡單、實施容易、不影響后期進行廢水處理、WGGH等相關改造。缺點：因受鍋爐運行條件限制年平均節約煤效果有限，投資回收期長；方案二。優點：投資少、技術可靠、投資回收期短，旋轉暖風器冬季提高風溫，夏季退出降低風機能耗，不影響后期進行脫硫廢水處理、WGGH等相關改造。缺點：需消耗部分有用蒸汽，使得節約煤耗量下降，暖風器進汽、疏水管旋轉接頭密封不足；

方案三。優點：投資少。缺點：投資回收期長，后期檢修成本升高，后期若進行廢水處理，WGGH等其它環保改造將與節能發生沖突；方案四。優點：深度節能，節能效果最好。缺點：后期若進行廢水處理、WGGH等其它環保改造將與節能發生沖突，存在一定設備使用壽命，檢修成本高等技術風險；方案五。優點：兼顧寬負荷脫硝等，投資較少，投資回收期較短，不影響后期進行脫硫廢水處理、WGGH等相關改造。缺點：未充分挖掘節能潛力，存在旁路煙氣擋板密封不嚴、卡澀的隱患，影響機組運行經濟性。