注水對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能試驗(yàn)研究

曹傳釗，鄭建濤，徐海衛(wèi)，劉明義，裴 杰

(中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

0 引言

我國(guó)目前執(zhí)行的火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB13223 －2011)［1］規(guī)定燃?xì)廨啓C(jī)電廠NOx 排放量要小于50 mg/m3。為了滿足環(huán)保排放要求，燃?xì)廨啓C(jī)一般采用的措施是:燃燒室注水/蒸汽、干式低氮氧化物燃燒室、對(duì)燃燒產(chǎn)物采用催化還原法等。注水主要作用是通過降低燃燒室的火焰溫度來減少NOx 的排放，同時(shí)增加燃?xì)赓|(zhì)量流量，降低燃燒溫度使燃?xì)廨啓C(jī)得到更大的出力［2］。與燃?xì)廨啓C(jī)不注水相比，注水會(huì)吸熱，需要多耗費(fèi)部分燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，這會(huì)降低燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率，但可以增加出力例如某9E 燃?xì)廨啓C(jī)［3］注水比為0．65 時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)出力提高6．89 MW，效率降低0．58%。曾志［4］等對(duì)燃燒室注水對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行和檢修的影響進(jìn)行了研究分析，認(rèn)為注水會(huì)加劇燃燒室的壓力振蕩，同時(shí)注水量過大可能導(dǎo)致熄火和喘振等安全問題［5］。吉桂明［6］等就壓氣機(jī)通流部分注水對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能影響進(jìn)行分析，其研究表明注水量0.5% ～2% 時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率增加7． 5% ～14%，對(duì)低壓壓氣機(jī)入口注水量1．4%時(shí)，機(jī)組NOx排放量降低40%。張文輝［7］討論了機(jī)組注水運(yùn)行對(duì)溫度控制的影響，尤其對(duì)注水后不同的溫控基準(zhǔn)與出力和壽命的關(guān)系進(jìn)行了分析。本文主要介紹某燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組采用向燃燒室注水對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)出力、熱耗、NOx 排放量及度電成本等的影響。

1 機(jī)組基本介紹

本試驗(yàn)機(jī)組現(xiàn)有2 臺(tái)25 MW 的FT8 －1 型燃?xì)廨啓C(jī)組，采用二拖一的布置形式。同時(shí)匹配1 臺(tái)16 MW 單缸凝汽式汽輪機(jī)組成聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，余熱鍋爐是帶煙氣旁路系統(tǒng)無補(bǔ)燃型的自然循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，采用自然循環(huán)臥式布置，由過熱器－高溫省煤器－蒸發(fā)器－低溫省煤器－凝結(jié)水加熱器－主煙囪組成，并設(shè)旁路煙囪。由液壓驅(qū)動(dòng)擋板，風(fēng)機(jī)密封。燃?xì)廨啓C(jī)作功后排出的高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐回收轉(zhuǎn)換為高溫高壓蒸汽，進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電。圖1 為試驗(yàn)機(jī)組流程示意圖。試驗(yàn)機(jī)組注水脫硝系統(tǒng)往燃燒室注水比范圍在0．6 ～0．7。

圖1 試驗(yàn)機(jī)組流程示意圖

2 熱力性能試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)共分3 個(gè)試驗(yàn)工況:注水前基礎(chǔ)負(fù)荷試驗(yàn)(工況1)、注水后基礎(chǔ)負(fù)荷試驗(yàn)(工況2)及注水后機(jī)組最大出力試驗(yàn)工況(工況3)。試驗(yàn)期間機(jī)組運(yùn)行盡量保持穩(wěn)定，避免出現(xiàn)較大波動(dòng)，主要參數(shù)偏差范圍如表1 所示。試驗(yàn)時(shí)熱力系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)熱平衡圖所規(guī)定的熱力循環(huán)進(jìn)行。任何與該熱力循環(huán)無關(guān)的其它系統(tǒng)及進(jìn)、出系統(tǒng)的流量都必須進(jìn)行隔離，無法隔離的流量要進(jìn)行測(cè)量，系統(tǒng)不明漏量不應(yīng)超過額定工況主蒸汽流量的0．5%。此外，試驗(yàn)期間應(yīng)停止排污、排水、排汽以及補(bǔ)水，保證除氧器、汽包水位穩(wěn)定，凝汽器水位穩(wěn)定下降。

表1 機(jī)組試驗(yàn)期間主要參數(shù)偏差范圍

正式試驗(yàn)按照正常運(yùn)行規(guī)程開機(jī)，機(jī)組以滿負(fù)荷運(yùn)行，負(fù)荷采用程序自動(dòng)控制，保證機(jī)組運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定。在正式試驗(yàn)開始前確保各疏水閥門為關(guān)閉狀態(tài)，停止連排、定排等排污措施，將凝汽器熱井、除氧器等保持合理水位后停止補(bǔ)水。不注水工況至少持續(xù)時(shí)間1 h，正式試驗(yàn)期間一直保持不排污、不補(bǔ)水狀態(tài)，試驗(yàn)期間保證負(fù)荷穩(wěn)定，主汽、補(bǔ)氣溫度和壓力以及背壓等運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，汽包水位盡量保持穩(wěn)定，以調(diào)節(jié)除氧器水位為主。不注水工況試驗(yàn)結(jié)束后注水系統(tǒng)投運(yùn)，機(jī)組負(fù)荷調(diào)整至注水系統(tǒng)投運(yùn)前一致，調(diào)整到位后系統(tǒng)穩(wěn)定1 h 以上，然后上調(diào)機(jī)組出力到最大，試驗(yàn)期間負(fù)荷、參數(shù)保持穩(wěn)定，試驗(yàn)至少持續(xù)1 h。試驗(yàn)結(jié)束后機(jī)組參數(shù)即可恢復(fù)至常規(guī)生產(chǎn)狀態(tài)，補(bǔ)水、連排、定排等恢復(fù)正常。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)［8－10］，本次性能試驗(yàn)結(jié)果通過熱性能指標(biāo)、NOx排放量及度電成本三個(gè)指標(biāo)，對(duì)比分析了注水脫硝系統(tǒng)投運(yùn)對(duì)該燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能影響。

3．1 熱性能影響

與燃?xì)廨啓C(jī)不注水相比，注水會(huì)吸收熱量，需要耗費(fèi)部分燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，這會(huì)降低燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率，但可以增加出力。注水前后機(jī)組熱性能指標(biāo)如表2 所示，試驗(yàn)結(jié)果顯示:試驗(yàn)期間注水比0．6 時(shí)，注水脫硝系統(tǒng)投運(yùn)前燃?xì)廨啓C(jī)出力39．77 MW，而投運(yùn)后燃?xì)廨啓C(jī)最大出力升高到43.44 MW，燃?xì)廨啓C(jī)出力增加3．67 MW。而熱耗增加57．4 kJ/kW·h，燃?xì)廨啓C(jī)熱效率降低0．2%。而后調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷到與注水前相同負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，測(cè)試結(jié)果表明:燃?xì)廨啓C(jī)相同負(fù)荷下，燃?xì)廨啓C(jī)熱耗增加383． 4 kJ/kW·h，燃?xì)廨啓C(jī)熱效率降低1.3%。

注水脫硝系統(tǒng)不僅對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生影響，同時(shí)對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組整體產(chǎn)生影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示:注水脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后，燃?xì)廨啓C(jī)出力達(dá)到最大工況時(shí)，與基礎(chǔ)負(fù)荷工況對(duì)比，余熱鍋爐吸熱量增加，鍋爐熱效率增加0．4%，汽輪機(jī)出力1．09 MW，汽輪機(jī)熱耗率降低159．2 kJ/kW·h，全廠熱耗率降低122．6 kJ/kW·h，全廠熱效率增加1．2%。調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷到與注水前相同基礎(chǔ)負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)比注水脫硝系統(tǒng)投運(yùn)前，汽機(jī)出力降低0．34 MW，汽機(jī)熱耗增加93．6 kJ/kW·h。全廠熱耗增加313．9 kJ/kW·h，全廠熱效率降低2%。

表2 各工況下熱性能指標(biāo)

3．2 NOx 排放量

燃?xì)廨啓C(jī)是通過向燃燒室注水降低燃燒溫度的方式來降低NOx 生成量，向燃燒室注入的水份吸熱蒸發(fā)，使燃燒溫度降低。NOx 生成量與燃燒溫度成指數(shù)關(guān)系，所以NOx 生成量隨之減少。同時(shí)水蒸氣會(huì)與氧原子化合生成氫氧根基，使氧原子濃度降低，氧原子與N、N2會(huì)反應(yīng)生成NOx，而氫氧根基與氮反應(yīng)效率低，在一定程度上也減少了NOx 生成量。火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB13223—2011 規(guī)定燃天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)電廠NOx 排放要小于50 mg/m3。采用注水/注蒸汽技術(shù)雖然可以降低燃?xì)廨啓C(jī)NOx的形成，但會(huì)降低燃?xì)廨啓C(jī)效率，增加機(jī)組熱耗，且對(duì)注入的水和蒸汽的品質(zhì)有較高要求。

圖2 注水前后NOx 排放量對(duì)比

本輪性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明:注水前NOx排放量為197．816 mg/m3，注水后相同基礎(chǔ)負(fù)荷下NOx 排放量下降至31．698 mg/m3，燃?xì)廨啓C(jī)出力最大時(shí)，NOx 排放量稍有增加至43．142 mg/m3，這是由于注水后燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷增大，耗費(fèi)的天然氣量增加，相應(yīng)地NOx 排放量有一定量的增加，但是注水后無論燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷處于基礎(chǔ)負(fù)荷還是最大出力時(shí)，該電廠NOx 排放量滿足火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定燃天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)電廠NOx 排放量要小于50 mg/m3要求。

3．3 經(jīng)濟(jì)性分析

注水雖然能夠提高燃?xì)廨啓C(jī)出力，降低NOx 排放量，但是會(huì)增加機(jī)組熱耗量，從而造成天然氣消耗量增大，相應(yīng)燃料成本增多，同時(shí)為了避免熱通道部件結(jié)垢和腐蝕，對(duì)注水品質(zhì)有很高的要求，一般使用化學(xué)除鹽水，這也一定程度地增加了水處理成本。即使在水質(zhì)滿足要求情況下，注水仍然會(huì)影響燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件的壽命和檢修周期，這也會(huì)增加一定的運(yùn)行維護(hù)成本，故注水將會(huì)對(duì)全廠經(jīng)濟(jì)性有一定的降低。

圖3 注水前后度電成本對(duì)比

不考慮電廠運(yùn)營(yíng)成本，人工費(fèi)，設(shè)備維修費(fèi)等，僅考慮注水脫硝系統(tǒng)投運(yùn)增加的天然氣、水耗及注水泵電耗、燃料成本(參照該電廠現(xiàn)有價(jià)格清單，天然氣價(jià)格設(shè)定0．6 元/m3、注水水價(jià)按照4 元/t、電價(jià)0．4 元/kW·h)，折算度電成本，注水脫硝系統(tǒng)的投運(yùn)會(huì)耗費(fèi)更多的天然氣和高品質(zhì)的注水，同時(shí)注水泵耗費(fèi)部分電。經(jīng)計(jì)算:注水脫硝系統(tǒng)的投運(yùn)前燃料度電成本為0．143 9 元/kW·h，注水脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后，燃?xì)廨啓C(jī)最大出力工況下燃料度電成本為0．147 5 元/kW·h，調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷到與注水前相同負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，燃料度電成本增加0．150 1 元/kW·h。數(shù)據(jù)表明:相同基礎(chǔ)負(fù)荷下，注水脫硝系統(tǒng)的投運(yùn)使得燃料度電成本增加0．006 2 元/kW·h，燃?xì)廨啓C(jī)出力增大到最大時(shí)，燃料度電成本下降0.003 8 元/kW·h，但是注水脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后燃?xì)廨啓C(jī)最大工況下的度電成本還是比投運(yùn)前高出0．002 4 元/kW·h。

4 結(jié)論

(1)注水能夠提高燃?xì)廨啓C(jī)出力，增加熱耗，降低熱效率。燃?xì)廨啓C(jī)相同基礎(chǔ)負(fù)荷下，注水前后燃?xì)廨啓C(jī)熱耗增加383．4 kJ/kW·h，燃?xì)廨啓C(jī)熱效率降低1．3%。注水脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后，燃?xì)廨啓C(jī)出力達(dá)到最大時(shí)，鍋爐熱效率降低0．3%，汽機(jī)出力增加0．75 MW，汽機(jī)熱耗降低159．2 kJ/kW·h，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱耗增加122． 6 kJ/kW·h，全廠熱效率降低

0.8%。

(2)注水可以大幅降低燃?xì)廨啓C(jī)NOx 排放量，注水前NOx 排放量為197．816 mg/m3，注水后相同基礎(chǔ)負(fù)荷下NOx 排放量下降至31．698 mg/m3，燃?xì)廨啓C(jī)出力最大時(shí)，NOx 排放量稍增加至43．142 mg/m3，這是由于注水后燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷增大，耗費(fèi)的天然氣量增加，相應(yīng)地NOx 排放量有一定量的增加。

(3)注水會(huì)增加度電成本，降低電廠經(jīng)濟(jì)性。該電廠在相同負(fù)荷下，注水使得燃料度電成本增加0．006 2 元/kW·h，燃?xì)廨啓C(jī)出力增大到最大時(shí)，燃料度電成本下降0．003 8 元/kW·h，但是注水后燃?xì)廨啓C(jī)出力最大時(shí)的度電成本還是比注水前高出0．002 4 元/kW·h。

(4)注水脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后需要優(yōu)化運(yùn)行方式，控制注水量、提高注水品質(zhì)，更要嚴(yán)密監(jiān)控燃燒室壓力的變化突變、定期嚴(yán)格檢查燃燒室、熱通道部件及燃料噴嘴等。

［1］國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn):(GB13223 －2011)［S］．2011．

［2］Alternative Control Techniques Document NOx Emissions from StationaryGasTurbines． EPA － 453/R － 93 － 007．1993，1．

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