鞠付棟，朱大宏，聶會建，孫永斌

（中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院有限公司，北京　100120）

帶百萬噸級燃燒后脫碳裝置的660MW燃煤機組性能優(yōu)化

鞠付棟，朱大宏，聶會建，孫永斌

（中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院有限公司，北京100120）

燃煤機組燃燒后脫碳所面臨的最大問題是脫碳帶來的效率損失。對帶百萬噸級燃燒后脫碳的燃煤機組性能進行了優(yōu)化研究。以提高機組發(fā)電效率和供電效率為目標，提出了煙氣余熱深度回收用于鍋爐燃燒空氣預(yù)熱、煙氣余熱和脫碳余熱用于凝結(jié)水加熱的余熱利用優(yōu)化集成方案。研究發(fā)現(xiàn)，帶百萬噸燃燒后脫碳的機組能效未進行優(yōu)化時機組發(fā)電效率下降約1.78％，供電效率下降約2.98％，其中脫碳再生抽汽造成的機組發(fā)電量降低和脫碳輔機電耗是造成機組能效降低的主要原因。與未進行優(yōu)化的方案相比，余熱利用優(yōu)化集成方案機組發(fā)電效率提高約0.74％，供電效率提高約0.73％。以余熱利用優(yōu)化集成方案為基礎(chǔ)，增加脫碳再生抽汽過熱冷卻器的最終優(yōu)化集成方案可進一步提高機組發(fā)供電效率約0.04％。

燃煤機組；燃燒后脫碳；性能優(yōu)化；能耗

0　引言

燃燒后碳捕集技術(shù)主要包括化學(xué)吸收法、膜法和生物固碳法等［1-3］。目前已經(jīng)建立的大規(guī)模燃煤電站燃燒后碳捕集示范裝置應(yīng)用的主要技術(shù)為化學(xué)吸收法技術(shù)，膜法分離和生物固碳法目前還沒有大規(guī)模應(yīng)用先例。以乙醇胺（MEA）為主要吸收劑的化學(xué)吸收法已經(jīng)在國內(nèi)建立了10萬t級規(guī)模的示范裝置，MEA為代表的醇胺類化學(xué)吸收法是目前大規(guī)模燃燒后CO2捕集的主要技術(shù)選擇。醇胺類化學(xué)吸收法應(yīng)用于燃煤機組的最大問題是脫碳帶來的效率損失，對于燃煤機組煙氣全容量脫碳來說，脫碳再生過程中大量低壓蒸汽消耗和脫碳系統(tǒng)輔機能耗增加使得機組電力輸出降低約20％，機組發(fā)電效率降低8％～13％［3-5］。從當前的碳捕集與封存（CCS）技術(shù)發(fā)展趨勢以及燃燒后脫碳技術(shù)本身的技術(shù)特點來看，全容量脫碳較難在短時間內(nèi)進行大范圍推廣，燃煤機組部分碳捕集則是實現(xiàn)碳捕集和降低碳捕集對燃煤發(fā)電能效影響的折中方案。

本文以帶百萬噸級燃燒后脫碳裝置的660MW燃煤發(fā)電機組為研究對象，利用Thermoflex軟件搭建了整個系統(tǒng)模型，計算了帶百萬噸級燃燒后脫碳裝置的660MW燃煤發(fā)電機組的基本性能，并以能量梯級利用為根本原則，通過熱力系統(tǒng)集成優(yōu)化、余熱綜合利用等措施，降低燃燒后碳捕集系統(tǒng)對機組性能的影響，提升機組運行的經(jīng)濟性。

1　機組性能計算

為了解百萬噸級燃燒后脫碳裝置對660MW機組性能的影響，以Thermoflex為基本計算平臺對機組性能進行了計算。模擬的660MW級燃煤發(fā)電機組為超臨界一次再熱機組，主蒸汽參數(shù)為24.200 MPa/566℃，再熱蒸汽參數(shù)為4.837MPa/566℃。機組回?zé)嵯到y(tǒng)采用3低壓加熱器（以下簡稱低加）+3高壓加熱器（以下簡稱高加）+1除氧的給水加熱方案（#3高加設(shè)置外置式蒸汽冷卻器）。

帶百萬噸級燃燒后脫碳裝置的660MW機組計算模型如圖1所示（圖中SCR為選擇性催化還原裝置），不帶脫碳裝置和帶脫碳裝置的主要性能指標對比見表1。計算表明，帶百萬噸級燃燒后脫碳裝置的660MW等級超臨界發(fā)電機組，脫碳部分煙氣處理量約占機組總煙氣量的25％，按照脫碳能耗（脫除單位CO2消耗的能量）3489kJ/kg，脫除的CO2在廠內(nèi)壓縮至11MPa計算，脫碳低壓蒸汽消耗約為182t/h，脫碳輔機電耗約15MW。帶百萬噸級脫碳裝置的660MW機組發(fā)電效率較未脫碳時下降1.78％，供電效率下降2.98％。其中，脫碳再生抽汽造成的機組低壓缸做功降低約27.7MW，新增脫碳輔機電耗約18.8MW，脫碳再生抽汽對機組性能降低的影響占到了約60％。

2　機組系統(tǒng)集成優(yōu)化方案研究

在常規(guī)火電廠，特別是大型火電機組中，空氣預(yù)熱器（以下簡稱空預(yù)器）通常為1級布置，布置位置在脫硝裝置后。煙氣經(jīng)過與空氣換熱溫度降至約130℃。由于空預(yù)器入口空氣溫度較低，空氣側(cè)和煙氣側(cè)的換熱溫差較大。經(jīng)過空預(yù)器的煙氣再經(jīng)除塵器和引風(fēng)機增壓后進入脫硫塔，除塵器前后的煙氣溫度基本不變，而引風(fēng)機增壓過程中煙氣溫度略有增加。經(jīng)過引風(fēng)機后約130℃的煙氣直接進入脫硫塔，由于進入脫硫塔的煙氣溫度較高，進入脫硫塔后與漿液直接接觸的過程中將蒸發(fā)大量的水，造成脫硫水耗的大幅增加。

圖1　帶百萬噸級脫碳裝置的660MW機組計算模型

表1　660MW燃煤機組帶否脫碳裝置主要性能指標對比

為提高能源效率并降低脫硫塔入口煙氣溫度，目前火電廠開始采用低溫省煤器的方案，通過低加系統(tǒng)凝結(jié)水與煙氣換熱降低煙氣溫度，脫硫塔入口煙氣溫度降至約90℃。加裝低溫省煤器的方案可排擠原回?zé)嵯到y(tǒng)中的低加抽汽，從而增加汽機出力，脫硫塔入口溫度降低可降低脫硫系統(tǒng)水耗。經(jīng)過低溫省煤器可最大降低煙溫40～50℃，煙氣余熱回收不充分，脫硫水耗的降低也有限。與低溫省煤器方案不同，本研究通過改進鍋爐尾部煙氣余熱利用的流程，并充分考慮了煙氣側(cè)、空氣側(cè)和汽水側(cè)的能量品位需求，建立了合理的能量品位梯級利用順序，實現(xiàn)了最大程度的煙氣余熱回收和降低脫硫水耗。

針對本研究中帶百萬噸級脫碳裝置的660MW燃煤發(fā)電機組，在系統(tǒng)配置上，鍋爐煙氣系統(tǒng)主要增加一次風(fēng)暖風(fēng)器和二次風(fēng)暖風(fēng)器，利用鍋爐排煙余熱加熱一次風(fēng)和二次風(fēng)。同時，在回?zé)嵯到y(tǒng)中僅保留原3級低加中#6低加，原#7低加和#8低加去除，利用脫碳再生塔頂蒸汽冷凝余熱加熱凝結(jié)水回收部分脫碳余熱，加熱后的凝結(jié)水送入低溫省煤器進一步升溫送入#6低加入口。

改進的煙氣側(cè)流程為：出脫硝裝置的約350℃煙氣經(jīng)過一級空預(yù)器后溫度降低至約170℃；經(jīng)過低溫省煤器與凝結(jié)水換熱后溫度降低至約90℃；自低溫省煤器來煙氣經(jīng)除塵、引風(fēng)機增壓后溫度約為100℃并進入二級空預(yù)器與二次風(fēng)換熱，換熱后煙氣溫度降低至約55℃進入脫硫塔；經(jīng)過脫硫塔后煙氣溫度降低至約42℃，部分分流進入脫碳裝置，其余部分排入大氣。

改進的空氣側(cè)流程為：一、二次風(fēng)在暖風(fēng)器中溫度提高至約83℃；加熱后的一、二次風(fēng)進入空預(yù)器進一步加熱至所需的工藝溫度后進入鍋爐。

改進的汽水側(cè)流程為：經(jīng)過凝結(jié)水泵加壓的約50℃的凝結(jié)水經(jīng)脫碳部分余熱加熱后溫度提升至約90℃，而后進入低溫省煤器溫度提高至約126℃，再送入#6低加進一步加熱升溫至約155℃后進入除氧器。凝結(jié)水除氧后，經(jīng)給水泵、高加后送入鍋爐作為給水。

考慮脫碳系統(tǒng)部分余熱回收和煙氣分級余熱深度回收（余熱利用集成優(yōu)化后的系統(tǒng)模型如圖2所示），并對該系統(tǒng)進行了計算，主要計算結(jié)果見表2。

根據(jù)計算，與未進行優(yōu)化的方案相比，結(jié)合脫碳塔頂余熱回收、煙氣分級余熱深度回收的帶百萬噸級脫碳裝置的優(yōu)化集成方案，機組發(fā)電效率提高約0.74％，供電效率提高約0.73％。

考慮到脫碳再生抽汽溫度較高（約270℃），而脫碳再生過程所需溫度一般在140～150℃，為此設(shè)置再生抽汽過熱冷卻器，以降低脫碳再生用蒸汽溫度。增加脫碳再生抽汽過熱冷卻器后，凝結(jié)水自#6低加加熱后（溫度約155℃）進入脫碳再生抽汽過熱冷卻段進一步加熱至約163℃后進入除氧器。此外，設(shè)置過熱蒸汽冷卻段可降低除氧用蒸汽消耗，進一步提升系統(tǒng)效率。利用圖2所示模型，并在其中加入脫碳再生抽汽過熱冷卻段，計算得到系統(tǒng)發(fā)電效率和供電效率均提高約0.04％。結(jié)合脫碳塔頂余熱回收、煙氣分級余熱深度回收，增加過熱冷卻段后的集成優(yōu)化方案計算結(jié)果見表2。

圖2　余熱利用集成優(yōu)化后脫碳的660MW機組計算模型

表2　660MW燃煤機組余熱利用集成優(yōu)化后帶脫碳裝置主要性能指標

3　結(jié)論

本文以帶百萬噸級脫碳裝置的660MW燃煤機組性能優(yōu)化為目標，利用Thermoflex進行了系統(tǒng)建模和集成優(yōu)化，主要結(jié)論如下：

（1）帶脫碳裝置的660MW機組發(fā)電效率較未帶脫碳裝置時下降1.78％，供電效率下降2.98％。其中，脫碳再生抽汽對機組性能的影響占到了約60％。

（2）系統(tǒng)優(yōu)化方案以機組余熱深度回收為基礎(chǔ)，結(jié)合了煙氣余熱和脫碳部分余熱回收。根據(jù)計算結(jié)果，與未進行優(yōu)化的方案相比，帶百萬噸級脫碳裝置的余熱利用優(yōu)化集成方案，其機組發(fā)電效率提高約0.74％，供電效率提高約0.73％。

（3）結(jié)合脫碳再生抽汽溫度需求以及進一步提高能效，以余熱利用優(yōu)化集成方案為基礎(chǔ)，增加脫碳再生抽汽過熱冷卻器，可進一步提高機組發(fā)供電效率約0.04％。

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（本文責(zé)編：白銀雷）

TK227.1；X701

A

1674-1951（2016）09-0001-03

2016-07-05；

2016-09-02

國家國際科技合作計劃項目（2013DFB60140）

鞠付棟（1981—），男，山東德州人，工學(xué)博士，高級工程師，從事清潔高效火力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方面的工作（E-mail：jufd@ncpe.com.cn）。