0号高压加热器和外置式蒸汽冷却器的并联应用

2021-08-19何俊锋

电站辅机 2021年2期

何俊锋

(上海电气电站服务公司，上海 201199)

0 引言

2014年9月12日，国家发展和改革委员会、环境保护部和国家能源局以(发改能源[2014]2093号)下发文件印发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014一2020年)》计划要求加快推动能源生产和消费革命，进一步提升煤电高效清洁发展水平，到2020年，现役600 MW及以上机组(除空冷机组外)改造后平均供电煤耗要低于300 g/(kW·h)。

国家环保部发布了GB 13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》,标准规定，自2014年7月1日起，燃煤火电锅炉在重点地区氮氧化物排放浓度限值为100 mg/Nm3。

2020年12月25日，《碳排放权交易管理办法(试行)》由生态环境部部务会议审议通过，自2021年2月1日起施行。1月1日，全国碳市场发电行业第一个履约周期正式启动，首个履约周期到2021年12月31日截止，涉及2 225家发电行业重点排放单位。

为了有效地完成节能减排、宽负荷脱硫脱硝、碳排放的政策要求，有必要针对给水回热系统进行升级改造。本文将对给水回热系统[1]升级改造的相关技术展开探讨，得出结论并对后续进一步研究进行展望。

1 给水回热系统升级改造

给水回热系统升级改造的技术方案主要有：增设低温省煤器、增设0号高压加热器(以下简称0号高加)、增设外置式蒸汽冷却器(以下简称外置式蒸冷器)等。

增设低温省煤器：在锅炉尾部烟道中加装低温省煤器，利用烟气加热回热系统中的凝结水,可提高锅炉综合效率，同时将排烟温度降低到90～110 ℃，实现烟气余热的深度回收。

增设0号高加：在给水回热系统的1号高加后增设1台0号高加，从汽轮机新增抽汽口(或者利用汽轮机补气阀接口)抽汽，提高低负荷下进入省煤器的给水温度，降低机组在部分负荷下的发电煤耗，提高机组部分负荷运行的热经济性。

增设外置式蒸冷器：利用三段抽汽的部分过热度，在三段抽汽进入3号高加前先流经外置式蒸冷器，提升1号高加给水出口的温度，冷却后的蒸汽再进入3号高加进行换热。

在同一机组中，上述技术方案既可以单独应用，也可以耦合应用。本文就0号高加和外置式蒸冷器的并联应用进行阐述。

2 0号高加和外置式蒸冷器的并联应用

2.1 工程背景介绍

以某电厂为例，根据省电科院的统计数据，2017年该厂600 MW超临界机组全年平均煤耗为306.9 g/(kW·h)，2018年1-10月的平均煤耗为305.64 g/(kW·h)，已无法满足国家和地方对煤耗指标的最低要求。通过对标同类型机组的煤耗水平，无论在行业内、在集团内部、还是在安徽省区域内，该机组在近两年的对标情况统计中均处在落后地位。

脱硝装置考虑系统、设备结构简单化、脱硝效率的需求，一般采用选择性催化还原(SCR)脱硝系统，该技术非常成熟，被广泛应用于大型火电机组中。SCR脱硝技术的核心是催化剂，应用最多的催化剂是V-W(Mo)-Ti系列，所需温度一般控制在300～400 ℃[2]，此时脱硝效率最高可达90%以上，且氨逃逸率符合HJ 2040-2014《火电厂烟气治理设施运行管理技术规范》。若催化剂长期在允许的最低温度以下运行，会造成催化剂中毒，影响催化剂的活性，导致脱硝的效率及经济性降低。一旦电网调峰，机组负荷降低，脱硝SCR退出运行将导致机组NOx排放超标。从长远来看，随着国家的环保政策日益严格，发电机组的烟气排放标准和要求也将更高，宽负荷脱硝改造势在必行。

增设0号高加、外置式蒸冷器能有效降低机组的热耗，尤其是低负荷时候的热耗，同时能提高锅炉给水温度，降低其在省煤器中的吸热量，从而提高SCR入口烟气温度。另外，增加了外置式蒸冷器后，3号高加进汽的过热度大幅减小，与进入3号高加的给水温度差值变小，减少了高加泄漏的概率。

2.2 回热系统边界条件

根据汽机各工况热平衡图，主要数据如表1。

表1 汽机各工况主要数据表

(续表1)

2.3 方案描述

为了提高机组在低负荷工况的效率，针对热力系统运行特点，采用增加回热级数方案，降低机组热耗率。本次改造方案在原来的3台高加的给水系统上增加1台0号高加，设置于靠近省煤器的1号高加之后，与原给水系统的3台高加串联运行，共用原给水系统的给水大旁路。机组正常运行时，给水流过增设的0号高加流向锅炉省煤器。其基本原理图如图1：

图1 增设0号高加给水温度方案系统图

由于汽轮机采用滑压运行，随着机组负荷的下降，汽轮机抽汽压力随之下降，回热系统的给水温度也随之降低，较额定工况下进入低温省煤器的给水温度降低很多，降低了省煤器出口的烟气温度，导致脱硝SCR退出运行，机组NOx排放超标。

提高给水温度的方案是在回热系统1号高加后增设1台0号高加，从汽轮机新增抽汽口抽汽，提高低负荷下进入省煤器的给水温度，降低了机组在部分负荷下的发电煤耗，提高了机组部分负荷运行的热经济性，特别近几年火电机组整体负荷较低，0号高加优势更加明显。

当机组负荷较低的时候(90%负荷及以下)，0号高加投入运行，可有效提高给水温度，使其接近最佳回水温度，提高机组效率；在机组负荷高的时候，由于0号高加投入运行时给水温度升高有限，同时降低机组出力，若影响机组满发，可在90%负荷以上逐渐将0号高加退出。通过本技术，机组宽负荷运行范围的综合效率将得到提高。

除了增设0号高加外，还考虑增加外置式蒸冷器，如图2。利用三级抽汽进一步加热1号高加出口给水。

图2 增设外置式蒸冷器系统图

外置式蒸冷器与0号高加通常有串联和并联两种布置形式。根据600 MW等级机组的改造工程经验，串联布置一般将0号高加和外置式蒸冷器均设计为100%容量，并联布置一般将0号高加设计为60%容量，外置式蒸冷器设计为40%容量。两种方案比较，串联形式一般比并联形式可多降低热耗约4 kJ/(kW·h)，但是相应的设备容量大，造价高，占地面积大。本项目由于为改造工程，根据原厂房设计资料，只能布置部分容量的0号高加和外置式蒸冷器。因此按照0号高加和外置式蒸冷器并联布置，0号高加设计为60%容量，外置式蒸冷器设计为40%容量，方便布置，节省造价。

0号高加和外置式蒸冷器并联布置的形式，三抽蒸汽过热度跨越3个抽汽能级，与0号高加并联加热给水，利用于较高能位上，排挤了更高品质的汽轮机抽汽，进一步降低热耗，同时被排挤的蒸汽具有更高做功能力，增加了机组出力裕量。其基本原理图如图3。