燃煤火電機組低負荷運行時脫硫系統(tǒng)主要異常及應對

徐平

(江蘇華電句容發(fā)電有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212300)

0 引言

當前,中國經(jīng)濟已進入結(jié)構(gòu)調(diào)整狀態(tài)，“十三五”規(guī)劃、“供給側(cè)改革”也不斷進入后期階段,國內(nèi)能源領(lǐng)域因此產(chǎn)生了較大的變化。據(jù)推測,2020年前中國能源消費總量和能源消費結(jié)構(gòu)顯示，在基準情境下,預計能源消費總量增長將逐漸放緩,局部地區(qū)可能出現(xiàn)降低。國內(nèi)燃煤機組都參與調(diào)峰,長時間低負荷運行。

目前，國內(nèi)燃煤火電機組大多設(shè)置石灰石濕法脫硫系統(tǒng)，發(fā)電機組在高負荷狀態(tài)運行時，排放煙氣指標絕大多數(shù)滿足脫硫系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，脫硫系統(tǒng)容易保持正常運行，但發(fā)電機組在低負荷狀態(tài)運行時，排放煙氣中一些指標會超出脫硫系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，發(fā)電機組長時間在低負荷狀態(tài)運行，脫硫系統(tǒng)會發(fā)生一系列異常情況，它們不但給脫硫系統(tǒng)運行造成許多不利的影響，還會直接威脅發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。

1 石灰石濕法脫硫低負荷運行故障原因

2015年以來，我國能源需求總量增長降幅較大,局部地區(qū)發(fā)電機組出現(xiàn)大面積停機待運狀態(tài)，許多區(qū)域電網(wǎng)負荷需求低，運行中的燃煤火力發(fā)電機組長期參與調(diào)峰運行，脫硫系統(tǒng)機組低負荷運行時，因鍋爐需要投油助燃、電除塵停運等操作，進入脫硫系統(tǒng)的煙氣中燃油成分、灰分、有機物超標，造成吸收塔內(nèi)漿液起泡、溢流、漿液中毒、除霧器和煙氣熱交換器(GGH)堵塞、增壓風機(合并風機)失速與喘振等故障。

1.1 吸收塔漿液液泡聚集成因及應對

吸收塔漿液的液泡，是由漿液表面作用而生成，是氣體在漿液中的分散體系。吸收塔內(nèi)的煙氣因托盤持液層和吸收塔噴淋層的漿液不斷連續(xù)分割、撞擊，產(chǎn)生大小不一的液泡，當液泡表面張力較大時，泡沫的體積較大，反之，當液泡表面張力較小時，泡沫的體積也較小。液泡表面張力較小的液泡易破裂，難以持久保持存在。液泡表面張力較大的液泡則狀態(tài)穩(wěn)定，不易破滅。所以，在漿液中生成的不易破裂的氣泡上升到漿液表面，不斷聚集，就形成了液泡層。顯然，吸收塔內(nèi)漿液產(chǎn)生穩(wěn)定的液泡，需同時滿足3個條件，即煙氣與漿液連續(xù)不斷地接觸、煙氣與漿液的密度相差超過一定值、漿液張力較小的液體。

脫硫煙氣系統(tǒng)運行時，吸收塔漿液因吸收塔循環(huán)漿液泵將漿液連續(xù)的提升，經(jīng)噴嘴霧化噴出后與對流煙氣形成充分接觸，氧化空氣進入吸收塔漿液經(jīng)攪拌器(或脈沖懸浮泵)攪拌使氣體與液體連續(xù)又充分地接觸，這2個方面的原因是泡沫產(chǎn)生的首要條件。吸收塔漿液因發(fā)電機組長時間低負荷運行，漿液中燃油成分、灰分、有機物超標，SO2在與吸收塔內(nèi)漿液反應條件惡化，SO2反應吸收速度變緩，進而導致吸收塔漿液排出和脫水時間延長。為了保證脫硫效率，運行人員又不能停止注入石灰石漿液，造成吸收塔內(nèi)漿液密度不斷上升，氣體與液體的密度相差增大，最終形成了泡沫產(chǎn)生的第2個條件。當吸收塔漿液密度的上升，漿液表面張力減小時，漿液具備了吸收塔漿液容易起泡的第3個條件。當吸收塔漿液不易破裂的液泡不斷產(chǎn)生，并在吸收塔內(nèi)漿液表面聚集,這就是吸收塔漿液液面氣泡層厚度逐漸增長的原因。發(fā)電機組在長時間低負荷狀態(tài)運行時，要完全消除石灰石濕法脫硫吸收塔內(nèi)漿液的氣泡聚集是很難做到的，但可以將液泡層厚度聚集控制在一定的范圍內(nèi)，一般采取以下方法。降低對吸收塔內(nèi)漿液的擾動，使吸收塔內(nèi)產(chǎn)生的泡沫內(nèi)在動能降低。運行中一般采用減少吸收塔噴淋層的投運層數(shù)，減少氧化空氣或降低脈沖懸浮泵的出口流量，控制氧化空氣的注入量等手段，降低吸收塔內(nèi)漿液的密度，使?jié){液表面張力增大，降低產(chǎn)生液泡的生成條件。

1.2 吸收塔漿液溢流原因及其應對方法

石灰石濕法脫硫SO2吸收反應主要發(fā)生在吸收塔內(nèi)，吸收塔液位通常是在分布式控制系統(tǒng)(DCS)顯示，其顯示數(shù)值是通過與吸收塔漿液池相連通的壓力變送器測得的差壓與吸收塔內(nèi)漿液密度的換算值。當吸收塔內(nèi)漿液不斷產(chǎn)生氣泡及液泡聚集后，導致DCS控制系統(tǒng)顯示的液位數(shù)值并不真實，由于泡沫層引起的“虛假液位”實際高于顯示液位，會發(fā)生吸收塔漿液溢流管因液泡溢流產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象，使大量吸收塔漿液排出塔外。因此，當吸收塔漿液液泡聚集高度不斷上升時，因DCS控制系統(tǒng)液位顯示失真，又不能及時采取相應的輔助手段進行監(jiān)控，導致吸收塔漿液溢流事故的發(fā)生。

為了有效防止吸收塔漿液溢流，首先要準確判斷出吸收塔的液位高度，將液位降低至吸收塔塔壁與溢流管連接部(當煙氣和液泡排出時)，通過現(xiàn)場觀察和DCS此時顯示的液位，可大致推斷出吸收塔內(nèi)液泡厚度。其次，降低吸收塔內(nèi)漿液密度，降低漿液產(chǎn)生液泡生成速度。如情況緊急，必要時注入消泡劑，控制塔內(nèi)液泡厚度。

1.3 吸收塔漿液中毒成因及應對方法

“漿液中毒”多由氟化鋁和亞硫酸鹽2個因素引發(fā)。進入吸收塔煙氣中的飛灰、石灰石粉及工藝水中的AlF3與漿液進行混合反應后，生成的氟化鋁化合物將附著在石灰石顆粒表面，使石灰石粉細小顆粒的溶解度降低，煙氣中SO2吸收速度下降，最終導致漿液pH值調(diào)節(jié)力下降，脫硫效率降低。這就是運行中因AlF3導致的“漿液中毒”現(xiàn)象。

亞硫酸鹽引起的“漿液中毒”現(xiàn)象，是因為石灰石漿液與煙氣中的SO2反應生成CaSO3，再與氧化風機吹入空氣中的O2進行氧化反應，生成CaSO4·2H2O和CaSO4·1/2H2O，這些反應生成物的溶解度，隨著吸收塔漿液pH值的升高而下降，漿液中CaSO3的氧化反應變慢，石膏脫水系統(tǒng)將出現(xiàn)石膏脫水皮帶機運行中真空度增加、脫水石膏中含水率增加、旋流站溢流漿液密度增加。

1.4 除霧器和GGH堵塞及應對方法

吸收塔內(nèi)漿液液面和托盤持液層液面產(chǎn)生液泡聚集后，液泡會隨著吸收塔內(nèi)煙氣運動的方向移動，先后經(jīng)過除霧器和GGH,導致除霧器除霧元件和GGH的換熱元件顆粒吸附力增大，單位時間的固體累積量增加，且此凝結(jié)固體因液泡中的有機物成分加入，造成沖洗、吹掃難度的上升。如果在此情況下，依然按照正常運行時設(shè)定的運行模式運行，必然會導致除霧器除霧元件、GGH換熱元件的區(qū)域化的堵塞和通流面積的下降，除霧效率和換熱效率因元件表面結(jié)垢和煙氣流速的超標而降低。隨著堵塞區(qū)域不斷擴大，煙氣在脫硫系統(tǒng)的運行阻力也隨之不斷增加，最終可導致增壓風機(合并風機)發(fā)生失速和喘振故障。

除霧器和GGH堵塞后，會對脫硫系統(tǒng)出口的煙氣排放數(shù)值(含塵量)帶來較大的負面影響，并對發(fā)電機組的安全運行造成極大的隱患。運行中一旦發(fā)現(xiàn)除霧器和GGH進出口壓差增量增大，必須將吹掃由自動模式轉(zhuǎn)換成手動模式，縮短吹掃間隔時間，延長吹掃時間。這種應對方法會造成脫硫系統(tǒng)水平衡的破壞，需同步減少吸收塔系統(tǒng)其他進水點的注入量。

1.5 增壓風機的失速與喘振

增壓風機(合并風機)處于正常運行工況時，煙氣流動方向與風機葉片葉弦切線形成的夾角，術(shù)語中稱為沖角。當風機出口煙氣流過的系統(tǒng)阻力變化時(機組負荷的變化、吸收塔噴淋層投運數(shù)量變化、除霧器和GGH堵塞面積增加等)，需調(diào)整沖角以保持風機出口的風壓，正常情況下這些調(diào)整是在自動控制模式下進行。當沖角加大，而風機出口風壓無變化，這就是風機運行中的“失速”現(xiàn)象。失速現(xiàn)象越嚴重，流體的流動阻力越大，自動控制調(diào)整使葉片沖角加大，沖角超過臨界點后，風機出口風壓將隨之降低。

由于制造和安裝精度誤差，風機輪轂上的每只葉片形狀和安裝角都存在允許范圍內(nèi)的偏差，每只葉片的沖角達到臨界值的時間也不同，所以風機輪轂上的葉片不會同時發(fā)生失速現(xiàn)象。當一只風機葉片失速，造成此葉片周圍氣流受阻、葉道堵塞，通過的煙氣流量減少，迫使煙氣進入該葉片兩側(cè)通道進行分流 ，其相鄰的葉片因煙氣流量的增加而引發(fā)失速現(xiàn)象。這種失速現(xiàn)象沿著與葉輪旋轉(zhuǎn)相反的方向漸次出現(xiàn)，即產(chǎn)生俗稱的“旋轉(zhuǎn)失速”現(xiàn)象。

此時風機的運行進入到非正常狀態(tài)，風機輪轂周圍將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)失速區(qū)。葉片每經(jīng)過一次失速區(qū)就會因運轉(zhuǎn)工況的變化，導致葉片產(chǎn)生共振，嚴重時會造成葉片斷裂，發(fā)生嚴重設(shè)備安全事故。

當脫硫系統(tǒng)中煙氣壓力大于風機出口風壓時，脫硫煙氣系統(tǒng)中的煙氣將反向倒流，造成風機失速。經(jīng)過煙氣倒流使風機輪轂前后壓差平衡后，煙氣又在風機輪轂葉片的推動下做正向流動，風機又恢復正常工作。當風機出口煙氣系統(tǒng)的煙氣壓力超過風機出口風壓時，再次出現(xiàn)煙氣倒流。這種情況重復循環(huán)發(fā)生，會使風機因脫硫煙氣系統(tǒng)的壓力產(chǎn)生周期性振蕩現(xiàn)象,繼而造成風機“喘振現(xiàn)象”的發(fā)生。

增壓風機(合并風機)發(fā)生失速或喘振現(xiàn)象后，必須及時判斷其故障類別，采取如下相應的處理措施。

當風機處于自動運行操作模式，風機葉片沖角加大時，出現(xiàn)風機出口壓力回落、運行電流減小、軸承箱振動幅度加大等現(xiàn)象，可以判定此時風機已處在失速狀態(tài)中。運行人員需盡快將風機運行模式由自動控制切換到手動控制，緩慢調(diào)低風機的動葉或風機進出口擋板開度，使風機運行恢復至正常狀態(tài)，并記錄發(fā)生失速時風機動葉或擋板門的開度，通知其他運行班組人員在運行過程中避開記錄葉片或擋板門開度的區(qū)域，防止風機失速狀況的產(chǎn)生。

經(jīng)常性地發(fā)生失速或共振現(xiàn)象，要盡快采取停機檢修措施，消除或降低脫硫煙氣系統(tǒng)阻力，如清除吸收塔進口干濕界面、除霧器、GGH的堵塞等。

2 機組低負荷運行下脫硫系統(tǒng)的對策

上文已將發(fā)電機組長期在低負荷運行狀態(tài)時，由于石灰石濕法脫硫煙氣系統(tǒng)吸收塔漿液產(chǎn)生液泡引發(fā)的異常情況及處置方法分別進行了闡述，但在多數(shù)實際運行中是會同時出現(xiàn)幾種異?，F(xiàn)象，所以需要多種手段同時進行操作。下面將具體對策歸納如下。

(1)機組在低負荷狀態(tài)運行時，單位時間進入吸收塔的煙氣含硫總量比脫硫系統(tǒng)在設(shè)計工況時含硫總量低，同時運行中有意識的選用低硫煤進行燃燒，可采取停運部分漿液循環(huán)泵、減少氧化空氣吹入吸收塔漿液池的風量、減少脈沖懸浮泵出口進入吸收塔漿液懸浮系統(tǒng)管網(wǎng)漿液壓頭等手段，減弱外界對吸收塔漿液的擾動因素，達到控制吸收塔漿液液泡生成的數(shù)量。

(2)鍋爐在機組低負荷狀態(tài)運行時，根據(jù)燃煤揮發(fā)份的大小，鍋爐時常需要進行投油助燃、電除塵時常停運操作，因此進入吸收塔的煙氣中的粉塵、有機物和未完全燃燒的油污量大幅上升，為吸收塔內(nèi)漿液池液泡層短時間爆發(fā)性增長創(chuàng)造了必備的條件。為防止這一事態(tài)的發(fā)生，許多發(fā)電廠都備用了脫硫?qū)Ｓ孟輨?聚醚改性有機硅)，必要時將其向吸收塔連續(xù)或定時注入，利用化學方法達到抑制液泡層厚度的目的。

(3)當發(fā)電機組長時間處于低負荷狀態(tài)下運行時，必然會導致吸收塔漿液中毒情況的發(fā)生，這時就需要采取對吸收塔內(nèi)漿液進行置換、拋棄的手段加以應對。漿液置換量不大時，可將吸收塔部分漿液排放至事故罐，由事故罐暫時儲存，補充新鮮的石灰石漿液或水，待系統(tǒng)恢復正常后再逐步儲存在事故漿罐的漿液逐漸返回吸收塔進行消化。漿液置換量較大時，可進行拋漿處理，將拋棄的漿液輸送至專業(yè)處理機構(gòu)進行處理。

(4)用一些NaOH或石灰(CaO)、脫硫添加劑，在脫硫率低時通過地坑加入吸收塔，在短時間內(nèi)保證脫硫率，減緩漿液出現(xiàn)的中毒現(xiàn)象。

(5)吸收塔內(nèi)漿液采取“低液位”、“低pH值”、“低密度”的方式運行。液位控制在吸收塔溢流口即將有煙氣噴出時的高度，pH值控制在4.5～5.0區(qū)間，吸收塔內(nèi)漿液密度控制在小于1 100～1 120 kg/m3區(qū)間。

3 結(jié)束語

本文列舉了目前國內(nèi)燃煤石灰石濕法脫硫煙氣系統(tǒng)在發(fā)電機組低負荷運行狀態(tài)時易發(fā)故障，論述了故障產(chǎn)生的原因和運行中出現(xiàn)的現(xiàn)象，提出了有針對性的應對操作方法，期望能對機組在低負荷狀態(tài)時脫硫系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供幫助和借鑒。