600MW超臨界機組優化調整降低煤耗分析

國能銅陵發電有限公司 張 煒

1 600MW超臨界機組概況

某600MW超臨界鍋爐是直流爐、單爐膛、全懸吊結構，根據鍋爐機組的最大連續出力判斷工況。電廠內一臺鍋爐配備6臺磨煤機，型號為HP1008，為中速磨，利用彈簧加載。

1.1 機組問題

SCR脫硝裝置分布在省煤器出口和空預器入口處的垂直煙道中，SCR入口處為混合煙氣溫度。在添加設計煤種（淮南煤）情況下，該入口處的溫度達到375.31℃，符合設備使用的溫度標準。在機組負荷下降中，入口處煙氣溫度相應調整。在負荷僅有40%THA的狀態下，入口處溫度是285℃，未能達到其標準溫度區間（290～400℃）的最低要求，導致脫硝裝置直接被強制退出，此時煙氣排放異常。

1.2 影響因素

機組負荷。在機組負荷下降中所有出入口處的煙溫均下降，同時排煙溫度也會有明顯下降，這使得鍋爐的熱效率提高，機組的耗煤量會相應減少。本文所述鍋爐具有對流特性，如鍋爐負荷下降則燃煤量與內部傳熱量、爐膛出口處的煙氣溫度均下調，由此促使對流受熱區域的傳熱溫差縮小、煙溫下降。所以，減輕鍋爐負荷省煤器出口處的煙氣與排煙的實際溫度會降低，此時機組因為排煙造成的熱量損失也會減少。

煤種。機組運行中，如改變煤種會引起煙氣物理特性的明顯變化，繼而對機組換熱效果帶來影響，引發煙溫變化。煤炭的眾多成分，對SCR裝置的入口煙溫有較明顯影響的是低位發熱量與水分含量。一方面，低位發熱量變化是借助碳元素與灰分含量調整實現的，在總量不變情況下二者含量是負相關。在低位發熱量下降過程中SCR裝置的入口煙溫隨之提高，前者下降1%、后者隨之提高0.13℃左右。而排煙溫度及燃料量同樣會因低位發熱量下降而提高，在該種發熱量降低1%時排煙溫度可在原有基礎上提升0.088℃左右，煤耗量每小時增加1噸以上。假設鍋爐效率是固定的，低位發熱量下降煤耗量就要增多；另一方面，煤炭水分含量，其每提高1%會導致SCR裝置入口處的煙溫提高0.149℃左右，燃煤量每小時多出0.012噸上下。

低負荷工況下前后煙道的煙氣比。在鍋爐機組尾部設置分煙道的結構。前煙道部分，順著煙氣移動的過程包括低溫再熱裝置與省煤器；而后煙道部分則是低溫過熱器與省煤器。所以，二者內部的煙氣量改變會引起吸熱量變化，繼而使SCR裝置入口處的煙溫隨之調整。使用淮南煤時機組處于40%THA狀態中，前后煙道內煙氣量的比例分別是68%、32%。在前煙道的占比減少，后煙道增加中，SCR裝置入口處的煙溫相應下降。出現此種現象的原因在于：前省煤器相較于后省煤器來說入口溫度更小，同時前者的受熱面積也更小，所以在前煙道份額下降、后煙道份額上升中換熱量會提高，繼而使得SCR裝置入口處煙氣和排煙溫度下降。同時因低溫再熱器安置在前煙道，在此空間內的煙氣份額縮小后再熱蒸汽的吸熱量會下降，相應溫度降低[1]。

2 600MW超臨界機組優化調整現有方案

2.1 600MW超臨界機組優化

省煤器給水旁路。在原有機組結構的基礎上添加給水旁路管道，當機組處于低負荷運行狀態中，調整省煤器旁路給水，讓有些入口處的給水借助旁路管道來到出口處。整個原理是下調省煤器給水量，控制傳熱溫差及熱量，實現調高出口處煙氣溫度的目的。所述鍋爐的尾端共有兩個煙道，在前省煤器處設置低溫再熱器；后省煤器則配備低溫過熱器。假設給水旁路是一個大旁路，可把前后省煤器視為整體，管道兩端分別和出入口集箱相連，借助流量調節閥改變給水量。

省煤器煙氣旁路。在原有機組結構基礎上添加煙氣旁路。機組在低負荷工作中改變煙氣量，讓部分原本在入口處的高溫煙氣在不換熱的情況下和出口處煙氣接觸，是為提高出口處的溫度。在機組改造調整中，前后省煤器添加煙氣旁路管道，并在煙道出口處增設擋板，避免煙氣進入。機組運行中，利用改變擋板開度實現對旁路管道煙氣流量的控制。

分級設置省煤器。該方案要求全面調整省煤器管組結構，將既有下半部分拆掉，同時在SCR出口處連接的煙道中增加適量受熱面。而原有的省煤器傳熱區域縮小，使得內部傳熱量得以下調，讓SCR反應裝置的入口處溫度有所上升。在煙氣經過脫硝處理后會由低溫級的省煤器繼續降溫，使機組在改造前后總換熱量大體上一致[2]。

2.2 現有方案比較分析

2.2.1 煙氣溫度

對比上述三個改造方案下，機組處于40%THA狀態，把SCR入口處煙氣溫度提高到最低限制及其以上可能會付出的代價：給水旁路改造。因水側放熱系數明顯超過煙氣側的放熱系數，所以選擇優化給水側，但溫度調節幅度并不大。在給水份額超過64%，SCR入口處的煙氣溫度才可達到最低標準；煙氣旁路改造。在后省煤器的旁路煙氣份額處于35%上下時，也就是煙氣總量的11.2%，入口溫度可滿足最低限度；分級設置省煤器。將高溫級省煤器的受熱區域占比提高至83%，入口處的溫度可滿足需要。從該項衡量指標看最后一個方案相對較好。2.2.2 排煙溫度

使機組保持在40%THA狀態中，通過以上方案改造，在入口溫度提高至最低限值的過程中三個方案的排煙溫度變化分別為+2.41℃、+2.37℃、124℃沒變。由此來看，前兩個方案在達到入口處煙氣溫度中排煙溫度會隨之提升。理論分析中，SCR自身換熱的問題能不考慮，所以二者中的SCR入口煙氣與排煙的溫度同步提高。最后一個方案因省煤器受熱區域整體未進行調整，所排煙溫度不變。2.2.3 鍋爐工作狀態

省煤器出口處的水溫。方案一，因入口給水中有一部分沒有吸熱，所以造成出口處溫度提高。在給水旁路的份額逐步提高中水溫隨之增加，過冷度不斷下降。在滿足煙溫標準后，前省煤器出口處的過冷度不到8℃、后省煤器則達到31℃。二者都沒有實現飽和，這會形成安全隱患；方案二是將部分高溫的煙氣略過放熱環節，使得省煤器內的換熱量下降，出口處水體溫度同樣下降；方案三中，因受熱區域的面積無變化，加之煙氣與溫度等都沒有變化，所以出口處的水溫同樣未變。

將機組調整至100%BMCR的工作狀態，SCR裝置入口處的煙溫是375.31攝氏。假設選擇方案一，該工況下就要完全關閉調節閥；方案二的煙氣擋板也要完全閉合。此種情況下二者改造前后無區別；方案三在該工況中省煤器受熱范圍縮小，煙溫與金屬壁的溫度會提高，不僅可能面臨超過標準溫度區間的問題，還容易使金屬壁的溫度過高。針對方案三的問題，SCR入口處的煙溫最高值是395℃，金屬管的外壁不可超過煙溫，此處管路材料選擇20號鋼、該材料的溫度承受限值是430℃，不涉及到超溫的問題，所以該方案也適用[3]。

2.2.4 改造難度

方案一中，把省煤器的出入口集箱利用額外設置的管道連接，借助旁路管道的調節閥門改變給水量，且旁路中的水體不涉及到裝置內部換熱。此方案的改造難度低、建設工作量少，所以優化調整的風險較低；方案二中改造原理和上一種類似，其是在機組尾部煙道外增加煙道旁路，在此處改變煙氣量，且所需煙氣量占比不高。此方案改造難度與任務量都不大，但要求所用材料的耐溫性能較佳，特別是擋板，否則會因材料變形發生內漏；方案三中把少部分的省煤器受熱面拆掉，轉移到SCR裝置。由于需改變受熱面的位置，無論是工作量還是難度均極大。且SCR增加受熱面的改造中還要調整給水管路，把低溫級與高溫級的省煤器連在一起，再加上物理空間的束縛，此方案對現有機組的改動較多。

3 600MW超臨界機組優化調整結合方案

基于對三個改造方案的比較分析，選擇后兩種改造思路，即煙氣旁路與分級設置，提煉二者優勢得出結合改造方案。該方案把脫硝裝置和空預器間的煙道中添加小部分的受熱面，同時省煤器增設煙氣旁路，借此可在保障出口處煙溫安全達標的基礎上兼顧控制排煙溫度，讓機組改造及運行成本較低。

3.1 改造部分

機組內高溫級的省煤器設置后煙道的旁路，入口處加裝擋板，利用其開度調整旁路流量；高溫級省煤器的受熱區域不進行任何調整，僅在SCR的出口處煙道中留出適量空間，裝設低溫級的省煤器。該項改造處理可起到下調排煙溫度的作用，能提高機組運行經濟性；給水系統部分的調整，將兩個級別的省煤器連起來。機組啟動后給水會先達到低溫級的省煤器，而后經過換熱[4]。

3.2 省煤器改造

在低溫級省煤器的受熱區域逐漸擴大中，SCR裝置的入口煙溫與省煤器出口處的水溫都會隨之提高。出現該現象的主要原因在于：省煤器入口處的水體經過加熱器后溫度會提高，使裝置內的傳熱溫差縮小，這樣便能提高出口處的煙溫。同時，給水通過換熱，加之受熱總面積擴大，使得出口處的水溫上升。而在鍋爐尾部的煙道換熱區域擴大中煙氣放熱量提高，此時空預器入口處的煙溫與排煙溫度隨之下降。由此提高機組經濟性，鍋爐的工作效率優化，耗煤量相應下降。

在低溫級省煤器的實際受熱區域擴大后，空預器的入口處煙氣溫度隨之下降，機組運行環境溫度無變化，此時空預器中的傳熱溫差縮小，促使傳熱量降低，因而排煙溫度的下調幅度在空預器降幅以下。機組處于40%THA中，排煙溫度是124℃，空預器的入口煙溫是310.57℃。為保障超臨界機組安全運行，要把排煙溫度控制在該數值左右。運用結合方案優化機組，SCR入口處的煙溫上升約10℃。當旁路沒有煙氣的情況下，空預器的入口煙溫同時下調約10℃。在低溫級省煤器改造后的受熱面積是原有的20%時空預器的入口煙溫是296.83℃，而排煙溫度是91℃。

3.3 優化效果

在結合方案中，SCR出口到空預器入口的部分加裝一臺低溫級省煤器，其受熱面積是原有省煤器的20%，借助旁路擋板改變煙道流量。在增加擋板開度，煙氣份額隨之增多，而SCR入口處煙氣和排煙的溫度都會提高，同時省煤器出口的給水溫度降低。在煙氣旁路的實際份額調整值33.5%的狀態時，SCR裝置入口處的煙溫高于320℃，符合機組運行的需要。排煙溫度超過120℃，該數據相較于旁路無份額狀態下有所提升，但與機組改造前對比，溫度總體下降的狀態，結合機組投運情況來說，預計煤炭耗用量能下降0.4g/kWh左右。

經過上述結合方案調整后，因為在鍋爐的尾部煙道加裝低溫級的省煤器，所以即便沒有相應的旁路調節，也能達到升溫的目的。由此，機組處于高負荷狀態時，脫硝裝置入口處將面臨有煙氣溫度超過催化劑發生反應區間的可能性，所以要對最高工況加以評估。此處對比“淮南煤”與“混合煤”的使用，后者低位發熱量相對更少，并且水分含量大。而SCR入口處的煙溫會因為煤炭的低位發熱量下降，出現上升的情況，并在水分含量增加中該處煙溫也會提高。所以，機組在面對最大工況的運行工作中應當添加混合煤。

機組通過結合方案的優化調整后，處于100% BMCR狀態中，當旁路沒有煙氣份額的情況下，SCR裝置入口處的煙溫超過380℃，總體有所提高，并且還在其正常的反應溫度范圍內，所以不會出現超溫的問題。同時，經過改造后的機組排煙溫度下降，每小時的耗煤量減少0.36噸，鍋爐的運行效率有所優化，機組工作經濟性明顯提升。

綜上，通過上文對鍋爐機組的討論分析，會影響煤耗量的是煙氣溫度。因此在優化調整機組中，應當以控制SCR裝置入口出煙氣與機組排煙的溫度，有效提高鍋爐效率，達到降低煤耗的目的。在實際改造設計中，相關人員需要考慮方案的可行性，分別從改造難度、工作量、經濟性等角度剖析，最終篩選出方案中的優勢，經過合理化整合，保障機組改造的效果，為電廠機組的安全穩定運轉以及燃煤量的控制提供有效保障。