國(guó)源電力哈密煤電有限責(zé)任公司 陸 猛

根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB13223-2011規(guī)定， 自2014年7月1日起，除特定條件的火電廠外所有火力發(fā)電鍋爐氮氧化物（NOx）排放最高限值為100mg／Nm3。發(fā)改委、環(huán)保部、能源局在2014年9月12日聯(lián)合發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級(jí)改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》要求，“十三五”期間，火力電廠氮氧化物排放將實(shí)施超低排放，NOx 排放不得高于50mg／Nm3。近年電網(wǎng)新能源裝機(jī)容量迅速增加，為消納新能源發(fā)電及電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，所有火電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰，調(diào)峰能力下限低至額定容量的45%甚至更低。為適應(yīng)新的環(huán)境需要，就需火電機(jī)組在各個(gè)負(fù)荷段脫硝系統(tǒng)(SCR)均能安全運(yùn)行。

受限于選擇性，催化還原脫硝技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛、最高效、最經(jīng)濟(jì)的脫硝技術(shù)，其中應(yīng)用最多的催化劑是V—W(Mo)一Ti 系列，其安全高效運(yùn)行需要在298℃～420℃區(qū)間。若催化劑長(zhǎng)期在最低允許溫度以下運(yùn)行會(huì)造成催化劑中毒，影響催化劑的活性，降低脫硝效率及經(jīng)濟(jì)性。在現(xiàn)有火電廠硬件條件下，即使通過(guò)鍋爐低氮燃燒器技造，脫硝系統(tǒng)(SCR)退出運(yùn)行后鍋爐NOx排放不會(huì)低于50mg／Nm3，更達(dá)不到燃?xì)廨啓C(jī)組的排放標(biāo)準(zhǔn)，一旦電網(wǎng)深度調(diào)峰機(jī)組負(fù)荷降至更低，退出脫硝系統(tǒng)將導(dǎo)致鍋爐NOx排放超標(biāo)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，國(guó)家的環(huán)保政策日趨嚴(yán)格，火力發(fā)電機(jī)組煙氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求會(huì)更高，全工況寬負(fù)荷脫硝技術(shù)改造勢(shì)在必行。

國(guó)源電力哈密煤電有限責(zé)任公司2×300MW 機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，鍋爐脫硝系統(tǒng)入口煙溫較低，無(wú)法滿足脫硝裝置脫硝系統(tǒng)催化劑最低安全投運(yùn)的溫度要求。為提高機(jī)組在30MW 工況下脫硝系統(tǒng)入口煙溫，確保機(jī)組并網(wǎng)時(shí)及時(shí)投入SCR 系統(tǒng)裝置，擬實(shí)現(xiàn)30MW 工況及以上負(fù)荷脫硝反應(yīng)器入口煙氣溫度≥298℃，滿足脫硝投運(yùn)條件。為達(dá)到30MW工況及以上負(fù)荷投運(yùn)脫硝裝置，進(jìn)行寬負(fù)荷脫硝改造，使煙氣溫度保持在298℃以上。

目前鍋爐尾部煙道的布置情況：鍋爐尾部煙道布置的省煤器作用是將汽機(jī)給水泵來(lái)水進(jìn)行加熱，從鍋爐尾部煙道煙氣中吸收熱量，提高鍋爐效率。給水流經(jīng)省煤器逆止門流入省煤器入口集箱，再流入省煤器蛇形管束。給水在省煤器蛇形管束中與煙氣對(duì)流相向流動(dòng)，達(dá)到有效的熱交換，同時(shí)減小了省煤器蛇形管束中出現(xiàn)汽泡造成循環(huán)停滯的概率。給水在省煤器蛇形管束中加熱后，經(jīng)導(dǎo)管引入鍋爐汽包。在鍋爐省煤器入口集箱和汽包集中下降管之間布有鍋爐省煤器再循環(huán)管路。鍋爐點(diǎn)火時(shí)，該管將爐水由下降管引到省煤器，防止省煤器干燒管束內(nèi)給水加熱汽化。鍋爐中斷給水時(shí)省煤器再循環(huán)閥門打開(kāi)，鍋爐上水時(shí)關(guān)閉。

1 改造技術(shù)要求及改造設(shè)計(jì)原理

改造后，新增系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)在機(jī)組并網(wǎng)后30MW負(fù)荷及以上進(jìn)入脫硝系統(tǒng)脫硝設(shè)備的煙氣溫度達(dá)到298℃以上，BMCR 工況及以下負(fù)荷進(jìn)入脫硝系統(tǒng)脫硝設(shè)備的煙氣溫度在410℃以下；不發(fā)生因改造系統(tǒng)投運(yùn)引起的金屬管壁超溫、鍋爐爆管、壓力管道泄漏事故；改造后的鍋爐效率不低于改造前的鍋爐效率。在寬負(fù)荷脫硝系統(tǒng)不投運(yùn)時(shí)不影響原鍋爐效率；省煤器懸吊管出口水溫低于飽和溫度并有一定的裕度，強(qiáng)度計(jì)算合格；改造后不降低機(jī)組出力，寬負(fù)荷工況下過(guò)熱蒸汽、再熱蒸汽參數(shù)均不低于改造前，噴水量等其余鍋爐總體性能基本維持原狀；系統(tǒng)能適應(yīng)鍋爐的啟動(dòng)、停機(jī)及負(fù)荷變動(dòng)。

在脫硝催化劑最低允許煙溫與低負(fù)荷煙溫相差較大的情況下，僅靠運(yùn)行技術(shù)措施無(wú)法保證低負(fù)荷工況下脫硝裝置安全運(yùn)行。此時(shí)，需要技改措施將鍋爐脫硝系統(tǒng)入口煙溫達(dá)到脫硝催化劑運(yùn)行安全區(qū)間。目前，技術(shù)較為成熟的技改方案主要是：省煤器給水小旁路、爐水再循環(huán)、分級(jí)省煤器及省煤器煙氣擋板旁路等方案[1]。

分級(jí)省煤器技改方案是在SCR 裝置后新增一級(jí)省煤器。給水直接引至位于SCR 裝置后的省煤器，再通過(guò)連接管引至位于SCR 裝置前的省煤器。通過(guò)減少SCR 裝置前省煤器的吸熱量，提高SCR 反應(yīng)器入口溫度；煙氣擋板旁路技改方案是在后煙井后墻包覆管上開(kāi)孔，增設(shè)一路從后煙井到SCR 裝置入口的旁路煙道，煙道上加裝煙氣調(diào)節(jié)擋板，在鍋爐低負(fù)荷時(shí)將旁路煙道擋板打開(kāi)，利用未流經(jīng)省煤器的高溫?zé)煔夂土鹘?jīng)省煤器的低溫?zé)煔饣旌咸岣逽CR反應(yīng)器入口溫度。

省煤器給水小旁路技改方案是將給水分為兩路，一路為主給水管路，介質(zhì)流向?yàn)樵仩t汽水流向；第二路為給水小旁路，將部分給水直接引至省煤器出口集箱或引出管，從而減少給水在省煤器管束中的吸熱，提高SCR 裝置入口溫度。由于需要防止省煤器管束內(nèi)爐水氣化，旁路流量并不能無(wú)限提高，因此此方案在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)提高脫硝反應(yīng)器入口溫度有限[2]。

爐水再循環(huán)技改方案是用爐循環(huán)泵將下降管中高溫爐水送至省煤器入口集箱與給水混合，提高給水溫度，進(jìn)而提高SCR 裝置入口溫度，使之達(dá)到脫硝催化劑工作最低溫度298℃以上。此方案適用于亞臨界及超高壓的汽包鍋爐，包括自然循環(huán)汽包爐和強(qiáng)制循環(huán)汽包爐。經(jīng)過(guò)國(guó)源電力哈密煤電有限責(zé)任公司前期技術(shù)評(píng)估后，最后采用鍋爐省煤器強(qiáng)化爐水再循環(huán)的改造方案。

圖1 省煤器強(qiáng)化爐水再循環(huán)原理圖

省煤器強(qiáng)化再循環(huán)是給水旁路和爐水再循環(huán)這兩個(gè)方案相結(jié)合的一種改進(jìn)型措施。該方案包含兩個(gè)子系統(tǒng)：省煤器水旁路系統(tǒng)和強(qiáng)制爐水再循環(huán)系統(tǒng)。省煤器水旁路自主給水管道上引出旁路管道，將旁路管道接入省煤器出口集箱，并設(shè)置有相應(yīng)的閥門調(diào)節(jié)省煤器旁路流量。省煤器強(qiáng)制爐水再循環(huán)管是將爐水從鍋爐下降管上部位置送至省煤器入口給水管路，以提高進(jìn)入鍋爐省煤器的給水溫度，減少鍋爐省煤器吸熱量，進(jìn)而提高SCR 裝置入口煙氣溫度。爐水再循環(huán)流量依據(jù)鍋爐省煤器出口煙溫進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。負(fù)荷相對(duì)較高，可只采用簡(jiǎn)單水旁路系統(tǒng)，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單；負(fù)荷過(guò)低時(shí)兩個(gè)子系統(tǒng)需結(jié)合使用才能滿足煙溫要求[3]。

介質(zhì)流程：省煤器強(qiáng)化爐水再循環(huán)系統(tǒng)。給水旁路系統(tǒng)：給水管道→省煤器給水旁路管道→省煤器出口集箱連接管；爐水再循環(huán)系統(tǒng)：下降管→省煤器爐水再循環(huán)管道→省煤器入口管道。

本系統(tǒng)主要設(shè)備。管道及閥門：省煤器給水旁路管道上裝設(shè)旁路電動(dòng)閘閥、旁路流量測(cè)量裝置。再循環(huán)管道上裝有循環(huán)泵入口電動(dòng)閘閥、泵最小流量電動(dòng)閘閥、泵出口電動(dòng)閘閥、泵出口電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、泵出口止回閥、循環(huán)泵出口流量測(cè)量裝置并設(shè)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)。省煤器給水母管上裝設(shè)主給水電動(dòng)憋壓閥，用于給水旁路流量調(diào)節(jié)；儀表。本系統(tǒng)的儀表主要包含差壓及壓力變送器、熱電阻熱電偶、測(cè)量省煤器流量裝置；電纜。本系統(tǒng)主要包含閥門的電力電纜、控制電纜、接地電纜、儀表的控制電纜等；DCS 相關(guān)設(shè)備；爐水循環(huán)泵及配套冷卻水系統(tǒng)。

圖2 省煤器強(qiáng)化爐水再循環(huán)系統(tǒng)圖

2 運(yùn)行說(shuō)明

2.1 省煤器出口管道壁溫溫度約束說(shuō)明

T1為省煤器出口管道壁溫溫度，測(cè)溫元件為熱電偶，安裝于省煤器出口集箱連接管上，用以與水溫設(shè)定值Target T 比較。T2為脫硝系統(tǒng)入口煙氣溫度（取脫硝DCS 入口煙溫值），用以控制調(diào)門開(kāi)度和循環(huán)泵流量。

機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中將實(shí)際測(cè)量的脫硝系統(tǒng)入口煙溫T2與設(shè)定值300℃作比較，當(dāng)T2小于300℃時(shí)，首先開(kāi)啟再循環(huán)系統(tǒng)，快速的提高省煤器的入口水溫，從而保證脫硝入口煙溫在短時(shí)間內(nèi)得到最大幅度的提升，循環(huán)泵的流量與脫硝入口的煙溫進(jìn)行PID 控制。當(dāng)循環(huán)泵的流量達(dá)到一定的上限，如果脫硝入口的煙氣溫度還低于298℃、且省煤器出口壁溫低于報(bào)警值時(shí)，則打開(kāi)旁路的電動(dòng)閘閥，同時(shí)慢慢關(guān)閉主給水憋壓閥，繼續(xù)提升省煤器的入口水溫，從而進(jìn)一步提高T2的溫度至300℃。

為防止因主給水電動(dòng)憋壓閥開(kāi)關(guān)過(guò)快造成對(duì)系統(tǒng)的沖擊，可使調(diào)節(jié)信號(hào)變化率降低，方便對(duì)輸出的頻率信號(hào)進(jìn)一步控制，使設(shè)備更加安全可靠運(yùn)行。同時(shí)為保證省煤器的安全運(yùn)行，控制系統(tǒng)優(yōu)先確保省煤器出口水溫T1（混合點(diǎn)前）低于水溫設(shè)定值Target T。當(dāng)實(shí)測(cè)測(cè)量溫度T1接近運(yùn)行水溫設(shè)定值Target T，系統(tǒng)應(yīng)有相應(yīng)的提示預(yù)警，實(shí)測(cè)溫度T1達(dá)到水溫設(shè)定值Target T 時(shí)不能再增大旁路管道的旁路流量和再循環(huán)流量，防止省煤器內(nèi)工質(zhì)出現(xiàn)氣化。

2.2 主給水電動(dòng)憋壓閥開(kāi)度及循環(huán)泵流量約束說(shuō)明

通過(guò)計(jì)算省煤器內(nèi)介質(zhì)的壓力與溫度，運(yùn)用焓值表及給出的溫度計(jì)算公式或計(jì)算表格可計(jì)算出設(shè)定值Target T。根據(jù)Target T 的溫度及省煤器出口集箱連接管熱電偶的溫度，合理的控制憋壓閥的開(kāi)度和循環(huán)泵的流量，當(dāng)省煤器出口熱電偶的溫度高于Target T 時(shí)，則保持憋壓閥的開(kāi)度甚至開(kāi)大或減小再循環(huán)流量；若省煤器出口熱電偶的溫度低于Target T 時(shí)，則可繼續(xù)慢慢關(guān)小憋壓閥或繼續(xù)增加再循環(huán)的流量，并隨時(shí)觀察省煤器出口煙溫的變化情況，直至煙溫滿足要求。

3 寬負(fù)荷脫硝系統(tǒng)控制過(guò)程操作說(shuō)明

3.1 機(jī)組啟動(dòng)升負(fù)荷過(guò)程中

首先投入新增爐水再循環(huán)系統(tǒng)，爐水循環(huán)泵啟動(dòng)后通過(guò)調(diào)整爐水循環(huán)泵出口的調(diào)節(jié)門開(kāi)度，使脫硝入口煙溫不低于298℃，若調(diào)節(jié)門全開(kāi)爐水循環(huán)泵達(dá)到最大出力煙溫仍沒(méi)有滿足要求，則保持調(diào)節(jié)門開(kāi)度不變，投入簡(jiǎn)單水旁路系統(tǒng)，并通過(guò)調(diào)整憋壓調(diào)門的開(kāi)度調(diào)節(jié)旁路的水量，使脫硝入口的煙溫維持在298℃及以上，若在調(diào)節(jié)的過(guò)程中省煤器出口水溫平均值接近報(bào)警值時(shí)，則維持調(diào)節(jié)門和憋壓調(diào)門的開(kāi)度不變，若超溫則以1%的步調(diào)慢慢開(kāi)啟憋壓調(diào)門，每開(kāi)啟1%觀察5分鐘，直至不再報(bào)警（高于298℃時(shí)、且省煤器出口水溫不報(bào)警時(shí)，泵出口電動(dòng)調(diào)節(jié)門及憋壓調(diào)門開(kāi)度保持不變）。

3.2 機(jī)組停運(yùn)降負(fù)荷過(guò)程中

降負(fù)荷過(guò)程中簡(jiǎn)單水旁路系統(tǒng)和爐水再循環(huán)系統(tǒng)的投入順序相反，隨著負(fù)荷的降低先投入簡(jiǎn)單水旁路系統(tǒng)，若負(fù)荷過(guò)低、單純的水旁路系統(tǒng)無(wú)法滿足要求時(shí)，再投入爐水再循環(huán)系統(tǒng)。單系統(tǒng)投入的控制邏輯及要求與升負(fù)荷一致。

3.3 寬負(fù)荷脫硝系統(tǒng)投運(yùn)條件

機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，在并網(wǎng)前20分鐘投入寬負(fù)荷脫硝系統(tǒng)；機(jī)組停運(yùn)降負(fù)荷過(guò)程中，當(dāng)脫硝入口煙溫≤298℃時(shí)投運(yùn)寬負(fù)荷脫硝系統(tǒng)，寬負(fù)荷脫硝系統(tǒng)設(shè)備投運(yùn)前需檢查各設(shè)備狀態(tài)：暖管電動(dòng)門全開(kāi)；爐水循環(huán)泵最小流量電動(dòng)門全開(kāi)；主給水電動(dòng)憋壓調(diào)門全開(kāi)；爐水循環(huán)泵入口電動(dòng)門全開(kāi)；爐水循環(huán)泵出口電動(dòng)調(diào)節(jié)門前電動(dòng)門全關(guān)；爐水循環(huán)泵出口電動(dòng)調(diào)節(jié)門后電動(dòng)門全關(guān)；爐水循環(huán)泵出口電動(dòng)調(diào)節(jié)門開(kāi)度為0%；省煤器給水旁路電動(dòng)門全關(guān)；爐水循環(huán)泵停止。

系統(tǒng)設(shè)備滿足投運(yùn)條件后，按寬負(fù)荷脫硝系統(tǒng)投運(yùn)步序投運(yùn)相應(yīng)設(shè)備：關(guān)閉暖管電動(dòng)門；開(kāi)啟爐水循環(huán)泵入口電動(dòng)門；開(kāi)啟爐水循環(huán)泵出口電動(dòng)調(diào)節(jié)門前電動(dòng)門；開(kāi)啟爐水循環(huán)泵出口電動(dòng)調(diào)節(jié)門后電動(dòng)門；調(diào)整爐水循環(huán)泵出口電動(dòng)調(diào)節(jié)門開(kāi)度大于10%；關(guān)閉爐水循環(huán)泵最小流量電動(dòng)門，啟動(dòng)爐水循環(huán)泵；爐水循環(huán)泵出口電動(dòng)調(diào)節(jié)門與主給水電動(dòng)憋壓調(diào)門按照邏輯順序投入使用；調(diào)整爐水循環(huán)泵出口電動(dòng)調(diào)節(jié)門開(kāi)度使脫硝入口煙溫不低于300℃。

3.4 寬負(fù)荷脫硝系統(tǒng)停運(yùn)條件

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升至140MW 時(shí)可將寬負(fù)荷脫硝系統(tǒng)停運(yùn)，按寬負(fù)荷脫硝系統(tǒng)停運(yùn)步序?qū)捸?fù)荷脫硝系統(tǒng)退出：停止?fàn)t水循環(huán)泵；逐步開(kāi)啟主給水電動(dòng)憋壓調(diào)門至100%；關(guān)閉省煤器旁路電動(dòng)門；關(guān)閉爐水循環(huán)泵出口電動(dòng)調(diào)節(jié)門；關(guān)閉爐水循環(huán)泵出口電動(dòng)調(diào)節(jié)門前電動(dòng)門；關(guān)閉爐水循環(huán)泵出口電動(dòng)調(diào)節(jié)門后電動(dòng)門；開(kāi)啟爐水循環(huán)泵入口電動(dòng)門；開(kāi)啟暖管電動(dòng)門；開(kāi)啟爐水循環(huán)泵最小流量電動(dòng)門。

3.5 改造結(jié)果分析

該廠鍋爐通過(guò)省煤器強(qiáng)化爐水再循環(huán)技術(shù)改造，相比改造前同樣運(yùn)行工況，鍋爐在機(jī)組并網(wǎng)前脫硝系統(tǒng)入口煙氣溫度可達(dá)298℃以上，技改前、后機(jī)組并網(wǎng)時(shí)脫硝系統(tǒng)主要考核參數(shù)分別為：省煤器進(jìn)口工質(zhì)溫度158/156℃、省煤器出口工質(zhì)溫度220/269℃、省煤器工質(zhì)流量310/580t/h、省煤器出口煙溫246/302℃、脫硝裝置入口煙溫264/303℃、鍋爐排煙溫度261/276℃。通過(guò)技改確保了SCR 裝置系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，滿足鍋爐對(duì)全負(fù)荷工況投入脫硝系統(tǒng)的要求。

綜上，通過(guò)省煤器強(qiáng)化爐水再循環(huán)技改實(shí)現(xiàn)全工況脫硝，技改工期短、系統(tǒng)調(diào)節(jié)方便靈活，可明顯提高SCR 系統(tǒng)入口煙溫，對(duì)鍋爐技改的基礎(chǔ)硬件條件要求門檻低，適應(yīng)多數(shù)亞臨界燃煤鍋爐全工況脫硝技改需求。為確保鍋爐安全運(yùn)行，鍋爐省煤器再循環(huán)流量調(diào)節(jié)要確保省煤器出口溫度有過(guò)冷度裕量，防止鍋爐省煤器內(nèi)工質(zhì)氣化。省煤器強(qiáng)化爐水再循環(huán)系統(tǒng)并會(huì)造成排煙溫度升高，不影響鍋爐原效率，在確定全工況脫硝技改方案時(shí)可選擇此方案。