王林平

上海市節(jié)能減排中心有限公司

0 前言

為促進(jìn)煤炭清潔高效利用，切實(shí)減少大氣污染，改善空氣質(zhì)量，上海市發(fā)展改革委會(huì)同市環(huán)保局于2015 年發(fā)布了《上海市煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造工作實(shí)施方案（2015-2017 年）》（滬發(fā)改能源〔2015〕140 號(hào)），同時(shí)，《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（DB31/963-2016）》于2016 年正式發(fā)布。上述兩個(gè)文件均要求，到2017 年12 月31 日前，上海市公用燃煤機(jī)組大氣污染物排放濃度均應(yīng)達(dá)到要求的排放限值（即在基準(zhǔn)O2含量6%條件下，煙塵、CO2、NOX排放濃度分別不高于10、35、50 mg/m3），并采取有效措施消除石膏雨現(xiàn)象。

為了達(dá)到本地嚴(yán)苛的環(huán)保排放要求，本市公用燃煤發(fā)電企業(yè)勢(shì)必要增加環(huán)保設(shè)備的投入，甚至犧牲已有的節(jié)能改造成果。為了摸清超凈排放改造對(duì)機(jī)組熱效率（即發(fā)電煤耗）的影響，本文梳理了上海市各燃煤發(fā)電企業(yè)超凈排放改造情況，總結(jié)了主要的改造技術(shù)路徑，分析了各改造技術(shù)路徑對(duì)發(fā)電煤耗的影響，進(jìn)而對(duì)該影響進(jìn)行了測(cè)算。

1 本市公用燃煤機(jī)組超凈排放改造現(xiàn)狀及主要技術(shù)路徑

2014 年12 月，自本市第一臺(tái)公用燃煤機(jī)組完成超凈排放改造后，其余公用燃煤電廠陸續(xù)開展相關(guān)改造，并在要求時(shí)間前，全部完成超凈排放改造。

根據(jù)調(diào)研情況，本市300 MW 及以上公用燃煤機(jī)組的超凈排放改造（包含消除石膏雨及脫硝、除塵、脫硫改造）技術(shù)路徑主要有三類，詳見表1。

表1 上海市300 MW及以上公用燃煤電廠的超凈排放改造技術(shù)路徑

2 研究思路

文章通過對(duì)上海市公用燃煤機(jī)組超凈排放改造（包括脫硝、除塵、脫硫及消除石膏雨改造）不同技術(shù)路線及其能耗影響因素的分析，明確不同改造路徑對(duì)發(fā)電煤耗的影響，并研究提出發(fā)電煤耗影響修正系數(shù)。

分析時(shí)將本市公用燃煤電廠分為1 000 MW超超臨界、600 MW 超臨界及300 MW 亞臨界三個(gè)等級(jí)，并根據(jù)電廠的相關(guān)數(shù)據(jù)和超凈排放改造實(shí)際情況，對(duì)各等級(jí)機(jī)組發(fā)電煤耗影響系數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算，進(jìn)而提出發(fā)電煤耗修正系數(shù)。

3 超凈排放改造各路徑能耗及對(duì)發(fā)電煤耗影響的分析

上海市公用燃煤電廠超凈排放改造主要包括脫硝、除塵、脫硫改造及消除石膏雨。本文根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)報(bào)告，通過對(duì)超凈排放改造能耗變化的分析，明確其對(duì)煤耗的影響因素及影響系數(shù)。

3.1 超凈排放改造路徑能耗分析

1）脫硝、除塵、脫硫改造及其影響

(1）脫硝：本市公用燃煤電廠原有煙氣脫硝系統(tǒng)主要采用鍋爐低氮燃燒+單反應(yīng)器脫硝裝置（SCR）。SCR以液氨為反應(yīng)劑，設(shè)備布置在空氣預(yù)熱器后，內(nèi)設(shè)催化劑層。煙氣流經(jīng)SCR多層催化層經(jīng)噴淋與液氨發(fā)生催化反應(yīng)后脫除。

各電廠脫硝系統(tǒng)的超凈排放改造均采用增加催化劑的方案達(dá)到脫硝設(shè)備提效的目的，其主要改造有：脫硝系統(tǒng)現(xiàn)有催化劑的再生、新增一層催化劑、部分膨脹節(jié)檢查更換、噴氨調(diào)整試驗(yàn)及配套電控部分改造等。

脫硝系統(tǒng)能耗的增加全部體現(xiàn)在改造后相關(guān)設(shè)備用電量的增加，改造不影響機(jī)組發(fā)電效率。

(2）除塵：本市公用燃煤電廠原有除塵方式主要有布袋除塵和靜電除塵兩類。

各電廠針對(duì)現(xiàn)有除塵設(shè)備進(jìn)行除塵改造，主要改造路徑有：①布袋除塵+吸收塔除霧器提效改造。②吸收塔內(nèi)加裝離心管束式除塵裝置。③低低溫除塵器+吸收塔除霧器改造+濕式電除塵改造。④低低溫除塵器+（吸收塔加裝托盤）+吸收塔除霧器改造+加裝吸收塔煙道除霧器。

對(duì)于除塵的上述4 種改造路徑，除塵系統(tǒng)能耗的增加全部體現(xiàn)在改造后相關(guān)設(shè)備及增壓風(fēng)機(jī)用電量的增加，改造不影響機(jī)組發(fā)電效率。

(3）脫硫：本市公用燃煤電廠原有煙氣脫硫系統(tǒng)主要采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝。系統(tǒng)布置一爐一塔（脫硫吸收塔）、全煙氣量處理、增壓風(fēng)機(jī)、逆流空塔噴淋層、內(nèi)置二級(jí)屋脊式除霧器、煙氣再熱器（本市僅外高橋發(fā)電有限公司布置煙氣再熱器）。系統(tǒng)以石灰石為脫硫劑，經(jīng)球磨機(jī)粉碎磨細(xì)制備成吸收漿液加入吸收塔，吸收漿液逆流洗滌煙氣，煙氣中SO2等酸性氣體與漿液發(fā)生反應(yīng)后被脫除，漿液中的碳酸鈣經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后形成脫硫石膏。

各電廠脫硫系統(tǒng)的超凈排放改造多采用高效脫硫協(xié)同除塵改造的方案，其主要改造有：脫硫塔增容（增加漿液量）、增加噴淋層、除霧器擴(kuò)容提效、增壓風(fēng)機(jī)擴(kuò)容、漿液循環(huán)泵擴(kuò)容、增設(shè)雙相整流盤與二層壁環(huán)。

脫硫系統(tǒng)能耗的增加全部體現(xiàn)在改造后相關(guān)設(shè)備及增壓風(fēng)機(jī)用電量的增加，改造不影響機(jī)組發(fā)電效率。

2）消除石膏雨的改造及其影響

對(duì)于消除石膏雨的改造，主要有以下兩種技術(shù)路線：

(1）石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)采用煙氣-煙氣再熱器的改造（即GGH 改造）。此方案原理是在煙氣系統(tǒng)安裝回轉(zhuǎn)式煙氣-煙氣換熱器，用脫硫塔進(jìn)口的高溫?zé)煔馔ㄟ^GGH 換熱器加熱脫硫塔出口的低溫凈煙氣，使排煙溫度達(dá)到露點(diǎn)之上，減輕濕煙氣對(duì)煙道和煙囪的腐蝕，并提高污染物的擴(kuò)散度，同時(shí)降低進(jìn)入脫硫塔的煙氣溫度，降低塔內(nèi)對(duì)防腐的工藝技術(shù)要求。其典型安裝圖見圖1。

GGH 改造的限制：對(duì)于新建機(jī)組，可結(jié)合煙道布置的設(shè)計(jì)，同步安裝GGH 設(shè)備；對(duì)于已建機(jī)組，需根據(jù)其煙道的現(xiàn)狀布置狀況分析加裝GGH的可行性，對(duì)于脫硫吸收塔煙氣入口煙道與凈煙出口煙道距離較遠(yuǎn)的布置不便于安裝GGH設(shè)備。

GGH設(shè)備對(duì)能耗的影響主要為，煙道長(zhǎng)度的增加及煙道阻力的增加帶來的增壓風(fēng)機(jī)電耗的提高。由于該換熱器是利用鍋爐排煙后的高溫?zé)煔饧訜岬蜏責(zé)煔?，故?duì)機(jī)組的發(fā)電效率和發(fā)電煤耗無影響。

(2）管式GGH改造（通常稱為“MGGH”）。

管式GGH 改造分為兩種：在系統(tǒng)中設(shè)置兩臺(tái)煙氣-水換熱器（煙氣冷卻器和煙氣加熱器）組成MGGH系統(tǒng)、結(jié)合系統(tǒng)原有低溫省煤器設(shè)置煙氣加熱器組成MGGH系統(tǒng)。

圖1 GGH典型安裝圖

①在系統(tǒng)中設(shè)置兩臺(tái)煙氣-水換熱器（煙氣冷卻器和煙氣加熱器）組成MGGH系統(tǒng)。其主要工作原理是，以水為媒介，原煙氣首先進(jìn)入煙氣冷卻器，冷卻至90 ℃左右，進(jìn)入脫硫吸收塔；從脫硫塔出來的約50 ℃左右的凈煙氣再通過煙氣加熱器升溫到高于80 ℃后進(jìn)入煙囪。水媒介在煙氣冷卻器中升溫，通過水泵送入煙氣加熱器降溫，循環(huán)運(yùn)行。MGGH典型布置見圖2。

該類MGGH 改造后的能耗主要為系統(tǒng)中循環(huán)水泵的耗電量。由于換熱器同樣利用鍋爐排煙后的高溫?zé)煔饧訜岬蜏責(zé)煔?，故?duì)機(jī)組的發(fā)電效率和發(fā)電煤耗不產(chǎn)生影響。

②在原有低溫省煤器的基礎(chǔ)上設(shè)置煙氣加熱器組成MGGH 系統(tǒng)。電廠在進(jìn)行超凈排放改造前，其除塵器煙氣進(jìn)口或出口煙道加裝了煙氣-水管式換熱器（低溫省煤器，又名“煙冷器”），通過該換熱系統(tǒng)將煙氣熱量進(jìn)行回收后返回至鍋爐系統(tǒng)（加熱送風(fēng)）或汽機(jī)系統(tǒng)（加熱凝結(jié)水）以提高機(jī)組發(fā)電效率。

此類電廠進(jìn)行消除石膏雨改造時(shí)，在脫硫塔出口處加裝煙氣加熱器，利用原有煙冷器，并結(jié)合前述MGGH 改造技術(shù)路線，對(duì)原煙冷器系統(tǒng)進(jìn)行改造，使原煙冷器與新裝的煙氣加熱器之間形成以水為媒介的閉式循環(huán)系統(tǒng)，將原煙冷器收集的熱量通過水媒介送至煙氣加熱器加熱脫硫塔出口的凈煙，以提高煙氣排放溫度，達(dá)到消除白色煙羽的目的。通過消除石膏雨的改造，原煙冷器收集的煙氣余熱無法用于機(jī)組以提高機(jī)組發(fā)電能力。本文認(rèn)為，該類改造的結(jié)果使機(jī)組熱量受到損失，導(dǎo)致其發(fā)電效率有所降低。

該類MGGH 改造的能耗主要為閉式循環(huán)水系統(tǒng)中循環(huán)水泵的耗電量，以及機(jī)組熱量的損失。

另外，對(duì)于煙氣冷卻器進(jìn)口煙氣溫度較高的運(yùn)行狀態(tài)或在夏季運(yùn)行中，MGGH中的水媒介經(jīng)煙氣冷卻器換熱升溫后，除了通過煙氣加熱器將脫硫塔出口的凈煙加熱到足夠溫度后，該系統(tǒng)仍有余熱可以加熱冷凝水，增加鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行效率，提高機(jī)組發(fā)電能力；對(duì)于煙氣冷卻器進(jìn)口煙氣溫度較低的運(yùn)行狀態(tài)或在冬季運(yùn)行中，MGGH中的水媒介經(jīng)煙氣冷卻器換熱升溫后，其吸收的熱量無法將脫硫塔出口的凈煙加熱到足夠溫度以消除白色煙羽現(xiàn)象，則需要通過機(jī)組輔助蒸汽對(duì)凈煙加熱，此時(shí)鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行效率受到影響，機(jī)組發(fā)電能力將有所降低。對(duì)于上述兩類情況，同一臺(tái)機(jī)組均會(huì)出現(xiàn)上述兩種運(yùn)行狀態(tài)（兩種運(yùn)行狀態(tài)下MGGH對(duì)機(jī)組效率的影響可相互抵消），且各電廠無法提供充足數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，故本文暫不考慮上述兩類因素對(duì)發(fā)電煤耗的影響，僅以電廠提供的第三方試驗(yàn)報(bào)告作為數(shù)據(jù)依據(jù)來分析并確定超凈排放改造（消除石膏雨）對(duì)發(fā)電煤耗的影響。

圖2 MGGH典型布置圖

3）超凈排放改造能耗分析

綜上1）和2）分析，本市公用燃煤電廠超凈排放改造所增加能耗（以下簡(jiǎn)稱“總能耗”）可用計(jì)算公式表示：

總能耗=脫硝能耗+脫硫能耗+除塵能耗+MGGH 能耗+增壓風(fēng)機(jī)能耗+克服脫硝/除塵/煙冷器阻力的能耗（引風(fēng)機(jī)能耗）+熱量損失引起的機(jī)組能效的下降

由該公式可以看出，總能耗中主要包含兩個(gè)方面，即各類設(shè)備的電耗增加（廠用電消耗的增加）及機(jī)組熱量的損失（機(jī)組效率的下降）。廠用電增加的主要原因是超凈排放設(shè)備的增容帶來用電量的增加；機(jī)組效率下降的主要原因是燃煤機(jī)組在消除石膏雨改造（MGGH）之前加裝過煙氣余熱利用的節(jié)能設(shè)備（低溫省煤器），而為了消除石膏雨，在改造后，該部分本可由機(jī)組回收使用的熱量改為對(duì)煙氣加熱，從而引起機(jī)組效率下降。

從改造引起能耗變化的角度來看，本市公用燃煤電廠超凈排放改造路徑主要可歸納為兩類。

（1）改造僅引起廠用電的增加

該類改造是指機(jī)組在改造前未加裝煙氣余熱利用設(shè)備（低溫省煤器）。改造路徑典型系統(tǒng)流程圖見圖3及圖4。

（2）改造引起廠用電的增加及機(jī)組效率的下降

該類改造是指機(jī)組在改造前加裝了煙氣余熱利用設(shè)備（低溫省煤器），在消除石膏雨的改造中，利用原低溫省煤器與新增煙氣加熱器構(gòu)成MGGH。改造路徑典型系統(tǒng)流程圖見圖5及圖6。

3.2 超凈排放改造對(duì)煤耗的影響分析

燃煤機(jī)組發(fā)電煤耗及供電煤耗的計(jì)算公式分別為：

發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率=發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗量/發(fā)電量

圖3 改造前系統(tǒng)工藝流程圖

圖4 改造后系統(tǒng)工藝流程圖

圖5 改造前系統(tǒng)工藝流程圖

圖6 改造后系統(tǒng)工藝流程圖

供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率=發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗量/供電量

其中，發(fā)電量指發(fā)電機(jī)端口輸出的電量，供電量指發(fā)電機(jī)輸出的電量扣去電廠自身用電量后的電量，即供電量=發(fā)電量-廠用電量。

在超凈排放改造中，引起機(jī)組效率下降的改造直接影響機(jī)組發(fā)電量，進(jìn)而影響機(jī)組發(fā)電煤耗；引起廠用電增加的改造不影響機(jī)組發(fā)電量的變化，僅影響機(jī)組供電量，進(jìn)而影響機(jī)組供電煤耗。

本文研究主要內(nèi)容為超凈排放改造對(duì)發(fā)電煤耗的影響，故文章認(rèn)為，對(duì)于超凈排放改造前已加裝煙氣余熱利用設(shè)備（低溫省煤器）的機(jī)組，其改造會(huì)對(duì)發(fā)電煤耗產(chǎn)生影響；對(duì)于超凈排放改造前未加裝低溫省煤器的機(jī)組，其改造將不會(huì)對(duì)發(fā)電煤耗產(chǎn)生影響。本文主要針對(duì)超凈排放改造前加裝低溫省煤器的機(jī)組，測(cè)算改造對(duì)其發(fā)電煤耗的影響。

4 本市公用燃煤電廠超凈排放改造對(duì)發(fā)電煤耗的影響

4.1 測(cè)算數(shù)據(jù)及方法

1）測(cè)算數(shù)據(jù)選擇及處理

根據(jù)研究思路，本文選取了1 000 MW 超超臨界、600 MW 超臨界及300 MW 亞臨界三個(gè)等級(jí)中的各一家電廠進(jìn)行測(cè)算，并采用了該三家電廠機(jī)組性能試驗(yàn)報(bào)告、低溫省煤器改造試驗(yàn)報(bào)告及某一年度的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為測(cè)算依據(jù)。

對(duì)于低溫省煤器改造對(duì)煤耗的影響數(shù)據(jù)，本文直接采用了該三家電廠提供的試驗(yàn)報(bào)告中滿負(fù)荷時(shí)的煤耗影響數(shù)據(jù)；對(duì)于燃煤機(jī)組發(fā)電煤耗數(shù)據(jù)，本文則根據(jù)選取年的機(jī)組發(fā)電煤耗及年平均負(fù)荷率等數(shù)據(jù)，并按機(jī)組性能試驗(yàn)報(bào)告中發(fā)電煤耗-負(fù)荷率曲線，將機(jī)組實(shí)際負(fù)荷率下的發(fā)電煤耗修正到負(fù)荷率為100%時(shí)的發(fā)電煤耗，測(cè)算取修正后的發(fā)電煤耗數(shù)據(jù)，具體修正見表2。

2）測(cè)算方法

本文提出的發(fā)電煤耗影響系數(shù)計(jì)算如下：

其中，

θ 為發(fā)電煤耗影響系數(shù)；

ΔA 為低溫省煤器改造煤耗影響值；

A為某年燃煤機(jī)組實(shí)際發(fā)電煤耗修正到負(fù)荷率為100%時(shí)的發(fā)電煤耗數(shù)據(jù)。

4.2 測(cè)算結(jié)果

根據(jù)處理后的相關(guān)數(shù)據(jù)及測(cè)算方法，測(cè)算結(jié)果見表3。

表2 100%負(fù)荷率下發(fā)電煤耗的計(jì)算

表3 超凈排放改造對(duì)各等級(jí)機(jī)組發(fā)電煤耗影響系數(shù)計(jì)算

5 結(jié)論

1）本文認(rèn)為，對(duì)于超凈排放改造前未加裝低溫省煤器的機(jī)組，其超凈排放改造對(duì)發(fā)電煤耗的影響視為0；對(duì)超凈排放改造前加裝低溫省煤器的機(jī)組，其超凈排放改造對(duì)發(fā)電煤耗的影響可進(jìn)行修正，其修正依據(jù)為加裝低溫省煤器對(duì)機(jī)組效率提高的影響。

2）根據(jù)測(cè)算，對(duì)于1 000 MW 超超臨界等級(jí)機(jī)組，其超凈排放改造對(duì)發(fā)電煤耗的影響約為0.58%；對(duì)于600 MW超臨界等級(jí)機(jī)組，其超凈排放改造對(duì)發(fā)電煤耗的影響約為0.83%；對(duì)于300 MW亞臨界等級(jí)機(jī)組，其超凈排放改造對(duì)發(fā)電煤耗的影響約為0.82%。