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電站鍋爐寬負荷脫硝改造勢在必行，介紹了現(xiàn)有寬負荷脫硝技術(shù)，論述了各自的原理及優(yōu)缺點，給出了寬負荷脫硝該造技術(shù)方案選取建議并介紹了我公司的改造方案。

關(guān)鍵詞：電站鍋爐、超低排放，寬負荷脫硝，省煤器分級，增容改造

(本文來自于“2017年電力行業(yè)節(jié)能環(huán)保創(chuàng)新論壇”論文集，有刪減) 作者：魏愛勇(河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司)

1引言

目前，應(yīng)用較為廣泛的煙氣脫硝技術(shù)為選擇性催化還原法(SCR)。為滿足SCR催化劑的溫度窗口，在SCR反應(yīng)器的設(shè)計過程中一般要求入口煙氣溫度為320℃的設(shè)計過程中。實際運行過程中，由于鍋爐負荷受電網(wǎng)控制，無法長期高負荷運行，部分鍋爐運在50%負荷以下時，SCR入口煙溫低于320℃，使得SCR無法正常運行，造成NOx排放濃度超低、催化劑失活、氨逃逸增加等。因此，有必要采用寬負荷脫硝技術(shù)來滿足NOx排放要求，實現(xiàn)最低技術(shù)出力以上全負荷、全時段穩(wěn)定達到排放要求。

2寬負荷脫硝技術(shù)

河北西柏坡第二發(fā)電有限責(zé)任公司為了落實國家及地方政策對火電企業(yè)更高的節(jié)能和環(huán)保要求，計劃對#5、#6機組進行增容提效改造，同時為了適應(yīng)國家環(huán)保政策的要求，滿足燃煤鍋爐寬負荷氮氧化物達標排放的要求，對鍋爐進行了寬負荷脫硝改造，通過對目前國內(nèi)應(yīng)用的寬負荷脫硝技術(shù)進行全方面對比論證，結(jié)合實際運行情況和空間結(jié)構(gòu)，選取了適合本項目的具體改造方案。最后結(jié)合增容改造方案提出了本項目改造的范圍。

2.1 鍋爐增容改造的必要性

河北西柏坡第二發(fā)電有限責(zé)任公司積極執(zhí)行國家相關(guān)政策，為了降低電廠的供電煤耗，達到國家規(guī)定的節(jié)能和減排相關(guān)指標，已經(jīng)確定了汽機的增容提效改造方案：機組由600MW增容至640MW，同時進行汽輪機通流改造。為了確保#5、#6機組達到國家的相關(guān)指標并配合汽機的通流改造，鍋爐必須相應(yīng)進行640MW的增容改造。

2.1.1 鍋爐設(shè)備概況

河北西柏坡第二發(fā)電有限責(zé)任公司#5、#6鍋爐為北京巴威公司按美國B&W公司SWUP系列鍋爐技術(shù)標準，結(jié)合本工程燃用的設(shè)計、校核煤質(zhì)特性和自然條件，進行性能結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的超臨界參數(shù)SWUP鍋爐。

鍋爐為超臨界參數(shù)、螺旋爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、露天布置的π型鍋爐，鍋爐配有帶循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動系統(tǒng)。

鍋爐設(shè)計煤種為神華煙煤，校核煤種為晉北煙煤。

鍋爐采用中速磨冷一次風(fēng)機正壓直吹式制粉系統(tǒng)，前后墻對沖燃燒方式，配置B&W公司的DRB-4Z低NOx雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器及OFA噴口。

尾部設(shè)置分煙道，采用煙氣分流擋板調(diào)節(jié)再熱器出口汽溫。

尾部豎井下設(shè)置兩臺三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。

2.2 鍋爐增容后寬負荷脫硝改造

河北西柏坡第二發(fā)電有限責(zé)任公司#5、#6鍋爐通過增容改造可以完全滿足增容到640MW的需求，同時通過調(diào)整尾部受熱面的改造方案，能夠有效降低空預(yù)器入口煙溫和排煙溫度，提高鍋爐效率;但是導(dǎo)致低負荷SCR入口煙溫偏低，不能滿足30%THA工況以下投運脫硝的運行要求。

河北西柏坡第二發(fā)電有限責(zé)任公司綜合考慮機組增容改造和寬負荷脫硝環(huán)保政策，要求鍋爐增容改造方案既能降低空預(yù)器入口煙溫及排煙溫度、提高爐效，還能滿足寬負荷脫硝的運行要求。因此，此次寬負荷脫硝改造的方案必須兼顧兩方面的技術(shù)要求。

目前，寬負荷脫硝改造有多種技術(shù)路線，如煙氣旁路系統(tǒng)、省煤器水側(cè)旁路系統(tǒng)、省煤器出口水再循環(huán)系統(tǒng)、采用0號高加系統(tǒng)和省煤器分級布置等技術(shù)，下述內(nèi)容將詳細介紹各技術(shù)路線的改造方案。

2.2.1 煙氣旁路系統(tǒng)

本技術(shù)的基本原理是：在省煤器進口位置的煙道處開孔，抽取部分高溫?zé)煔庵罶CR接口處(提高混合效果，可以在尾部后煙道低溫過熱器管屏中、下層之間抽高溫?zé)煔?，同時設(shè)置煙氣擋板，增加部分鋼結(jié)構(gòu)和支吊架。在低負荷時，通過抽取較高溫?zé)煔馀c省煤器出口過來的煙氣混合，使低負荷時SCR入口處煙氣溫度達到最低噴氨溫度要求。旁路煙道上需要加裝膨脹節(jié)、電動關(guān)斷擋板、調(diào)節(jié)擋板進行調(diào)節(jié)煙氣流量及溫度調(diào)節(jié)。

優(yōu)點：投資成本相對較低，通過調(diào)節(jié)擋板調(diào)節(jié)煙氣流量可使催化劑工作于最佳反應(yīng)溫度范圍。

缺點：對煙氣擋板的可靠性要求較高，如果煙氣擋板的密封性能變差，或煙氣擋板開啟后無法關(guān)閉，在高負荷工況下有部分高溫?zé)煔鈴呐月窡煹佬孤?，直接進入SCR裝置，這時煙氣溫度將會出現(xiàn)高于催化劑最高允許溫度的風(fēng)險，可能會對催化劑帶來致命的破壞;如果長期不在低負荷運行，也就是擋板門處于常閉狀態(tài)，可能會導(dǎo)致積灰、卡澀打不開，也可能在長打開的時候，關(guān)閉時不能可靠關(guān)閉。此外，電廠實際運行還發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)煙溫混合均勻性較差，可能出現(xiàn)煙溫平均值合適，但是個別位置很高，個別位置很低的情況，對脫硝催化劑壽命產(chǎn)生較大影響，不推薦此方案。

2.2.2 省煤器水側(cè)旁路系統(tǒng)

在省煤器進口集箱前設(shè)置調(diào)節(jié)閥和連接管道，將部分給水旁路，減少給水在省煤器中的吸熱量，以達到提高省煤器出口煙溫的目的。

此方案可調(diào)節(jié)的范圍較小，在脫硝入口煙溫提高要求不是很多時基本可行，省煤器后煙氣溫度可達到最低噴氨溫度的要求，但在脫硝入口煙溫提高額度要求較多時，需要旁路的給水量太大，在省煤器中介質(zhì)可能會產(chǎn)生沸騰汽化現(xiàn)象，汽化率較高或者水側(cè)旁路引入位置不合理時將直接影響鍋爐水循環(huán)，威脅到機組的安全性。旁路量不太大時也有可能發(fā)生汽水兩相混合不均情況。因此，目前利用省煤器水旁路來提高SCR裝置入口煙氣溫度，煙氣溫度提升幅度較小，并且具有一定的安全隱患，不推薦采用水側(cè)旁路方案。

2.2.3 省煤器出口水再循環(huán)系統(tǒng)

該種方式可以通過抽水流量的大小進行溫度調(diào)節(jié)，煙氣溫度調(diào)節(jié)靈活，不需要對受熱面做較大改動。通過再循環(huán)省煤器部分工質(zhì)方式，提高和控制省煤器進口水溫，減小省煤器傳熱溫差，從而在低負荷實現(xiàn)省煤器出口煙溫的提高。需要增加一套再循環(huán)泵、閥門系統(tǒng)，初期投資大，成本高，循環(huán)泵在實際運行過程中維護工作量大;并且再循環(huán)泵采購周期長，泵、閥門以及旁路的采購安裝復(fù)雜，影響項目改造進度。

2.2.4 采用0號高加系統(tǒng)

回?zé)岢槠a充給水加熱技術(shù)是指從汽輪機高壓缸上選擇一個合適的抽汽點，將該抽汽引入一個抽汽可調(diào)式的給水加熱器(稱之為0號高加)，在機組低負荷時投運該路抽汽，來提高給水溫度，以提高省煤器出口煙氣溫度，保證低負荷時SCR催化劑能夠安全穩(wěn)定連續(xù)運行，實現(xiàn)寬負荷脫硝的功能。

該給水加熱器入口設(shè)置了調(diào)節(jié)門，低負荷時可以控制該加熱器入口壓力基本不變，從而能維持給水溫度基本不變。

結(jié)合西門子1000MW 機組的補汽技術(shù)，回?zé)嵯到y(tǒng)改造增加的抽汽汽源可來自于汽輪機補汽閥后的管路，通過原補汽管路將高壓缸第五級后蒸汽通過減溫、減壓裝置后返供至一高加，其中抽汽壓力靠調(diào)門來控制。

回?zé)岢槠a充給水加熱方案的主要優(yōu)點：

1)能提高給水溫度約40℃，提高鍋爐排煙溫度20℃，可以保證脫硝系統(tǒng)在450MW 以上全程安全投運。

2)使環(huán)保和節(jié)能達到統(tǒng)一。在保證脫硝裝置安全投運的前提下，低負荷汽輪機抽汽量的增加，提高了熱力系統(tǒng)的循環(huán)效率。根據(jù)SIEMENS 計算，50%負荷工況下，可降低汽輪機熱耗57kJ/kw，相當于降低煤耗2.18 克/千瓦時;另外結(jié)合低溫省煤器，可以將排煙溫度升高帶走的熱量進行回收，避免排煙損失增加。

3)提高了鍋爐水動力安全性。省煤器入口水溫的提高，使省煤器出口即水冷壁入口水溫亦相應(yīng)提高，減少了水冷壁入口欠焓，顯著提高了低負荷工況下的水動力特性，大大提高了水冷壁的運行安全性。

該種方式對于1000MW帶補汽閥的機組改造較為方便，其它沒有帶補汽閥的機組需要合理選擇抽汽點。

2.2.5 SCR前后省煤器管組分級布置

本技術(shù)的基本原理是：在進行熱力計算的基礎(chǔ)上，將鍋爐尾部煙道布置的省煤器一分為二，第一部分仍然布置于鍋爐尾部煙道，第二部分布置在SCR反應(yīng)器后，SCR反應(yīng)器下部的省煤器可以稱之為一級省煤器，鍋爐尾部煙道布置的省煤器稱之為二級省煤器。

省煤器給水直接引至位于SCR反應(yīng)器后面的一級省煤器，從一級省煤器出來的熱水通過連接管道引至位于二級省煤器。同時增加新的支吊架，連接管道根據(jù)鍋爐左右側(cè)現(xiàn)場情況布置，同時更改現(xiàn)有的反應(yīng)器后煙道，并對煙道進行加固。同時對脫硝鋼架、基礎(chǔ)荷載進行校核。新增吹灰設(shè)備及附屬結(jié)構(gòu)、儀器儀表等，以及對引起的平臺、扶梯、前后進出風(fēng)門的進行相應(yīng)的改動。具體為改造方案如下圖所示：

圖2 SCR前后省煤器管組分級布置圖

按照分級省煤器改造后，排煙溫度顯著降低，鍋爐效率顯著升高，經(jīng)濟性提升。同時，在低負荷時可以滿足SCR裝置的投運要求。

但是此改造方案有如下缺點：

1)荷載方面：由于SCR前后分級省煤器布置方案涉及到鍋爐原鋼結(jié)構(gòu)、脫硝鋼結(jié)構(gòu)、低低溫省煤器等多個系統(tǒng)荷載方面的配合和計算，工作量大，而且很難精確量化，目前沒有得到低溫省煤器的布置圖及低溫省煤器廠家的基礎(chǔ)負荷圖，難以對基礎(chǔ)做出加固方案;即使下一階段有詳細圖紙，根據(jù)初步估算需要對SCR鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和低低溫省煤器等對應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進行大范圍加固，改動量巨大，本次可研階段無法估算該成本。

2)調(diào)節(jié)性：SCR前后分級省煤器涉及到滿負荷到低負荷范圍內(nèi)的煙溫匹配，只要采用了該種方式，實際運行中沒有調(diào)節(jié)性，而鍋爐由于運行時間導(dǎo)致的受熱面沾污、煤種變化等都會引起脫硝入口煙溫的變化，而不具備調(diào)節(jié)性的系統(tǒng)很難適應(yīng)這些情況的變化。針對該項目而言，存在由于分級省煤器匹配不合理或者未來煤種變化較大導(dǎo)致的滿負荷煙溫太高或者低負荷煙溫太低的風(fēng)險，而這樣的改造是不可逆的。

3)煙道改動大：由于一部分省煤器布置在SCR后，需要對原SCR反應(yīng)器后煙道進行大量改動，需要空間大。并且根據(jù)現(xiàn)場勘測，#5,6鍋爐SCR后煙道空間有限。需要改動鋼結(jié)構(gòu)部分工作量大，成本高。

4)SCR后煙道流場分布不均勻：由于本項目SCR后空間有限，增加SCR后省煤器之后，鍋爐煙道非常緊湊，進入空預(yù)器的煙道流場較差，空預(yù)器入口煙氣速度偏差較大。

5)積灰：由于本項目SCR后空間有限，煙道布置緊湊，基本成水平布置，而且由于該處空間有限，不利于布置吹灰器，很容易導(dǎo)致煙道大量積灰。

基于上述缺點，我公司不推薦此方案。

2.2.6 尾部煙道下組省煤器受熱面分級布置

此改造方案為將原有鍋爐后煙道下面一組光管省煤器更換為一組H型省煤器，有效降低SCR入口和空預(yù)器入口煙溫，提高鍋爐效率。在寬負荷脫硝改造中，我公司針對西柏坡#5、#6鍋爐實際情況，從鍋爐性能、尾部受熱面布置以及煙道空間等方面進行深入考慮，采用了將新更換的H型鰭片省煤器按照不同管屏受熱面分級布置，方案流程圖如下圖所示。

具體改造內(nèi)容為：

(1)將鍋爐原設(shè)計中省煤器進口集箱由1 個改成2 個。改造后兩個集箱各控制一定比例的省煤器管組(下)的管屏數(shù)，兩集箱控制的屏數(shù)比例不一樣，在低負荷煙溫?zé)o法滿足要求時，屏蔽一部分管屏;

(2)在后煙道上、下兩組省煤器中間加裝1 個省煤器混合集箱，下組省煤器出口工質(zhì)經(jīng)混合集箱混合后進入上組省煤器管組。

(3)省煤器進口給水管道進行相應(yīng)的改造，由原設(shè)計1 路給水管路分流成2路給水管路，同時通過相應(yīng)閥門的操作達到控制不同管屏水量的目的。

具體的控制方式如下：

(1)鍋爐啟動過程控制說明

鍋爐的啟動分為冷態(tài)啟動、溫態(tài)啟動、熱態(tài)啟動和極熱態(tài)啟動，以冷態(tài)啟動為例進行說明。鍋爐冷態(tài)啟動的基本程序為：啟動前的各項檢查和準備工作→鍋爐上水、冷態(tài)清洗、建立爐水循環(huán)→爐膛吹掃→點火→度過汽水膨脹期→升溫、升壓、暖管→汽輪機沖轉(zhuǎn)→并網(wǎng)帶初負荷→升負荷→分離器濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)、鍋爐進入直流運行→增加負荷至滿負荷。

判斷本改造系統(tǒng)是否投運可以按照負荷監(jiān)測和煙溫監(jiān)測兩種方式，負荷監(jiān)測由于受到煤質(zhì)、蒸汽參數(shù)、燃燒系統(tǒng)狀態(tài)等多種因素的影響，沒有非常明確的時間點， 推薦采用煙溫監(jiān)測方式。就是通過監(jiān)測現(xiàn)有測點測量的SCR入口煙溫，來判斷是否投運該系統(tǒng)。

啟動和操作流程為：

鍋爐冷態(tài)啟動上水前，需要打開(8)閘閥，關(guān)閉(9)(10)電動調(diào)節(jié)閥及對應(yīng)的電動截止閥，鍋爐按照正常的冷態(tài)啟動流程啟動，啟動過程進行到升負荷階段，需嚴格監(jiān)測SCR入口煙溫水平，當SCR入口煙溫達到260℃時，可以考慮投入本系統(tǒng);

即可以屏蔽(2)新增省煤器進口集箱對應(yīng)的一部分省煤器管組(下)，關(guān)閉(8)閘閥和(9)(10)電動調(diào)節(jié)閥及對應(yīng)的電動截止閥，使給水依次通過(1)原省煤器進口集箱及對應(yīng)的一部分省煤器管組(下)管屏、(4)省煤器中間混合集箱、(5)省煤器管組(上)和(6)省煤器懸吊管，最后進入(7)省煤器出口集箱。

方案設(shè)計原理：

當(2)新增省煤器進口集箱對應(yīng)的一部分省煤器管組(下)管屏被屏蔽后，這部分管屏形成沸騰式省煤器管組，其出口為沸騰的汽水混合物，其中部分受熱多的管子產(chǎn)生的蒸汽上升，受熱較少的管子中仍然是水，(2)新增省煤器進口集箱和(4)省煤器中間混合集箱以及中間連接的幾百根管子在高度方向由于密度差的原因形成了有效的自然循環(huán)，上升后的蒸汽在(4)省煤器中間混合集箱中完成與過冷給水的混合。由于被屏蔽的省煤器中充滿了濕飽和狀態(tài)的工質(zhì)，溫度很高，使得其換熱端差很小，大幅度降低了換熱量，使得省煤器出口煙溫顯著提高。

投入該系統(tǒng)后，煙溫可以有效提高，很快達到295℃的SCR允許投入煙溫，此時，可以正常投入SCR裝置，隨著升負荷過程的進行，煙溫不斷提高，當煙溫達到320℃左右時，可以考慮解列本系統(tǒng)。

(2)鍋爐降負荷過程(深度調(diào)峰時)控制說明

在高負荷工況下(高于40%額定出力工況)，脫硝入口煙溫能夠達到脫硝要求時，閥門狀態(tài)為(8)閘閥打開，(9)、(10)電動調(diào)節(jié)閥及對應(yīng)的電動截至閥關(guān)閉，給水按照原設(shè)計常規(guī)流程同時通過(1)原省煤器進口集箱和(2)新增省煤器進口集箱后進入(3)省煤器管組(下)，然后依次通過(4)省煤器中間混合集箱、(5)省煤器管組(上)、(6)省煤器懸吊管，最后進入(7)省煤器出口

3結(jié)論

綜合以上方案，我公司采用了尾部煙道下組省煤器受熱面分級布置方案，采用該改造方案，具有如下優(yōu)點：

(1)該技術(shù)采用的是B&W的專利技術(shù)產(chǎn)品，專利號為：US7,578,265專利申請日期為：Aug.25,2009;美巴已經(jīng)在6臺機組上運用了該技術(shù)。因此該技術(shù)成熟;同時，在中國也申請了專利，專利號CN101074771 (2012年授予發(fā)明專利)。

(2)既能提高鍋爐效率又能滿足寬負荷脫硝運行溫度的要求。使用尾部煙道省煤器受熱面的分級布置方案，在改造設(shè)計煤種下，THA工況SCR入口煙溫達到364℃，按照現(xiàn)在的空預(yù)器換熱效率，無漏風(fēng)排煙溫度達到135℃，鍋爐計算效率達到93.03%，比鍋爐增容后不進行寬負荷脫硝改造提高了0.52%。并且在30%THA下SCR入口煙溫達到302℃(不屏蔽部分管組，在30%THA工況下SCR入口煙溫將達到283℃)，滿足鍋爐寬負荷脫硝運行的溫度要求。

(3)鍋爐能夠安全穩(wěn)定運行。

a)在鍋爐實際運行中，新增省煤器進口集箱對應(yīng)的一部分省煤器管組(下)管屏被屏蔽后，這部分管屏形成沸騰式省煤器管組，其出口為沸騰的汽水混合物，其中部分受熱多的管子產(chǎn)生的蒸汽上升，受熱較少的管子中仍然是水，新增省煤器進口集箱和省煤器中間混合集箱以及中間連接的幾百根管子在高度方向由于密度差的原因形成了有效的自然循環(huán)，上升后的蒸汽在省煤器中間混合集箱中完成與過冷給水的混合，不會對鍋爐水循環(huán)安全性產(chǎn)生影響。因此，鍋爐能夠安全穩(wěn)定運行。

b)另外，本項目省煤器管組材質(zhì)采用SA-210C，SA-210C的最高許用溫度為510℃，此溫度能滿足被屏蔽的管組在極端工況下(干燒情況)安全穩(wěn)定運行的要求。并且省煤器彎管本身具有一定的柔性。對管組里的部分汽水產(chǎn)生振動具有較強的自補償能力。

(4)本改造方案對系統(tǒng)的阻力未造成影響，而且系統(tǒng)簡單，不會對積灰及低溫腐蝕等造成影響。通過調(diào)節(jié)給水量實現(xiàn)煙溫的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)寬負荷脫硝的功能。