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引风机和增压风机合并引发问题的探讨

2013-09-12 14:19:31
    引风机和增压风机合并引发问题的探讨关键词:引风机,增压风机,脱硫,烟道,合并风机  摘要:本文结合唐山陡河电厂脱硝、电-袋复合除尘器等改造工程,将引风机和增压风机合并为一台引风机承担改造后系统所需的总阻力,改善了风机性能、节省了能耗;同时也引发了一些技术问题,进行了探讨,可供借鉴。

  1 前言

  为了改善大气环境质量,国家环境保护部于2011年7月29日颁布新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)进一步提高了火电厂烟气SO2、NOx及粉尘的排放标准。规定到2015年1月1日所有火电机组都将执行新版排放标准,在重点地区(京津冀、环渤海湾、长三角、珠三角)规定NOX的排放浓度为100mg/Nm3。陡河电厂地属京津冀地区,为满足国家环保标准,势必对所配锅炉进行脱硝、除尘改造工程。

  唐山陡电#3机组,原引风机及增压风机分别设置,采用2台离心式引风机和一台动叶可调轴流风机作为脱硫增压风机。改造前,#3机组在夏季大负荷运行期间,引风机入口挡板需全开,增压风机动叶开度最大为89%,也已接近风机的最大出力,且效率已经下降。本次环保改造工程需完成脱硝及电-袋除尘器改造,增加了选择性催化还原法(SCR)脱硝系统;将电除尘器改造为电-袋复合除尘器以降低NOX和烟尘排放浓度,并在引风机后部烟道增加烟气余热利用省煤器,节约能源。环保工程改造后引风机前后烟道系统阻力均会增加,原引风机及增压风机已经不能满足改造后锅炉运行的需要,需要进行改造。

  原机组引风机及增压风机分别设置,在增压风机故障或脱硫系统发生解列时,开启脱硫系统旁路挡板门可避免造成主机停运,但根据新的环保要求,原来脱硫系统停运后主机继续运行的情况已经不允许。电厂将利用机组大修时机,取消脱硫系统旁路挡板门。原引风机及增压风机串联分设的模式,需要同时调节,以便和锅炉运行工况匹配,并且还要做到引风机及增压风机的协调,系统调节复杂。如果将引风机及增压风机合二为一,调节对象单一,烟气系统响应负荷变化迅速、准确。运行费用及系统可靠性均较设置增压风机为优。从现场设备整体布置而言,不设置增压风机,烟气直接由引风机引入吸收塔,烟道占地减小,增加了原脱硫系统的检修空间。

  2 合二为一模式的风机选型

  动叶可调轴流式风机与相同流量的离心式风机相比具有结构紧凑、外形小,重量轻的特点,且变工况经济性能好,目前我国300MW及以上火电机组普遍采用轴流式风机作为锅炉送引风机,本次环保改造工程的250MW机组烟气流量仅比300MW机组少15%左右,同时考虑到动叶可调风机调节范围及经济性的特点,故本工程宜采用动叶可调式轴流式风机。

  3合二为一引风机对锅炉瞬态防爆设计压力的影响

  #3机组原引风机和增压风机分别设置,增压风机与引风机串联连接。原脱硫系统的旁路烟道风门与送风机、引风机联锁保护,可以不考虑引风机和增压风机串联风压叠加的作用对炉膛原设计瞬态压力的影响。

  #3机组为日立成套进口的250MW亚临界再热式汽轮发电机组,锅炉为B&W 单汽包、亚临界参数、自然循环汽包炉,炉膛的设计压力承压能力大于±5.8kPa,炉膛最大瞬时承受压力按绝对值不低于±8.7kPa。引风机和增压风机合二为一后的引风机,为适应机组完成脱硝等改造后锅炉尾部烟气系统阻力增加情况, 其TB 点的风压大大增加,是否对锅炉的安全性产生影响,故应对锅炉炉膛设计瞬态负压进行研究。

  通常情况下,锅炉炉膛出现负压增加由以下两种原因导致: ( 1) 锅炉总燃料跳闸(MFT)导致烟气温度和压力急剧降低,造成炉膛的绝对压力下降。( 2) 在冷态或锅炉运行情况下,送风机,一次风机挡板门关闭。由于烟气系统存在设备阻力和延程阻力,从炉膛到引风机入口,负压的分布是沿炉膛―省煤器--SCR―空气预热器―除尘器―引风机方向递增,即炉膛的负压最小,引风机入口段负压最大。就系统阻力特性而言,当介质流量越大时,炉膛承受的压力相对于引风机入口的吸力衰减越多,流量较小时炉膛承受的压力与引风机入口吸力越接近。因此只有当引风机流量接近于零流量时,烟气系统的阻力接近于零,引风机对炉膛的抽吸作用达到最大。从下图两类风机的特性曲线对比可以看出,轴流风机即使在风机叶片开度较大而烟气通道出现问题时,其失速曲线决定了小流量时压头降低{风机零流量下的压头要远低于风机选型点(T. B点)的风压,通常为0. 5~0. 6倍T. B点风压},这时炉膛瞬态负压也远小于引风机TB点风压,而离心风机则会在小流量下风压较高。另外,轴流风机TB点的压力对应的风机流量很大,因此纵然风机能够达到TB点风压,于烟气系统存在压降,炉膛所承受的负压绝对值也大大低于设计压力。可见,采用轴流风机能大大降低炉膛内爆的风险。而且,动叶可调的轴流风机由于动叶调节反应速度比静叶可调的轴流风机静叶调节速度快,动调风机防止炉膛内爆的性能优于静调风机。依此观点,锅炉炉膛防爆规范将炉膛瞬态防爆负压与引风机在环境温度下选型点( T. B点)压力的负值联系起来,主要是对于离心风机而言的。所以选用动叶可调式轴流风机能很好的规避高风压引风机对锅炉炉膛瞬态防爆能力产生的安全隐患。

带入口导流器的离心式风机与动叶可调轴流式风机的性能曲线对比


  本次引风机和增压风机合二为一后的改造,虽然预计的风机风压超过炉膛最大瞬态承压能力,是否需要相应增加炉膛设计瞬态负压呢? 实际上并不需要。我国引进300MW、600MW锅炉技术时,确定炉膛设计瞬态承压能力主要依据美国国家防火协会NFPA 85标准。根据NFPA85对炉膛设计瞬态负压的规定,炉膛设计瞬态负压至少是- 8. 7 kPa,但不一定要求超过此值。在该标准的解释性附录中举例说,如果引风机在环境温度下T. B点压力9. 9 kPa,炉膛设计瞬态负压至少是- 8. 7 kPa;即不一定取- 9. 9 kPa。根据NFPA85的规定,当引风机在环境温度下T. B点压头或零流量点压头超过-8. 7kPa时,可采取以下两种方法。(1) 核算炉膛设计压力使之不低于引风机在环境温度下的最大压头的负值,这是依靠锅炉结构设计来满足防爆要求; ( 2) 炉膛设计瞬态负压取- 8. 7 kPa,同时按NFPA85“炉膛压力控制系统”章节中6. 5. 2 款规定设计炉膛压力控制系统。本次改造后新引风机在环境温度下的T.B点能力高于-8.7kPa,故采取设置炉膛压力报警、停炉、解列风机三段保护,具体措施如下:

  a.炉膛压力>150Pa或<-400Pa时报警。

  b.炉膛压力<-1715 Pa,MFT动作。

  c.炉膛压力小于-2000Pa,单台吸风机跳闸。

  d. 炉膛压力小于-2500Pa,两台吸风机跳闸

  e.单台送风机跳闸,跳同侧吸风机(两台吸风机同时运行时)。

  f.单台吸风机跳闸,其出、入口挡板,动叶全关。

  g.两台吸风机跳闸,其出、入口挡板,动叶全开。

  充分考虑锅炉炉膛压力保护措施。这是依靠控制系统的设计来满足防爆要求。所以不必通过炉膛加固来提高炉膛设计瞬态防爆压力。

  4 合二为一引风机设计参数的确定

  新引风机风压的取值要充分考虑锅炉、电-袋复合除除尘、烟道、烟气余热利用省煤器及脱硫部分的阻力,并适当留有风机风压裕量。

  4.1 新风机全压

  4.1.1计算引风机风压时系统阻力放大20%

  脱硝系统改造主要是将原省煤器出口至空预器入口的烟道部分拆除,将省煤器出口烟道与脱硝反应器入口烟道连接,脱硝反应器出口烟道再接入空气预热器入口。本次改造将省煤器出口至空预器入口这段系统进行了CFD数值模拟,并制作了冷态物理模型,将模型各截面压力测试数据折算到实际工况后,省煤器出口至反应器入口处的压降为744Pa(两层催化剂阻力为400Pa),备用催化剂层安装后整个系统的阻力为944Pa,计算引风机风压时系统阻力适当放大20%左右,按照1200Pa计算。

  4.1.2脱硝系统改造后空预器按阻力增加。

  锅炉增加SCR脱硝系统后,反应器内的催化还原反应残余的NH3和烟气中SO3和H2O形成硫酸氢铵,在温度150~230℃范围内对空气预热器低温段形成强烈腐蚀,SCR催化物也将部分SO2转化为易溶于水形成硫酸滴的SO3,加剧冷端腐蚀和堵塞,引起空气预热器阻力增加。根据《火力发电厂设计技术规程》计算引风机的基本风压时,空预器按清洁受热面状态下选取阻力(原烟气侧阻力为2000Pa),结合系统运行情况,脱硝系统改造后空预器按阻力增加400Pa考虑。

  4.1.3 电除尘改为电-袋除尘器阻力增加

  电除尘进行,将原有五个电场改为一个电场单元和4个袋区单元,整个除尘器的阻力相应增加,但袋区通过合理设定滤袋喷吹频率及喷吹压力定值,电-袋除尘器入口到出口的系统阻力可小于1000Pa,计算系统阻力适当放大20%,按照1200 Pa计算。原电除尘系统阻力不超过300Pa,这样新引风机需增加的压头为900 Pa。


  4.1.4.烟道优化布置

  为尽量少烟气系统阻力,提高系统运行的经济性。结合风机改造工程对部分烟道进行了优化布置。

  4.1.4.1电除尘尾部出口烟道优化

  按照电-电袋改造的通常设计,改造后原除尘器烟道位置不变,烟气在电除尘顶部烟道内转向多,烟道阻力较大。电除尘尾部烟道优化后可减少两个90度弯头。除尘器尾部烟道优化布置如下图,

  4.1.4.2引风机出口烟道优化布置

  原甲乙引风机出口烟道分别通过一个45度弯头爬升后与汇合烟道连接,此布置方式使引风机与汇合烟道有4m左右的距离,同时烟道下部空间可作为检修通道。由于新引风机为轴流风机,长度超过原离心风机,按照原风机布置方式,风机前后均不会预留检修通道。结合本次引风机的改造,将风机向汇合烟道靠近,两台引风机汇合烟道标高下降,去掉了引风机出口弯头,使引风机出口直接与汇合烟道连接,虽然此方式占用了原弯头下部检修通道,但风机与电除尘间距离增加,可作为消防通道使用。

  4.1.4.3通过烟道系统改造,

  可使烟气系统共减少了3个烟道弯头及部分烟道,估计系统阻力减少420Pa,烟气系统阻力下降,有助于风机节能。

  3.1.5余热利用省煤器阻力

  烟气余热利用省煤器安装在引风机下游,换热后烟气温度下降较多,受热面堵灰明显,故该省煤器的阻力按照受热面部分沾污的工况下选取(一般为清洁受热面阻力的1.5倍),计算引风机风压时,系统阻力按550 Pa考虑。

  3.1.6烟气系统增加的阻力值如下:

    名称
  改造后计入引风机压头阻力值

  脱硝系统
  1200 Pa

  空气预热器
  400 Pa

  电-袋除尘器
  900 Pa

  引风机入口风道
  -350 Pa

  烟气余热利用省煤器
  550Pa(极限情况)


  4.1.7新引风机全压

  锅炉原引风机在TB点工况下,单台最大流量为281.4 m3/s,引风机入口温度为140℃。风机全压为4298Pa。电动机功率为1025 kW。后设置的一台增压风机,风机TB点工况下流量为567.5 m3/s,风机全压为3120Pa,电动机功率为2240KW。原引风机和增压风机全压均为TB点工况时的数值,已经考虑了风压裕量,故计算新引风机风压时原风机的数值不再增加裕量。

  新引风机全压=1200+400+900+550+4298+3120-350=10118 Pa

  5 新引风机流量

  原引风机风量设计值为281.4 m3/s,电厂委托华北电科院对原引风机进行性能检测,风机最大风量为272.6 m3/s,采用SCR后,由于脱硝剂的喷入量相对烟气量极微,故新引风机与原引风机设计流量取相同数值。

  6 结论

  引风机及增压风机合二为一后,在机组运行过程中只需针对锅炉工况对引风机进行调节,烟气系统响应负荷变化较引风机及增压风机分设方案迅速、准确,运行可靠。采用引风机及增压风机合二为一技术,节能降耗,而且运行维护费用低,而原引风机及增压风机分别设置,需要同时调节才能和锅炉运行工况匹配,并且还要做到引风机及增压风机的协调,系统调节复杂。另外,引风机及增压风机合并后占地面积较少,增加了原脱硫系统的维修空间。

  但引风机及增压风机合并改造主要针对的是老机组,系统相对复杂,要充分分析原系统阻力及改造后的情况,结合实际情况确定风机型式及参数。新风机的全压往往较大,其对锅炉炉膛及尾部烟道安全的影响也要作为设计条件考虑充分,避免造成锅炉系统安全隐患。――(董连城 唐山陡河发电厂 唐山063028)
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