高效宽负荷回热系统设计研究

付 涛，范诚豪

（1.安徽芜湖发电有限责任公司，安徽 芜湖 241009；2.上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240）

1 设备概况

上海锅炉厂生产的超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉、单炉膛、一次中间再热、采用四角切圆燃烧方式、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。配套汽轮机为上海汽轮机有限公司生产的超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、凝汽式汽轮机。

根据锅炉设计煤种的热力特性数据，在100%汽机热耗验收工况（THA）、75%THA、50%THA和40%THA工况下省煤器出口（锅炉选择性催化脱硝系统入口）烟气温度分别为352℃、329℃、303℃和286℃。该机组配置锅炉选择性催化脱硝系统要求的脱硝反应温度窗口为309～420℃，高于420℃会导致催化剂烧结；低于309℃喷入烟道内的NH3与SO3反应生成硫酸铵盐、硫酸氢铵盐，氨盐沉积在催化剂中会引起催化剂失活，而且还会造成空预器低温段堵塞，影响机组运行安全。催化剂活性要求入口烟气温度在低于309℃时，无法投入SCR脱硝系统，同时从设计工况热力数据来看，机组在50%THA以下无法满足SCR投入的环保要求。

根据电厂在全年燃烧实际煤质时，省煤器出口烟气温度的统计分析来看，如表1所示，无论是在冬季还是夏季，机组在330 MW负荷下锅炉选择性催化脱硝系统入口烟气温度无法满足锅炉选择性催化脱硝系统投入的要求，限制了机组的环保投入率。

2 高效宽负荷脱硝技术路线

目前，可以采用的高效宽负荷脱硝技术路线有省煤器热水再循环、省煤器分级、烟气旁路、增设A0加热器。

省煤器热水再循环可以提升锅炉选择性催化脱硝系统入口烟温40℃，投资较大，每年还有一定的运行维护费用；系统投运时，排烟温度升高，若锅炉尾部设置有低温省煤器，可以回收排烟温度升高后的热量进入汽机凝结水系统，该技术路线现阶段应用较多。

省煤器分级技术，初投资很大，系统运行安全，运行没有维护费用，但采用这种路线改造后锅炉也没有节能效果，该技术路线早期应用较多，现阶段已经较少应用。

烟气旁路技术路线，同样初投资较大，系统在投运时，提高锅炉选择性催化脱硝系统入口烟温，但是该路线存在较多运行问题，如旁路烟道挡板卡涩，无法按照指令正常开启；高温烟气和低温烟气在锅炉选择性催化脱硝系统入口处混合不均，影响催化剂安全和效率；旁路烟气从低温再热器入口抽取，则低负荷时出现再热器欠温问题，该总技术路线的实际应用较少。

表1 机组不同季节锅炉选择性催化脱硝系统入口烟温统计数据

增设A0加热器，超超临界汽轮机配置有过载阀设计的机组上，可以利用过载阀设计一个三通阀、调节阀，将原过载阀的进汽口改变为抽汽口，在不同负荷下，将过载阀进汽级的高压蒸汽引至新增加的A0加热器中，实现在不同负荷下，提高回热系统的给水温度，通过省煤器入口给水温度提高后，间接提高锅炉选择性催化脱硝系统入口烟气温度的目的，该技术路线现阶段已有电厂应用。

3 高效宽负荷回热系统设计

高效宽负荷回热系统中抽汽汽源来自过载阀后的补汽口，原设计中汽轮机在响应一次调频需求时，可以在保持额定进汽压力下，通过开启过载阀，实现机组出力的增加。当过载阀后引出一管路，将高压缸第7级动叶后的蒸汽引入新增加的A0加热器，关闭过载阀，实现A0加热器的供汽，如图1所示。

图1 A0加热器高效宽负荷回热系统

A0加热器设置一级正常疏水至A1加热器疏水阀后的管道上，同时可以设计一级正常危急疏水至凝汽器。

高效宽负荷回热系统中最关键的设计策略是如何设计最终的给水温度。根据汽轮机厂家的通流热力特性数据如表2所示。补汽口压力参数考虑调阀及抽汽管道压损后，可以有效满足加热器出口提升温度的需要。

表2 补汽阀抽汽口参数

为了计算A0加热器在不同给水温度下的节能效果，本文采用对原热力系统进行热力学建模，分析不同A0加热器给水温度设计策略对系统节能的影响及对最终锅炉选择性催化脱硝系统入口烟气温度的影响。

3.1 回热系统热力学模型

根据机组的汽轮机的设计热平衡数据，首先运用ebsilon professional建立设计工况，设计工况选取75%THA，然后验证模型的变工况特性是否与设计热平衡吻合。验证后，采用新增A0加热器，进行不同给水温度策略计算。热力学模型验证计算的结果与设计热平衡的数据基本吻合，其中，75%THA、50%THA和40%THA的热耗偏差分别为0.044%、0.048%和0.6%。

3.2 不同给水温度策略计算

根据建立的热力学模型，分别计算了在75%THA工况下，A0加热器调节阀全开和部分节流状态下，根据表3显示的结果，第一种策略，大幅提高给水温度：当机组负荷由100%THA至75%THA负荷变化过程中，A0加热器抽汽调节逐渐由节流至75%THA时全开，系统的给水温度由额定负荷时的289.7℃升高至305℃，随着负荷的继续下降，相应的抽汽口压力继续下滑，给水温度由最高点开始下滑，至40%THA时，给水温度下降至261.8℃；相应的汽机热耗由75%THA时的7368 kJ/（kW·h） 最低点开始逐渐升高，至40%THA时，汽机热耗上升至最高点7761.5 kJ（/kW·h）。第二种策略，保持给水温度基本稳定：当机组负荷由100%THA至75%THA负荷变化过程中，A0加热器抽汽调节调节阀始终保持节流以维持基本给水温度温度在这负荷区间内稳定，系统的给水温度由额定负荷时的289.7℃稳定变化至293.2℃，随着负荷的继续下降，相应的抽汽口压力继续下滑，给水温度由此开始下滑，至40%THA时，给水温度下降至259.3℃；相应的汽机热耗由75%THA时的7385 kJ/（kW·h） 最低点开始逐渐升高，至40%THA时，汽机热耗上升至最高点7736 kJ/（kW·h）。不同调节阀开度下汽轮机热耗与给水温度的特性变化如图4所示。

表3 热力学模型与设计热平衡的验证

图4 不同调节阀开度下汽机热耗与给水温度的特性变化

采用第一种大幅提高给水温度的控制策略，可以较大程度地提高40%THA至100%THA负荷之间的给水温度，有效提升锅炉选择性催化脱硝系统脱硝的宽负荷适应性，但是这种策略会大幅提高锅炉水冷壁入口的温度，使锅炉中间点温度的控制策略改变。该锅炉设计省煤器出口允许最高360℃的壁温要求，大幅提高给水温度虽然并不会使锅炉水冷壁入口壁温超温，但却需要改变相应锅炉中间点温度控制逻辑；同时，大幅开启A0抽汽口调节阀可能会对汽机轴承振动、胀差带来不可预计的影响。

采用第二种稳定控制给水温度的策略，平均提升给水温度的效果虽然不及第一种策略，但是可以大大缓解给水温度提升后对锅炉和汽机系统的扰动影响。不同策略下的最终给水温度如图5所示。

图5 不同策略下的最终给水温度

3.3 汽机节能效果比较

第一种策略：在100%THA至75%THA之间的平均热耗为 7730 kJ/（kW·h）；75%THA 至 60%THA之间的平均热耗为7427 kJ/（kW·h），60%THA至50%THA之间的平均热耗为7545 kJ/（kW·h），50%THA至40%THA之间的平均热耗为7671 kJ/（kW·h）。

第二种策略：在100%THA至75%THA之间的平均热耗为7738 kJ/kW·h；75%THA至60%THA之间的平均热耗为7433 kJ/（kW·h），60%THA 至50%THA之间的平均热耗为7538 kJ/（kW·h），50%THA至40%THA之间的平均热耗为7665kJ/（kW·h）。

当机组年平均负荷在60%以上时，策略一具有更好的节能效果，平均负荷率在60%以下时，策略二具有更好的节能效果。但是平均的节能效益差距很小，最大的差距也就在8 kJ/（kW·h）。从节能效益分析来看，两种策略的差距并不大。

4 给水温度对锅炉选择性催化脱硝系统入口烟气温度影响

采用策略二设计的高效宽负荷回热系统设计，结合锅炉预热器的热力计算结果表明，当给水温度提高后，在锅炉燃料量不变的前提下，炉膛辐射吸热和水平对流吸热相应减少，最终省煤器出口的烟气温度也相应升高，预热器出口温度也相应升高。75%THA、50%THA和40%THA负荷下，锅炉选择性催化脱硝系统入口烟温分别为350.5℃、336℃和317℃，相比未采用原设计条件下分别提高了21.5℃、33℃和31℃，基本可以保证在40%负荷以上，高效投运锅炉选择性催化脱硝系统的条件。采用高效宽负荷回热系统设计后，锅炉预热器出口的排烟温度也相应升高，在75%THA、50%THA和40%THA负荷下，排烟温度分别为125.7℃、125.6℃和118.9℃，分别比设计条件下提高了7.7℃、12.6℃和11.9℃。从传统锅炉效率的定义来看，排烟温度升高使锅炉效率一定程度下降，但该机组在电除尘器后设置的低温省煤器，可以有效地将升高的排烟温度转化为回热系统凝结水的热量，并不会大幅降低机组的循环效率。通过提高进入低温省煤器的凝结水量，在低温省煤器平均传热温压提高的前提下，可以将排烟温度对机组供电煤耗的升高影响降低至0.2 g/（kW·h） 以内。

结合策略二的高效宽负荷回热系统的设计，可以使机组在平均75%负荷率下，供电煤耗降低约0.8 g/（kW·h）。高效宽负荷回热系统对锅炉选择性催化脱销系统入口烟温及排烟温度的影响特性如图6所示。

图6 高效宽负荷回热系统对锅炉选择性催化脱硝系统入口烟温及排烟温度的影响特性

5 结论

a）利用带补汽阀设计的高效宽负荷回热系统不仅可以有效降低汽轮机在低负荷的热耗，同时可以有效改善锅炉选择性催化脱硝系统入口的烟温，解决了原设计中50%THA负荷下，无法投运锅炉选择性催化脱硝系统脱硝的环保问题。

b）仿真计算结果表明，不同的给水温度提升策略对机组不同负荷率下的节能效果有显著影响，综合考虑安全运行的因素，可以采用稳定提升给水温度的策略。

c）高效宽负荷回热系统的设计在提升锅炉选择性催化脱硝系统入口烟气温度的同时，使锅炉出口排烟温度升高，但根据计算结果表明，电除尘器出口低温省煤器的设置，可以使排烟温度升高影响的供电煤耗降低至0.2 g/（kW·h），采用高效宽负荷回热系统设计后，在75%的平均负荷率下，可以降低机组整体供电煤耗0.8 g/（kW·h）。