蘇旺龍

福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建龍巖，364000

0 引言

火力發(fā)電機(jī)是多數(shù)電力企業(yè)都會(huì)使用的一種大型生產(chǎn)設(shè)備，現(xiàn)在社會(huì)的環(huán)保意識(shí)在日益提高，從《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB13233-2011的頒布狀況來看，對(duì)火力發(fā)電廠現(xiàn)役機(jī)組進(jìn)行“節(jié)能改造”將會(huì)成為未來業(yè)內(nèi)常態(tài)，唯有通過MGGH系統(tǒng)超低排放技術(shù)改造來實(shí)現(xiàn)增容降耗，才能夠促進(jìn)火力發(fā)電事業(yè)長期穩(wěn)定發(fā)展。

1 電力機(jī)組MGGH系統(tǒng)改造項(xiàng)目概述

華潤電力企業(yè)是成立于2001年的能源項(xiàng)目企業(yè)，其名下華潤電力（海豐）有限公司于2015年投產(chǎn)運(yùn)行了兩臺(tái)1050MV的火力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)。其中熱工鍋爐設(shè)備型號(hào)為哈爾濱鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的HG-3100/28.25-YM4型超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐。整個(gè)電力生產(chǎn)系統(tǒng)依靠單爐膛一次中間再熱裝置的反應(yīng)物作為熱媒，在低NOX主燃燒器內(nèi)產(chǎn)生熱能。為了控制燃燒生成的灰分物質(zhì)，燃燒工藝主要采用反向雙切圓燃燒技術(shù)和高位燃盡風(fēng)分級(jí)燃燒技術(shù)。在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，主要由一臺(tái)ZGM123G-II型中速磨煤機(jī)以正壓直吹的方式供粉。為了最小化熱媒燃料消耗，提高熱工鍋爐的熱交換性能，在鍋爐風(fēng)煙管道系統(tǒng)中安裝有34.5-VI（T）-2550-QMR容克式三分倉空預(yù)器，負(fù)責(zé)將通入裝置內(nèi)部的煙氣預(yù)熱至一定生產(chǎn)溫度。熱能轉(zhuǎn)化為電能則主要依靠型號(hào)為N1050-27/600/600（TC4F）的汽輪機(jī)，該汽輪機(jī)組的特點(diǎn)在于采用了西門子公司“補(bǔ)氣調(diào)節(jié)閥”技術(shù)專利，在新蒸汽經(jīng)過管道通往高壓主汽門后，會(huì)經(jīng)兩根上下分布的補(bǔ)汽管道重新流入汽輪機(jī)組的第五級(jí)動(dòng)葉發(fā)揮殘余熱能。

2018年華潤電力（海豐）有限公司經(jīng)過生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)調(diào)查后，統(tǒng)計(jì)出如下結(jié)果：兩臺(tái)1050MV的火力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的年發(fā)電量總和分別為571348.57萬kW·h、550204.97kW·h，燃料煤單耗分別為275.72g/kW·h、275.94g/kW·h，綜合廠同年用電率約為5.12%[1]。將上述生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)水平與業(yè)內(nèi)1000MV超超臨界機(jī)組進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，華潤電力（海豐）有限公司投用的火力發(fā)電機(jī)組在生產(chǎn)節(jié)能降耗方面僅處于中上游水平，兩個(gè)機(jī)組均存在不同程度的可優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。因此公司決定通過市場招投標(biāo)，將電力機(jī)組MGGH系統(tǒng)改造工程發(fā)包給當(dāng)?shù)啬抄h(huán)保股份有限公司，對(duì)原有電力生產(chǎn)單元進(jìn)行超低排放技術(shù)改造。

2 電力機(jī)組MGGH系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)思路

2.1 改造目標(biāo)分析

分析該電力公司機(jī)組的運(yùn)行狀況，主要的能耗問題在于熱工鍋爐裝置產(chǎn)生的高壓蒸汽余熱利用不徹底，因此首先計(jì)劃對(duì)1號(hào)、2號(hào)電力機(jī)組的煙羽消白擬裝置進(jìn)行拆換改造[2]。但從電力機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)來看，在零號(hào)加高、增設(shè)暖風(fēng)器改造后，熱工鍋爐裝置的風(fēng)煙管道運(yùn)行溫度將會(huì)提升至165.5℃水平，這種溫度幅度變化與原有低溫省煤器的運(yùn)行工況需求相沖突，因此施工作業(yè)還需要將原有的低溫省煤器模塊拆除，更換性能更高一級(jí)的低溫省煤器，預(yù)計(jì)技改后鍋爐風(fēng)煙管道的排煙溫度將會(huì)被控制在110℃，這樣在電力機(jī)組改用低卡印尼煤作為熱能燃料時(shí)，可最大程度發(fā)揮增量降耗的改造功效。

2.2 煙氣冷卻器改造要點(diǎn)

組成MGGH系統(tǒng)則需要在脫硫塔前加裝一個(gè)煙氣冷卻器，當(dāng)濕除煙氣溫度被降低至80℃時(shí)，使其通過再熱器回升至電力生產(chǎn)的溫度水平。然而這個(gè)過程需要持續(xù)為再熱器提供穩(wěn)定熱源，因此考慮到能耗利用的問題，最終選擇將蒸汽加熱器作為輔助手段，將整個(gè)MGGH系統(tǒng)改造過程中增加的運(yùn)行阻力控制在1025Pa以下水平。但從現(xiàn)場安裝條件來看，整個(gè)生產(chǎn)工藝單元中可為煙氣冷卻器預(yù)留安裝空間的部位僅有脫硫塔的進(jìn)煙口，而與進(jìn)煙口相連的管道不僅架設(shè)長度較大，且管線回彎以及變徑部位過多，因此還需要連同排煙管道工程一起進(jìn)行改造重裝，以確保煙氣冷卻器與再熱器改造后可正常運(yùn)行。

這樣其中煙氣冷卻器的主要運(yùn)行功能是負(fù)責(zé)將排煙溫度由120℃降低至80℃，以此作為再熱器的運(yùn)行熱源供給。若排煙口的運(yùn)行溫度可以穩(wěn)定在80℃，在極端低溫天氣環(huán)境下可能會(huì)導(dǎo)致再熱器無法正常加載，使排煙出口產(chǎn)生難以消除的白煙，因此需要在煙氣冷卻器的上游管道區(qū)段加裝一個(gè)蒸汽加熱器作為輔助熱源，這樣即使再熱器因異常工況退出加載，也可以由蒸汽加熱器替代再熱器繼續(xù)提供能源[3]。如圖1所示，本次改造將煙氣冷卻器的安裝位置設(shè)在除塵器的后部，以避免煙氣冷卻器在運(yùn)行過程中出現(xiàn)煙氣灰分成分淤堵而發(fā)生故障。但火力電機(jī)在低溫條件下運(yùn)行，管道煙氣容易在受熱面凝結(jié)出粘性灰塊，可能會(huì)導(dǎo)致煙氣冷卻器因腐蝕出現(xiàn)不良損耗，因此還需要在煙氣冷卻器的前端加裝一個(gè)可沖洗式吹灰裝置，這樣就可以確保機(jī)組換熱模塊不會(huì)出現(xiàn)煙氣淤阻不暢的問題了。同時(shí)在安裝煙氣冷卻器時(shí)，還需要考慮到脫硫塔漿液的擴(kuò)散反流問題，具體做法是將煙氣冷卻器與脫硫塔的進(jìn)煙口分離至少3m的距離，并在煙氣冷卻器的末端安裝一個(gè)擋流板，以阻擋從進(jìn)煙口擴(kuò)散的噴淋漿液。

圖1 煙氣冷卻器安裝結(jié)構(gòu)圖

2.3 煙氣再熱器改造要點(diǎn)

煙氣再熱器的主要功能是將濕除處理過的低溫?zé)煔饧訜嶂烈欢囟?，以消除出煙口的白色煙羽，電力機(jī)組管道前端的煙氣冷卻器將煙氣余熱吸收后，會(huì)經(jīng)過工藝管道的工質(zhì)水傳導(dǎo)給再熱器作為主要熱源。經(jīng)過MGGH系統(tǒng)超低排放技改后，由于管道煙氣溫度由53℃提升至80℃，在這個(gè)過程中溫度波動(dòng)幅度更大，所以改造后的煙氣再熱器必須要具備一定的溫度適應(yīng)性調(diào)節(jié)功能，以克服來自工藝管道的運(yùn)行阻力[4]。該設(shè)計(jì)目的主要通過一個(gè)可靈活調(diào)節(jié)的變頻泵實(shí)現(xiàn)，若管道煙氣溫度不滿足生產(chǎn)參數(shù)時(shí)，變頻泵會(huì)自動(dòng)上調(diào)轉(zhuǎn)速，依靠加大熱氣抽取力度來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充熱源、提高煙溫的功能。而除了煙氣管道部位以外，在中溫中壓鍋爐與汽輪高壓缸之間也設(shè)有一個(gè)再熱器來收集蒸汽余熱。通過這樣的MGGH系統(tǒng)改造，既能夠增加蒸汽的熱焓，使整個(gè)電力機(jī)組的熱值做功能力得到大幅度提升，同時(shí)還可以提高管道排放口的煙溫抬升水平，降低生產(chǎn)單元煙氣污染物的落地濃度。

如圖2所示，本次超低排放技改設(shè)計(jì)將煙氣再熱器的安裝位置設(shè)在濕式除塵器的后段，在裝置安裝時(shí)主要發(fā)現(xiàn)了如下兩個(gè)方面問題：①濕式除塵器尾部管道部位不滿足安裝再熱器的空間條件，實(shí)際施工時(shí)的解決辦法是將濕除器后面的管段全部拆除后，更換大管徑管道來容納再熱器，同時(shí)對(duì)水平管段的安裝節(jié)點(diǎn)部位進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，減少回彎點(diǎn)以及回彎角度，避免煙氣殘余灰分物質(zhì)凝結(jié)淤堵管線。②原有濕式除塵器的運(yùn)行性能不滿足排出煙氣的環(huán)保參數(shù)指標(biāo)，在實(shí)際安裝時(shí)改用運(yùn)行功率更高的板式電除塵器來控制排出煙氣的污染物含量。

圖2 煙氣再熱器安裝布置位置圖

2.4 蒸汽輔助加熱器改造要點(diǎn)

在再熱器與冷卻器之間還需要建立一個(gè)機(jī)組冷卻水循環(huán)泵系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)MGGH系統(tǒng)的熱交換功能。其中每個(gè)電機(jī)機(jī)組各需要安裝兩臺(tái)流量為600t/h、揚(yáng)程為50M的變頻泵機(jī)，依靠與工質(zhì)水單元連接的溫度傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)運(yùn)行功率。但由冷卻器與再熱器串聯(lián)而成的MGGH系統(tǒng)在吸收煙氣預(yù)熱時(shí)，總要出現(xiàn)系統(tǒng)能量損耗，且吸收效率會(huì)受到外部溫度環(huán)境的影響，因此考慮到電力機(jī)組在冬季低溫環(huán)境的運(yùn)行需求，將再熱器的安裝位置盡可能地靠近輔助蒸汽加熱器，將蒸汽加熱器的連接出口與再熱器的母管管口相連，使蒸汽加熱器可以視再熱器的運(yùn)行工況調(diào)整投運(yùn)參數(shù)[5]。當(dāng)再熱器可以滿足煙氣過熱度的提升需求時(shí)，蒸汽加熱器會(huì)處于待機(jī)狀態(tài)；而低溫環(huán)境或再熱器故障狀態(tài)下，蒸汽加熱器可以從輔助蒸汽管道中抽取熱量，按照至少提升10℃循環(huán)水溫的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為加熱器補(bǔ)足運(yùn)行熱量。

2.5 煙道流場優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本次超低排放技改項(xiàng)目涉及的裝置單元主要包括脫硝、脫硫與除塵三個(gè)分區(qū)，對(duì)該電力機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，上述三個(gè)分區(qū)的煙氣管道均存在不同程度的流場阻力問題，是產(chǎn)生電力機(jī)組電耗的主要根源因素之一。當(dāng)煙氣在介質(zhì)管道內(nèi)流通時(shí)，由于回彎點(diǎn)、管徑以及管道布設(shè)方向不夠合理，會(huì)產(chǎn)生煙氣漩渦與內(nèi)摩擦現(xiàn)象，將會(huì)嚴(yán)重影響電力機(jī)組MGGH系統(tǒng)的運(yùn)行效率。為解決煙氣管道運(yùn)行阻力過大的問題，在超低排放技改中主要采用了以下技術(shù)措施。

（1）優(yōu)化管道材料的選型設(shè)計(jì)，當(dāng)前在火力發(fā)電領(lǐng)域共有三種管材可供作為排煙管道使用。①該電力企業(yè)原先使用的合金鋼管，這種管材具有導(dǎo)熱效率高、耐溫耐壓性能優(yōu)異的特點(diǎn)。但這種管材缺點(diǎn)十分顯著，剛性材料由于不具備安裝靈活性，導(dǎo)致特殊部位的管道回彎折點(diǎn)容易產(chǎn)生較大阻力源。②包覆蓋塑料管材，它的特點(diǎn)是價(jià)格成本低廉且煙道布線方案較為靈活。但這種管材的熱穩(wěn)定性能不強(qiáng)，由于超低排放技改后管道出煙口煙溫提高幅度較大，容易使管材在長久使用過程中出現(xiàn)老化損傷。因此本次超低排放技改使用了第三種聚四氟乙烯（PTEE）管材，相比于前兩種管材來說，它能保證較好的安裝靈活性的同時(shí)，在耐腐蝕以及熱穩(wěn)定性能上表現(xiàn)都較為優(yōu)異，同時(shí)較為光滑的內(nèi)壁面也可以減少煙氣與管道之間的摩擦阻力。

（2）優(yōu)化管道流場，主要是在改造設(shè)計(jì)中應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)以及NNW-FlowStar3D流場仿真模型，對(duì)整個(gè)煙道流場進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，例如減少管段連接件、在回彎部位采用圓滑過渡處理以及減小彎折角度等。經(jīng)過軟件測算，在流場優(yōu)化設(shè)計(jì)后法蘭處氣流分布均勻性系數(shù)不高于0.2，煙氣管道的運(yùn)行阻力可減小約170Pa，相當(dāng)于減少60kW引風(fēng)機(jī)電機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷。管道改造后的試車運(yùn)行結(jié)果表明，電廠用電率縮減0.2%，電力生產(chǎn)的燃料煤單耗可降低0.09g/kW·h。

2.6 防腐措施

改造后的MHHG系統(tǒng)主要由煙氣冷卻器、煙氣再熱器、工質(zhì)水管路、冷卻循環(huán)水泵機(jī)組、膨脹罐、除塵裝置組成，其中煙氣冷卻器、再熱器以及管道裝置等均與脫硫塔進(jìn)煙口處于一個(gè)管道系統(tǒng)中。而脫硫塔在運(yùn)行過程中又會(huì)生成大量含有清洗漿液的霧化水汽，在MGGH高運(yùn)行負(fù)荷條件下尾氣可能會(huì)在水蒸氣攜帶作用下從脫硫塔出煙口部位回流至管道，進(jìn)而對(duì)工藝設(shè)備造成一定腐蝕損耗。因此出于MHHG系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行的目的，必須要在技改設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)低積灰、低磨損、低銹蝕的性能要求。

其中煙氣冷卻器模塊運(yùn)行溫度在80～135℃之間，可確保所有管束均處于低腐蝕速率區(qū)的溫度水平，最大腐蝕速率不會(huì)超過0.11mm/年，因此出于經(jīng)濟(jì)適用性考慮，換熱管可選用316L不銹鋼合金管材質(zhì)制造，該材料的腐蝕速率為0.08mm/年，能夠較好地滿足電力企業(yè)管道維護(hù)的周期需求。而在極端條件下煙氣再熱器模塊的運(yùn)行溫度，低溫管道可能會(huì)降低至44.5℃甚至更低，出煙口煙氣為80℃恒定，部分管束管段運(yùn)行溫度可能會(huì)處于煙氣酸露點(diǎn)以下。因此再熱器的中溫管道選擇與煙氣冷卻器模塊相同的316L不銹鋼材質(zhì)制造，而低溫管段則改用耐腐蝕、耐磨損性能更高的φ38×5翅片管質(zhì)，將所有管束的腐蝕速率控制在0.10mm/年以下水平。

除此以外，所有的裝置與工藝管道在安裝前還需要進(jìn)行防腐涂裝處理，以管道材料為例進(jìn)行說明：首先將管段拆解為最小節(jié)，用小號(hào)砂輪進(jìn)行表面除銹處理后，在上面涂刷一層厚度不小于100μm的環(huán)氧富鋅底漆鋅粉底漆，等到底漆干透后繼續(xù)涂刷厚度80μm以上的環(huán)氧樹脂云母氧化鐵作為中間漆，最后再涂刷80μm的氟碳面漆作為涂裝干膜，使管道可以較好地滿足MHHG系統(tǒng)運(yùn)行的防煙霧腐蝕要求。

3 MGGH系統(tǒng)改造后的運(yùn)行分析

本次超低排放技改項(xiàng)目于2020年9月正式完工，在脫硫系統(tǒng)相似運(yùn)行工況條件下完成為期1周的試車運(yùn)行，其中1號(hào)電力機(jī)組改造前脫硫效率為97.73%，2號(hào)電力機(jī)組改造前的脫硫效率為97.80%，改造后兩個(gè)電力機(jī)組脫硫效率分別提升至99.33%與99.39%。1號(hào)電力機(jī)組改造前煙氣冷卻器工作阻力為478Pa，煙氣再熱器阻力為517Pa，改造后分別降至402Pa與443Pa；2號(hào)電力機(jī)組改造前煙冷器阻力為479Pa，再熱器阻力為522Pa，改造后分別降至392Pa與423Pa。因此可知，MGGH系統(tǒng)改造投用后不僅提高了脫硫裝置的除凈效率，且還能將系統(tǒng)運(yùn)行阻力控制在1000Pa以下，大幅度降低了電力機(jī)組的生產(chǎn)能耗。在正常工況下，無需加載蒸汽輔助熱源就可確保出煙口煙氣溫度不低于80℃，可有效解決大量水汽排放產(chǎn)生的白色煙羽問題。

4 結(jié)論

綜上所述，對(duì)已有火力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行MHHG系統(tǒng)超低排放改造，主要有如下幾個(gè)方面作用：一是可以有效解決出煙口白色煙羽的問題，減輕排放煙氣的污染物落地濃度。二是減小了電力機(jī)組MHHG系統(tǒng)的運(yùn)行阻力，從而達(dá)到控制電廠用電率、節(jié)省燃料煤單耗的目的。三是提高了工藝裝置與管線的耐腐蝕性能，降低電力機(jī)組運(yùn)行故障率的同時(shí)，對(duì)于控制生產(chǎn)單元的維護(hù)檢修成本也有著積極意義。