高如云 李世旺 钟耕垒
北京清远顺合环保科技有限公司，北京 100043
摘要：为保证脱硝效率达到设计水平，降低催化剂寿命损耗率，减小氨逃逸，基本缓解硫酸氢铵沉积、堵塞空预器现象，满足深度调峰脱硝超低排放要求，宽负荷脱硝系统水侧改造方案应运而生，本改造方案主要是针对锅炉侧给水管道进行的改造，通过增加旁路及再循环管道来改变省煤器入口的水量及水温，控制省煤器内工质从烟气侧的吸热量来实现提高省煤器出口烟温的目的。技术上较为成熟的水侧改造措施主要有省煤器给水旁路方案、热水再循环方案、复合热水再循环方案。省煤器复合热水再循环方案是针对锅炉“自并网起就投入SCR的全负荷脱硝”的宗旨，在传统的省煤器给水旁路和热水再循环方案基础上，组合优化形成的新型技术方案。（该技术已获国家发明专利，专利名称：一种SCR入口烟气水侧提温系统及方法；专利号：ZL 2016 1 1223709.3）。该项技术也已成功应用到了国网能源和丰煤电有限公司，实现了并网及以上负荷脱硝入口烟温始终维持在310℃及以上目标，本文章将围绕国网能源和丰煤电有限公司全负荷脱硝改造项目进行介绍。
关键字：深度调峰、宽负荷脱硝水侧改造、复合热水再循环、技术优势、现场施工、逻辑及画面
一、全负荷脱硝水侧改造方案选取
水侧改造方案原理：省煤器水侧改造方案是通过调节进入省煤器的水量和水温，从而降低省煤器内工质从烟气侧的吸热量，达到提高省煤器出口烟温即脱硝入口烟温的目的。目前省煤器水侧改造系统主要有三种设计方案：省煤器水旁路方案、省煤器热水再循环方案及省煤器复合热水再循环方案，现就三种方案分别介绍如下：
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省煤器水旁路方案（方案原理图见图1）：具体布置方案是自主给水管路上通过三通引出旁路管道，旁路管道上设有电动闸阀、电动调节阀、流量计，最终旁路管道的终端接入省煤器出口集箱或连接管。同时在主给水管道上设置主给水电动憋压阀，此阀门与旁路上的电动调节阀合理的调配两条并连管线的阻力，从而灵活调节进入省煤器的水流量，改造后烟温升一般为0-20℃。
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省煤器热水再循环方案（方案原理图见图2）：具体布置方案是从锅炉汽包下降管上某位置引出热水再循环管道，管道上布置汇集集箱、热水循环泵、调节阀、流量计、闸阀、止回阀等设备，热水再循环管道的终端接入省煤器给水母管，循环泵为工频泵，通过泵出口的调节阀控制再循环热水流量，改造后烟温升一般为0-50℃。
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省煤器复合热水再循环方案（方案原理图见图3）：该方案是水旁路方案和热水再循环方案的结合体，旁路冷水流量的同时通过引入下降管热水，大幅度提升省煤器入口水温，从而最大限度的提高省煤器出口即脱硝入口的烟温。该项技术是针对目前燃煤电厂对SCR脱硝装置的投运要求从中/低负荷向深负荷拓展而提出的一种新型改进方案，可实现全负荷脱硝，烟温升一般为0-70℃。
新疆和丰电厂#1、#2机组在低负荷运行时，锅炉SCR入口烟温较低（最大欠温达到55℃），无法满足SCR脱硝装置催化剂最低安全投运的温度要求。为提高机组在低负荷工况下脱硝入口烟温，提高SCR装置的负荷适应性，和丰电厂拟实现全负荷脱硝，要求并网后的全负荷范围内（约30MW~330MW）脱硝入口烟温不小于310℃，满足脱硝投运条件。故为达到并网起投入脱硝，需要进行各种设计、运行工况的大量取数、复核、验算工作，确定最佳的改造技术方案与措施。经前期技术调研，最终选取了工期更短、调节更加灵活、烟温升幅更大、维护量小、运行更加稳定的省煤器复合热水再循环方案。
二、复合热水再循环设计方案的技术优势
①从调节省煤器工质的流量和温度两方面同时入手，是一种组合优化方式。通过大幅度减少“省煤器—烟气”的冷热端的换热端差，显著提升SCR入口烟温，保证了机组自并网后全负荷脱硝。若适当提高运行压力，升温能力仍有进一步提升空间；
②由旁路系统及再循环系统两个子系统组成，子系统既可协同工作、也可独自运行，对SCR入口烟温均能发挥调节作用。改造后，视SCR入口烟气欠温程度不同，可采取“仅旁路”、“仅再循环”或“旁路+再循环”等多种运行模式，提高了机组运行的灵活性；
③旁路管道的存在可极大减少再循环的取水量峰值，使得循环泵的选型更具有经济性。在保证脱硝效率的同时，最大限度减少对锅炉热效率和厂用电的损耗；
④对现场空间要求小，部分安装工作可无需停炉即可进行，此外，由于是由两个独立的子系统构成，工程进度控制相对灵活，未来在现场安装期间如果出现不可抗力的突发情况，可采取多种临时应对措施，例如优先完成新增管道安装（后期再与原管路接口）、或优先完成旁路或再循环子系统。
三、复合热水再循环方案设计的关键点
◇省煤器悬吊管出口过冷度的控制：为保证省煤器及悬吊管的安全运行，确保省煤器和悬吊管出口不会出现因流量调整而引发的工质汽化、水击等现象，复合热水再循环系统配套有省煤器出口欠焓监控功能，系统投运后，监控模块会根据当前运行压力、流量、温度等参数控制旁路流量上限，当省煤器出口水温逼近上限时，将不再加大旁路流量。
◇旁路及再循环管道的接口位置选取：为了最大程度提高省煤器入口的给水温度，旁路管道的引出位置必须在新增热水再循环管道接入点的上游，即主给水必须先被旁路然后再与下降管过来的热水混合。
◇设备选型：系统的设计思路是通过调整进入省煤器的水量和水温来减少省煤器的吸热量从而提高烟温。为保证机组在低负荷的任意工况下，烟温始终维持在合理范围内，需保证旁路管道和再循环管道的流量具备良好的调节性能。本方案在设计的时候需要对原给水管道，省煤器受热面，下降管区域，新增旁路管道，新增再循环管道进行整体分析计算，然后据此压降和流量平衡计算结果确定管道、阀门及循环泵选型参
四、全负荷脱硝改造后水循环安全分析
针对和丰项目，需进行专业水动力计算以确保改造后水冷壁管子安全性。水动力循环模拟针对不同负荷时整个水循环系统-包括集中下降管，分配集箱，分散供水管、水冷壁管，汽水引出管，汽水分离器的流量、流速、压降、流动阻力、含汽率等进行计算分析。针对330MW，165MW，90MW，30MW多种工况的水动力进行分析，其中330MW，165MW不需投入再循环系统，工质侧流动情况不变，而90MW和30MW 需要省煤器热水循环系统投入运行，投入前后水循环状况有所改变，模拟计算结果列表如下：
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从上表可以看出，无论是90MW负荷还是30MW负荷，改造后，循环倍率均有略微下降，下降管总流量较原来有所减少，90MW负荷的循环倍率和下降管总流量分别减少了1.77%和1.94%，30MW负荷的循环倍率和下降管总流量分别减少了1.75%和1.98%，改造前后变化非常小，然后细分进入每一个回路的水量变化甚至可忽略不计，且DNB均远大于1.25，改造后锅炉水动力安全。
五、省煤器复合热水再循环系统现场施工控制
本项目现场施工工程量较多、设计范围广，同时存在交叉施工的情况，因此制定详细的施工计划和工序来指导安装显得尤为重要，现就施工过程中的几个关键控制点叙述如下：
5.1 合理安排施工工序、设备分阶段到货
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和丰发电厂现场施工考虑停炉时间较短且具体停炉时间的不确定性，采取了分布实施的策略，停炉前先完成接口之外的外围管道，循环泵及进口调节阀交期与停炉时间不吻合，为了避免锅炉区域灰尘及杂物进入管道内部，同时保证管道悬吊时的绝对安全，循环泵进出口采用临时弯头连接的方式（如图4所示），调节阀位置设计时先采用加长的管段，待阀门到货后根据阀门的长度切割多余的管段（如图5所示），完成焊接。
5.2下降管位置切割
切割原有主给水管道、下降管等位置处的管道时，需要根据切割位置的不同制定不同的加固和切割方案，切割的总体原则是不改变管道原先的位置及不对管道周围的其它结构造成不利的影响。尤其是切割下降管时，和丰电厂为亚临界自然循环锅炉，共有4根下降管，切割下降管时的加固方案为：利用原来四个标高（47.77米，39.57米，31.17米和21.17米）的导向架将切割后的下降管荷载通过现场焊接在导向架的支撑板（每个导向架上焊8块立板）分配到这四个导向架原来的支撑梁上。某一层标高的加固方案示意图如下：
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5.3新增循环泵安装
本项目采用的循环泵由海伍德泰勒泵业（昆山）有限公司生产，型号为“无密封垫-湿定子-鼠笼式”。安装该循环泵时需先安装泵壳，若锅炉需要进行整体酸洗，则先利用泵壳专用堵板进行密封，待酸洗完成后再安装电机。电机安装完成，首先需要利用注水管路进行冲洗，直至水质满足要求后将合格的水注满电机腔，电机腔未注满水时不允许泵壳内进水，以免对电机腔造成污染，导致循环泵返厂而耽误工期。
六、逻辑组态及画面制作
系统安装完成后，需要进行DCS逻辑组态及画面的制作，画面制作的标准是既美观又能真实的反应整个新增系统的流程。单独制作一个宽负荷脱硝的画面，同时将新增系统的主要设备及接口添加到DCS原有的画面里面去。新增设备逻辑编写时要考虑循环泵的启动及异常跳闸条件、主给水憋压阀的逻辑保护条件、省煤器出口水温报警条件及与控制阀门之间的连锁保护等。第一次手动调试完成后，根据各负荷下循环泵出口调节阀及主给水憋压阀的开度设置了系统投运时的自动控制条件。
七、总结
和丰电厂完成宽负荷脱硝改造后，系统经调试成功完成投运，脱硝入口烟温在并网及以上负荷达到了310℃及以上，实现了全负荷脱硝，保证脱硝催化剂从并网起一直处于最好的活性范围内，大大延长催化剂的设计使用寿命和更换周期，同时亦可降低氨逃逸，减少ABS的形成，避免空预器堵塞。此种设计方案具有一定的前瞻性和创新，解决了电厂长期以来机组低负荷运行无法投脱硝的难题，具有深远的经济效益和社会效益。
参考资料：
（1）《一种SCR入口烟气水侧提温系统及方法》北京清远顺合环保科技有限公司，北京：国家知识产权局，2019.3.26，专利号：ZL 2016 1 1223709.3；
（2）《一种锅炉的SCR入口烟温动态控制系统及方法》北京清远顺合环保科技有限公司，北京：国家知识产权局，2018.7.24，专利号：ZL 2016 1 0673389.5；
（3）国网能源和丰煤电有限公司超低排放改造工程宽负荷脱硝改造项目改造说明书，GH-C005-MAN01；
（3）国网能源和丰煤电有限公司超低排放改造工程宽负荷脱硝改造项目安装指导手册，GH-C005-MAN01。