320MW机组宽负荷SCR脱硝技术的研究与应用

㊀㊀㊀㊀第３３卷第２期电力科学与技术学报V o l ３３N o ２２０１８年６月J O U R N A LO FE I E C T R I CP O W E RS C I E N C EA N DT E C H N O L O G Y J u n ２０１８㊀３２０MW机组宽负荷S C R脱硝技术的研究与应用邓伟力１,文㊀聪２,陈冬林２,刘良华１,宋㊀健１,魏绵源２(１．湖南大唐节能科技有限公司,湖南长沙４１０３２９;２．长沙理工大学能源与动力工程学院,湖南长沙４１０００４)摘㊀要:为了提高锅炉机组低负荷工况脱硝反应器入口的烟气温度及改善S C R脱硝性能,提出在省煤器出口两侧加装烟气调节挡板以及增设省煤器烟气旁路的解决方案,对２种方案进行详细的技术比较分析,并在一台３２０MW燃煤锅炉机组省煤器出口两侧实施了加装烟气调节挡板的改造.现场试验测试表明,锅炉省煤器出口烟气调节挡板可有效地调节低负荷时通过省煤器的烟气流量,可在３５％~１００％B M C R负荷区间使脱硝反应器入口烟温控制在３０５~４１０ħ,有效解决了锅炉低负荷工况下因烟气温度较低引起的脱硝效率下降的技术难题.关㊀键㊀词:宽负荷;S C R;脱硝温度;省煤器改造中图分类号:X７０１;O６４３．３６㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀文章编号:１６７３Ｇ９１４０(２０１８)０２Ｇ０１７２Ｇ０５R e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fw i d e l o a dS C Rd e n i t r a t i o n t e c h n o l o g y i na３２０MW u n i tD E N G W e iＧl i１,W E N C o n g２,C H E N D o n gＧl i n２,L I U L i a n gＧh u a１,S O N GJ i a n１,W E IM i a nＧy u a n２(１．H u n a nD a t a n g E n e r g y S a v i n g T e c h n o l o g y C o．L t d．,C h a n g s h a４１０３２９,C h i n a;２．C o l l e g e o fE n e r g y a n dP o w e rE n g i n e e r i n g,C h a n g s h aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y,C h a n g s h a４１０００４,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t o i n c r e a s e t h e f l u e g a s t e m p e r a t u r e a t t h e i n l e t o f d e n i t r i f i c a t i o n r e a c t o r a n d i m p r o v eS C Rd e n i t r aＧt i o n p e r f o r m a n c e,t w om e t h o d s a r e p r o p o s e d．I n o n e c a s e,a r e g u l a t i n g d a m p e r i s i n s t a l l e d a t b o t h s i d e s o f t h e e c o n oＧm i z e r．I n t h e o t h e r c a s e,a f l u e g a sb y p a s s i s i n s t a l l e do f t h e e c o n o m i z e r．T h e t e c h n i c c o m p a r i s o na n da n a l y s i s i s i nＧc l u d e d f o r t h o s e t w o s c h e m e s．F u r t h e r,a r e g u l a t i n g d a m p e r i s i n s t a l l e d i n a３２０MWc o a lＧf i r e db o i l e r u n i t e c o n o m i z e r t o a d j u s t t h e f l u e g a su n d e r l o wl o a d s．I t i s o b s e r v e d t h a t t h e f l u e g a s t e m p e r a t u r e i s３０５~４１０ħa t t h e i n l e t o f d e n iＧt r i f i c a t i o n r e a c t o rw h e n t h e l o a d i n t e r v a l i s３５％~１００％B MC R．I n t h e c i r c u m s t a n c e,t h e d e n i t r i f i c a t i o n e f f i c i e n c yＧd eＧc r e a s i n gp r o b l e mc a u s e db y l o wf l u e g a s t e m p e r a t u r e i s t e c h n i c a l l y a n de f f e c t i v e l y s o l v e do n t h e c o n d i t i o no f t h e l o w l o a d．K e y w o r d s:w i d e l o a d;S C R;d e n i t r a t i o n t e m p e r a t u r e;i m p r o v e m e n t o f e c o n o m i z e r收稿日期:２０１７Ｇ０９Ｇ０１;修回日期:２０１７Ｇ０９Ｇ２３基金项目:湖南省教育厅科学研究基金重点资助项目(１０A００４); 清洁能源与智能电网２０１１协同创新中心 资助通信作者:陈冬林(１９６３Ｇ),男,教授,主要从事高效洁净燃烧和污染物排放控制技术的研究;EＧm a i l:c h e n d l_０１＠１２６．c o m第３３卷第２期邓伟力,等:３２０MW机组宽负荷S C R脱硝技术的研究与应用随着电站锅炉最严大气污染物排放标准 «火电厂大气污染物排放标准»(G B１３２２３ ２０１１)[１]的发布,中国绝大部分燃煤电站锅炉进行了脱硝改造,改造后的机组在额定负荷下,基本上能实现烟气N O x 达标排放.近年来,中国风力发电㊁太阳能发电等分布式清洁能源的发展迅猛,绝大部分装机容量较小的燃煤电站锅炉其主要任务则由满负荷发电变为调峰运行,而这些机组在不调峰时,长时间处于较低负荷运行.但这类中小型锅炉机组在实际运行中发现:当其负荷低于某一值时,S C R脱硝反应器的入口烟气温度将脱离脱硝系统设计运行温度范围,从而导致烟气中N O x含量远高于环保限值.因此,为使这类机组脱硝入口烟温在宽负荷(４０％T H A~１００％B M C R)范围内达到设计运行温度,则必须进行宽负荷脱硝改造[２Ｇ４].笔者提出２种可能的解决方案,并以某电厂３２０MW机组为例,阐述这２种方案的具体改造思路及优缺点,最后以改造后的实际运行效果对方案的可行性进行验证.１㊀脱硝现状中国现役的中小型燃煤锅炉机组在较低负荷下,几乎都存在脱硝温度达不到设计要求的问题,某厂３２０MW(铭牌出力)机组即为典型案例.该机组所用锅炉为上海锅炉厂制造的控制循环汽包锅炉,锅炉最大连续蒸发量为１０２５t/h㊁过热蒸汽出口温度为５４０ħ㊁再热蒸汽流量为８６６．９t/h.机组烟道布置为单通道烟道,脱硝反应器布置在省煤器与空气预热器之间.如图１所示,在额定负荷工况下,脱硝入口烟温为３３９ħ,能达到脱硝设计运行温度,但机组负荷降至低于２１０WM时,入口烟气温度将低于３０５ħ的设计温度下限值,此时,喷氨系统将停止喷氨,S C R脱硝系统退出运行.根据往年负荷统计,该机组的平均负荷为１９８MW,处于较低负荷工况(２００MW以下)下运行的时间较长,N O x超标排放的问题十分严重.为提升脱硝反应器入口烟温,满足机组对宽负荷(４０％T HA~１００％B M C R)脱硝的整体要求,必须选择合适方案进行宽负荷脱硝改造.并且,在改造过程中应当充分考虑烟气流速对管道表面磨损的影响,使改造后的烟气速度不超过７．２m/s的设计值,如表１所示.图１㊀机组脱硝入口烟温F i g u r e１㊀I n l e t f l u e g a s t e m p e r a t u r e o fd e n i t r i f i c a t i o n r e a c t o r表１㊀省煤器出口工质热力参数(额定负荷)T a b l e１㊀T h e r m a l p a r a m e t e r s o fw a t e r a t t h e o u t l e t o f e c o n o m i z e r烟温/ħ烟焓/(k J/k g)工质温度/ħ工质焓/(k J/k g)进口出口进口出口进口出口进口出口温压/ħ烟气速度/(m/s)受热面积/m２４２９３４７４１６８３３９４２６４２８８１１５３１２７２１０９．４７．２８０００２㊀宽负荷改造方案由于该机组脱硝系统布置在省煤器之后空预器之前,因此,选择对省煤器进行改造,用于提高脱硝入口烟温.在对目前常用宽负荷改造技术分析总结后[５],该文提出增设省煤器烟气旁路㊁加装省煤器烟气挡板２种改造方案,并对２种方案的具体改造思路进行陈述.２．１㊀省煤器烟气旁路通过在锅炉尾部烟道布置高温烟气旁路,当机组低负荷运行时开启烟气旁路㊁高负荷运行时关闭烟气旁路,使S C R脱硝反应装置入口烟温在宽负荷内始终达到设计运行温度要求.２．１．１㊀方案概述增设省煤器烟气旁路的改造[６Ｇ７]是采用从省煤器入口烟道设置接口引出旁路,在S C R入口烟道喷氨装置之前设置接口引入旁路,通过减少流过省煤３７１电㊀㊀力㊀㊀科㊀㊀学㊀㊀与㊀㊀技㊀㊀术㊀㊀学㊀㊀报２０１８年６月器换热的烟气,并将高温烟气经旁路直接引入S C R 脱硝装置,以提高脱硝入口烟温的一种方法,改造方案示意如图２所示.旁路高温烟气采用二进八出的方式设计,即旁路高温烟气从２个抽出口抽出后,分８个接入口在主烟道汇集混合,通过多点接入,让高㊁低温烟气充分混合.同时,高温烟气采用水平接入方式接入到主烟道,接入点标约４４m ,S C R 入口上升烟道尺寸为２１００mmˑ１１８００mm ,烟气混合距离需７．２m ,实际接入点距离催化剂入口约８m ,完全能够保证烟气混合距离及时间需要满足的要求,也能够防止侧流烟破坏氨气浓度场,造成氨在烟气中不均匀分布.另外,将旁路烟道阻力设计为１５０P a (省煤器的烟气阻力为１４５P a ),在旁路挡板门关闭时,烟气将从阻力较少的省煤器通过,以减少高负荷运行时,旁路烟道的漏风.图２㊀省煤器烟气旁路改造方案示意F i gu r e ２㊀T r a n s f o r m a t i o no f a d d i n g a f l u e g a s b y pa s s o f t h e e c o n o m i z e r ２．１．２㊀方案分析当机组负荷为３５％时,通过挡板开度对旁路烟道流量影响的模拟分析结果可知(图３),省煤器旁路烟道挡板开度为０~１００％时,烟气调节量变化范围为０~５００００N m ３/h ,大量高温烟气能使脱硝入口烟温明显提高.因此,省煤器烟气旁路的改造方案对于脱硝入口烟温的调整具有调节灵活㊁操作简单㊁效果明显㊁调节范围较宽等优势.且旁路烟道烟气量通过D C S 控制,并与S C R 入口烟温相关联,从而能够实现对旁路烟道烟气量的自动调节控制.但旁通烟气一旦投入,随着S C R 入口烟温的提高,空预器出口烟温也将连带升高,排烟损失增大,锅炉效率会降低(经核算,S C R 进口温度由３００提高到３２０ħ,一般需要旁通１０％~１５％左右的烟气量,锅炉效率将会降低约０．７１％).图３㊀旁路烟道烟气流量随挡板开度的变化量F i gu r e ３㊀V a r i a t i o no f f l u e g a sb y p a s s ’g a s f l o wc h a n g e sw i t h t h eb a f f l e o p e n i n g２．２㊀省煤器烟气挡板通过设计核算将省煤器烟气通道分成３个部分,分别为中间和两侧烟道,中间烟道为主流烟道,下部不设挡板,两侧烟道下部设置可控制开度的烟气挡板.当锅炉低负荷运行时,调节两侧烟道挡板开度,以减少省煤器换热面积,提高脱硝入口烟温.２．２．１㊀方案概述加装省煤器烟气挡板的改造方案[８]不会改变原省煤器结构和面积,也不对省煤器水侧作任何改动,只将省煤器区域烟道按一定比例分隔成３个部分:中间主流烟道和两侧可调节烟道,如图４所示.主流烟道不设置任何挡板,两侧烟道下部设置开度可调节的中间隔板,隔板靠近烟道壁面一端于壁面连接并以其为支撑点,另一端则由悬吊梁通过隔板悬挂.烟气挡板开度由D C S 控制,并在D C S 中将挡板开度信号与脱硝入口的烟温测量装置反馈的温度信号相关联,从而实现挡板开度自动调节.另外,通过设计,合理选择挡板门的安装位置,避开烟气回流区域,并使改造后的最大烟气流速仍不超过７．２m /s,以减少烟气对挡板门磨损[９].图４㊀省煤器烟气挡板改造方案示意F i gu r e ４㊀T r a n s f o r m a t i o no f a d d i n g a r e g u l a t i n g d a m p e r a t t h e t w o s i d e s o f t h e e c o n o m i z e r４７１第３３卷第２期邓伟力,等:３２０MW 机组宽负荷S C R 脱硝技术的研究与应用当机组处于高负荷运行时,两侧烟道的烟气挡板处于全开状态,不会对流经省煤器烟气的流场分布及换热特性产生影响;但随机组运行负荷降低,脱硝入口烟温低于催化剂设计运行温度下限时,两侧烟道的烟气调温挡板将自动关小调节挡板开度.热力学中传热公式为Q ＝K F D t(１)式中㊀Q 为热负荷;K 为传热系数;F 为换热面积;D t 为对数平均温差.当换热面积F 缩小后,烟气传递给水的热量呈单调递减,使得省煤器出口烟温得到有效提升.从而提高脱硝反应器入口烟温.２．２．２㊀方案分析加装省煤器烟气挡板改造方案无需在外部加装旁路通道,因此,不受布置空间的制约,造价也相对较低.烟气挡板对省煤器有效换热面积影响的模拟结果表明,当烟气挡板全开时,不会对锅炉机组的整体运行造成任何影响;烟气挡板全关时,能使省煤器的有效换热面积减少约４０％,根据式(１)可知,省煤器管道的换热量将大大减少,出口烟温明显提高.并且烟气挡板的开度通过D C S 控制与S C R 入口烟气温度相关联,从而能够实现对旁路烟道烟气量的自动调节控制.但省煤器烟气挡板宽,在投入运行后,会减少部分省煤器管路的换热,增大空预器的热负荷,同时也会使锅炉机组的整体热效率有所降低.２．２．３㊀２种改造方案综合比较２种改造方案综合比较如表２所示,分析可知,增设烟气旁路改造方案对烟气温度的调节范围更改造效果更好,但投资成本较大,适用于较大容量机组的改造;而设置烟气挡板改造方案虽然对烟气温度的调节范围较小,但能够实现在要求范围内(４０％T HA~１００％B M C R )实现脱硝入口烟温的有效调节,且投资成本相对较低,使得这一方案适用于中小型锅炉机组的改造.表２㊀２种改造方案综合比较T a b l e ２㊀C o m p r e h e n s i v e c o m pa r i s o no f t h e t w o s c h e m e s 方法应用范围安全性调节范围投资成本锅炉效率烟气旁路适用于各种炉型,同时需要足够的安装空间好宽偏高略有降低烟气挡板只适用于单烟道锅炉,对省煤器外部空间无要求好一般较低略有降低３㊀应用效果上述省煤器烟气挡板改造方案在该厂３２０MW机组上应用,改造后省煤器在不同负荷下的热力参数如表３所示,改造后的机组负荷在７０％B M C R(２２０MW )及以上时,烟气挡板全部打开,此时省煤器出口烟温与改造前相比(图１)基本保持不变(省煤器出口温度与脱硝入口温度可视为同一温度),说明烟气挡板在不投入使用的情况下对烟气流动无明显影响;当机组负荷在３５％B M C R (１１２MW )时,两侧烟气挡板已完全关闭,此时省煤器出口烟温为３０９ħ,仍能达到脱硝要求.而在２２０MW 工况下,省挡板指令由１００％下降到０％时,S C R 入口烟温最大增幅为１０．４ħ,平均烟温增幅为８．２２ħ,但由于烟气阻力的变化,引风机电流约增加２~４A .经过对机组的负荷适应范围进行试验,发现改造后的锅炉机组在３５％~１００％B M C R 工况下,实现脱硝入口烟温稳定在设计温度范围内.表３㊀改造后省煤器在不同负荷下的热力参数T a b l e ３㊀T h e r m o d yn a m i c p a r a m e t e r s o f e c o n o m i z e r u n d e r d i f f e r e n t l o a da f t e rm o d i f i c a t i o n 名㊀称烟温/ħ进口出口混合工质温度/ħ进口出口工质焓/(k J /k g )进口出口进口烟焓/(k J /k g)吸热量/k W烟气速度/(m /s)换热面积/m２７０％B M C R３５％B M C R左侧４０５３０８３０８２２３２６６９７１１１６４４３８．５１０３２５．７不变中间４０５３０８３０８２２３２６６９７１１１６４４３８．５１０３２５．７不变右侧４０５３０８３０８２２３２６６９７１１１６４４３８．５１０３２５．７不变左侧２０６２０７８７５㊀８８６ ㊀０㊀００中间３７０３０９３０９２０６２５７８７５１１００３９０．６㊀７１９７．２４８００右侧２０６２０７８７５㊀８８６㊀０㊀００５７１电㊀㊀力㊀㊀科㊀㊀学㊀㊀与㊀㊀技㊀㊀术㊀㊀学㊀㊀报２０１８年６月４㊀结语１)对于需宽负荷改造的大型锅炉机组,采用增设省煤器烟气旁路的方案改造,能使脱硝入口烟温的调节范围更宽,适应性更强,因此,建议采用这一方案;２)对于需宽负荷改造的中小型锅炉机组因造价较高㊁布置场地有限等因素,则建议考虑设置省煤器烟气挡板的改造方案;３)设置省煤器烟气挡板改造方案无需额外的改造空间,且能在成本较低的情况下满足宽负荷改造的要求,因此,该厂３２０MW机组的宽负荷改造选用这一方案.参考文献:[１]G B１３２２３ ２０１１．火电厂大气污染物排放标准[S]．[２]周宏宝．火电机组宽负荷脱硝技术探讨[J]．电子世界,２０１４(１４):２６１Ｇ２６２．Z HO U H o n gＧb a o．D i s c u s s i o n o n w i d eＧl o a d d e n i t r a t i o n t e c h n o l o g y o f t h e r m a l p o w e r u n i t[J]．E l e c t r o n i c sW o r l d,２０１４(１４):２６１Ｇ２６２．[３]王振锋,吴其林,徐晓康,等．高效宽负荷机组改造设计思路探讨[J]．东方汽轮机,２０１６(４):１Ｇ４．WA N G Z h e nＧf e n g,WU Q iＧl i n,X U X i a oＧk a n g,e ta l．D i s c u s s i o no nh i g he f f i c i e n t a n dw i d e l o a dt u r b o s e t o p t iＧm i z a t i o n[J]．D o n g f a n g T u r b i n e,２０１６(４):１Ｇ４．[４]李峰,朱宰基．宽负荷脱硝改造的探索和实践[J]．发电设备,２０１６,３０(２):１１６Ｇ１１９．L IF e n g,Z HUZ a iＧj i．R e t r o f i t o f ad e n i t r i f i c a t i o ns y s t e m f o rw i d e l o a 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