國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)能寶清煤電化公司 李子波

1 火電廠濕法脫硫技術(shù)節(jié)能改造

1.1 技術(shù)背景

目前，火電廠在脫硫改造中采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)（WFGD），某火電廠采用4臺(tái)300MW級(jí)燃煤機(jī)組，共配置4套濕法煙氣石灰石-石膏脫硫系統(tǒng)，從設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀來(lái)看，在脫硫系統(tǒng)中的脫硫增壓風(fēng)機(jī)，以及吸收塔循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備的耗電量較大，并且該火電廠為維持自身正常運(yùn)行，需要消耗大量成本，導(dǎo)致自身發(fā)電成本居高不下，嚴(yán)重影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 優(yōu)化煙氣換熱器的運(yùn)行方式

造成煙氣換熱器內(nèi)部積灰、結(jié)垢的原因是多方面的，例如除塵器中的煙氣含量偏高會(huì)導(dǎo)致傳熱元件上大量積灰，若不能及時(shí)處理則會(huì)導(dǎo)致裝置上的壓差快速上升，并導(dǎo)致風(fēng)機(jī)電流量增加，并增加裝置的電耗。除此之外，上述問(wèn)題也可能造成石灰石粉活性下降，并引發(fā)脫硫石膏脫水困難，影響脫硫效果。同時(shí)，壓縮空氣在線吹掃頻率不足或者高壓水在線沖洗功率偏低也會(huì)導(dǎo)致裝置內(nèi)部差壓增加，并導(dǎo)致能耗增加。

針對(duì)上述問(wèn)題該火電廠采取以下應(yīng)對(duì)措施：提升電除塵器的運(yùn)行可靠性，并堅(jiān)持在每個(gè)月停運(yùn)脫硫系統(tǒng)后沖洗裝置，通過(guò)低壓水沖洗等方法清除裝置上黏附的酸性沉積物，確保裝置可在水的外力作用下清除表面酸性物質(zhì)。之后改用高壓水槍沖洗，其目的是清除裝置上常規(guī)水沖洗無(wú)法清除的黏附物。最后，對(duì)裝置做壓縮空氣吹掃以及日常干燥即可[1]；合理運(yùn)用脫硫系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)期，采用人工高壓水沖洗的方法保持裝置清潔；在設(shè)備投入使用后應(yīng)提升壓縮空氣的吹掃頻率，根據(jù)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，每8h內(nèi)應(yīng)吹掃煙氣換熱器2次以上。

1.3 脫硫增加風(fēng)機(jī)的節(jié)能運(yùn)行

根據(jù)火電廠的實(shí)際情況來(lái)看，目前火電廠內(nèi)布設(shè)兩臺(tái)功率為2500kW的風(fēng)機(jī)，該裝置的最大轉(zhuǎn)速為580r/min，額定電流301A。在火電廠運(yùn)行期間，考慮到廠內(nèi)裝置無(wú)法保障長(zhǎng)期滿載的要求，因此須調(diào)整增壓風(fēng)機(jī)靜葉的方式調(diào)整轉(zhuǎn)速；而隨著風(fēng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷增大，則需要在現(xiàn)場(chǎng)不斷調(diào)整進(jìn)口的靜葉開(kāi)度，上述行為不僅會(huì)造成設(shè)備能耗增大，也有可能增加設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)，不容忽視。在系統(tǒng)改造中使用美國(guó)AB鞏固和內(nèi)飾提供的X7000型變頻器，該裝置由18只SCR組成的6kV整流器，以及6kV逆變器等裝置組成，改造后的系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 脫硫增壓風(fēng)機(jī)的變頻改造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.4 吸收塔循環(huán)泵的運(yùn)行改造方案

該火電廠每套脫硫系統(tǒng)均配置了3臺(tái)脫硫循環(huán)泵，該裝置運(yùn)行期間因?yàn)闇p速箱質(zhì)量存在缺陷，再加之裝置的運(yùn)行噪聲大，嚴(yán)重影響了脫硫系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。所以，為解決上述問(wèn)題，本次項(xiàng)目中制定的節(jié)能改造優(yōu)化方案為：取消傳統(tǒng)的吸收循環(huán)泵減速箱，將系統(tǒng)改為電機(jī)直連運(yùn)行模式。

1.5 改造效果評(píng)估

為綜合判斷上述濕法煙氣脫硫技術(shù)的可行性，本文將綜合對(duì)比節(jié)能改造效果，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，改造后的裝置平均脫硫效率提升4.0%左右，并且一臺(tái)吸收塔再循環(huán)泵停運(yùn)1h則可以節(jié)能用電400kWh，同時(shí)按照當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.5元/kWh的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算，則每月降低生產(chǎn)成本約為14.4萬(wàn)元。同時(shí)，經(jīng)過(guò)變頻調(diào)速控制改造后，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性明顯改善，并在一定程度上優(yōu)化了裝置的整體運(yùn)行狀態(tài)，與改進(jìn)前相比，本文所介紹的節(jié)能改造方案可減少電機(jī)啟動(dòng)等沖擊作用對(duì)電機(jī)的破壞，有助于增強(qiáng)機(jī)組穩(wěn)定性。

2 火電廠脫硝系統(tǒng)改造方案

2.1 機(jī)組概況

某火電機(jī)組采用Ⅱ型布置方案，屬于單爐膛、四角切圓燃燒方式。該火電機(jī)組在脫硝改造中選擇催化性還原煙氣脫硝工藝，每臺(tái)脫硝裝置的最大處理能力為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況時(shí)的100%煙氣量。并且為滿足節(jié)能環(huán)保生產(chǎn)要求，煙氣的脫硝效率應(yīng)大于等于85%。催化劑為蜂窩式，在處理現(xiàn)場(chǎng)采用了“2＋1”的布置方式。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，該機(jī)組的脫硝系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：根據(jù)脫硝系統(tǒng)的圖紙調(diào)閱結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槊撓跸到y(tǒng)中布設(shè)導(dǎo)流板，該裝置被布設(shè)在頂部煙道與底部彎道的轉(zhuǎn)折處，該問(wèn)題則會(huì)導(dǎo)致噴氨格柵處流場(chǎng)分布不均勻，影響處理效果；噴氨格柵與噴嘴裝置。由于原有裝置中主要沿著垂直方向布設(shè)多個(gè)噴嘴，但在實(shí)際應(yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)分支管上的不同噴嘴的噴氨數(shù)量不均勻。同時(shí)，由于噴嘴直徑較大，所以在運(yùn)行期間無(wú)法保障煙道截面的覆蓋效果，無(wú)法保證氨氣與煙氣之間均勻分布。

2.2 優(yōu)化脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)

根據(jù)改造前裝置煙氣流速分布情況可以發(fā)現(xiàn)，省煤器出口位置存在大的低速渦流區(qū)，造成水平方向的煙氣流速分布效果差，并且在入口煙道垂直段也可發(fā)現(xiàn)大范圍的低速區(qū)域。受到上述問(wèn)題影響，最終導(dǎo)致水平方向上的煙氣分布不均勻。

為解決上述問(wèn)題，在本次系統(tǒng)改造中分別在省煤器的出口位置，以及脫硫催化劑頂部煙道內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流元件，其目的是通過(guò)導(dǎo)流元件改善噴氨格柵入口煙氣流場(chǎng)分布的均勻性[2]。并且與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，經(jīng)過(guò)本次現(xiàn)場(chǎng)改造可清除催化劑區(qū)域中的低速流體區(qū)域，進(jìn)而消除催化劑入口位置產(chǎn)生的煙氣截面速度偏差。根據(jù)優(yōu)化后的氣體分布結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，入口煙道噴氨截面的煙氣流場(chǎng)的整體分布十分均勻，氣體流向結(jié)果呈現(xiàn)出與催化劑相垂直的特征。

2.3 完善氨-控?cái)_流器

為解決傳統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)弊端，在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用固定在管道內(nèi)的氨-控?cái)_流器調(diào)整氣體在管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，在氨-控?cái)_流器的作用下，可通過(guò)增加流體運(yùn)動(dòng)梯度的方法使其形成湍流，保證裝置內(nèi)氨氣與空氣的充分混合。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，在本次裝置改造中加裝氨-控?cái)_流器裝置后，管道內(nèi)的氨氣分布均勻性明顯提升，且氨氣分布相對(duì)偏差誤差值也下降至8%以下，該結(jié)果也顯示管道內(nèi)的空間分布情況更理想。

2.4 加裝氨-煙混態(tài)擾流發(fā)生器

在傳統(tǒng)工藝中，為滿足設(shè)備脫硝研究，須在噴氨格柵前方增設(shè)導(dǎo)流板來(lái)消除煙氣速度偏差。但在該結(jié)構(gòu)中，為保證滿意的脫硝效果，則需要保證噴氨格柵與催化劑之間的煙道距離足夠長(zhǎng)，這樣才能保證理想的煙氣擴(kuò)散與混合時(shí)間。但在實(shí)際上，現(xiàn)有裝置中的煙道距離短，因此可考慮在噴氨格柵后方增加氨-煙混態(tài)擾流發(fā)生器，用于改善反應(yīng)器內(nèi)的空間分布情況。分別比較加裝氨-煙混態(tài)擾流發(fā)生器前后裝置上方的煙道流場(chǎng)空間分布情況后可以發(fā)現(xiàn)，在裝置作用下可以顯著增加湍流強(qiáng)度，并且在裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化中通過(guò)調(diào)整擾流器的安裝位置，也可以用于控制煙氣與氨氣之間的混合效果。

2.5 噴氨格柵的改造方案

在優(yōu)化噴氨格柵結(jié)構(gòu)期間，需采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件（CFD）計(jì)算格柵噴嘴的角度與數(shù)量，其目的是保證噴嘴的噴氨量保持均勻，并通過(guò)防磨防堵處理方法，保證裝置噴氨效果均勻。因此，在本次裝置改造中，通過(guò)將煙道劃分為大小均勻的4個(gè)分區(qū)，通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)整每個(gè)分區(qū)的噴氨量變化情況，并且每個(gè)分區(qū)中均設(shè)置6個(gè)小分區(qū)，并且每個(gè)分區(qū)均由單獨(dú)的手動(dòng)控制閥控制。為實(shí)現(xiàn)深度調(diào)節(jié)噴氨量，在本次設(shè)計(jì)中鋪設(shè)超過(guò)20個(gè)截止閥，每個(gè)截止閥均可以用于調(diào)整噴氨量變化。

根據(jù)本次項(xiàng)目的評(píng)估結(jié)果顯示，在對(duì)噴氨格柵進(jìn)行系統(tǒng)改造后，改造后的格柵具有以下特征：裝置改造后有助于綜合控制管道的直徑與噴灌直徑，保證每個(gè)噴嘴的流速是相對(duì)一致的，解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下噴嘴流速不相同的問(wèn)題；在優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)后，有助于相關(guān)人員隨時(shí)控制噴嘴的噴射速度，尤其是可以通過(guò)調(diào)整噴射夾角的方法，提升氨氣與煙氣的混合效果，進(jìn)而避免出現(xiàn)噴口磨損積灰問(wèn)題。

2.6 改造效果評(píng)價(jià)

根據(jù)案例火電廠結(jié)構(gòu)改造的成功經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，該裝置可在660MW的工況下維持相對(duì)穩(wěn)定的機(jī)組負(fù)荷，尤其是噴氨量較為穩(wěn)定，提示上述改造方案具有合理性。

脫硝入口煙氣流速情況。根據(jù)裝置的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果可知，煙氣改造后的脫硝入口位置分布是相對(duì)均勻的，其中煙氣流速最低值為14.3m/s，最大值則高達(dá)20.1m/s；脫硝入口位置的煙氣溫度分布情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，脫硝入口位置的溫度場(chǎng)整體空間分布情況更加均勻，其中煙氣溫度的最低值約為360.3℃，而維度的最高值僅為367.2℃，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)煙氣溫度的平均溫度偏差值均為-3.52～4.36℃；脫硝入口位置的氮氧化物濃度分布情況可以發(fā)現(xiàn)，改造后脫硝入口位置的丹陽(yáng)化合物濃度分布均勻，其中入口位置質(zhì)量濃度的最低值為164.1mg/m3，最高值為176.8mg/m3，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氮氧化物質(zhì)量濃度目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差均滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

3 火電廠除塵器的節(jié)能改造

某火電廠的330MW機(jī)組采用FE型電袋復(fù)合式除塵器，其低壓柜使用PLC控制系統(tǒng)，該除塵器的設(shè)計(jì)煤種煙塵排放濃度≤50mg/m3，設(shè)計(jì)最高除塵率為99.91%，漏風(fēng)率為2.41%。該除塵變壓器容量為1000kVA，高壓側(cè)電壓值為6000V。該裝置自投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)后，其運(yùn)行質(zhì)量一直受外界負(fù)荷等因素影響，根據(jù)火電廠的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，早在2021年5月，為降低后級(jí)布袋運(yùn)行出力并延長(zhǎng)使用年限，該廠家調(diào)整除塵器運(yùn)行方式為電流極限100%，全波運(yùn)行方式0，結(jié)果顯示上述方法可以顯著提升電場(chǎng)除塵效率；并且在使用全波供電模式后，系統(tǒng)的耗電量顯著提升，未滿足節(jié)能運(yùn)行要求。

為解決傳統(tǒng)裝置運(yùn)行中存在的問(wèn)題，本次系統(tǒng)改造中采取間歇式供電方式，即調(diào)整裝置機(jī)組負(fù)荷165MW，除塵器噴吹時(shí)間間隔15s，噴吹壓力0.3MPa，將整流變壓器電流極限值上調(diào)至100%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)調(diào)整后整流變壓器停運(yùn)后整個(gè)電袋除塵器的壓差不會(huì)出現(xiàn)明顯變化。

在分別對(duì)比試驗(yàn)前后電袋除塵率的相關(guān)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)整流變壓器的極限值調(diào)整至100%后，裝置全天的耗電量約為13.2MWh；而在電流極限為100%狀態(tài)下停運(yùn)一臺(tái)整流變壓器時(shí)，可發(fā)現(xiàn)全天耗電流下降至10.65MWh（見(jiàn)表1）。結(jié)合當(dāng)?shù)仉妰r(jià)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)上述改造后每個(gè)月可以降低約3萬(wàn)元的運(yùn)行成本，具有可行性。

表1 設(shè)備運(yùn)行效果評(píng)估

根據(jù)案例火電廠項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)可知，在火電廠電袋除塵器節(jié)能降耗中采取間歇供電方法具有可行性，但在執(zhí)行階段還應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到該技術(shù)的局限性，做到“具體情況具體分析”。該技術(shù)的局限性主要體現(xiàn)在以下幾方面：采用間歇供電工藝后，其供電設(shè)備畢竟比不上脈沖寬度較窄的全波脈沖供電設(shè)備，因此經(jīng)改造后難以顯著提升整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行功效，這是需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題；若電除塵器在電阻太小的情況下嚴(yán)禁運(yùn)行，避免過(guò)度影響裝置的運(yùn)行功效；在電廠電流值偏大以及負(fù)載值異常的情況下，采用間歇供電無(wú)法取得滿意效果，這是因?yàn)殚g歇供電控制過(guò)程可能會(huì)受到電阻以及電源容量等因素的影響[3]。

在火電廠運(yùn)行階段，運(yùn)用節(jié)能環(huán)保技術(shù)可取得滿意效果，已經(jīng)成為企業(yè)節(jié)能增效的關(guān)鍵，具有廣闊的發(fā)展前景。根據(jù)本文的研究結(jié)果可知，在火電廠運(yùn)行階段，無(wú)論是火電廠濕法脫硫技術(shù)節(jié)能改造還是除塵器節(jié)能改造、脫硝系統(tǒng)改造等均有可行性，根據(jù)案例火電廠項(xiàng)目的改造經(jīng)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，在采取上述節(jié)能環(huán)保改造方案后，整個(gè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益顯著提升，上述技術(shù)均達(dá)到了降低設(shè)備運(yùn)行能耗、提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的，具有可行性。