660MW超超臨界機(jī)組給水提溫適應(yīng)寬負(fù)荷脫硝運(yùn)行的可行性研究

引言

習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上提出,中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。電力行業(yè)既是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),也是碳排放重點(diǎn)行業(yè)。雙碳目標(biāo)的引領(lǐng)帶來了我國(guó)電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)的巨大變化,全國(guó)能源信息平臺(tái)發(fā)布數(shù)據(jù)顯示,2020年全國(guó)煤電裝機(jī)容量占全部裝機(jī)容量的49.07.,煤電占比歷史性首次降至50.以下。目前,我國(guó)水電、風(fēng)電、光伏裝機(jī)容量已經(jīng)穩(wěn)居世界第一位,隨著"十四五"期間國(guó)家大力發(fā)展新能源,煤電裝機(jī)容量占比將會(huì)進(jìn)一步下降,在清潔低碳、安全高效的電力能源體系建設(shè)過程中,煤電的市場(chǎng)定位變?yōu)檎{(diào)峰和兜底保供,國(guó)家電網(wǎng)也在大力推進(jìn)煤電機(jī)組深度調(diào)峰靈活性改造,為光伏發(fā)電、風(fēng)電等新能源提供更大的發(fā)展空間。因此,提升機(jī)組的深度調(diào)峰能力成為當(dāng)前所有煤電企業(yè)生存發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1設(shè)備簡(jiǎn)介

蘇晉保德煤電有限公司安裝兩臺(tái)660%w超超臨界低熱值煤空冷發(fā)電機(jī)組,選用上海鍋爐廠生產(chǎn)的sG2102/29.40-%型超超臨界鍋爐,上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)西門子技術(shù)生產(chǎn)的ZKN660-28/600/620直接空冷汽輪機(jī),配套上海電機(jī)廠生產(chǎn)的0FsN-660-2型水-氫-氫冷卻式發(fā)電機(jī)。煙氣脫硝、脫硫工程同期建設(shè)投運(yùn)。#1、#2機(jī)組分別于2020年12月24日和2021年1月25日移交商業(yè)運(yùn)行。

脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原(SCR)工藝,脫硝工藝系統(tǒng)按入口N0X濃度300mg/Nm3、處理100.煙氣量、最終N0X排放濃度不大于45mg/Nm3、脫硝效率≥85%進(jìn)行設(shè)計(jì),SCR裝置能在入口煙氣溫度300~420℃條件下持續(xù)安全運(yùn)行。

為了適應(yīng)電網(wǎng)深度調(diào)峰的要求,結(jié)合同類型機(jī)組運(yùn)行情況,公司計(jì)劃實(shí)現(xiàn)機(jī)組深度調(diào)峰至30%(198MW)的運(yùn)行目標(biāo)。在電科院深度調(diào)峰摸底試驗(yàn)后得出結(jié)論:公司機(jī)組無助燃最低穩(wěn)燃負(fù)荷為190MW(為額定電負(fù)荷的28.8%),此負(fù)荷下機(jī)組各輔機(jī)運(yùn)行正常,各運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定,汽溫在可調(diào)整范圍內(nèi),壁溫?zé)o超溫問題,高低加疏水正常,脫硫、除塵系統(tǒng)運(yùn)行正常。機(jī)組設(shè)備基礎(chǔ)良好,不足之處是SCR入口煙溫低值時(shí)到302℃,接近SCR裝置入口煙氣溫度運(yùn)行下限300℃,煙溫調(diào)整裕量較小,極易在運(yùn)行中脫硝退出造成環(huán)保事故。本廠在基建設(shè)計(jì)之初已采用兩級(jí)省煤器,但在實(shí)際運(yùn)行中,由于實(shí)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(fā)分等均低于設(shè)計(jì)煤種和校核煤種,機(jī)組調(diào)至30%~40%額定發(fā)電負(fù)荷時(shí),SCR入口煙氣溫度在295~302℃范圍波動(dòng),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(tǒng)會(huì)被迫停運(yùn),造成電廠排放超環(huán)保指標(biāo),不但拿不到脫硝電價(jià)補(bǔ)貼,而且會(huì)面臨環(huán)保部門的巨額罰款。同時(shí),機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間在此溫度下運(yùn)行,會(huì)影響催化劑活性,縮短其使用壽命;且當(dāng)SCR煙氣溫度較低時(shí),氮氧化物與氨氣反應(yīng)不充分會(huì)生成銨鹽NH4Hs04,造成空預(yù)器堵塞,引起風(fēng)機(jī)電耗增大和失速等問題。因此,如何在低負(fù)荷下保持脫硝系統(tǒng)入口煙溫是影響保德煤電機(jī)組深度調(diào)峰的關(guān)鍵問題。

2靈活性改造技術(shù)路線

保證SCR脫硝裝置適應(yīng)機(jī)組寬負(fù)荷運(yùn)行,目前主要有兩種技術(shù)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(qū)域的煙氣側(cè)和給水側(cè)進(jìn)行改造,目前大部分電廠采用省煤器區(qū)域改造方案,省煤器煙氣側(cè)改造方案主要采用煙氣旁路技術(shù),省煤器給水側(cè)改造方案包括省煤器給水旁路、省煤器熱水再循環(huán)、省煤器分級(jí)布置,另外還有在汽機(jī)房給水系統(tǒng)改造的#0高加方案;另一種是以寬負(fù)荷低溫催化劑適應(yīng)低負(fù)荷時(shí)煙溫要求為手段,確保催化劑能滿足機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行要求,雖然目前適應(yīng)250~420℃條件的寬負(fù)荷催化劑在國(guó)家能源集團(tuán)和發(fā)電廠有所應(yīng)用,但這項(xiàng)技術(shù)使用很少。

在改造技術(shù)路線的選擇上,公司和設(shè)計(jì)單位進(jìn)行了充分的醞釀比對(duì):

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?zé)煔庖鰜硭偷絊CR系統(tǒng)入口煙道,從而提高低負(fù)荷工況時(shí)脫硝入口煙氣溫度,旁路煙道上安裝有調(diào)節(jié)擋板進(jìn)行煙氣流量的調(diào)節(jié)。該方案已在同煤蒲州發(fā)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(tǒng)簡(jiǎn)單,低負(fù)荷時(shí)煙溫調(diào)節(jié)范圍大,但省煤器入口前加裝煙氣旁路相當(dāng)于減少了煙道中的高溫?zé)煔饬?這樣會(huì)減少省煤器吸熱,從而影響汽水系統(tǒng)熱量分配;另外,調(diào)節(jié)擋板增加了煙氣側(cè)阻力,機(jī)組高負(fù)荷下旁路調(diào)節(jié)擋板容易變形產(chǎn)生內(nèi)漏,這些都會(huì)對(duì)鍋爐效率產(chǎn)生一定影響。

方案二:省煤器給水側(cè)改造方案中省煤器分級(jí)布置已經(jīng)使用,但是未達(dá)到機(jī)組30%額定負(fù)荷運(yùn)行的要求。繼續(xù)整改工作量大、費(fèi)用高、機(jī)組停運(yùn)時(shí)間長(zhǎng),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(dòng)調(diào)節(jié)閥,各種工況點(diǎn)通過調(diào)節(jié)省煤器內(nèi)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(fā)電廠、中電投貴溪電廠等工程投入使用,方案系統(tǒng)布置簡(jiǎn)潔,只需要增加旁路管道和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥就行,但旁路水量較多時(shí)會(huì)造成省煤器內(nèi)部沸騰現(xiàn)象,工質(zhì)混合不均勻的情況下會(huì)對(duì)系統(tǒng)水動(dòng)力產(chǎn)生影響,所以省煤器旁路的水量不能太大,煙氣溫度調(diào)節(jié)范圍一般小于10℃。另外,機(jī)組雙煙道布置時(shí)省煤器旁路管道布置困難,這種方案只適用于單煙道機(jī)組。

方案四:省煤器熱水再循環(huán)方案包括兩個(gè)子系統(tǒng),首先布置一個(gè)省煤器給水旁路系統(tǒng),再疊加一個(gè)省煤器給水再循環(huán)系統(tǒng),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(diǎn)之間的管道上某點(diǎn)引出部分熱水,再用熱水循環(huán)泵把熱水送至省煤器入口給水管路靠近省煤器進(jìn)口集箱處,這樣就可以提高進(jìn)入省煤器的給水溫度,從而進(jìn)一步提高省煤器出口煙溫。這種方案在粵電集團(tuán)沙角C發(fā)電廠中已經(jīng)使用,使用此方案后煙氣溫度可以在0~60℃之間調(diào)節(jié),完全能夠滿足全負(fù)荷脫硝煙溫要求,而且調(diào)節(jié)精確、快速。但是因?yàn)橄到y(tǒng)復(fù)雜,增加高溫高壓下運(yùn)行的爐水循環(huán)泵系統(tǒng),對(duì)泵及閥門的性能要求較高,初投資比較大,對(duì)鍋爐效率有一定影響。

方案五:#0高加方案即使用可調(diào)節(jié)抽汽加熱鍋爐給水技術(shù),在汽輪機(jī)高壓缸處選擇一個(gè)合適的抽汽點(diǎn),同時(shí)增加一個(gè)抽汽可調(diào)式給水加熱器。在機(jī)組負(fù)荷降低時(shí),通過調(diào)節(jié)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(xiàng)目進(jìn)行了使用,采用此方案后,在機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)能使省煤器出口煙溫保持穩(wěn)定,使脫硝設(shè)備一直在接近最佳工況下運(yùn)行,而且增設(shè)#0高加后對(duì)機(jī)組整體效率沒有影響。但是這種方案增加設(shè)備較多,工程造價(jià)大,而且增設(shè)#0高加必須在新建或現(xiàn)有機(jī)組對(duì)高壓缸改造中才能實(shí)施。

方案六(采用方案):通過對(duì)現(xiàn)有方案的分析比較,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,公司從對(duì)機(jī)組整體效率影響最小的角度出發(fā),提出一種基于高效壓力混配裝置的低負(fù)荷給水提溫技術(shù)。通過增設(shè)高效蒸汽噴射器,利用低過高品質(zhì)蒸汽引射一抽蒸汽,混合后進(jìn)入#1高加,提高進(jìn)汽參數(shù)及#1高加進(jìn)汽量,從而提升給水溫度,達(dá)到減少省煤器區(qū)域吸熱量,提高省煤器出口煙氣溫度的目的:同時(shí)增設(shè)高效蒸汽噴射器旁路系統(tǒng),以保證高效蒸汽噴射器可隨時(shí)退出運(yùn)行。基于高效壓力混配裝置的低負(fù)荷給水提溫技術(shù)系統(tǒng)如圖1所示。

采用此系統(tǒng)后,可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組脫硝全負(fù)荷調(diào)節(jié):機(jī)組并網(wǎng)時(shí)采用低過蒸汽直接減溫減壓的方式進(jìn)入#1高加,提高#1高加的出水溫度,進(jìn)而提高鍋爐的給水溫度:當(dāng)負(fù)荷上升到20%~25%時(shí),可以啟用蒸汽混配模

式,利用低過蒸汽提高一抽的參數(shù)及流量,進(jìn)而提高#1高加的出水溫度:當(dāng)負(fù)荷升到40%~50%區(qū)間時(shí),恢復(fù)到原來一抽正常運(yùn)行模式。系統(tǒng)主要通過低過出口的蒸汽調(diào)門來控制,當(dāng)調(diào)門關(guān)到最小位置時(shí),一抽恢復(fù)到原來的運(yùn)行模式。本項(xiàng)目設(shè)備系統(tǒng)改造簡(jiǎn)單,系統(tǒng)可靠性比較高。

3改造施工和調(diào)試

確定改造技術(shù)路線后,對(duì)計(jì)算的低過汽源引出量與上海鍋爐廠設(shè)計(jì)室進(jìn)行了交流,確認(rèn)引出蒸汽量不影響鍋爐運(yùn)行安全。然后在保德煤電#2機(jī)組進(jìn)行了方案實(shí)施,本次改造施工難點(diǎn)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(shè)備,為了達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù),保證運(yùn)行安全,本項(xiàng)目選用了FIs0NIC品牌高效蒸汽噴射器,設(shè)備布置在汽機(jī)房屋頂空曠位置,設(shè)計(jì)了隔音房以減小運(yùn)行噪聲。因高效蒸汽噴射器供貨周期長(zhǎng),設(shè)計(jì)參數(shù)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(shí)從左、右側(cè)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(xiàng)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(guī)范進(jìn)行熱處理和射線檢查,保證焊接質(zhì)量符合電力施工規(guī)范要求。

(3)疏水管路布置。本項(xiàng)目所有疏水管路全部接入汽輪機(jī)疏水集管后送入汽輪機(jī)排汽裝置,保證所有疏水有效回收,整個(gè)疏水管路施工現(xiàn)場(chǎng)路線長(zhǎng),布置比較復(fù)雜。

施工時(shí)首先進(jìn)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(jī)組臨停的時(shí)機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)接入(工期5~7天),最后進(jìn)行系統(tǒng)吹掃和調(diào)試投運(yùn)(工期3~5天),在機(jī)組小修期間可以完成。2021年7月22日,保德煤電#2機(jī)組發(fā)電負(fù)荷穩(wěn)定在(190±5)MW:02:40,給水提溫系統(tǒng)開始投運(yùn),高效蒸汽噴射器入口電動(dòng)調(diào)節(jié)門緩慢開啟:02:50,高效蒸汽噴射器入口電動(dòng)調(diào)節(jié)門開度為30%,此時(shí)關(guān)閉高效蒸汽噴射器旁路電動(dòng)閥,高效蒸汽噴射器獨(dú)立運(yùn)行并帶負(fù)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(dòng)調(diào)節(jié)門開度,至03:20高效蒸汽噴射器入口電動(dòng)調(diào)節(jié)門全開。系統(tǒng)投運(yùn)后運(yùn)行可靠穩(wěn)定,性能良好。#2機(jī)組#1高加出口給水溫度由232.6℃提高22.1℃至254.7℃:SCR反應(yīng)器平均入口煙氣溫度為329.4℃(最高溫度點(diǎn)為341.8℃,最低溫度點(diǎn)為318.5℃),較改造前SCR反應(yīng)器平均入口煙氣溫度314.7℃(最高溫度點(diǎn)為326.6℃,最低溫度點(diǎn)為304.8℃)提升了14.7℃。#2機(jī)組SCR反應(yīng)器入口煙氣溫度得到大幅改善,機(jī)組在同等低發(fā)電負(fù)荷工況下,寬負(fù)荷脫硝能力大幅提升,達(dá)到改造預(yù)期目標(biāo)。

4結(jié)論

實(shí)施給水提溫適應(yīng)寬負(fù)荷脫硝運(yùn)行改造后,保德煤電#2機(jī)組最低負(fù)荷從280MW(42.4%)降低至190MW(28.8%),機(jī)組深度調(diào)峰能力顯著提高,可以有效保障當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)對(duì)風(fēng)電、太陽能等新能源的吸納能力,減少了棄風(fēng)棄光的資源浪費(fèi)。同時(shí),可以進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)組在電力輔助服務(wù)調(diào)峰市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力和盈利能力,即使面對(duì)山西電力現(xiàn)貨交易市場(chǎng),在低電價(jià)或零電價(jià)區(qū)段,電廠可以通過報(bào)價(jià)減少機(jī)組負(fù)荷90MW,從而提升機(jī)組盈利能力。

實(shí)踐證明,給水提溫適應(yīng)寬負(fù)荷脫硝運(yùn)行是一項(xiàng)方案可行、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、安全可靠的脫硝裝置入口煙溫提升技術(shù),能夠可靠滿足超超臨界機(jī)組深度調(diào)峰工況運(yùn)行參數(shù)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(yīng)用。