王鵬程,劉旋坤,蔡 晉,楊海瑞
(1.山西河坡發(fā)電有限責(zé)任公司,山西 陽泉 045000;2.清華大學(xué) 山西清潔能源研究院,山西 太原 030032;3.清華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程系 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)
管式空預(yù)器是電站鍋爐系統(tǒng)常見設(shè)備,其作用是將鍋爐尾部煙道中煙氣攜帶的熱量傳導(dǎo)預(yù)熱進(jìn)入鍋爐空氣至一定溫度,從而減少排煙熱損失。由于鍋爐煙氣中存在一定顆粒物及腐蝕性氣體,因此在鍋爐的長期運(yùn)行中,空預(yù)器會(huì)出現(xiàn)磨損、腐蝕和堵塞等問題,也是所有火力發(fā)電廠面臨的重大技術(shù)難題。因此管式空預(yù)器所處的工作環(huán)境決定了其是否能夠安全長周期運(yùn)行,這也是鍋爐機(jī)組實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的保障。
目前有大量文獻(xiàn)分析了空預(yù)器性能的影響因素,于凱等[1]針對空預(yù)器低溫段結(jié)露和腐蝕的原因,提出提高暖風(fēng)器出口溫度及定期清洗維護(hù)空預(yù)器管道緩解低溫腐蝕;鄔東立等[2-4]以某660 MW脫硝機(jī)組空預(yù)器為例,分析了選擇性催化還原(SCR)脫硝機(jī)組對空預(yù)器造成堵塞的原因,通過調(diào)整噴氨系統(tǒng)和加大干預(yù)力度減緩空預(yù)器堵塞;李軍狀等[5-7]基于脫硝副產(chǎn)物對空預(yù)器堵塞的原因分析,對脫硝系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。王興等[8-10]基于目前部分機(jī)組在超低排放改造中氨逃逸對空預(yù)器造成堵塞,提出改善噴氨系統(tǒng)的均勻性以及增加噴氨分區(qū)的數(shù)量,從而減少氨逃逸對空預(yù)器的影響。以上相關(guān)研究對空預(yù)器的穩(wěn)定運(yùn)行提供了一定基礎(chǔ),但在實(shí)際長周期運(yùn)行中,空預(yù)器出現(xiàn)的問題復(fù)雜多樣,且目前對于空預(yù)器長周期運(yùn)行維護(hù)的相關(guān)研究較少,因此筆者以河坡350 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組的管式空預(yù)器為研究對象,在運(yùn)行期間分別采用低氧量燃燒策略、空預(yù)器入口風(fēng)溫控制、鍋爐系統(tǒng)脫硫脫硝排放改善等技術(shù)措施對該鍋爐空預(yù)器進(jìn)行維護(hù),空預(yù)器運(yùn)行6 a來狀態(tài)良好,無大面積積灰、腐蝕現(xiàn)象,可為同類機(jī)組空預(yù)器的運(yùn)行維護(hù)提供參考。
河坡超臨界350 MW循環(huán)流化床鍋爐為單爐膛、半露天M型布置,主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。鍋爐本體由3部分組成,第1部分布置主循環(huán)回路,第2部分布置尾部煙道,第3部分為空氣預(yù)熱器。空氣預(yù)熱器為管式,置于尾部豎井下方雙煙道內(nèi),采用臥式順列四回程布置,空氣在管內(nèi)流動(dòng),煙氣在管外流動(dòng),在最后一個(gè)回程低溫段部分采用考登鋼Q355GNH,空預(yù)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。
表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Boiler main parameters designed
圖1 空氣預(yù)熱器結(jié)構(gòu)Fig.1 Air preheater structure
鍋爐機(jī)組燃用煤種為陽泉無煙煤,該煤種炭化程度高,揮發(fā)分低,因此存在燃點(diǎn)高、難燃盡的問題,煤種參數(shù)見表2。根據(jù)環(huán)保要求,鍋爐系統(tǒng)中采用分離器入口處安裝尿素噴槍進(jìn)行選擇性非催化還原(SNCR)脫硝,采用爐內(nèi)噴鈣和濕法工藝協(xié)同脫除SO2。
表2 煤質(zhì)分析Table 2 Coal feeding parameters
煤燃燒時(shí)產(chǎn)生的SO2會(huì)與水蒸氣結(jié)合生成硫酸蒸氣,當(dāng)空預(yù)器受熱面溫度低于煙氣酸露點(diǎn)溫度時(shí),硫酸蒸氣在低溫受熱面凝結(jié)成質(zhì)量分?jǐn)?shù)約80%的硫酸溶液,從而造成低溫腐蝕[11]。通??疹A(yù)器發(fā)生低溫腐蝕較嚴(yán)重的區(qū)域有2個(gè),一是壁溫在水露點(diǎn)附近時(shí)(40~45 ℃),此種情況一般不易發(fā)生;二是壁溫低于酸露點(diǎn)25~45 ℃的區(qū)域。當(dāng)空預(yù)器壁溫達(dá)到酸露點(diǎn)A時(shí),腐蝕速度和管壁溫度呈線性關(guān)系,管壁溫度在120 ℃左右時(shí)腐蝕速率達(dá)到頂峰,隨著管壁溫度降低,影響凝結(jié)酸量,腐蝕速率降低(圖2)??刂瓶疹A(yù)器冷端溫度高于酸露點(diǎn)可有效避免低溫腐蝕。
圖2 管壁溫度和腐蝕速度關(guān)系Fig.2 Relationship between wall temperature and corrosion rate
根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況,制定了空預(yù)器入口風(fēng)溫智能控制策略,將一二次風(fēng)道入口處的暖風(fēng)器出口風(fēng)溫作為自動(dòng)控制輸出對象,暖風(fēng)器出力調(diào)整門設(shè)置智能自動(dòng)控制模塊,該模塊主線控制以鍋爐排煙溫度作為輸出量,反向調(diào)節(jié)空預(yù)器入口風(fēng)溫,綜合考慮燃燒煤種、機(jī)組負(fù)荷、鍋爐出口SO2濃度、排煙含氧量、大氣環(huán)境溫度等因素,作為智能控制的修正因子,形成一個(gè)閉環(huán)控制單元,最終將空預(yù)器入口風(fēng)溫始終控制在25~45 ℃。
(1)
式中,ay、ak分別為煙氣側(cè)和空氣側(cè)放熱系數(shù),kW/(m2·℃)。
根據(jù)邱振波等[11]以及張建中等[12]對比分析,煙氣的酸露點(diǎn)tsld計(jì)算采用日本電力研究所公式,其中SO3轉(zhuǎn)化率取2.0%~5.5%:
tsld=20lgφ(SO3)+a。
(2)
其中,φ(SO3)為煙氣中SO3的體積分?jǐn)?shù);a為與煙氣水分有關(guān)的常數(shù),當(dāng)水分體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí),a=184;當(dāng)水分體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí),a=194;當(dāng)水分體積分?jǐn)?shù)為15%時(shí),a=201。
根據(jù)式(1)與式(2)可以求出空氣壁溫與煙氣的酸露點(diǎn),進(jìn)而指導(dǎo)調(diào)整空預(yù)器的入口風(fēng)溫,保證空預(yù)器的壁溫在酸露點(diǎn)以上運(yùn)行。
機(jī)組部分運(yùn)行參數(shù)見表3,可知一次風(fēng)入口風(fēng)溫經(jīng)由暖風(fēng)器加熱后冬季可維持在35~45 ℃,夏季維持在40~55 ℃,有效提高了空預(yù)器冷端溫度,有利于減緩低溫腐蝕。
表3 機(jī)組部分運(yùn)行參數(shù)Table 3 Some parameters of boiler
由式(2)可知煙氣中SO3含量也是影響低溫腐蝕的重要因素,其中SO2、O2和H2O的濃度升高、溫度和反應(yīng)停留時(shí)間增大均會(huì)影響SO3濃度[13],從而促進(jìn)硫酸蒸氣的生成,并且使酸露點(diǎn)溫度升高,根據(jù)賈明生等[14]的研究,溫度和過量空氣系數(shù)對SO3轉(zhuǎn)化率的影響如圖3所示;有研究表明,當(dāng)過量空氣系數(shù)降至1.05時(shí),煙氣中SO3生成量減少[15]。
圖3 溫度和過量空氣系數(shù)對SO3轉(zhuǎn)化率的影響Fig.3 Effect of temperature and excess air ratio on the conversion of SO3
為減少煙氣中SO3含量,采用低氧量燃燒策略通過降低煙氣中氧量來降低酸露點(diǎn),配合空預(yù)器入口風(fēng)溫控制可確保管壁溫度高于酸露點(diǎn),但當(dāng)氧量過低時(shí),會(huì)導(dǎo)致爐膛飛灰可燃物上升,鍋爐效率下降。根據(jù)曾培強(qiáng)等[16]對1 025 t/h鍋爐低氧燃燒試驗(yàn)研究,300 MW負(fù)荷時(shí)氧量應(yīng)該維持在2.7%~3.0%,270 MW負(fù)荷時(shí)氧量為4.0%~4.3%,240 MW負(fù)荷時(shí)氧量為5.2%~5.5%,并且鍋爐負(fù)荷每下降5 MW,氧量提高0.2%。
根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷,最終確定350 MW負(fù)荷時(shí)氧量為2.7%~3.0%,310 MW負(fù)荷時(shí)氧量為3.0%~3.2%,230 MW負(fù)荷時(shí)氧量為3.2%~3.5%,根據(jù)不同氧量制定不同過量空氣系數(shù)的運(yùn)行策略,機(jī)組運(yùn)行人員可據(jù)此調(diào)整,結(jié)合煤種燃燒特性和鍋爐實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)選擇合適的過量空氣系數(shù)。
該機(jī)組原脫硫系統(tǒng)采用在返料腿加入石灰石脫硫劑的給入方式,石灰石粉經(jīng)氣力輸送至返料腿負(fù)壓位置,與循環(huán)灰混合后進(jìn)入爐膛。該方法雖然會(huì)在返料腿內(nèi)對石灰石進(jìn)行預(yù)煅燒,且可在一定程度上提高脫硫效率,但也極易形成石灰石表面結(jié)團(tuán)包覆,污染石灰石原料,導(dǎo)致石灰石脫硫活性降低,脫硫效率變差,脫硫響應(yīng)速度慢等問題。同時(shí),鍋爐燃用煤種多樣,運(yùn)行負(fù)荷變化頻繁,直接導(dǎo)致爐內(nèi)原始生成SO2濃度變化幅度大,進(jìn)而腐蝕空氣預(yù)熱器。
基于以上運(yùn)行問題,采用微氧化高傳質(zhì)快速響應(yīng)爐內(nèi)脫硫技術(shù)[17],對爐內(nèi)脫硫系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。該技術(shù)是將石灰石噴入點(diǎn)設(shè)在上二次風(fēng)口中,其位于流化床鍋爐爐膛的收縮段位置,使石灰石可以直接噴入爐內(nèi)微氧化稀相區(qū)域。結(jié)合改造后的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)該技術(shù)有多方面優(yōu)勢:首先,所選噴入點(diǎn)位置為上二次風(fēng)口,減少了石灰石對床溫影響,同時(shí)其背壓小,石灰石粉穿透力強(qiáng),更易均勻分布在爐膛內(nèi)部,使脫硫劑均布、擴(kuò)散以及反應(yīng)快速完成;其次,石灰石噴槍所處平面與布風(fēng)板之間的垂直距離為床料料層厚度的3.5~7.0倍,可保護(hù)石灰石不被循環(huán)灰包裹污染;最后,石灰石從該位置噴入?yún)^(qū)域處于微氧化氣氛,燃料經(jīng)欠氧燃燒后,該區(qū)域SO2充分釋放,該穩(wěn)定氣氛更利于石灰石脫硫快速反應(yīng)。改造前后爐內(nèi)脫硫反應(yīng)響應(yīng)時(shí)間如圖4所示,可知改造前后的脫硫響應(yīng)速率時(shí)間由180 s提高至40 s,脫硫響應(yīng)速率顯著提升。綜上,該技術(shù)保證了石灰石在爐內(nèi)的較高脫硫效率,實(shí)現(xiàn)了鍋爐出口硫含量穩(wěn)定控制,降低空預(yù)器低溫腐蝕概率。
圖4 改造前后爐內(nèi)脫硫反應(yīng)響應(yīng)時(shí)間Fig.4 Response times of desulfurization reaction in furnace before and after modification
在優(yōu)選石灰石噴入點(diǎn)位置的同時(shí),對配套石灰石泵送系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造。一方面,通過試驗(yàn)確定石灰石收料倉排氣管的最佳傾斜角度,解決了排氣管頻繁堵塞的問題。另一方面,釋放壓縮空氣主路的自力式調(diào)壓閥調(diào)節(jié)彈簧,石灰石輸送用氣量增大,從而提高管道內(nèi)石灰石攜帶量,單套石灰石泵送系統(tǒng)的最大出力由25 t/h提高至40 t/h。這些綜合措施極大降低了SO2濃度大幅波動(dòng)的可能性,為減緩空預(yù)器腐蝕提供了有力保障。
煙氣中少量SO2會(huì)進(jìn)一步氧化成SO3[18]與逃逸氨反應(yīng)生成硫酸氫銨(ABS)與硫酸銨(AS)等物質(zhì)沉積在空預(yù)器中[19],根據(jù)實(shí)際運(yùn)行可知,ABS凝結(jié)在亞微米飛灰顆粒表面,可作為較大飛灰顆粒間的黏附劑,促進(jìn)飛灰顆粒間的團(tuán)聚[4],從而導(dǎo)致空預(yù)器堵塞[20]。對于煙氣脫硝裝置,應(yīng)嚴(yán)格控制噴氨量,防止過度噴氨引起氨逃逸量增加。在降低噴氨濃度的同時(shí)保證氨噴射系統(tǒng)的噴氨流量平衡,防止噴氨不均勻?qū)е戮植繃姲边^大造成氨逃逸濃度升高。
本機(jī)組SNCR脫硝系統(tǒng)在分離器入口處安裝尿素噴槍,共設(shè)置15支墻式噴射器,每個(gè)旋風(fēng)分離器5支,3支布置在入口煙道外側(cè),1支布置于入口煙道頂部,1支布置于出口煙道前墻方向。通過對分離器不同位置的脫硝噴槍進(jìn)行優(yōu)化測試,得到噴槍效率,根據(jù)效率測試結(jié)果,優(yōu)先使用入口煙道頂部效率最高的噴槍。
此外,在CFB鍋爐上二次風(fēng)管傾斜段也增設(shè)脫硝噴槍,切向噴入尿素溶液,在爐膛高溫區(qū)直接進(jìn)行脫硝反應(yīng),解決了CFB鍋爐啟動(dòng)階段、超低深度調(diào)峰時(shí)段分離器內(nèi)尿素反應(yīng)效率低、反應(yīng)溫度不夠、脫硝困難、氨逃逸高的問題。
通過鍋爐超低排放改造,調(diào)整脫硝系統(tǒng),使鍋爐每萬度電只消耗尿素2.39 kg,比設(shè)計(jì)值減少了9.01 kg,額定負(fù)荷每小時(shí)消耗尿素83.65 kg,比設(shè)計(jì)值每小時(shí)節(jié)約尿素0.31 t,且氨逃逸接近0,有效減少了硫酸氫氨對空預(yù)器的腐蝕和堵塞的風(fēng)險(xiǎn),延長了空預(yù)器的使用壽命。
鍋爐經(jīng)一段時(shí)間運(yùn)行,可在停爐檢修期間根據(jù)空預(yù)器磨損、腐蝕等問題進(jìn)行檢測分析,提前封堵問題嚴(yán)重的空預(yù)器管道,確保該部位空預(yù)器即使發(fā)生腐蝕泄漏也不會(huì)導(dǎo)致腐蝕范圍擴(kuò)大。河坡電廠對空預(yù)器部分管道進(jìn)行封堵后,經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行證明,由于空預(yù)器設(shè)計(jì)余度較大,對部分空預(yù)器管材提前預(yù)封堵后排煙溫度無明顯變化,但空預(yù)器腐蝕區(qū)域明顯降低。運(yùn)行6 a來,空預(yù)器運(yùn)行狀態(tài)良好,無大面積積灰、腐蝕現(xiàn)象。
1)采用空預(yù)器入口風(fēng)溫智能溫控策略,根據(jù)酸露點(diǎn)預(yù)測結(jié)果確定空預(yù)器管壁溫度,從而調(diào)整暖風(fēng)器出力,保證空預(yù)器的入口風(fēng)溫始終在酸露點(diǎn)以上,從而減小空預(yù)器末端低溫腐蝕。
2)采用低氧量燃燒技術(shù),通過文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)際運(yùn)行,最終確定了鍋爐在不同負(fù)荷下的氧量:350 MW負(fù)荷時(shí)氧量為2.7%~3.0%,310 MW負(fù)荷時(shí)氧量為3.0%~3.2%,230 MW負(fù)荷時(shí)氧量為3.2%~3.5%。
3)將石灰石噴入點(diǎn)設(shè)在上二次風(fēng)口中,使石灰石可直接噴入爐內(nèi)微氧化稀相區(qū)域,縮短了脫硫響應(yīng)速率時(shí)間,避免了煙氣中SO2含量大幅波動(dòng),大幅減小了空預(yù)器的低溫腐蝕幾率。
4)對SNCR系統(tǒng)的噴槍進(jìn)行優(yōu)化,確定噴槍效率的高低排序;并在二次風(fēng)管傾斜段增設(shè)脫硝噴槍,可提高全負(fù)荷平均脫硝效率,降低氨逃逸量,有效減少硫酸氫氨對空預(yù)器的腐蝕和堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。
5)提前封堵空預(yù)器問題嚴(yán)重管道,可有效降低空預(yù)器的腐蝕。