火力發(fā)電廠脫硫煙道旁路封堵后機(jī)組可靠性研究

張海富 康靜秋 張福仲 王進(jìn)英 萬太浩

（1.國華電力公司惠州熱電分公司，廣東省惠州市，516082；2.華北電力科學(xué)研究院，北京市朝陽區(qū)，100025；3.國華電力公司錦界能源有限責(zé)任公司，陜西省榆林市，719319）

1 概述

隨著環(huán)保部 “十二五”減排要求的實施細(xì)化，持續(xù)推進(jìn)污染物總量減排工作，為了減少污染物的排放，提高燃煤發(fā)電機(jī)組綜合脫硫脫硝的效率，要求對燃煤電廠脫硫系統(tǒng)煙道旁路實施徹底封堵，因此脫硫煙道旁路的封堵工作對于各發(fā)電公司勢在必行。已經(jīng)投產(chǎn)的脫硫系統(tǒng)設(shè)計有旁路系統(tǒng)，當(dāng)脫硫系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障時可以切至旁路方式運(yùn)行，煙風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。在原設(shè)計上未把脫硫系統(tǒng)作為主設(shè)備來看待，在可靠性上可能存在較大的安全隱患。

旁路系統(tǒng)封堵意味著脫硫系統(tǒng)要在機(jī)組全工況下運(yùn)行，其重要性尤為突出，因此需要對脫硫系統(tǒng)進(jìn)行全面的風(fēng)險評估，制定預(yù)控措施來提高設(shè)備的健康水平。特別是對于2臺引風(fēng)機(jī)和1臺增壓風(fēng)機(jī)的煙風(fēng)系統(tǒng)改造，增壓風(fēng)機(jī)是煙氣的唯一通道，一旦增壓風(fēng)機(jī)跳閘機(jī)組必須停運(yùn)。針對此類風(fēng)險提出了增壓風(fēng)機(jī)RB控制的運(yùn)行方式，可以有效地減少機(jī)組的非計劃停運(yùn)次數(shù)，對試驗的準(zhǔn)備及過程進(jìn)行深入研究，從本質(zhì)上提高了機(jī)組的運(yùn)行可靠性。

2 脫硫系統(tǒng)風(fēng)險評估及預(yù)控

2.1 煙氣溫度造成吸收塔損壞的風(fēng)險評估及預(yù)控

脫硫系統(tǒng)吸收塔設(shè)計漿液循環(huán)泵運(yùn)行時吸收塔的入口煙氣溫度不能大于180℃，當(dāng)漿液循環(huán)泵停運(yùn)時煙氣溫度不允許超過80℃。由于原系統(tǒng)未設(shè)計吸收塔煙氣入口處的事故噴淋系統(tǒng)，因此當(dāng)脫硫煙道旁路封堵后，如果由于脫硫系統(tǒng)母線失電而造成3臺漿液循環(huán)泵同時跳閘，或者鍋爐空預(yù)器停轉(zhuǎn)、著火等情況會造成吸收塔入口的煙氣溫度超過設(shè)計值，吸收塔內(nèi)部的襯膠及除霧器設(shè)備就有可能會被損壞，嚴(yán)重時將造成整個吸收塔癱瘓。

為了保證脫硫吸收塔在事故高溫?zé)煔庀碌陌踩?，在吸收塔入口段設(shè)置事故煙氣噴淋裝置，脫硫系統(tǒng)煙氣系統(tǒng)圖見圖2，對進(jìn)入吸收塔的煙氣進(jìn)行噴水減溫，使得進(jìn)入吸收塔的煙氣溫度在允許的范圍內(nèi)，保護(hù)吸收塔不受高溫?zé)煔獾膿p壞。

（1）建立數(shù)學(xué)模型。分析吸收塔入口煙道內(nèi)事故噴淋裝置的流場，研究在不同的煙氣流量、煙氣溫度和煙道布置的情況下，計算出事故噴淋減溫水量及其減溫效果，得出脫硫事故噴淋裝置母管、支管及噴嘴的布置方案，為無旁路煙氣脫硫系統(tǒng)的事故煙氣減溫水設(shè)計提供依據(jù)。

圖1 煙風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 脫硫系統(tǒng)煙氣系統(tǒng)圖

（2）噴淋降溫方式。事故噴淋系統(tǒng)每套至少由兩級組成，第一級采用壓力霧化噴嘴，采用常規(guī)消防水 （或者特殊消防水）作為水源；第二級同樣采用壓力霧化噴嘴，采用特殊消防水 （或者常規(guī)消防水）作為水源。當(dāng)鍋爐事故狀況下煙氣經(jīng)過第一、二級減溫后，煙氣溫度由入口時的250℃降低至160℃（局部最高點不超過160℃）以下；當(dāng)脫硫側(cè)事故狀況下煙氣經(jīng)過第一、二級減溫后，煙氣溫度由170℃降低至80℃ （局部最高溫度不超過80℃）以下。

（3）考慮到事故噴淋系統(tǒng)是在系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障狀況下的應(yīng)急使用，因此事故噴淋系統(tǒng)采用氣動門的控制方式，避免設(shè)備及電源故障造成系統(tǒng)失靈。同時該套系統(tǒng)根據(jù)實際情況進(jìn)行定期開展試運(yùn)工作，避免煙氣異常情況下不能及時投運(yùn)。

2.2 DCS系統(tǒng)風(fēng)險評估及預(yù)控措施

原設(shè)計的DCS系統(tǒng)為2臺機(jī)組共用一套DCS系統(tǒng)，作為電廠安全運(yùn)行的控制中樞神經(jīng)系統(tǒng)，如果控制系統(tǒng)發(fā)生故障，容易造成2 臺機(jī)組同時跳閘，屬于重大安全隱患。隨著國家對環(huán)保要求的提高，脫硫系統(tǒng)在機(jī)組運(yùn)行中嚴(yán)禁退出，一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將會影響到2臺機(jī)組環(huán)保設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行，造成環(huán)保設(shè)備效率降低、污染物排放不達(dá)標(biāo)以及發(fā)生環(huán)境污染等事件，給集團(tuán)公司帶來不良的社會影響。因此將脫硫DCS系統(tǒng)進(jìn)行單元制改造，1＃和2＃及脫硫公用分別由自成DCS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行單元制控制，避免由于控制系統(tǒng)故障而影響到2臺機(jī)組的安全運(yùn)行。

2.3 增壓風(fēng)機(jī)動葉調(diào)節(jié)不及時風(fēng)險評估及預(yù)控

傳統(tǒng)調(diào)試將增壓風(fēng)機(jī)入口的壓力調(diào)節(jié)為較小，因為增壓風(fēng)機(jī)動葉的頻繁動作直接影響著鍋爐爐膛的負(fù)壓，會造成負(fù)壓調(diào)節(jié)的不穩(wěn)定，嚴(yán)重時會造成MFT 事件的發(fā)生。當(dāng)送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)跳閘到機(jī)組進(jìn)行RB 動作時，2臺引風(fēng)機(jī)的出力瞬間作用到1臺增壓風(fēng)機(jī)上，增壓風(fēng)機(jī)入口的壓力如果調(diào)整不及時，就會造成增壓風(fēng)機(jī)入口壓力的保護(hù)動作所引起的增壓風(fēng)機(jī)跳閘，脫硫系統(tǒng)切換至旁路方式運(yùn)行，無脫硫旁路系統(tǒng)就會直接造成機(jī)組停運(yùn)。因此增壓風(fēng)機(jī)入口壓力的自動調(diào)節(jié)邏輯需要徹底優(yōu)化并形成最優(yōu)的調(diào)試方案，針對這個問題主要有3種方案：

（1）機(jī)組正常運(yùn)行時使用2 臺送風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉開度，做為增壓風(fēng)機(jī)入口壓力的自動前饋信號，使增壓風(fēng)機(jī)能夠超前調(diào)節(jié)，避免造成爐膛負(fù)壓的大幅波動。同時將一次風(fēng)機(jī)的RB動作信號以硬接線的方式作為自動控制的超馳信號，在RB發(fā)生時且爐膛負(fù)壓尚未發(fā)生變化前迅速將增壓風(fēng)機(jī)動葉切為手動，根據(jù)負(fù)荷情況超馳關(guān)閉動葉到一固定值并維持一定時間，隨后恢復(fù)到RB工況前導(dǎo)葉開度位置維持不變進(jìn)行開環(huán)控制，保證機(jī)組工況的穩(wěn)定。

（2）機(jī)組正常時增壓風(fēng)機(jī)入口壓力采用的原單回路控制不變，同時引入鍋爐側(cè)面的2臺引風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉開度與鍋爐爐膛負(fù)壓變化較大的一個信號的測量值作為前饋信號，使得增壓風(fēng)機(jī)動葉能對被控參數(shù)進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。當(dāng)一次風(fēng)機(jī)RB動作后由于爐膛負(fù)壓的降低，2臺引風(fēng)機(jī)的開度會迅速減小，同時將2臺送風(fēng)機(jī)的開度增大，增壓風(fēng)機(jī)自動跟隨引風(fēng)機(jī)導(dǎo)葉開度實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)維持機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。

（3）機(jī)組正常時增壓風(fēng)機(jī)入口壓力采用單回路控制，引入鍋爐側(cè)面的總風(fēng)量控制指令作為前饋信號，使得增壓風(fēng)機(jī)動葉能對被控參數(shù)進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。機(jī)組RB發(fā)生時，煤量的變換直接反映到風(fēng)量的控制指令，使得增壓風(fēng)機(jī)提前控制入口壓力，保證爐膛負(fù)壓及增壓風(fēng)入口壓力控制在保護(hù)范圍內(nèi)。

2.4 脫硫系統(tǒng)主要輔機(jī)電源系統(tǒng)風(fēng)險評估及預(yù)控

2.4.1 漿液循環(huán)泵電源可靠性提高

系統(tǒng)原設(shè)計本機(jī)組的脫硫系統(tǒng)中的3臺漿液循環(huán)泵電源全部取自單元機(jī)組公用段，當(dāng)電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，會造成3臺漿液循環(huán)泵同時停止，造成機(jī)組非計劃停運(yùn)的同時還有可能造成吸收塔的燒損。因此將本機(jī)組的最大出力泵增加一臺開關(guān)柜，電源從相鄰機(jī)組的公用段接引改造成采用雙電源式的管理方式。機(jī)組正常運(yùn)行使用相鄰機(jī)組的電源，防止電壓的突然閃動 （低電壓保護(hù)動作）造成3臺泵同時跳閘，避免機(jī)組非計劃停運(yùn)及吸收塔超溫，當(dāng)相鄰機(jī)組的電源檢修時操作回本機(jī)組電源供電。當(dāng)然也可以考慮將2臺漿液循環(huán)泵采用雙電源管理的方式，這樣可以避免雙電源泵檢修時給機(jī)組帶來的附加風(fēng)險。采用雙電源控制需要在控制系統(tǒng)操作端及2臺開關(guān)柜側(cè)考慮閉鎖方式，避免2臺開關(guān)柜的同時合閘造成設(shè)備的損壞。

2.4.2 增壓風(fēng)機(jī)油泵電源可靠性提高

原設(shè)計增壓風(fēng)機(jī)中2臺潤滑油泵和2臺液壓油泵全部取自于同一路電源，一旦失電會造成增壓風(fēng)機(jī)失去潤滑油，輕則造成風(fēng)機(jī)軸承的磨損，重則油壓低引起增壓風(fēng)機(jī)跳閘機(jī)組停運(yùn)。因此設(shè)計將2臺潤滑油泵和2臺液壓油泵中的各一臺泵改成另一路的保安段電源，當(dāng)一路電源失電時通過低油壓可以及時聯(lián)鎖另一臺油泵運(yùn)行，避免因2臺油泵同時跳閘造成增壓風(fēng)機(jī)停運(yùn)及軸承損壞。

2.5 供漿系統(tǒng)風(fēng)險評估及預(yù)控

系統(tǒng)原設(shè)計由2個漿液箱和3臺供漿泵所組成的“兩用一備”的控制方式，每臺泵由一條供漿管道到每一臺機(jī)組維持脫硫效率在設(shè)計值范圍內(nèi)。由于漿液的特性是粘稠度較大，經(jīng)常發(fā)生供漿管路堵塞及泄漏事件的發(fā)生，直接影響脫硫的效率。因此每臺機(jī)組分別增加一條備用供漿管道，避免供漿中斷、脫硫效率下降及出口二氧化硫超標(biāo)環(huán)保事件發(fā)生。

2.6 工藝水系統(tǒng)風(fēng)險評估及預(yù)控措施

該系統(tǒng)中一個工藝水箱設(shè)計2臺工藝水泵，工藝水系統(tǒng)主要用于漿液循環(huán)泵的軸承冷卻水及氧化風(fēng)機(jī)冷卻水，工藝水箱故障工藝水中斷直接造成漿液循環(huán)泵及氧化風(fēng)機(jī)跳閘機(jī)組非計劃停運(yùn)。因此考慮增加一個工藝水箱采用一用一備的運(yùn)行方式，避免機(jī)組的非計劃停運(yùn)。

2.7 增壓風(fēng)機(jī)風(fēng)險評估及預(yù)控

脫硫煙道旁路封堵后增壓風(fēng)機(jī)將作為機(jī)組的主要輔機(jī)，增壓風(fēng)機(jī)跳閘將直接導(dǎo)致機(jī)組MFT，因此需要研究增壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的可靠性，從保護(hù)誤動及拒動的角度出發(fā)優(yōu)化增壓風(fēng)機(jī)的保護(hù)邏輯，同時考慮一旦出現(xiàn)增壓風(fēng)機(jī)跳閘的情況，是否有其它運(yùn)行方式可以維持機(jī)組的正常運(yùn)行，避免機(jī)組非計劃停運(yùn)事件的發(fā)生。因此考慮可否利用增壓風(fēng)機(jī)跳閘后動葉全開這個煙氣通道維持機(jī)組帶部分負(fù)荷運(yùn)行（增壓風(fēng)機(jī)RB），可以動葉全開機(jī)組快速降負(fù)荷，利用引風(fēng)機(jī)出力，克服脫硫阻力承擔(dān)的機(jī)組剩余負(fù)荷維持機(jī)組運(yùn)行。同時研究增壓風(fēng)機(jī)再次啟動的負(fù)荷點，保證增壓風(fēng)機(jī)帶部分負(fù)荷啟動成功。需要在機(jī)組調(diào)試過程中確定機(jī)組的RB 負(fù)荷點及增壓風(fēng)機(jī)啟動的負(fù)荷點。本著提高機(jī)組探索科技創(chuàng)新可行性，增壓風(fēng)機(jī)RB 控制成為了科技創(chuàng)新的主要課題。

2.7.1 增壓風(fēng)機(jī)保護(hù)邏輯的優(yōu)化

考慮到增壓風(fēng)機(jī)的重要性，特別邀請到設(shè)計院和電科院專家對增壓風(fēng)機(jī)從保護(hù)拒動和誤動存在的風(fēng)險重點進(jìn)行了評估。從增壓風(fēng)機(jī)設(shè)備本身及系統(tǒng)的安全性進(jìn)行考慮，將增壓風(fēng)機(jī)振動單點保護(hù)進(jìn)行了修改，避免因雷雨天氣及振動探頭故障造成保護(hù)誤動；針對增壓風(fēng)機(jī)入口壓力對系統(tǒng)的影響情況，取消增壓風(fēng)機(jī)入口壓力高保護(hù)，將壓力低保護(hù)修改成煙道的最大承受能力，增壓風(fēng)機(jī)保護(hù)邏輯的優(yōu)化對比見表1。

表1 增壓風(fēng)機(jī)保護(hù)邏輯的優(yōu)化對比表

2.7.2 增壓風(fēng)機(jī)RB試驗

增壓風(fēng)機(jī)作為煙道的唯一通道，提出了一種國內(nèi)首創(chuàng)的機(jī)組快減負(fù)荷功能——增壓風(fēng)機(jī)RB。增壓風(fēng)機(jī)RB的設(shè)計目的就是確保在機(jī)組增壓風(fēng)機(jī)發(fā)生故障 （快速暫停）的工況下，通過對各種不同工況與運(yùn)行方式下的邏輯判斷與控制策略的選擇，自動完成將機(jī)組的負(fù)荷降至與當(dāng)前運(yùn)行設(shè)備允許出力對應(yīng)的目標(biāo)負(fù)荷，同時在增壓風(fēng)機(jī)跳閘的瞬間利用動葉全開建立一個煙氣流量的快速通道，保證主要調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作正常，維持機(jī)組主要參數(shù)在允許范圍內(nèi)。從而大大減少機(jī)組的非停次數(shù)，確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在研究過程中增壓風(fēng)機(jī)RB在設(shè)計上仍然存在諸多難點，例如增壓風(fēng)機(jī)跳閘后動葉全開的通流面積是否可以在鍋爐穩(wěn)燃負(fù)荷之上；2臺引風(fēng)機(jī)出力能否可以克服脫硫系統(tǒng)的阻力帶負(fù)荷運(yùn)行；增壓風(fēng)機(jī)跳閘后能否再次帶負(fù)荷啟動，動葉開度多大啟動合適；增壓風(fēng)機(jī)RB 的目標(biāo)負(fù)荷設(shè)計多少最為合適；增壓風(fēng)機(jī)跳閘對鍋爐的影響程度是否可控；RB控制策略如何設(shè)計。

由于國內(nèi)尚無開展相關(guān)工作，沒有經(jīng)驗可以借鑒，因此在試驗過程中若稍有差池，輕則直接導(dǎo)致鍋爐滅火機(jī)組非計劃停運(yùn)，重則可能由于鍋爐爐膛或者煙道壓力超過設(shè)備承受的極限直接損害風(fēng)機(jī)等價格昂貴的設(shè)備。同時機(jī)組在運(yùn)行多年并經(jīng)過大修改造后，不能再單純地沿用原有設(shè)計說明書和性能實驗的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單設(shè)計，而是需要根據(jù)機(jī)組本身的特性，設(shè)計符合機(jī)組特性、RB 試驗需要的風(fēng)險評估和現(xiàn)場試驗方案，并組織安全實施，才能有效地評估機(jī)組對各類不同RB試驗的極端工況的耐受能力和改造后機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)的最真實的運(yùn)行參數(shù)。只有根據(jù)現(xiàn)場最真實有效的試驗結(jié)果構(gòu)建模型，模擬極端工況的真實條件，對RB和自動的優(yōu)化方案進(jìn)行優(yōu)選和逐個測試，才能給予方案客觀的評估，從而最大程度地確保試驗的一次成功率，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

表2 機(jī)組負(fù)荷191MW 在機(jī)組穩(wěn)燃負(fù)荷以上的具體參數(shù)表

圖3 增壓風(fēng)機(jī)RB （400 MW）試驗曲線

圖4 增壓風(fēng)機(jī)RB （550 MW）試驗曲線

因此要充分利用機(jī)組啟停機(jī)的機(jī)會，多次進(jìn)行機(jī)組啟動過程中的冷態(tài)脫硫系統(tǒng)阻力試驗，機(jī)組停機(jī)過程中熱態(tài)脫硫系統(tǒng)阻力試驗，在機(jī)組熱態(tài)情況下增壓風(fēng)機(jī)RB目標(biāo)負(fù)荷試驗及增壓風(fēng)機(jī)帶負(fù)荷啟動能力試驗。同時為全面考察增壓風(fēng)機(jī)的RB控制品質(zhì)，分別對機(jī)組中的負(fù)荷和高負(fù)荷進(jìn)行了RB試驗，增壓風(fēng)機(jī)RB （400 MW）和增壓風(fēng)機(jī)RB（550 MW）的試驗曲線分別見圖3和圖4，試驗全部一次取得成功，達(dá)到 《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗收測試規(guī)程》優(yōu)良指標(biāo)。爐膛負(fù)壓最大到-1120～940Pa （保護(hù)動作值-2000～2500Pa），增壓風(fēng)機(jī)動葉可以在11%啟動，當(dāng)時入口壓力為1400Pa，機(jī)組負(fù)荷191MW 在機(jī)組穩(wěn)燃負(fù)荷以上，啟動過程中所有參數(shù)正常，具體參數(shù)見表2。

3 結(jié)論

根據(jù)國家環(huán)保部的相關(guān)文件，近幾年各發(fā)電公司正在開展脫硫煙道旁路的取消工作。通過對脫硫系統(tǒng)的風(fēng)險進(jìn)行評估，以提高機(jī)組可靠性為目的，提出了脫硫系統(tǒng)的主要風(fēng)險及預(yù)控措施，特別是獨創(chuàng)的增壓風(fēng)機(jī)RB試驗的成功，國家已受理發(fā)明專利，可以有效減少機(jī)組的非計劃停運(yùn)，同時也節(jié)省了其它發(fā)電公司采用增引合一的技術(shù)改造費(fèi)用，對火力發(fā)電廠脫硫煙道旁路封堵技術(shù)改造有著一定的實際應(yīng)用意義。

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