基于弹性回热技术的低负荷SCR脱硝系统性能研究

李 励

(上海外高桥第三发电有限责任公司，上海 200137)

基于弹性回热技术的低负荷SCR脱硝系统性能研究

李 励

(上海外高桥第三发电有限责任公司，上海 200137)

分析了低负荷下给水温度降低是导致SCR脱硝系统退出运行的关键因素，研究了基于弹性回热技术的低负荷SCR脱硝系统性能。理论分析、仿真计算和综合评估表明弹性回热技术能够提高低负荷下给水温度，保证SCR正常运行。同时能够提高机组经济性，且负荷越低，煤耗收益越大；还带来改善低负荷下直流锅炉水动力特性、提高稳燃性能和燃烧效率、提高机组调频性能等诸多收益。

低负荷；SCR脱硝；弹性回热技术

氮氧化物(以下简称NOx)是酸雨形成的重要因子，是生成臭氧和光化学烟雾的重要前体物之一，也是形成区域超细颗粒(PM2.5)污染和灰霾的重要原因[1]。近年来随着我国大范围内灰霾天气的集中爆发，减排成为环保工作的突出重点。燃煤电厂作为NOx的重要排放源，大部分采用选择性催化还原(SCR)烟气脱硝技术[2]来降低NOx的排放浓度。该技术的特点是脱硝催化剂有一定的温度窗口，若烟气低于一定温度则SCR系统退出运行[3]。

另一方面，在全球二氧化碳减排的大形势下，电网中风能、太阳能等新能源所占比例不断提高，燃煤火电由带基础负荷变为调节负荷的主力，低负荷运行难以避免。而通常低负荷下锅炉省煤器出口烟温太低，导致SCR系统退出运行，造成严重的NOx排放污染，是一个世界性难题[4]。

面对SCR低负荷退出运行问题，传统的解决方法[5]有：省煤器烟侧旁路，水侧旁路和省煤器分级布置等。其中烟侧和水侧旁路方案均会提高锅炉排烟温度，但降低了机组经济性，且水侧旁路方案还存在省煤器出口沸腾的危险。省煤器分级布置方案对于已建成机组改造量和成本偏高。

本文通过原理分析、仿真计算和综合评估，研究了文献[6]提出的基于弹性回热技术的低负荷SCR脱硝系统性能，为解决低负荷下锅炉SCR脱硝退出问题和其他一系列问题提供参考。

1 低负荷下锅炉运行问题分析

低负荷下SCR脱硝系统退出运行，直接原因是省煤器出口(SCR催化剂进口)烟温过低。而究其原因，一方面是由于省煤器进口烟气温度较低，更为重要的是低负荷下省煤器进口水温过低。由于目前燃煤机组普遍采用多级抽汽给水回热系统，省煤器进口水温由末级高压加热器抽汽压力决定，根据弗留格尔公式：

(1)

式中D1，0，D0——变工况前、后的级组通流量，kg/s；p1，0，p1——变工况前、后的级组前压力，MPa；p2，0，p2——变工况前、后的级组后压力，MPa；T1，0，T1——变工况前、后的级组前温度，K。

(2)

由式(2)可以看出，负荷降低，汽轮机通流量降低，则各级抽汽压力随之近似线性降低，末级抽汽压力的降低直接导致末级高加出口给水温度显著下降。以外三1 000 MW超超临界汽轮机为例，负荷从100%降低至40%时，给水温度从293℃降低至237℃。事实上，低负荷下锅炉省煤器进口给水温度下降除了会导致SCR退出运行，还有一系列不利影响。如：

(1) 直流锅炉低负荷下水动力问题恶化。省煤器进口水温低，从而出口水温低，则水冷壁入口欠焓过大，导致水动力问题恶化。

(2) 锅炉稳燃性能和燃烧效率下降。空预器进口烟温降低，出口热一、二次风温度降低，热一次风温降低导致制粉系统干燥出力下降，热二次风温下降导致锅炉稳燃性能及燃烧效率下降。

(3) 热力系统循环效率下降。根据卡诺循环原理，低负荷下，在主蒸汽温度不变的条件下，给水温度下降导致平均吸热温度降低，热力系统循环效率下降。

由上述分析可见，低负荷下锅炉运行的诸多问题都与给水温度过低有关，若能够提高给水温度，则能够有效解决上述问题。

2 弹性回热技术的理论分析

2.1 基于广义回热理论的弹性回热技术

文献[7中的]广义回热理论将汽轮机抽汽回热的视角从经典回热理论中单一的汽水系统拓展至了整个电厂热力系统甚至更广，使回热介质从单一的给水拓展至水、风、煤等，打开了火电厂进一步提升机组效率的瓶颈，其理论原理图如图1所示。

图1 广义回热理论原理

基于广义回热理论，包括弹性回热技术的一系列技术被研发应用。弹性回热技术是在原有的不可调抽汽回热系统的基础上，于高压缸上增设一级压力更高的抽汽并增设一个附加给水加热器，将做过功的一部分蒸汽通过增设的抽汽管道引至该附加给水加热器，用以补充加热锅炉的给水，并在增设的抽汽管道上安装抽汽调节阀门，在通常的负荷变化范围内保持抽汽调节阀后的压力基本不变，从而达到维持给水温度基本不变的目的，其原理图和系统图如图2所示。

图2 弹性回热技术的原理和系统图

该技术的一个显著特征是在满负荷工况下，附加给水加热器抽汽量基本为零，而随着负荷的逐步降低，其抽汽量将不断增加，负荷越低，抽汽量越大，直至调节阀全开为止。

2.2 弹性回热技术对汽轮机热力系统的影响分析

现代火电厂机组，特别是大容量超(超)临界机组，普遍采用的是基于朗肯循环的一次再热或两次再热、多级回热加热的复杂热力循环。以外三两台1 000 MW超超临界机组为例，采用了“三高四低一除氧”的八级回热，额定负荷下给水温度为293℃，其热力循环T-S图如图3所示。

图3 外三机组热力循环T-S图

推导可得循环效率ηi对回热级数的函数[8]：

(3)

当循环参数一定时，M为定值，由式(3)可知，ηi是z的递增函数，也是收敛函数，也就是说，ηi随着z的增加而增加，但增加的幅度不断减小。

弹性回热技术是在原末级高压回热加热器后增加一级可调节的回热加热器，实质上增加了回热级数，此时相当于变成了“四高四低一除氧”的九级回热加热系统。因此可以判断，弹性回热技术能够提高循环效率，同时会引起机组汽耗率增加。

2.3 弹性回热技术对SCR和锅炉系统的影响分析

分析省煤器进口水温升高对换热量的影响，根据传热学知识，烟气和给水换热量可以写成：

Q=kA(tg-tw)

(4)

式中k——烟气与水的换热系数；A——换热面积；tg，tw——烟气平均换热温度和水侧平均换热温度。

在其他条件不变的情况下，入口水温升高，会使水侧平均换热温度tw升高，则烟气和水的换热温差tg-tw减小，导致换热量Q减小。

此时以烟气为研究对象，根据热力学知识换热量可以写作：

Qg=Q=Ggcp，g(tg，in-tg，out)

(5)

可以得到省煤器出口烟温的表达式：

tg,out=tg,in-Q/(Ggcp，g)

(6)

式中Gg——烟气的流量；cp，g——烟气的定压比热容；tg，in——省煤器烟气进口温度；tg,out——省煤器烟气出口温度。

当换热量Q减少，Gg、tg，in和cp，g不变，此时tg，out必然变大，也就是说省煤器出口烟温上升，SCR反应器入口烟温上升，这对于低负荷下SCR的运行是有利的。

同理分析可知，空预器进口烟温升高导致烟气侧平均换热温度tg升高，所以换热量增大，空气侧出口温度ta,out增高，烟气出口温度tg,out也相应增高。而空预器出口烟温的升高，意味着锅炉排烟热损失增加。

3 弹性回热技术的仿真计算

为了对弹性回热技术对机组经济性的影响和对SCR脱硝系统的影响进行定量研究，需要分别对带弹性回热技术的汽轮机热力系统和锅炉烟风系统进行仿真计算。

3.1 带弹性回热技术的汽轮机热力系统仿真计算

在原有的汽轮机热力系统上增加弹性回热加热器，是典型的变工况，需要进行迭代计算。凝汽式汽轮机的热力系统变工况计算实质就是确定新的汽轮机汽态膨胀过程线。一旦新的过程线确定，便可确定高中低压缸进汽参数、凝汽参数以及抽汽参数，进而可以对各回热加热器求解，得出加热器进出口水温、抽汽流量和疏水温度等一系列参数，最终得出汽轮机组和全厂的热经济指标。带弹性回热技术的外三机组原则性热力系统如图4所示，按照上述思路对该系统进行仿真迭代计算。

图4 带弹性回热技术的外三机组原则性热力系统图

分别计算40%、50%和80%三个负荷工况下，有无弹性回热技术的汽轮机给水温度和热耗，得到曲线如图5所示。

图5 40%、50%和80%负荷工况下有无弹性回热技术的汽轮机给水温度和热耗

由图5可以看出，使用弹性回热技术后，给水温度在50%到100%负荷区间内能够保持在额定负荷水平即293℃，至50%负荷以下开始下滑，但在40%负荷仍在275℃以上。

同时，弹性回热技术在不同负荷率下均能降低汽轮发电机热耗，且负荷越低，热耗相对降低越多。计算表明使用弹性回热技术后，500 MW功率下汽轮发电机组热耗率由7 658 kJ/kWh变为7 601.7 kJ/kWh，下降了56.3 kJ/kWh。

3.2 锅炉烟风系统仿真计算

分析可知，弹性回热技术提高了省煤器进口水温，对锅炉传热的影响主要体现在省煤器和空预器上，而对于锅炉炉膛内的水冷壁和对流受热面等影响很小，可以不予考虑。因此需要进行锅炉烟风系统仿真计算，重点计算省煤器和空预器的传热变化情况，此处把实际的三分仓空预器简化为二分仓模型，即一次风和二次风合并为风侧，不影响空预器出口烟温的变化分析。

仿真计算的思路是先根据已有的边界条件，校核计算省煤器和空预器的换热系数和面积的乘积kA。然后在省煤器进口水温提高的条件下，迭代计算新的出口烟温，即可得到使用弹性回热技术后SCR系统入口烟温。空预器则在新的进口烟温条件下，迭代计算新的出口烟温和风温。

使用弹性回热技术后，40%、50%和80%三个负荷工况下，锅炉省煤器出口烟温和水温变化曲线如图6所示。

图6 使用弹性回热技术后不同负荷工况下省煤器出口烟温和水温

从省煤器出口烟温的变化可以看出，在原工况下，负荷低于50%时省煤器后烟气温度低于320℃，此时SCR系统不得不退出运行。使用了弹性回热技术之后，一方面，负荷从100%下滑至40%的过程中，省煤器出口烟温下降的速度明显减缓，各个负荷下出口烟温均有不同程度的升高，这意味着其他条件不变时，整个负荷区间内的SCR运行效率都将得到提升。另一方面，负荷降至40%时省煤器出口烟温仍有接近340℃，高于SCR最低运行温度约20℃，完全能够保证SCR正常运行不退出。也就是说，带弹性回热技术的SCR系统实现了部分负荷下特别是低负荷下稳定高效运行的目标。同时，省煤器出口水温也有不同程度的提高，经校核，变工况后的省煤器出口水温仍低于省煤器出口压力对应的饱和水温10℃以上，并不存在发生沸腾的危险。

省煤器迭代计算完成后，出口烟温作为空预器进口烟温条件，进行空预器迭代计算，得到40%、50%和80%三个负荷工况下，空预器出口烟温和风温变化曲线如图7所示。

图7 使用弹性回热技术后不同负荷工况下空预器出口烟温和风温

从图7中可以发现，使用弹性回热技术后，在空预器进口烟温升高的条件下，空预器出口烟温也相应升高，且负荷越低，出口烟温增加量越大。同时，出口热风温度也得到提高，这意味着省煤器减少的换热量，一部分被热风吸收重新进入锅炉，剩下的被锅炉排烟带走，成为增加的热量损失。考虑到目前低温省煤器已在火电厂得到了较多的应用,该装置可以回收相当比例的烟气废热，所以上述由空预器出口烟温上升导致的排烟损失可以被低温省煤器加以利用,进一步提高机组经济性。若机组应用了中温省煤器这样更高效的烟气废热回收装置(如外三)，则上述排烟损失可以被降低至忽略不计。

4 基于弹性回热技术的低负荷SCR脱硝系统性能综合分析

4.1 弹性回热技术对机组煤耗的影响

综合前述计算结果来看，弹性回热技术能够有效保证SCR系统低负荷下的稳定高效运行，提高了汽轮发电机组的效率，但同时降低了锅炉效率，所以分析弹性回热技术对于整个电厂经济性的综合影响时需要同时考虑这两个因素。

火电厂供电煤耗能够反映整个机组性能，设汽轮发电机组的热耗为HR，锅炉效率为ηb，管道效率为ηc，厂用电率为K，则机组供电煤耗bs的计算式为：

(7)

根据该公式，把有无弹性回热技术时的机组热耗和锅炉效率(不考虑烟气余热回收)带入计算，得到机组供电煤耗如表1所示。

表1 有无弹性回热技术的锅炉效率和供电煤耗

从表1中数据可以看出，弹性回热技术降低了汽轮发电机组的热耗，在不考虑烟气余热回收的前提下，排烟损失也有所增大，但是总的效果是降低了机组供电煤耗。也就是说，弹性回热技术在保证了SCR低负荷下稳定高效运行的同时，还提高了机组的净效率，即降低了机组煤耗，且负荷越低，降低煤耗量越大，也就是说负荷越低越经济。

4.2 弹性回热技术对机组的其他收益

弹性回热技术对机组的重要影响之一是改善水冷壁低负荷下的水动力特性。理论分析和锅炉省煤器变工况计算均表明，采用弹性回热技术后，省煤器出口水温升高，水冷壁入口给水欠焓减少，且负荷越低欠焓减少的幅度越大，所以弹性回热技术对于低负荷下锅炉水冷壁的水动力的稳定性是有利的。

其次，空预器计算结果表明使用弹性回热技术后，进入锅炉炉膛的一次风温和二次风温均升高，一次风携带煤粉进入锅炉，一次风温升高有利于提高制粉系统的干燥出力，加快煤粉颗粒进入炉膛后的着火和燃烧过程，对避免低负荷水冷壁结焦有利。二次风温升高则改善了锅炉低负荷下的燃烧条件，对提高锅炉燃烧效率有利。

另外，弹性回热技术在火电机组调频方面也有很大作用。在机组需快速加(减)负荷时可使用抽汽调节阀快速减少(增加)抽汽量予以响应，待锅炉热负荷跟上后，再进行反向调节，最终仍满足平均给水温度不变。结合凝结水调频技术，可使汽轮机主调门全开，补汽阀全关，机组调频性能和变负荷经济性显著提高。同时，该调频方法的安全性远胜于传统的汽轮机调门调节方法。

5 结论

对基于弹性回热技术的低负荷SCR脱硝系统性能，通过原理分析、仿真计算和综合评估的方法进行研究后，可以得到以下结论：

(1) 基于广义回热理论的弹性回热技术通过提高低负荷下锅炉给水温度的方法提高了省煤器出口烟温，保证了SCR系统在低负荷下安全高效运行。在经济性方面，弹性回热技术显著降低了汽轮机热耗，且负荷越低，降低越多；虽然锅炉排烟温度有所上升，若无烟气余热回收装置，则锅炉效率亦略有下降，但因汽轮机热耗的降低值显著高于排烟损失的增量，故其综合后的机组供电煤耗仍降低，且负荷越低，相对降低越多。

(2) 低负荷下SCR脱硝系统退出运行是低负荷下锅炉运行所面临的一系列难题之一，其关键在于低负荷下给水温度过低。弹性回热技术可以把低负荷下给水温度维持在额定负荷水平，不仅解决了低负荷SCR退出问题，还对低负荷下锅炉水动力特性、燃烧稳定性和效率，机组调频性能方面有显著好处。

[1] 刘建民, 薛建明, 王小朋. 火电厂氮氧化物控制技术[M]. 北京: 中国电力出版社，2012.

[2]FORZATTI P. Present status and perspectives in de- SCR catalysis[J]. Applied Catalysis A,2001，222: 221-236.

[3]FORZATTI P, NOVA I, TRONCONI E, et al. Effect of operating variables on the enhanced SCR reaction over a commercial V2O5-WO3/TiO2catalyst for stationary applications[J]. Catalysis Today, 2012，184: 153-159.

[4]FENG Wei-zhong. Developing green, highly efficient coal-fired power technologies. [C].Proceedings of the ASME 2015 Power and Energy Conversion Conference 2015,California.

[5]冯伟忠. 环保部关于外三节能环保技术的专题调研会上的报告[R], 2012.

[6]冯伟忠.一种用于汽轮发电机组的可调式给水回热系统：中国，CN201110459533.2[P]．2012-7-4．

[7]FENG Wei-zhong. The high-efficiency and clean combustion of coalbased on generalized regeneration[R].Beijing:The 8th international symposium on coal combustion, 2015.

[8]严俊杰,黄锦涛,张 凯，等. 发电厂热力系统及设备[M].西安:西安交通大学出版社，2003.

(本文编辑：杨林青)

电力简讯

《国家电力示范项目管理办法》发布

11月22日，国家能源局在其发布的《国家电力示范项目管理办法》中确定了示范内容，对示范项目的申请、评估优选以及审批、实施、政策、后评估考核以及示范技术推广应用等9个方面做出要求，旨在充分发挥能源技术创新的引领作用，推进电力行业高效清洁、绿色低碳发展，加强电力(含火电、电网、系统储能项目)示范项目管理。

在示范项目的申请方面，计划单列企业集团和中央管理企业根据国家能源局确定的示范项目内容，经商项目所在地省级政府能源主管部门后，向国家能源局提出拟参与的示范项目申请。其它企业通过项目所在地省级政府能源主管部门提交示范项目申请。企业(含主机厂和设计院)联合申请的同一示范内容的项目，不得重复申报或多头申报。

项目单位须提交示范项目实施方案，具体内容包括：示范项目概况、工程技术方案、示范内容研究报告、项目单位相关工作基础及业绩、项目实施方案以及知识产权管理等内容。

在示范项目评估和优选方面规定，示范项目评估和优选除必要的条件论证外，还需从技术方案、规划布局、产业政策、行业发展等方面严格论证项目的整体可行性及示范作用，禁止借示范之名变相投资新建电力项目。

(本刊讯)

Performance of a Low-Load SCR De-NOx System Based on the Flexible Feedwater Regeneration Technology

LI Li

(Shanghai Waigaoqiao No.3 Power Generation Co., Ltd., Shanghai 200137, China)

This paper analyzes that the low feedwater temperature is the key factor of SCR quitting operation under low load. The performance of a low-load SCR De-NOx system is researched based on the flexible feedwater regeneration technology. Theoretic analysis, simulation calculation and comprehensive evaluation indicate that the flexible feedwater regeneration technology can ensure the operation of SCR system under low load and improve the unit efficiency at the same time. The lower the load is, the larger the coal consumption benefit is. In addition, this technology can improve the hydrodynamic instability of once-through boiler, the combustion stability and efficiency, and the frequency control performance of the unit.

low load; SCR De-NOx; flexible feedwater regeneration technology

10.11973/dlyny201606016

李 励(1991)，男，硕士，助理工程师，从事发电企业节能减排技术研发和维护工作。

X773

A

2095-1256(2016)06-0740-06

2016-10-15