廣東省燃煤機組環(huán)保設(shè)備故障分析及優(yōu)化措施

盧偉輝，和識之，廖永進，張杰

(1.中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510623；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；3.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640)

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廣東省燃煤機組環(huán)保設(shè)備故障分析及優(yōu)化措施

盧偉輝1，和識之1，廖永進2，張杰3

(1.中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510623；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；3.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640)

對廣東省40家燃煤電廠環(huán)保設(shè)備的運行情況進行調(diào)研和分析，定量研究了環(huán)保設(shè)備可靠性的影響因素。2014年，廣東省脫硝系統(tǒng)平均每臺機組的故障及限負荷總時長為4.4 h，退出運行時長高達219 h；脫硫、除塵系統(tǒng)平均每臺機組的故障及限負荷總時長為2.5 h，退出運行時長為0 h。因此，脫硝系統(tǒng)是目前影響環(huán)保設(shè)備可靠性的主要因素。同時還提出了提高環(huán)保設(shè)備可靠性的優(yōu)化措施。

燃煤電廠；環(huán)保設(shè)備；故障率；可靠性

為有效控制大氣污染物排放，國家在2011年制定了GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》。在此基礎(chǔ)上，2014年底廣東省實現(xiàn)了全省現(xiàn)役燃煤機組脫硫設(shè)施取消煙氣旁路，綜合脫硫率達到95%以上，125 MW以上現(xiàn)役燃煤火電機組(不含循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電機組)全部完成低氮燃燒和煙氣脫硝改造，綜合脫硝效率達到85%以上。2014年9月，國家進一步要求東部地區(qū)的燃煤發(fā)電機組大氣污染物排放濃度達到燃氣輪機組排放限值[1]。

在嚴格的環(huán)保形勢下，燃煤電廠的環(huán)保系統(tǒng)運行往往變得更加復(fù)雜，環(huán)保設(shè)備故障對電力系統(tǒng)運行的影響也日益凸顯。目前國內(nèi)對脫硫、脫硝系統(tǒng)取消旁路系統(tǒng)前后機組的運行情況[2-5]，新環(huán)保形勢下單臺機組的運行狀態(tài)[6]以及脫硫、脫硝系統(tǒng)的運行優(yōu)化[7-11]進行了研究，這些研究分析只是針對環(huán)保設(shè)施投運及煤種變化對單臺機組或某型鍋爐運行的影響進行分析，只對單個電廠進行研究，而沒有對電力系統(tǒng)內(nèi)環(huán)保設(shè)施的整體故障特性進行分析。

本文對廣東省40家燃煤電廠的脫硫、脫硝、除塵系統(tǒng)的運行情況進行調(diào)研和分析，定量研究了環(huán)保設(shè)備的可靠性及故障的影響因素，同時提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

1 廣東省燃煤機組概況

截至2014年12月，廣東省總裝機容量104 099 MW，其中燃煤機組裝機容量59 761 MW。本文調(diào)研了廣東省40家燃煤電廠的131臺機組，機組容量為50 327 MW，達到廣東省燃煤機組總?cè)萘康?4.2%，因此調(diào)研樣本具有較好的代表性。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，廣東省燃煤機組以大型機組為主：600 MW及以上機組的容量達到63.4%；1 000 MW等級機組12臺，裝機容量12 072 MW；600 MW等級機組32臺，裝機容量19 820 MW；300 MW等級機組43臺，裝機容量13 660 MW；200 MW等級及以下燃煤機組44臺，裝機容量4 775 MW。

雖然1 000 MW等級機組臺數(shù)占比較小，僅為9.16%，但其容量占調(diào)研機組總?cè)萘康?3.99%。600 MW等級機組容量占比最大，達到39.38%。300 MW等級機組容量占比27.14%。200 MW等級及以下機組的臺數(shù)最多，容量占比9.49%，占比最小。

本文調(diào)研的機組鍋爐類型以煤粉燃燒鍋爐為主，容量達到91.6%，其中又以四角切圓和前后墻對沖爐型為主，機組容量占比分別為58.68%和31.58%。其次為循環(huán)流化床鍋爐，機組容量為8.43%。另有少量的W型燃燒鍋爐，機組容量為1.31%。

脫硫設(shè)備方面，煤粉燃燒機組全部采用濕法脫硫工藝，以石灰石-石膏濕法為主(容量占比79.28%)，其次為海水法(容量占比11.83%)，另有個別機組采用了氧化鎂法和堿性廢渣法。流化床機組均采用爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)，部分機組在此基礎(chǔ)上加裝了石灰石-石膏濕法脫硫裝置。

脫硝設(shè)備方面，廣東省燃煤電廠煙氣脫硝的主要方式為選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)，SCR機組容量占比為90.56%。其次由于部分流化床鍋爐的存在，選擇性非催化還原(selective non-catalytic reduction，SNCR)機組也占有小部分的比例。

除塵設(shè)備方面，廣東省燃煤電廠以電除塵器為主，機組容量占82.9%，電袋除塵器和袋式除塵器機組容量分別占11.7%和5.4%。

2 廣東省燃煤機組環(huán)保設(shè)備故障分析

2.1 廣東省燃煤機組脫硫設(shè)備故障分析

在本文的調(diào)研統(tǒng)計中，廣東省燃煤機組脫硫系統(tǒng)故障僅發(fā)生在濕法脫硫工藝中，干法脫硫工藝故障率基本為零。廣東省燃煤電廠在2009年1月至2014年12月期間的脫硫設(shè)備分類統(tǒng)計故障率和故障次數(shù)統(tǒng)計見表1。由表1可知，廣東省燃煤機組脫硫系統(tǒng)主要的故障類型包括引風(fēng)機和增壓風(fēng)機故障和煙氣換熱器(gas gas heater，GGH)故障，而該類故障通常會導(dǎo)致脫硫系統(tǒng)停運或機組停機。從次數(shù)上看，脫硫設(shè)備最頻繁發(fā)生故障的設(shè)備是引風(fēng)機和增壓風(fēng)機和GGH，其次是一些小型設(shè)備如噴嘴、管道、除霧器和閥門等，另外還有循環(huán)泵也會發(fā)生故障。從故障時長上看，GGH故障的影響最為嚴重，其次是引風(fēng)機和增壓風(fēng)機故障。

表1 廣東燃煤機組脫硫設(shè)備故障統(tǒng)計

故障種類次數(shù)時長/h引風(fēng)機和增壓風(fēng)機故障1252271.02GGH故障1244212.28循環(huán)泵故障(吸收塔故障)32737.28其他故障(噴嘴、管道、噴淋層、除霧器、閥門等)722652.58

調(diào)研的廣東省燃煤機組脫硫系統(tǒng)故障及限負荷統(tǒng)計如圖1和圖2所示。

圖1 脫硫設(shè)備故障時長變化趨勢

圖2 脫硫設(shè)備限負荷時長變化趨勢

由圖1可知，2012年脫硫故障達到頂峰，機組的故障時長均值達到53.71 h/臺，此后快速下降，至2013年以后趨于穩(wěn)定，故障時長降至10 h/臺以下的較低水平。故障時長逐年下降的主要原因是隨著運行經(jīng)驗的積累，脫硫設(shè)備維護和運行水平有了明顯的提升。

由圖2可知，廣東省燃煤機組脫硫限負荷時長隨時間的變化趨勢和脫硫系統(tǒng)故障隨時間的變化趨勢相同，2011年限負荷時長達到峰值，機組平均限負荷時長達到3.40 h/臺，此后逐漸下降，2014年機組平均限負荷時長降低至0 h/臺。

廣東省燃煤機組脫硫故障及限負荷時長隨著機組容量級的增大逐漸減小。1 000 MW等級機組的故障時長均值為0.52 h/臺，限負荷時長為0 h/臺，可靠性最高，其次是600 MW等級機組，300 MW等級機組的故障時長最長達到54.4 h/臺，限負荷時長達到14.51 h/臺，200 MW等級及以下機組由于大部分是循環(huán)流化床鍋爐，機組的脫硫設(shè)備可靠性相對較高，故障率較300 MW等級機組低。

表3 廣東省燃煤機組環(huán)保設(shè)備故障統(tǒng)計(2014)

系統(tǒng)故障總時長/h平均故障時長/(h·臺-1)限負荷總時長/h平均限負荷時長/(h·臺-1)退出運行總時長/h平均退出運行時長/(h·臺-1)脫硫系統(tǒng)332.142.540000脫硝系統(tǒng)541.94.14380.2928661.76218.79除塵系統(tǒng)000000

2.2 廣東省燃煤機組脫硝故障分析

脫硝系統(tǒng)與機組之間的相互影響主要體現(xiàn)在脫硝系統(tǒng)故障、煙氣溫度低脫硝系統(tǒng)退出運行和脫硝導(dǎo)致機組限負荷三方面。對2009年至2014年廣東省燃煤機組脫硝設(shè)備進行調(diào)研統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，影響脫硝系統(tǒng)正常運行的主要因素是由于負荷低導(dǎo)致的煙氣溫度低而使脫硝系統(tǒng)退出運行，負荷低導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)退出運行總時長為60 202.77 h，占整個脫硝系統(tǒng)非正常運行時長的96%，其次是脫硝系統(tǒng)故障導(dǎo)致的機組脫硝系統(tǒng)退出運行，占整個脫硝非正常運行狀態(tài)的3.8%，脫硝系統(tǒng)導(dǎo)致機組限負荷運行僅占0.2%。

圖3為廣東燃煤機組脫硝系統(tǒng)低溫退出運行隨時間變化的趨勢?？梢钥闯觯S著近年來脫硝系統(tǒng)的大量投運和機組利用小時數(shù)的減少，因機組負荷低、煙氣溫度低導(dǎo)致的脫硝系統(tǒng)退出運行的情況大幅增加，2014年平均退出運行時長已達218.79 h/臺。

圖3 廣東燃煤機組脫硝系統(tǒng)低溫退出運行時長變化趨勢

2.3 廣東省燃煤機組除塵設(shè)備故障分析

廣東省燃煤機組除塵設(shè)備可靠性高，實際的運行過程中僅1家電廠出現(xiàn)過1次由于除塵器輸灰管堵塞導(dǎo)致的48 h故障，此次除塵設(shè)備故障未造成機組的非正常停運，但會導(dǎo)致機組的尾氣排放超標。

2.4 廣東省燃煤機組三大環(huán)保設(shè)備可靠性對比分析

表2為2009年至2014年廣東省131臺燃煤機組脫硫、脫硝、除塵三大環(huán)保設(shè)備故障統(tǒng)計對比。由表2可知，廣東省燃煤機組的環(huán)保設(shè)備故障主要是脫硫設(shè)備和脫硝設(shè)備，除塵設(shè)備故障基本可忽略不計。從故障時長對比來看，主要是脫硫設(shè)備故障，其次是脫硝設(shè)備故障。但在實際運行過程中，脫硝設(shè)備發(fā)生低溫退出運行的時長遠遠大于脫硫系統(tǒng)的故障時長，總體上廣東省環(huán)保設(shè)備退出運行程度最大的是脫硝設(shè)備。

表2 廣東省燃煤機組環(huán)保設(shè)備故障統(tǒng)計(2009—2014)

設(shè)備分類設(shè)備低溫退出運行時長/h故障時長/h限負荷時長/h脫硝設(shè)備60202.72384.1126.14脫硫設(shè)備09873.161005.37除塵設(shè)備0480

參與調(diào)研的廣東省燃煤機組環(huán)保設(shè)備2014年故障時長統(tǒng)計見表3。從表3可以看出，除塵系統(tǒng)的可靠性為100%，除塵設(shè)備沒有出現(xiàn)導(dǎo)致鍋爐故障、限負荷或者退出運行的情況。脫硫系統(tǒng)的限負荷、退出運行時長為0 h，故障時長為332.14 h，平均每臺機組的故障時長為2.54 h，可靠性比脫硝系統(tǒng)高。脫硝系統(tǒng)的故障、限負荷及退出運行時長分別為541.9 h、38 h和28 661.76 h。平均每臺機組的故障時長和限負荷時長分別為4.14 h、0.29 h，但平均每臺機組退出運行時長高達219 h。如果環(huán)保要求進一步趨嚴，要求機組正常運行時脫硝系統(tǒng)必須投運，脫硝系統(tǒng)低負荷退出運行會給電網(wǎng)的調(diào)度帶來不利影響。

3 環(huán)保設(shè)備的優(yōu)化措施

3.1 脫硫裝置的優(yōu)化對策

3.1.1 采用低硫煤

采用低硫煤可以減少脫硫裝置入口煙氣的SO2濃度，在較易保證脫硫效率達標的同時，提高脫硫裝置的可靠性，間接減少諸如GGH故障、引風(fēng)機和增壓風(fēng)機故障等故障出現(xiàn)的概率。對于有條件的電廠，可以采取燃用低硫煤的方法提高脫硫裝置的可靠性。

3.1.2 脫硫裝置的增容改造

對現(xiàn)有脫硫裝置進行增容提效改造，從而提高煙氣SO2處理能力，提高脫硫裝置的可靠性。目前增容提效技術(shù)主要分為兩大類，一類是改變吸收區(qū)pH值來提高脫硫效率，較典型的有國電龍源的單塔雙循環(huán)技術(shù)；另一類是在塔體加裝增效裝置，使塔內(nèi)煙氣均布性更好，液氣比更均勻，同時可增加脫硫系統(tǒng)的傳質(zhì)，從而達到高效脫硫的目的，較典型的有奧地利AEE公司的FGDplus、國電清新的旋匯耦合、巴威的雙托盤和旋流霧化等技術(shù)。不同電廠可根據(jù)自身的實際情況在不同的改造方案中擇優(yōu)選取，通過脫硫裝置的改造提高其可靠性。

3.1.3 取消GGH

在實際運行過程中，GGH裝置是脫硫裝置中的主要故障點之一。取消GGH將減少脫硫設(shè)備的總投資，減輕脫硫裝置的運行成本，避免原煙氣向凈煙氣的泄漏。

3.1.4 增引合一

引風(fēng)機和增壓風(fēng)機是脫硫系統(tǒng)中發(fā)生故障次數(shù)最多的設(shè)備，從故障發(fā)生頻率來看，引風(fēng)機和增壓風(fēng)機是最不可靠的設(shè)備。實施引風(fēng)機、增壓風(fēng)機二合一改造可以提高風(fēng)機運行效率，減少發(fā)電量損失，提高機組運行安全性，同時減少設(shè)備數(shù)量，降低設(shè)備故障率。

3.2 脫硝裝置的優(yōu)化對策

廣東省燃煤火電廠主要的脫硝裝置采用SCR技術(shù)，而SCR裝置導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)故障最主要的原因是低溫退出運行。因此，提高脫硝系統(tǒng)運行可靠性最有效的途徑是拓寬SCR裝置的適用溫度范圍，減少低溫退出運行故障的發(fā)生。

3.2.1 省煤器煙氣旁路

在省煤器入口引出一路旁路煙氣，高負荷運行時關(guān)閉旁路擋板，低負荷時根據(jù)煙溫提升需求按比例打開旁路擋板，用高溫的旁路煙氣加熱省煤器后煙氣，提高脫硝裝置入口煙溫。

3.2.2 省煤器給水旁路

在省煤器給水入口引出一路給水旁路，低負荷時按比例打開給水旁路調(diào)節(jié)閥，讓一部分給水繞過省煤器直接進入水冷壁，通過分流給水流量的方式減少省煤器吸熱，間接提高脫硝裝置入口溫度。

3.2.3 省煤器上下分級

把省煤器分為上下兩級，上級(熱端)省煤器布置在脫硝裝置入口上游，下級(冷端)省煤器布置在脫硝裝置出口下游，相當(dāng)于脫硝裝置入口煙氣從省煤器中間抽取，提高了各個負荷下脫硝裝置的入口煙溫。

3.2.4 設(shè)置“0號”高壓加熱器

在汽輪機高壓缸上增加一個抽汽口和一級高壓加熱器，當(dāng)負荷降低時，投入這級增加的高壓加熱器，通過提高給水溫度，減小給水與省煤器煙氣的平均溫差，達到減小換熱量、提高脫硝裝置入口煙溫的目的。

3.2.5 省煤器中間集箱流量調(diào)節(jié)

在省煤器合適的中間位置設(shè)置一個中間集箱，給水設(shè)置一路帶調(diào)節(jié)閥的旁路直接進入中間集箱。通過調(diào)節(jié)旁路的給水流量改變中間集箱以下省煤器受熱面的吸熱量，從而改變省煤器后排煙溫度。

3.2.6 省煤器給水再循環(huán)

在省煤器進口與出口之間設(shè)置再循環(huán)旁路，通過循環(huán)泵改變再循環(huán)的給水比例，改變省煤器進口給水溫度，間接改變省煤器出口煙氣溫度。

4 結(jié)論

a) 本文對廣東省84.2%的燃煤機組進行了調(diào)研，對所調(diào)研機組的鍋爐類型分布、機組容量分布以及三大環(huán)保設(shè)備的類型分布和故障特征進行了研究分析。其中，脫硫設(shè)備的主要型式為石灰石-石膏濕法脫硫，脫硝設(shè)備的主要型式為SCR脫硝，除塵設(shè)備的主要型式為電除塵。

b) 脫硫設(shè)備的主要故障為引風(fēng)機、增壓風(fēng)機故障和GGH故障，針對此類故障類型，本文提出了采用低硫煤、增容改造、取消GGH和增引合一等4種優(yōu)化措施。

c) 脫硝設(shè)備是退出運行程度最大的環(huán)保設(shè)備，主要是低溫退出運行。因此，脫硝裝置的優(yōu)化措施主要圍繞拓寬SCR裝置適用溫度范圍來展開。

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(編輯 彭艷)

Faults Analysis and Optimization Measures of Environmental Protection Equipment for Coal-fired Units in Guangdong Province

LU Weihui1, HE Shizhi1, LIAO Yongjin2, ZHANG Jie3

(1.Electric Power Dispatching Control Center of CSG, Guangzhou, Guangdong 510623, China; 2.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China; 3.South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China)

This paper investigates and analyzes operational situation of environmental protection equipment in 40 coal-fired power plants in Guangdong province, and studies influencing factors on reliability of these equipment.In 2014, total time of fault and limited load of each unit of the denitration system is 4.4 hour while out-of-running time is 219 hour.Total time of fault and limited load of each unit of desulfurization system and dedusting system is 2.5 hour and out-of-running time is zero.Therefore, it concludes that the denitration system is the main influencing factor on reliability of environmental protection equipment.It also presents optimization measures for improving reliability of environmental protection equipment.

coal-fired power plant; environmental protection equipment; fault rate; reliability

2016-07-28

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.11.009

X773

B

1007-290X(2016)11-0042-05

盧偉輝(1977)，男，廣東興寧人。工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事發(fā)電調(diào)度管理與研究工作。

和識之(1982)，男，云南麗江人。工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事發(fā)電調(diào)度管理與研究工作。

廖永進(1971)，男，陜西西安人。教授級高級工程師，工學(xué)碩士，主要從事火電廠脫硫、脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化與研究工作。