脫硫系統(tǒng)煙氣換熱器吹灰系統(tǒng)優(yōu)化

朱晨曦

(杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015)

0 引言

某公司#4，#5機(jī)組(135 MW，130 MW)共用1套石灰石-石膏濕法煙氣脫硫(FGD)裝置，脫硫效率為95.4%，為全套引進(jìn)的國家煙氣脫硫技改示范項目，2001年3月18日投入商業(yè)運行。為防止煙囪腐蝕并控制煙氣污染物落地濃度，設(shè)有煙氣換熱器(GGH)。

1 GGH堵塞對FGD系統(tǒng)的影響和危害

1.1 系統(tǒng)能耗增加

GGH結(jié)垢后，煙氣通流面積減小，阻力增大。增壓風(fēng)機(jī)必須通過增加出力來克服新增系統(tǒng)的阻力。以該項目為例：GGH煙氣初始壓差為0.5 kPa，堵塞后的壓差為1.0 kPa或更高，增壓風(fēng)機(jī)因GGH堵塞增加電流約30 A。

1.2 吸收塔水耗增加

GGH 換熱表面垢層阻礙了原煙氣與換熱元件之間的熱量交換，隨著垢層的增厚，同等條件下，吸收塔入口煙溫呈升高趨勢，吸收塔出口煙氣中的水蒸氣攜帶量也會增多。有資料統(tǒng)計，對于600 MW機(jī)組，進(jìn)入吸收塔的煙氣溫度每升高10 ℃，耗水量約增加10 t/h[1]。

1.3 安全性降低

GGH煙氣通流面積減小使得煙氣通流量減小，通過提高增壓風(fēng)機(jī)出口壓力來增加流量，風(fēng)機(jī)易進(jìn)入失速區(qū)。風(fēng)機(jī)在小流量高壓頭工況下運行時，極易發(fā)生風(fēng)機(jī)喘振，損壞設(shè)備，嚴(yán)重時會導(dǎo)致葉片斷裂。風(fēng)機(jī)喘振發(fā)生后，還會造成鍋爐煙道和爐膛壓力波動，引發(fā)鍋爐主燃料跳閘(MFT)和熄火事故。

1.4 排煙溫度下降，下游設(shè)施腐蝕加劇

波紋板表面所積垢層導(dǎo)熱系數(shù)比防腐搪瓷層導(dǎo)熱系數(shù)要小，垢層增厚，熱阻增大，換熱波紋板蓄熱能力變差，GGH出口凈煙氣溫度下降，會對下游煙道、擋板、煙囪等設(shè)施造成腐蝕性破壞。

1.5 系統(tǒng)利用率降低

GGH 發(fā)生結(jié)垢和堵塞，將危及機(jī)組和FGD安全運行。嚴(yán)重時需GGH 停機(jī)離線人工清洗，從而降低脫硫系統(tǒng)的利用率。

2 GGH吹灰系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 壓縮空氣吹灰系統(tǒng)優(yōu)化

優(yōu)化前的GGH壓縮空氣吹灰為直吹式，配備1臺凱撒DSD201螺桿式空氣壓縮機(jī)(以下簡稱空壓機(jī))，功率為132 kW，額定壓力為0.8 MPa，加載壓力為0.58 MPa，卸載壓力為0.74 MPa，如圖1所示。系統(tǒng)主要存在吹灰壓力過低、壓力不穩(wěn)定、氣源帶水、吹灰效果差等問題。

圖1 優(yōu)化前的GGH壓縮空氣吹灰系統(tǒng)

主要優(yōu)化內(nèi)容。

(1)新增1臺R132IU-10.0-21.0型螺桿式空壓機(jī)，與原GGH壓縮空氣吹灰空壓機(jī)并聯(lián)。新、舊空壓機(jī)出氣管與中間儲氣罐進(jìn)氣管連接，為實現(xiàn)不同壓力等級下運行，設(shè)置止回閥和手動隔離閥。脫硫集控室可實現(xiàn)遠(yuǎn)程啟、停和狀態(tài)顯示。

(2)增設(shè)1個中間儲氣罐，有效容積為15 m3，工作壓力為1.03 MPa，主要起到穩(wěn)定氣源壓力和提高氣源品質(zhì)的作用。優(yōu)化后的系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的GGH壓縮空氣吹灰系統(tǒng)

2.2 增設(shè)蒸汽吹灰系統(tǒng)

為提高GGH吹灰能力，新增蒸汽吹灰器，采用動能和動量較大的蒸汽作為吹灰介質(zhì)，過熱蒸汽與壓縮空氣出口動能對比如圖3所示。由圖3可知，過熱蒸汽動能要比壓縮空氣動能明顯高出許多。

圖3 過熱蒸汽與壓縮空氣出口動能對比

采用全伸縮蒸汽吹灰器，吹灰介質(zhì)為過熱蒸汽，耗汽量為3～5 t/h，蒸汽過熱度大于90 ℃(約320 ℃)，吹灰工作壓力小于1.2 MPa，通過主蒸汽與疏水溫差小于25 ℃來保證吹灰蒸汽的干度。

吹灰汽源選用壓力為2.6 MPa、溫度為350 ℃的過熱蒸汽，吹灰系統(tǒng)設(shè)有進(jìn)汽電動閥、調(diào)壓閥(節(jié)流孔板)、隔離閥、測點等。疏水系統(tǒng)設(shè)有電動疏水閥、隔離閥和測點，疏水接至凈煙道地溝內(nèi)，提升凈煙氣溫度并疏通地溝，實現(xiàn)疏水零排放。

2.2.1 總體要求

吹灰器為全伸縮型，便于維護(hù)和檢修；單側(cè)吹灰，保證吹灰介質(zhì)可穿透換熱元件；吹灰介質(zhì)的溫度、壓力應(yīng)符合搪瓷換熱元件特性；煙氣接觸部位選用特殊材料；步進(jìn)行走機(jī)構(gòu)均勻穩(wěn)定；機(jī)電一體化自動控制。

2.2.2 選材

蒸汽吹灰器布置于GGH凈煙氣冷端，由于該區(qū)域溫度為50～55 ℃，低于露點溫度，煙氣中主要有SO2，SO3，NOx，HF，水汽，石膏液滴，煙塵等，工作環(huán)境惡劣，還含有H2SO4，H2SO3等還原性酸和氯離子、氟離子，具有極強(qiáng)的腐蝕性。

耐腐蝕性是選擇吹灰器材料時首先要考慮的因素，同時，凈煙氣中還存有微量二水石膏漿液和飛灰等固體物，材料的耐磨性也必須考慮。材料的綜合機(jī)械性能、焊接性能等也需要考慮。

吹灰器伸入GGH內(nèi)部的吹灰管(外管)處于腐蝕煙氣中，要求材料具有極高的抗腐蝕性和抗磨性。與腐蝕煙氣接觸的部位還有正壓密封墻箱、槍管(內(nèi)管)，工作環(huán)境相對較好。

脫硫裝置中常用的耐蝕合金可分為兩大類，即鎳基耐蝕合金和高鉬的鐵-鎳基合金[2]，其成分、耐腐蝕性見表1、表2。

表1 脫硫用主要耐蝕合金分類、牌號及化學(xué)成分

表2 鎳基耐蝕合金在酸性溶液中的腐蝕速率[3]

904L的機(jī)械性能要高于316L，但是其縫隙腐蝕臨界溫度接近GGH凈煙氣冷端的溫度；C-22腐蝕速率要低于C-276，機(jī)械性能和耐腐性要高于C-276，C-22合金在不提高成本的情況下增強(qiáng)了抗腐蝕能力，性價比尤其出色[4]。

通過綜合評定，吹灰管采用C-22鎳基耐蝕合金，(正壓)墻箱采用316L，內(nèi)管采用1Cr18Ni9Ti。

2.2.3 吹灰噴嘴設(shè)計

吹灰噴嘴采用文丘里結(jié)構(gòu)，由圓弧形收縮段、圓筒喉部和擴(kuò)散段組成。速度場變化是一個能量的衰減過程。根據(jù)GGH結(jié)構(gòu)特點，吹灰距離要求大于1.2 m，吹灰時的壓力不大于1.2 MPa，吹灰半徑為2 m。依據(jù)文丘里噴嘴口徑、吹灰壓力和吹灰半徑的關(guān)系曲線(如圖4所示)進(jìn)行吹灰器噴嘴喉部直徑的初選、計算和校核驗證，最終確定噴嘴喉部直徑為13.50 mm，共4個，軸向分2排布置，相鄰2個噴嘴中心距離為50 mm。

圖4 文丘里噴嘴口徑、吹灰壓力和吹灰半徑關(guān)系曲線

2.2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

吹灰器大梁前端與固定在GGH本體上的(正壓)墻箱相連，大梁尾部采用滑動支撐；雙齒條結(jié)構(gòu)，步退吹灰；設(shè)有吹灰管(外管)和內(nèi)管；行走箱由箱體、電動機(jī)齒輪箱、吹灰管填料箱組成，輸出軸的驅(qū)動齒輪與大梁上的齒條嚙合，實現(xiàn)行走向的軸向移動，前后設(shè)有行程開關(guān)；提升閥供汽，提升閥與行走箱之間設(shè)有開閥機(jī)構(gòu)；在大梁尾部裝設(shè)密封風(fēng)機(jī)，為墻箱和吹灰管提供密封和吹灰氣源。

2.2.5 自控系統(tǒng)設(shè)計

采用LOGO!230RC邏輯控制，模塊有8種基本功能和26種特殊功能，代替了很多定時器、繼電器、時鐘和接觸器的功能，而且隨時能夠擴(kuò)展其功能。

控制分就地吹灰、遠(yuǎn)程吹灰以及遠(yuǎn)方手動吹灰；有強(qiáng)制吹灰功能，在吹灰器正常工作狀態(tài)下，不考慮溫度、壓力，可以手動開關(guān)蒸汽閥和疏水閥，使吹灰器完成吹灰過程；前進(jìn)、后退超時，過流，過載，啟動失敗時報警；就地和遠(yuǎn)方有聯(lián)鎖功能。

2.2.6 安裝

蒸汽吹灰器安裝于凈煙氣冷端，吹灰蒸汽流向與凈煙氣流向一致。為了不破壞GGH內(nèi)部防腐層和結(jié)構(gòu)，采用全伸縮蒸汽吹灰器，所有設(shè)備均布置在GGH外部。吹灰器槍管中心與GGH徑向密封形成10°夾角，距GGH轉(zhuǎn)子扇形板上緣450 mm。蒸汽吹灰器與GGH本體通過蒸汽吹灰器墻箱連接，接口處涂磷進(jìn)行防腐處理。

2.2.7 蒸汽吹灰程控策略

蒸汽吹灰系統(tǒng)設(shè)計有吹灰器、蒸汽進(jìn)汽電動閥、疏水電動閥的控制，以及進(jìn)汽電動閥前壓力、進(jìn)汽電動閥后壓力、吹灰主汽溫度、吹灰疏水溫度等分散控制系統(tǒng)(DCS)I/O測點，對GGH系統(tǒng)畫面進(jìn)行修改，如圖5所示。建立設(shè)備級聯(lián)鎖，根據(jù)蒸汽吹灰系統(tǒng)運行要求，設(shè)計程控投運條件及程控邏輯等。

圖5 GGH蒸汽吹灰系統(tǒng)

(1)程控啟動允許條件。當(dāng)同時滿足7個條件(進(jìn)汽電動閥壓力、溫度、無故障信號、吹灰器原位、 GGH轉(zhuǎn)速信號正常)時，允許蒸汽吹灰系統(tǒng)程控啟動。允許條件的設(shè)計主要是要保證蒸汽吹灰系統(tǒng)設(shè)備及I/O測點信號正常，且GGH處于正常運行狀態(tài)。

(2)程控啟動。啟動設(shè)計了8個蒸汽吹灰功能組啟動步序，關(guān)鍵是第3步的蒸汽參數(shù)判斷等待。

判斷條件(滿足下列任意條件)：

1)主汽溫度大于閥前壓力對應(yīng)的飽和蒸汽溫度+30 ℃過熱度、主汽溫度與疏水溫度偏差小于25 ℃；

2)閥后壓力大于1.0 MPa、主汽溫度大于200 ℃、主汽溫度與疏水溫度偏差小于25 ℃。

(3)程控停止。設(shè)計了二步程控停止，即停止吹灰器和關(guān)蒸汽進(jìn)汽電動閥、關(guān)疏水電動閥。

(4)聯(lián)鎖保護(hù)邏輯。在GGH蒸汽吹灰系統(tǒng)運行過程中，設(shè)計了“吹灰器前進(jìn)超時”“吹灰器后退超時”“疏水時間異?！薄斑^壓過流保護(hù)動作”判斷及報警指示，便于操作人員對蒸汽吹灰系統(tǒng)運行情況進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)“蒸汽吹灰器系統(tǒng)聯(lián)鎖”保護(hù)投入時，若報警條件滿足，結(jié)合程控運行的步序，觸發(fā)聯(lián)鎖動作。

2.3 吹灰方式優(yōu)化

(1)每2 h吹灰1次改為24 h連續(xù)吹灰。

(2)直吹式改為中間穩(wěn)壓緩沖式。

(3)GGH原煙氣冷、熱端各吹灰1次為1個吹灰過程，改為原煙氣熱端吹灰1次、冷端吹灰2次為1個吹灰過程。

(4)吹灰壓力由原來的0.58～0.74 MPa提高到0.80～0.95 MPa。

2.4 吹灰控制策略優(yōu)化

(1)吹灰控制選擇。 通過研究壓縮空氣吹灰功能組中的空壓機(jī)控制邏輯，在控制邏輯中將原空壓機(jī)及新增空壓機(jī)設(shè)計為子級控制設(shè)備，通過新增的空壓機(jī)選擇開關(guān)，確定實際程控啟?？諌簷C(jī)控制對象。

(2)吹灰控制優(yōu)化。2套空壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計卸載壓力不一致，當(dāng)使用新增空壓機(jī)吹灰時，取消“GGH吹灰器出口壓力>MAX”信號，聯(lián)鎖停GGH壓縮空氣吹灰功能組邏輯。使用原GGH壓縮空氣吹灰空壓機(jī)時，“GGH吹灰器出口壓力>MAX”信號相關(guān)邏輯不變。

3 優(yōu)化及改進(jìn)成果

(1)GGH壓差抬升緩慢，長期處于低壓差區(qū)間運行，減少了人工離線水沖洗頻率并節(jié)約了生產(chǎn)成本。

(2)解決了GGH凈煙氣低溫端不易布置蒸汽吹灰器的難題。

(3)改善了吹灰氣源品質(zhì)，提高了吹灰壓力等級和清潔能力。

(4)多介質(zhì)組合吹灰，靈活調(diào)節(jié)。

(5)提高了吹灰系統(tǒng)安全性和可靠性。

4 進(jìn)一步防堵建議

(1)換熱元件采用易沖洗大通道直通波紋板，提高自潔和疏通能力。

(2)選擇合理的FGD排煙溫度，降低換熱元件有效高度，實現(xiàn)吹灰介質(zhì)穿透。

(3)為增強(qiáng)水洗效果，提高在線高壓水沖洗壓力至20 MPa以上。

(4)對除霧器進(jìn)行改造，提高除霧器對霧滴的捕集能力和除霧效率。

(5)提高除塵器效率，降低FGD入口煙塵質(zhì)量濃度。

(6)控制好吸收塔漿液池液位和泡沫，防止?jié){液“倒灌”進(jìn)入GGH。

參考文獻(xiàn)：

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