• 注册
    • 查看作者
    • 700MW超超临界机组0号高压加热器改造与运行优化方案分析

        摘    要:

        0号高压加热器改造是通过在原汽轮机回热系统中增设0号高加来提高给水温度,从而满足机组低负荷工况下提升SCR入口烟温的要求,同时提高机组循环效率,降低机组煤耗。某电厂700 MW超超临界机组0号高压加热器改造过程中,通过对国内10余台已完成0号高加改造的机组进行调研和分析,并在此基础上对0号高加改造与运行进行了优化,提出了节能可靠的0号高加改造经验与运行方式,从改造后的热力性能试验结果与实际运行参数分析,该方案在机组中低负荷段能够有效提升SCR入口烟温和降低机组能耗。

        根据国家发改委、环保部、能源局2014年9月12日联合发布的《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》,现役机组需推进环保设施改造,确保满足最低技术出力以上全负荷、全时段稳定达标排放要求。目前国内燃煤机组虽然在受热面布置方式、燃烧煤种、运行调整等方面存在不同,SCR(Selective Catalytic Reduction,选择性催化还原法脱硝)入口烟温也有所差异,但大部分机组在50%THA负荷以下时SCR入口烟温都达不到催化剂要求的最低运行温度309℃(MOT,Maximum Operating Temperature最高工作温度),有的机组甚至在60%THA时SCR入口烟温就已经低于MOT。电厂基于政府环保要求和自身社会责任感,为保持脱硝系统的持续投入,一方面会因锅炉调整燃烧牺牲效率,另一方面SCR入口烟气温度时常处于MOT以下,会造成催化剂中NH4HSO4沉积影响催化剂使用寿命。因此,进行宽负荷脱硝改造势在必行。

        通过对比可知,0号高加是唯一具有节能效果的宽负荷脱硝改造方案,但是也存在着很大的局限性,一般只适用于汽轮机带补汽阀的机组,目前国内只有西门子660 MW和西门子1000 MW超超临界两种机型,其它机组虽然也可以结合通流改造在汽轮机高压缸上打孔,但技术难度和风险较大。

        本文详细阐述了某电厂700 MW超超临界机组在总结了国内十余家电厂的改造运行经验的基础上提出并成功实施了0号高加优化改造与运行方案,改造后热力性能试验参数和实际运行参数都表明,该方案的实施成功提高了机组节能增效能力,为其他同类型机组宽负荷脱硝改造提供借鉴参考价值。

        1 0号高加的经济性分析

        目前行业内对0号高加的经济性争议较大,一般较为普遍的说法是综合煤耗可以降低0.3 g/kWh,如果原回热系统中已经有外置式蒸汽冷却器,则节能效果还会低一些,甚至有人认为0号高加根本不节能,其实0号高加的节能效果还是应该结合机组结构与负荷率进行综合考虑[10,11,12,13],现结合3号机组改造后的热力试验情况进行分析。

        为了保证试验结果客观真实,试验时机组切除了一次调频及AGC自动,系统隔离并稳定运行参数,停止所有不必要的运行操作。为了减少系统蓄热对试验准确性的影响,保证每个工况点运行时间不少于2 h,且每个工况点都在热力系统调整到符合试验要求,机组稳定运行0.5 h后才开始记录数据。为了直观地体现出0号高加投运对系统经济性的影响,采用了对比试验的方式,实测75%THA、50%THA和40%THA负荷下0号高加投用与切除前后机组SCR入口烟温、锅炉效率、汽机热耗率及供电煤耗率的相对变化。

        (1)0号高加投入运行会提升锅炉排烟温度,降低锅炉效率。热力试验显示在75%THA、50%THA、40%THA时,0号高加投运后锅炉效率分别降低0.21%、0.29%和0.32%,所以在进行经济性分析时必须计算这部分的损失;

        (2)0号高加是否节能和机组负荷率有关,低负荷时节能效果显著,高负荷时不节能甚至会增加能耗,其平衡点在65%THA左右,所以必须通过优化0号高加运行方式以发挥宽负荷脱硝的最大节能降耗潜力,如采用“高退低投”的运行方式,按照目前的机组负荷率,供电煤耗至少能够下降0.3 g/kWh,如果所有负荷段全程投入0号高加,节能效果会受到较大影响甚至出现增加供电煤耗的现象。虽然0号高加节能的效果不大,但对比其它宽负荷脱硝的技术方案(省煤器分级除外),经济性方面的优势还是很明显,可以减少供电煤耗1~

        (3)因为该机组原回热系统中有外置式蒸汽冷却器,受最终给水温度的限制,0级抽汽会对3级抽汽形成排挤,如原回热系统中没有外置式蒸汽冷却器,0号高加的节能效果还会更好,供电煤耗还有0.1~0.2 g/kWh的下降空间。

        2 0号高加对SCR入口烟温的影响

        增设0号高加实现宽负荷脱硝的技术路线是在原汽轮机回热系统中增设一台高压加热器,在低负荷工况下通过提高给水温度来间接地提高SCR入口烟温。

        目前国内的0号高加汽侧运行压力最高在8MPa左右,0级抽汽流量一般在30~60 t/h,这个抽汽量不能满足全流量给水的需要,所以0号高加一般只通过部分给水流量(通常是50%~60%)。采用该方案,省煤器入口给水温度提升幅度一般不超过25℃,SCR入口烟温提升最多15℃,虽然可以满足50%THA以上工况SCR投入的烟温要求,但不能满足40%THA工况下SCR投入的烟温要求,机组无法实现深度调峰。如果想继续提高SCR入口烟温就必须在满足锅炉安全性的前提下进一步提升给水温度,提升给水温度的方法主要有两个:一是提高0级抽汽压力;二是增加通过0号高加的给水流量。该机组0号高加就是采用给水全流量串联设计,低负荷时0级抽汽全滑压运行(不节流)。

        从改造后的热力试验结果显示该技术方案可以大幅提升SCR入口烟温,可保证40%THA工况下SCR正常投入(设计值为36%THA)。为了保证烟温测量的真实性和准确性,试验时在SCR入口烟道测孔处采用网格法实测烟气温度,并取计算平均值。具体数据见表3。

        从3号机组改造后的热力试验和试运行情况,可以得出以下结论:

        (1)3号机组75%THA、50%THA、40%THA负荷下,0号高加的投运状态与切除状态相比,SCR脱硝进口烟温分别上升17.02℃、25.20℃和

        (2)3号机组在40%THA负荷时,SCR进口烟气温度达到316.99℃,可以保证脱硝装置正常投运,且调峰负荷还有一定的下探空间;19.95℃;

        (3)给水温度的提升存在两个制约条件:一是低负荷时0抽压力较低,限制了给水温度的提升空间;二是要保证锅炉省煤器出口的给水具有足够的欠热度。

        3 0号高加改造的安全性分析

        0级抽汽管道设计参数的确定

        根据汽轮机制造厂提供的技术资料,0级抽汽口(即原补汽阀进汽口)位于高压缸第7级动叶后(700 MW)或第5级动叶后(1000 MW机组),热平衡图显示该处蒸汽温度应在510~520℃,但从改造后的机组实际运行情况看,0级抽汽温度远远超过热平衡图,前期调研数据显示其他电厂一般都在550~565℃。该型机组在后期有部分机组进行了优化设计(如淮北平山电厂660 MW超超临界机组),将0级抽汽口改在了高压缸第10级动叶后,抽汽温度约为480℃。

        0级抽汽温度超过热平衡图的原因是该型机组高压缸内部设计了一套蒸汽冷却系统,700 MW机组在第6级动叶(1000 MW机组在高压缸第4级动叶)后有一个腔室,该腔室抽出部分蒸汽作为“转子冷却蒸汽”,通过内外缸夹层进入到高压转子进汽端平衡活塞前。该蒸汽在此分为两路,一路继续向前流经平衡活塞,其主要作用是冷却平衡活塞(平衡活塞处直径大,结构应力大,降低表面蒸汽的温度可延长转子寿命),蒸汽流经平衡活塞后,最终流入一个与高压缸排汽相通的腔室;另一路蒸汽向后流动,与第一级静叶漏过来的高温蒸汽混合后,经高压內缸的内部流道接入第7级动叶后(1000 MW机组在高压缸第5级动叶后)继续做功,0级抽汽实际上是此蒸汽与流经7级动叶做功蒸汽的混合蒸汽。

        0号高加疏水方案分析

        新增的0号高加正常疏水管道有两种布置方案:方案A为0号高加疏水进入1号高加;方案B为0号高加疏水与1号高加疏水混合后进入2号高加。

        在方案A中,由于1号高加在原设计时没有上级加热器疏水的进入,高加筒体无疏水入口,需在现场对1号高加设备筒体进行相应的改造,将原1号高加的封头切开,增加一段带疏水入口的筒身。此项改造除了需要增加100万元以上的费用之外,也增加了改造的技术难度和工期。在方案B中,可利用2号高加上已有的疏水进口,将0号高加的正常疏水经减温减压后在靠近2号高加疏水入口处与1号高加的正常疏水混合后一起排入2号高加,此方案无需对已有高加进行开孔,为避免0号高加疏水对1号高加疏水排挤,需在2号高加疏水孔的基础上进行扩孔,改造工作量较小。

        目前这两个疏水方案均有成功案例,如外高桥三厂采用了方案A,石洞口二厂采用了方案B,在实际运行中均能正常疏水。该机组因0级抽汽设计流量较大,如果采用方案B,2号高加疏水入口的流速将超过设计范围,可能会对1号高加疏水形成排挤,同时会加剧管道的冲刷和振动,所以采用了方案A。两个疏水方案对机组经济性影响很小,方案A仅比方案B降低热耗0.2 k J/kWh左右,可以忽略不计,所以如果2号高加入口流速能够控制在设计允许范围内,因此优先考虑方案B。

        0级抽汽对主汽轮机运行的影响

        经制造厂进行强度校核,汽轮机补汽口改为抽汽口,其强度是满足要求的。从运行数据分析,0号高加投运和切除对支持轴承的温度和振动影响不大,但是对转子轴向位移有一定的影响,最大变化值为0.44 mm(50%THA),变化幅度在允许范围内。

        0号高加对锅炉运行安全性影响

        0号高加投入运行后提高了锅炉给水温度,导致省煤器出口给水欠热度减小,会对锅炉运行的安全产生不利影响。超临界锅炉给水温度的选择的一个重要因素是水冷壁入口水的欠热度,即为了保证水冷壁进口水不汽化,省煤器出口的水最小欠热度在最低直流负荷时应达到17~25℃,BMCR负荷时与对应压力下拟临界温度的差值至少应大40~50℃。锅炉设计和实际运行中,考虑吸热偏差的影响,最低负荷时省煤器出口水温的欠热度应留有一定余量。对于螺旋管圈水冷壁,因其具有较高的抗热偏差能力,可选择较高的给水温度和省煤器出口水温。对于垂直管屏水冷壁,因其抗热偏差能力相对较弱且管子入口装有节流圈,欠热度对流量分配影响较大,应选择较低的给水温度和省煤器出口水温,以保证垂直管屏水冷壁进口水分配具有较高的均匀性。

        从表中数据分析,0号高加投入运行后确实存在锅炉省煤器出口给水欠热度不足的问题,特别是在40%THA时欠热度已不满足17~25℃的最低要求。该机组锅炉为螺旋管圈水冷壁,具有较高的抗热偏差能力,从改造后的实际运行情况看,锅炉并未出现水冷壁超温的问题,但从安全角度考虑,这种运行方式还是存在一定的隐患,需要进一步优化。

        4 0号高加优化运行方案

        4.1 加热器的运行方式

        0号高加改造是通过提高给水温度的方式提高脱硝装置入口烟气温度,达到低负荷正常投脱硝的目的,同时也可提高机组循环效率,降低汽轮机热耗。0号高加并不是在任何工况下都节能,因为0号高加投运会提高锅炉排烟温度,降低锅炉效率。通过热力试验结果可知,只有在65%THA以下负荷时机组供电煤耗是降低的,在65%THA以上负荷时机组供电煤耗反而是增加的,且65%THA工况时SCR入口烟温已经可以满足脱硝装置正常投运的要求。鉴于以上分析,零号高加系统最好的运行方式应该是“高退低投”,即在65%以下负荷投入0号高加,65%以上负荷切除0号高加。

        根据加热器生产厂家的说明,加热器运行工况发生变化时,温度变化率应限定在55℃/h,必要时允许110℃/h。当温升率为220℃/h时,循环寿命为300000次。所以只要温度变化率控制在允许范围内,高加完全可以满足频繁投、退的工作条件。

        0号高加投退过程中的可能会因为压力变化造成水位波动,同时为了减小高加投退时加热器的应力,在高负荷时应该对0号高加进行保压暖器。根据我们的试验,在65%THA至100%THA工况下,只需要3~5 t/h的抽汽就可以保证给水1~2℃的温升,对应的0号高加汽侧压力比1号高加的汽侧压力高0.1~0.2 MPa,0号高加疏水可以正常进入1号高加且能够实现自动控制。如果0号高加疏水是进入2号高加的,则抽汽量可以更小。

        4.2 关于给水欠焓的控制

        该机组改造后的性能试验结果表明,增加0号高加以后,在低负荷时,如给水温度提升太高,锅炉省煤器出口给水温度就可能欠热度不足的问题,导致部分水冷壁管超温。0号高加推荐运行参数,但机组实际运行时会有一定的偏差,所以在控制逻辑中还应该增加一个判断条件,在省煤器出口给水欠热度低于预设值时自动关小0级抽汽调整门并发出报警,同时在低负荷投运0号高加时要加强对水冷壁管壁温度的监视。

        5 结论

        (1)0号高加投入运行会提升锅炉排烟温度,降低锅炉效率,热力试验结果显示在75%THA、50%THA、40%THA工况时,0号高加投运后锅炉效率分别降低0.21%、0.29%和0.32%,75%THA工况时供电煤耗增加0.64 g/kWh,50%THA、40%THA工况供电煤耗分别下降1 g/kWh、1.4 g/kWh。因此0号高加是否节能和机组负荷率有关,低负荷时节能效果显著,高负荷时不节能甚至会增加能耗,其平衡点在65%THA左右,所以必须通过“高退低投”的运行方式,供电煤耗至少能够下降0.3 g/kWh。

        (2)该技术方案可以大幅提升SCR入口烟温,可保证40%THA工况下SCR正常投入(设计值为36%THA)。75%THA、50%THA、40%THA负荷下,SCR脱硝进口烟温分别上升17.02℃、25.20℃和19.95℃。

        (3)由于转子冷却蒸汽的存在,0级抽汽温度易超过补汽阀进口处汽轮机级间温度,因此0级抽汽管道设计温度不应低于570℃。

        (4)该机组为螺旋管圈水冷壁,具有较高的抗热偏差能力,改造后锅炉并未出现水冷壁超温的问题,但存在省煤器出口给水欠热度不足的问题,需要进一步优化。

    • 0
    • 0
    • 0
    • 31
    • 请登录之后再进行评论

      登录
    • 做任务
    • 实时动态
    • 偏好设置
    • 返回顶部
    • 单栏布局 侧栏位置: