某300MW机组20%TRL工况宽负荷脱硝技术改造方案探讨

杨 坤，申伟伟，王 羽

(1.北京国电智通节能环保科技有限公司，北京 100053；2.国家电投集团中电神头发电有限责任公司，山西 朔州 036011)

随着电网容量的增加和用电结构的变化，电网峰谷负荷差值逐渐增大，对调峰电源的需求也逐渐升高。大容量机组在我国各大电网占有的比例越来越大，因而大容量机组参与调峰运行已成必然趋势。提高火电机组的灵活性，为国内清洁能源让路，在保证电网稳定运行的前提下，燃煤机组要求锅炉在机组≤30%额定负荷条件下能够稳定运行，同时降低锅炉出口NOX的排放值。提高电厂锅炉投运稳定灵活性，实现深度调峰(低负荷运行)，快速启停，爬坡能力加强。火力发电厂“超低负荷灵活性稳定运行”改造工作势在必行[1-3]。

本文所分析机组是哈尔滨锅炉厂有限公司设计制造的配300MW汽轮发电机组的亚临界参数、一次中间再热、自然循环汽包炉，采用平衡通风、四角切圆燃烧方式，设计燃料为褐煤。本文以20%TRL目标进行脱硝系统改造方案的分析和探讨。

1 宽负荷脱硝改造方案

20%TRL试验期间，SCR入口烟温在292℃，故需要考虑对SCR系统进行全负荷脱硝研究。通常SCR装置的最佳反应温度范围为300～400℃，对于特定的装置，催化剂的设计温度范围稍有变化，通常按照锅炉正常负荷的省煤器出口烟温设计，当锅炉低负荷运行时，省煤器出口烟气温度会低于下限值，无法满足脱硝装置的温度要求。宽负荷脱硝技术一般分为两类：(1)催化剂改造为低温催化剂，使得催化剂能够满足低负荷时烟气温度的运行要求；(2)提高进入SCR烟气的温度，控制机组在任意负荷下反应器中烟气温度均在300～400℃之间。目前低温催化剂仅存在于实验室阶段，本本主要讨论提高SCR入口烟气温度的方法，采取的改造方案主要有以下几种：(a)简单水旁路方案；(b)省煤器热水再循环；(c)烟气旁路方案。

1.1 简单水旁路

该方案是通过在省煤器进口集箱之前设置调节阀和连接管道，将部分给水短路，直接引至下降管中，减少流经省煤器的给水量，从而减少省煤器从烟气中的吸热量，以达到提高省煤器出口烟温的目的。

方案的改造范围：

需要设置的管道旁路包括：冷热水混合器，调节阀，截止阀，止回阀，新增原给水管道至下降管之间的给水管道，管道支吊架，其他疏水设置等。

1.2 省煤器流量置换方案

该方案是在省煤器简单水旁路的基础之上进一步发展的方案。第一部分也是通过在省煤器进口集箱之前设置调节阀和连接管道，将部分给水短路直接引至下降管中，减少流经省煤器的给水量，从而减小省煤器从烟气中吸热量。第二部分再通过热水再循环系统将省煤器出口的热水再循环(增加泵)引至省煤器进口，提高省煤器进口的水温，降低省煤器的吸热量，提高省煤器出口的烟气温度。

方案需要改造的范围：

方案在冷热水混合器，调节阀，截止阀，止回阀，新增原给水管道至下降管之间的给水管道，管道支吊架，其他疏水设置等的基础之上，增加了一套省煤器再循环系统，包括：再循环泵，压力容器罐，调节阀，截止阀，止回阀，以及相应的疏水系统。

1.3 烟气旁路方案

本方案是通过设置一个烟气旁路将高温烟气直接引入SCR入口处与省煤器出口的低温烟气混合，提高SCR入口烟温的方案。该方案设置简单，该方案一般用于双烟道以及有施工条件的机组。

方案改造范围：

包括锅炉增加的旁路烟道，原烟道的拆除，关断阀、膨胀节调节挡板、支吊SCR基础钢架的校核与加固，增加吹灰器，平台扶梯等。

该方案通过在转向室的两侧的烟道上开孔，抽走一部分烟气引至SCR入口烟道处，在低负荷下，通过抽取较高温度的烟气与省煤器出口过来的烟气混合，使低负荷下SCR入口处的烟气温度提高。烟气旁路方案会使再热汽温有所降低。烟气从烟气转向室处旁路方案从转向室抽取烟气的原因是此处烟温较高以及抽取的烟气量比较合适，通过计算得出，从转向室需要抽取10%左右烟气，若从尾部竖井烟道的其他位置抽取，所需的烟气量较大，通过阻力平衡以及挡板很难调节所要的烟气量通过旁路，从而达不到效果，另外，从更高烟温处抽取烟气，一方面会影响高温受热面吸热，另一方面烟气混合不均时的影响更大，因此一般选择在转向室处。

2 各方案评价

2.1 省煤器简单水旁路方案

改造效果上：本方案高低负荷下可以提高SCR入口烟温10℃左右，改造后在75%TRL负荷以上可以维持SCR入口烟温在315℃以上，在50%TRL负荷可以提高SCR入口烟温10℃，根据目前电厂省煤器出口烟温来看，在20%TRL下，烟气温度勉强达到300℃。

安全可靠性上：通过旁路省煤器的给水，可以提高省煤器出口烟温10℃左右，此时，省煤器悬吊管的温度仍然有一定的过冷度，完全可以保证省煤器的安全。即在保证省煤器悬吊管温度有过冷度的前提下，低负荷下可以提高省煤器出口烟温10℃左右。

工程投资及复杂性：

工程投资小，系统简单，安全可靠。总投资在300万左右。

应用调研情况：

目前国内采用简单水旁路方案改造成功的业绩较少，如国电投平圩电厂，浙能绍兴热电等。实炉试验的效果与计算值基本一致，在10℃左右。

该方案总投资费用较低，保证省煤器安全的前提下，SCR出口烟气温度提升10℃左右。

2.2 省煤器流量置换方案

改造效果上：

可以在50%负荷到30%BMCR负荷之间，通过循环泵循环一部分热水配合旁路一定流量的给水，能保证省煤器各个负荷下，省煤器出口烟温达到315℃满足烟温要求。

安全可靠性上：

通过循环泵循环一部分热水配合旁路一定流量的给水，可以使各个负荷省煤器出口烟温都可以达到315℃以上，此时，省煤器悬吊管的温度仍然有一定的过冷度，完全可以保证省煤器的安全，同时也满足目前国内要求的调峰实际情况，另外增加了泵自身的旁路，避免了泵的启停，保证了泵的安全运行。

工程投资及复杂性：

本方案进一步改善SCR入口烟气温度，需要设置一条再循环泵旁路系统，系统稳定可靠，在高负荷下不调节时不会对锅炉产生影响。投资约1200万。

对经济性的影响：

改造后，在高负荷下，不需要泵循环热水以及旁路给水，因此不会影响到锅炉正常运行，经济性跟改造前一样。在低负荷下，需要泵循环热水以及旁路部分给水，锅炉排烟温度会升高，效率会有所降低。

应用调研情况：

目前国内改造成功的电厂有：沙角C厂、阚山电厂、利港电厂等。实炉运行效果跟理论分析一致，提升温度可到40℃，运行中投自动，人工不干预。在国家要求深度调峰的大背景下，大多数电厂采用该方案配合低负荷稳燃。

2.3 烟气旁路方案

通过设置一个烟气旁路将高温烟气直接引入SCR入口处与省煤器出口的低温烟气混合，提高SCR入口烟温。

改造效果上：

根据同类机组，采用烟气旁路方案锅炉在低负荷下最多可以提升SCR入口烟温20℃。旁路烟道的烟气量时根据旁路烟道的阻力和原主烟道阻力平衡得出的，在实际工程中对于单烟道锅炉，不经过调节的话往往主烟道的阻力并不足以让通过旁路烟道的烟气量达到理论值，因此调节效果不理想，单烟道若增加挡板，增加施工和成本。

安全可靠性上：

旁路烟道在不用时是关闭的，当长时间不用时，关闭阀上会积满灰，等需要用时，存在关断阀打不开的现象。很多烟气旁路工程应用不好的原因在于，现场的结构让旁路的高温烟气和省煤器出口的低温烟气不能混合均匀，导致局部烟气温度高，而局部烟气温度低，局部过高的烟气可能导致SCR催化剂烧结失效。这对于机组是十分不利的。因此该方案一般用于双烟道以及有施工条件的机组。

工程投资及复杂性：

整个方案设置一个或者两个烟气旁路通道，在旁路烟道中安装膨胀节、关断阀以及调节阀。

对经济性的影响：

方案三改造后对锅炉经济性在高负荷完全关闭关断阀不考虑烟气泄漏的情况下不影响，在低负荷下打开旁路烟道，让高温烟气与省煤器出口的低温烟气直接混合，提高SCR入口烟气温度，因此锅炉效率降低。

应用调研情况：

目前国内改造成功的电厂有：潮州电厂以及北方一些机组。方案评价：烟气旁路方案适用于双烟道炉型，同时该方案实施后存在几个问题：1)旁路烟道的关断阀如果长期不用，可能导致卡死打不开。2)旁路烟道不能完全关死，存在一定的漏气量。3)旁路烟道后，冷热烟气混合不均匀，可能导致较高负荷下SCR局部催化剂烧结。鉴于这几点考虑，一般不推荐旁路烟道方案。

3 结论与探讨

改造效果对比如表1。

表1 宽负荷脱硝方案对比

在火电机组低负荷运行越来越成为常态的背景下，超低负荷下锅炉SCR入口烟温达不到脱硝设备安全投运的烟温要求，影响机组的安全温度运行。为此，针对该300MW机组宽负荷脱硝进行研究，形成如下结论：

从调节烟温的效果和改造效果上来看，烟气旁路、省煤器热水再循环方案均能提升SCR入口烟温20～30℃。

烟气旁路方案对机组的改造适应性有缺陷，主要表现在：(1)尾部烟道为单烟道，旁路烟道的烟气量不能满足要求，如果加装挡板调节存在较大的布置和施工困难；(2)采用烟气旁路方案对高低温烟气的混合，后期的安全运行和运行维护的可靠性均存在安全缺陷。高负荷烟气混合不好容易使催化剂烧结；(3)烟气挡板长时间不用容易发生卡塞，尤其目前运行低负荷少时；(4)旁路烟道存在漏烟，不能完全关断，在高负荷时影响锅炉炉效。

省煤器热水再循环方案系统方案复杂，提升烟温效果好，但是该方案投资较大，选取进口循环泵和进口阀门安装周期较长，同时投资额在1000万以上，因此不推荐热水再循环方案。

简单水旁路方案是省煤器热水再循环方案的一部分，该方案提升烟温效果在10℃左右，总体改造方案实施简单，投资较少在300万左右。

考虑到目前机组在20%负荷工况下的实际烟温在292℃，距离300℃烟温差距在10℃以内，从技术方案的角度和投资效果来说，推荐简单水旁路方案作为深度调峰的脱硝改造方案。