唐國瑞，尤良洲，李壯

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

面對日益嚴格的環(huán)保排放指標，火電機組不斷新增或改造環(huán)保設(shè)施以滿足排放要求，但同時也造成煙風(fēng)系統(tǒng)阻力增加。爐膛及煙風(fēng)系統(tǒng)防爆設(shè)計壓力的取值標準，對于編制火電廠設(shè)計中的鍋爐技術(shù)規(guī)范書、風(fēng)機選型及煙風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計都有直接影響，而這些問題在國內(nèi)外防爆規(guī)范中的規(guī)定及表述上均存在著差異或疑點。本文基于DL/T 5240—2010《火電發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計計算技術(shù)規(guī)程》，對某330 MW機組采用引風(fēng)機與增壓風(fēng)機合并改造(引增合一改造)后的鍋爐爐膛及煙風(fēng)進行安全評價。

1 工程概況

某電廠330 MW機組配套“2+2”型電袋復(fù)合除塵器，脫硫裝置配置1層合金托盤、3層噴淋層。應(yīng)煙氣超低排放改造方案要求，新增吸收塔噴淋層、余熱利用裝置。原有風(fēng)機系統(tǒng)壓頭無法滿足改造后機組運行要求，需進行引增合一改造，改造后擬定參數(shù)見表1。

2 防爆安全性評估

2.1 爐膛安全性分析

針對該330 MW機組引增合一改造工程，擬定引風(fēng)機BMCR工況下全壓為9 230 Pa，TB工況下全壓為11.076 kPa。初步核算引風(fēng)機在環(huán)境溫度下TB點壓頭為16.56 kPa(圖1中點1)，大于引風(fēng)機在環(huán)境溫度下TB工況點風(fēng)安全下限值(爐膛瞬時承壓為9.8 kPa，對應(yīng)的安全下限值為-14 kPa)。需結(jié)合量工況。

表1 引風(fēng)機改造參數(shù)

注：TB為風(fēng)機性能考核點工況；BMCR為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)

引風(fēng)機在不利工況下壓頭等因素對爐膛進行安全評估。

2.1.1 BMCR失速點核算

按BMCR工況的開度失速點核算爐膛側(cè)最大負壓，初步擬定性能曲線如圖1所示。BMCR工況葉邊開度為2°，沿等開度線的失速點S0(圖1中點3)，計算失速點環(huán)境溫度下風(fēng)機最大壓頭

pS0=Yρ0×ρB×(273+tb)/φB×(273+t20)，

(1)

式中：Yρ0為BMCR沿等開度線失速點比壓能，查圖1取值14 248 N·m/kg；ρB為BMCR工況風(fēng)機入口密度，查表1取值0.733 4 kg/m3，(圖1中點2)；φB為BMCR工況風(fēng)機壓縮修正系數(shù)，查表1取值0.964 5；tb為引風(fēng)機入口設(shè)計煙溫，查表1取值155 ℃；t20為環(huán)境溫度，取20 ℃。以上各值代入式(1)，pS0=15 826 Pa。

圖1 引風(fēng)機性能曲線

S0點系統(tǒng)阻力最小值

HS0=pBMCR×(QS0/QBMCR)2，

(2)

式中：pBMCR為合并后引風(fēng)機BMCR工況壓頭，查表1取值9 230 Pa ；QS0為BMCR工況沿等開度失速點流量，查圖1(點3)取值648 000 m3/h ；QBMCR為合并后引風(fēng)機BMCR工況流量，查圖1(點2)取值922 392 m3/h。以上各值代入式(2)，HS0=4 555 Pa。

風(fēng)機最大余壓即爐膛最大負壓

(-)p=pS0-HS0，

(3)

計算可得(-)p=-11 271 Pa。

2.1.2 風(fēng)機零流量點核算

按風(fēng)機零流量點核算爐膛側(cè)最大負壓，即環(huán)境溫度下風(fēng)機零流量點最大負壓

(4)

式中：Y0為零流量失速點比壓能(圖1中點4)，查圖2取值7 586 N·m/kg 。以上各值代入式(4)，p0=8 426 Pa。

因零流量時系統(tǒng)流動阻力為零，爐膛最大負壓等于引風(fēng)機最大入口負壓(引風(fēng)機最大全壓)，即(-)pFum=-8 426 Pa。

2.2 尾部煙道安全性分析

按照相關(guān)標準對鍋爐尾部煙道設(shè)計壓力進行核算。內(nèi)爆工況下與穩(wěn)壓工況下引風(fēng)機入口負壓比值

Kt=pid,en/pid,en,o，

(5)

式中：pid,en為內(nèi)爆工況下引風(fēng)機入口負壓，根據(jù)其他相關(guān)公式計算得-9 092 Pa；pid,en,o為穩(wěn)態(tài)工況下引風(fēng)機入口負壓，查表1取值-5 700 Pa。各值代入式(5)，Kt=1.6。

爐膛內(nèi)爆時煙道設(shè)計負壓的增壓系數(shù)

Kf,des=Kt-pFds÷pid,en,o，

(6)

式中：pFds為爐膛設(shè)計壓力，原設(shè)計值-5 800 Pa。各值代入式(6)，Kf,des=0.58。

基于上述增壓系數(shù)及原設(shè)計壓力值，得出爐膛尾部煙道承壓核算值，見表2。

表2 爐膛尾部煙道承壓核算值與原設(shè)計壓力值

2.3 評估小結(jié)

爐膛瞬間設(shè)計壓力為±9.8 kPa，爐膛設(shè)計壓力為±5.8 kPa，安全系數(shù)為1.72。經(jīng)核算，引風(fēng)機在環(huán)境溫度下TB點壓頭為16.56 kPa，BMCR工況等開度失速點爐膛最大負壓為-11.27 kPa，風(fēng)機零流量點爐膛最大負壓為-8.426 kPa。環(huán)境溫度下，引風(fēng)機選型點達-11.27 kPa，超過了安全要求。

現(xiàn)有的剛性梁設(shè)計無法保證鍋爐相關(guān)受壓部件(如水冷壁、包墻、頂棚受熱面管等)的安全性，同時鍋爐煙道等相關(guān)受壓件也因負壓超出原設(shè)計要求而存在安全隱患。若考慮加固方案，將涉及爐膛和包墻幾乎全部管剛性梁，加固范圍過大、難度較高。

根據(jù)靜電除塵器技術(shù)協(xié)議及電袋復(fù)合除塵器技術(shù)協(xié)議，除塵器本體設(shè)計壓力為±8.7 kPa，瞬時承壓為±9.8 kPa。設(shè)計值能夠滿足改造后日常的運行承壓要求，但不滿足BMCR工況引風(fēng)機等開度失速點入口最大壓力。除塵器本體防爆等級已處于較高水平，加固工程量巨大。

原鍋爐尾部煙道防爆等級較低，不能滿足內(nèi)爆工況下及穩(wěn)壓工況下系統(tǒng)承壓要求，應(yīng)通過加固或更換原有煙道等方式提高煙道防爆等級，但防爆等級不宜提高過多。

通過核算可知，對于爐膛及尾部煙道的防爆設(shè)計，穩(wěn)態(tài)工況下設(shè)計壓力應(yīng)滿足引風(fēng)機壓頭的要求，但遇到各種惡劣工況(如爐膛熄火、送風(fēng)機跳機、引風(fēng)機擋板門關(guān)閉等)組合所發(fā)生的爐膛及煙道爆炸，防爆要求無法得到滿足。

3 防范對策

3.1 引風(fēng)機和增壓風(fēng)機并聯(lián)方式

從降低爐膛內(nèi)爆風(fēng)險角度分析，分設(shè)引風(fēng)機和增壓風(fēng)機的方案能夠降低單臺風(fēng)機參數(shù)及規(guī)格，有利于降低風(fēng)險及引風(fēng)機及增壓風(fēng)機同時跳機的可能性。但該方案有3個前提條件：脫硫吸收塔或增壓風(fēng)機設(shè)有煙道旁路及相應(yīng)保護裝置[1-2]；熱控設(shè)計中，在爐膛MFT(主燃料跳閘)時增壓風(fēng)機聯(lián)跳；當增壓風(fēng)機聯(lián)跳，旁路煙道擋板打開，引風(fēng)機仍有失速裕量克服煙氣阻力[3]。分設(shè)引風(fēng)機和增壓風(fēng)機可降低風(fēng)機跳機所帶來的沖擊，前提條件許可，可優(yōu)先考慮保留增壓風(fēng)機方案。

3.2 風(fēng)機型式

對比軸流式引風(fēng)機及離心式引風(fēng)機性能曲線特點：當風(fēng)機流量減少接近零流量點時，離心式風(fēng)機壓頭升高并逐漸達到最大值；軸流式風(fēng)機因風(fēng)機葉片角度不同而具有不同壓頭及流量，每一個角度都會產(chǎn)生一個最大壓頭[4]，壓頭增大到一定值，風(fēng)機將發(fā)生喘振和失速，使風(fēng)機壓力迅速減小[5]。從降低鍋爐內(nèi)爆風(fēng)險角度，采用軸流式風(fēng)機更為有利[6]。

3.3 優(yōu)化系統(tǒng)阻力

煙風(fēng)系統(tǒng)阻力高，必然需配備高壓頭大流量風(fēng)機以克服系統(tǒng)阻力。但風(fēng)機參數(shù)越高，異常工況下爐膛負壓波動越大[7]。可通過優(yōu)化煙風(fēng)系統(tǒng)中單個設(shè)備阻力，減少煙道布置中的彎管，降低煙道阻力，從而降低整體系統(tǒng)阻力。該方法一定程度上可降低風(fēng)險發(fā)生的概率[8-9]。

3.4 爐膛控制保護

一味追求設(shè)備加固無法解決內(nèi)爆帶來的風(fēng)險[8]。通過尋求控制系統(tǒng)以及聯(lián)鎖保護系統(tǒng)限值之間的平衡，實現(xiàn)爐膛內(nèi)爆發(fā)生可能性及危險性的最小化。許多研究表明[10]，根據(jù)爐膛結(jié)構(gòu)、爐型、設(shè)計參數(shù)的不同，爐膛保護壓力設(shè)計情況亦不同。多數(shù)設(shè)計值已考慮設(shè)置主燃料跳閘值和報警值，但未考慮風(fēng)機聯(lián)跳值或過長的延遲時間。當機組進行選擇性催化還原(SCR)脫硝、煙氣降溫裝置、脫硫系統(tǒng)串塔及濕式除塵器改造后，爐膛壓力變化速率增大，應(yīng)充分考慮風(fēng)機至爐膛之間壓力變化的延遲值，重新核算風(fēng)機聯(lián)跳的延時時間。

4 結(jié)論

單純從增強爐膛結(jié)構(gòu)及承受壓力來解決鍋爐內(nèi)爆，從經(jīng)濟性角度來講不可取。尤其在極端惡劣工況(如爐膛熄火、送風(fēng)機跳機、引風(fēng)機擋板門關(guān)閉等)，即使爐膛結(jié)構(gòu)合理，也難以保證萬無一失。從預(yù)防鍋爐內(nèi)爆的角度出發(fā)，合理風(fēng)機運行方式、降低系統(tǒng)阻力、優(yōu)化風(fēng)機選型及采用適合的爐膛保護控制系統(tǒng)，可減少了內(nèi)爆產(chǎn)生的可能性。