古交西山發(fā)電廠2×660 MW機(jī)組脫硝稀釋風(fēng)系統(tǒng)的改造與優(yōu)化

耿衛(wèi)眾

（古交西山發(fā)電有限公司，山西古交 030206）

0 引言

古交西山發(fā)電有限公司2×660 MW超超臨界直接空冷機(jī)組配套了選擇性催化還原SCR（selective catalytic reduction）煙氣脫硝系統(tǒng)，SCR反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器出口與空氣預(yù)熱器之間，屬于高含塵布置方式。SCR反應(yīng)器內(nèi)部裝有板式催化劑，催化劑層數(shù)按“3＋1”模式布置。脫硝系統(tǒng)長期運(yùn)行后，脫硝稀釋風(fēng)量明顯下降，噴氨量增加，氨逃逸增大，空氣預(yù)熱器差壓升高，嚴(yán)重威脅著機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 脫硝稀釋風(fēng)系統(tǒng)工藝介紹

脫硝稀釋風(fēng)從鍋爐空預(yù)器出口A側(cè)熱一次風(fēng)母管引出1根DN600 mm的管道，經(jīng)過逆止閥后分為2根DN450 mm的管道進(jìn)入A、B兩側(cè)的氨空混合器，在氨空混合器內(nèi)，水解器來的氨氣與稀釋風(fēng)均勻混合后，體積分?jǐn)?shù)≤5%的稀釋氨氣進(jìn)入A、B兩側(cè)稀釋氨氣分配母管，再分別通過16根裝有手動(dòng)調(diào)節(jié)閥的支管，進(jìn)入16個(gè)噴氨格柵前的小聯(lián)箱，每個(gè)聯(lián)箱分別引出長、短2支各裝有20個(gè)設(shè)有節(jié)流孔板噴嘴的噴氨格柵。單側(cè)煙道噴氨格柵共有32支噴氨管道、640個(gè)斜向45°布置的噴氨噴嘴，分上下2層布置，將熱一次風(fēng)稀釋后的氨氣均勻地分布在煙道內(nèi)，與煙氣中的NOx充分混合反應(yīng)。脫硝稀釋風(fēng)系統(tǒng)在進(jìn)入氨空混和器前各加裝1個(gè)電動(dòng)門和流量計(jì)，以滿足脫硝系統(tǒng)運(yùn)行要求[1]。

2 脫硝稀釋風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行情況

古交西山發(fā)電有限公司2號機(jī)組于2018年9月28日通過168 h滿負(fù)荷試運(yùn)進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營。機(jī)組168 h試運(yùn)期間，脫硝單側(cè)熱一次稀釋風(fēng)量在4 300 m3/h左右，兩側(cè)稀釋風(fēng)總風(fēng)量為9 000 m3/h左右。脫硝裝置入口NOx均值為416.93 mg/m3（標(biāo)態(tài)，干基，6%O2），出口 NOx均值為 38.15 mg/m3，脫硝效率為90.84%，高于設(shè)計(jì)值89%。自動(dòng)噴氨調(diào)節(jié)閥運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)閥開度為65.67%左右，水解器產(chǎn)生氨蒸氣量為531.17 kg/h與理論計(jì)算需氨量（565.25 kg/h）接近，氨逃逸值為 0.205 μL/L，空預(yù)器壓差維持在1.2 kPa左右。

2019年2月13日發(fā)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)兩側(cè)熱一次稀釋風(fēng)量逐漸減小，3月21日起兩側(cè)稀釋風(fēng)量減小速度明顯加快，機(jī)組負(fù)荷較低時(shí)，脫硝稀釋風(fēng)量減小速度更快。4月10日脫硝B側(cè)稀釋風(fēng)量降為700 m3/h以下，最低時(shí)流量表計(jì)顯示為0，A側(cè)稀釋風(fēng)量最低時(shí)流量表顯示為400 m3/h。此時(shí)，脫硝噴氨調(diào)節(jié)閥不能自動(dòng)運(yùn)行，需人工手動(dòng)調(diào)節(jié)噴氨，氨逃逸顯示大于5 μL/L，鍋爐空預(yù)器壓差出現(xiàn)上升趨勢，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為了提高脫硝系統(tǒng)熱一次稀釋風(fēng)量，維護(hù)人員臨時(shí)在脫硝噴氨支管手動(dòng)調(diào)節(jié)門后加裝手動(dòng)吹掃閥，當(dāng)稀釋風(fēng)量偏低或噴氨支管溫度低于180℃時(shí)，人工對脫硝噴氨支管進(jìn)行壓縮空氣吹掃[2]，在一定程度上緩解了稀釋風(fēng)量的減小速度，但同時(shí)增加了運(yùn)維人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 脫硝稀釋風(fēng)流量減小的原因分析

為了徹底解決脫硝稀釋風(fēng)量降低的問題，本文從設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、施工安裝等方面進(jìn)行分析。

3.1 設(shè)計(jì)方面

根據(jù)初設(shè)資料及設(shè)計(jì)計(jì)算書，熱一次稀釋風(fēng)源頭設(shè)計(jì)參數(shù)為：P=14.26 kPa，t=321℃。稀釋風(fēng)管路壓降為6.5 kPa，其中稀釋風(fēng)主管壓降為0.78 kPa，混合氨氣前稀釋風(fēng)支管壓降為0.13 kPa，混合氨氣后熱風(fēng)支管壓降為0.06 kPa，稀釋氨氣分配母管壓降為0.06 kPa，噴氨支管壓降為2.72 kPa，氨空混合器壓降為1.0 kPa，壓差式節(jié)流孔板流量計(jì)壓降為1.75 kPa。因此，噴氨格柵前小聯(lián)箱的入口風(fēng)壓為7.76 kPa左右，稀釋風(fēng)流量不小于9 574 m3/h。

在實(shí)際運(yùn)行中，脫硝熱一次稀釋風(fēng)源頭壓力為8.0～9.5 kPa，低于設(shè)計(jì)參數(shù) 14.26 kPa（14.26 kPa 為鍋爐一次風(fēng)機(jī)的全壓升），若計(jì)算書中其他壓損正常的情況下，噴氨格柵前小聯(lián)箱的入口風(fēng)壓為1.5～2.5 kPa，導(dǎo)致噴氨格柵噴嘴噴射速率達(dá)不到煙氣流速的 2～3 倍[3-4]。

3.2 設(shè)備方面

脫硝氨空混合器采用隔板式氨空混合器，熱一次稀釋風(fēng)所攜帶飛灰與尿素水解所產(chǎn)生的氨氣攜帶蒸汽中不能被熱一次風(fēng)完全帶走的水分混合，容易使飛灰在氨空混合器中結(jié)塊，使氨空混合器流通截面減小，阻力增大[5]。運(yùn)行過程中，實(shí)際測量氨空混合器的壓損為3.27 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求的1.0 kPa。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)，壓差式流量計(jì)運(yùn)行最大壓損為2.918kPa，大于1.75kPa的設(shè)計(jì)值。

實(shí)際運(yùn)行中，由于氨空混合器及壓差式流量計(jì)產(chǎn)生的阻力遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，進(jìn)一步降低了氨格柵前小聯(lián)箱入口風(fēng)壓，使噴氨格柵噴嘴噴射速率更小。

3.3 施工安裝方面

脫硝稀釋風(fēng)系統(tǒng)在進(jìn)入A、B兩側(cè)氨空混合氣之前的母管設(shè)計(jì)有逆止閥，施工過程中，工作人員未按圖施工，將逆止閥由母管水平段改裝在母管豎直段，導(dǎo)致熱一次風(fēng)通過該逆止閥時(shí)，必須克服閥門的自重，增加了管道局部阻力。經(jīng)實(shí)際測量，當(dāng)逆止閥前的稀釋風(fēng)壓為8.5 kPa時(shí)，經(jīng)過逆止閥后的風(fēng)壓降為5.8 kPa，壓降損失為2.7 kPa，然而在在稀釋風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算書中對該阻力進(jìn)行了忽略。

綜上所述，脫硝稀釋風(fēng)源頭實(shí)際運(yùn)行壓力低于設(shè)計(jì)壓力，而稀釋風(fēng)系統(tǒng)管道運(yùn)行阻力明顯大于設(shè)計(jì)值，使噴氨格柵前小聯(lián)箱入口風(fēng)壓較低，噴氨格柵噴嘴噴射速率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，稀釋風(fēng)攜帶的飛灰不能及時(shí)通過噴氨格柵噴嘴排出導(dǎo)致噴氨格柵堵塞，從而造成稀釋風(fēng)量下降。

4 脫硝稀釋風(fēng)系統(tǒng)的改造與優(yōu)化

根據(jù)以上分析，為避免稀釋風(fēng)攜帶的飛灰不能及時(shí)排出噴氨格柵造成脫硝稀釋風(fēng)風(fēng)量下降的問題，提出以下兩種解決方案：一是提高稀釋風(fēng)源頭壓力；二是降低稀釋風(fēng)管道壓損。由于脫硝稀釋風(fēng)源頭壓力無法提高，因此只能從降低管道壓損方面采取措施。

根據(jù)流體力學(xué)基本原理[6]，管道系統(tǒng)的阻力損失由流體在直管內(nèi)的摩擦阻力所引起的沿程阻力損失和局部阻力損失組成。即

其中，hf為總阻力損失；hl為沿程阻力損失；hm為局部阻力損失；λ為沿程阻力系數(shù)；l為管道長度；d為管道直徑；U為流體流速；ζ為局部阻力系數(shù)。

由式（1）—式（3）可知，降低系統(tǒng)阻力的方式有：降低沿程阻力系數(shù)；降低管道長度；加大管徑；降低局部阻力系數(shù)。

在現(xiàn)場設(shè)備布置位置以及布置空間已定的情況下，降低管道長度和加大管徑無法實(shí)現(xiàn)，因此對現(xiàn)有的系統(tǒng)只能從降低沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)出發(fā)解決問題。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備、管道運(yùn)行參數(shù)，主要從以下幾方面采取措施。

4.1 優(yōu)化氨空混合器及流量計(jì)

脫硝裝置每側(cè)稀釋風(fēng)管路裝有1臺隔板式氨空混合器，該氨空混合器內(nèi)有5塊折流板，實(shí)際運(yùn)行過程中，測量其阻力損失為3.27 kPa，經(jīng)與設(shè)備廠家技術(shù)人員溝通確認(rèn)，拆除第2、第4塊折流板。拆除2塊折流板后，氨空混合器的阻力損失降至1.47 kPa。

脫硝裝置每側(cè)稀釋風(fēng)管路裝有1臺壓差式節(jié)流孔板流量計(jì)，該流量計(jì)最大壓損可達(dá)2.918 kPa。為了降低流量計(jì)產(chǎn)生的阻力損失，將該流量計(jì)更換為異形喉管流量計(jì)，更換后的流量計(jì)壓損較小，僅有0.05 kPa。

4.2 拆除稀釋風(fēng)母管上的逆止閥

為防止一次風(fēng)機(jī)突然故障，脫硝氨空混合器中噴入的氨氣返至具有較高溫度的熱一次風(fēng)母管而引發(fā)事故，在一次風(fēng)母管上設(shè)計(jì)有逆止閥[7]。由于該逆止閥未按施工圖安裝，產(chǎn)生阻力較大，在征得原設(shè)計(jì)人員同意后，將該逆止閥閥板拆除。同時(shí)對噴氨程序進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)一次風(fēng)機(jī)故障失去脫硝稀釋風(fēng)后，連鎖關(guān)閉水解器至氨空混合器供氨氣動(dòng)門，以保證系統(tǒng)安全。

4.3 更換噴氨格柵噴嘴孔板

脫硝噴氨格柵采用長、短管組合的形式，減小集箱靜壓特性，保證在煙道深度方向噴氨均勻。噴嘴斜向布置，采用螺紋連接，中間位置設(shè)有d＝11 mm的節(jié)流孔圈，使氨噴射高度為噴管節(jié)距的1/4，保證煙道寬度方向每個(gè)噴嘴噴氨量均勻。

為了增大噴氨格柵噴嘴出口流通截面，使熱一次稀釋風(fēng)攜帶的飛灰能及時(shí)排出，同時(shí)保證各噴嘴噴氨量均勻，經(jīng)多次與原設(shè)計(jì)人員溝通，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中不同工況下脫硝裝置入口NOx值和稀釋風(fēng)溫度核算噴氨噴嘴孔板的孔徑，最終確定將噴氨格柵的1 280個(gè)噴氨噴嘴的節(jié)流孔板孔徑變更為d＝14 mm，有效增大了噴嘴的通流截面。

4.4 噴氨流場優(yōu)化調(diào)整

由于脫硝稀釋風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備改動(dòng)較多，稀釋風(fēng)量明顯變大，為防止因稀釋風(fēng)工況的變化造成噴氨格柵各區(qū)域噴氨量嚴(yán)重不均衡，造成NOx與NH3的混

合及反應(yīng)不充分，造成局部噴氨過量，影響下游空預(yù)器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，改造完成后首次投運(yùn)脫硝系統(tǒng)，由脫硝調(diào)試專業(yè)技術(shù)人員根據(jù)煙氣氣流的分布情況，調(diào)整各噴氨支管手動(dòng)閥開度，對噴氨格柵各區(qū)域的噴氨量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使各噴氨格柵噴嘴流量與煙氣中需還原的NOx含量相匹配，避免局部區(qū)域的噴氨過量[8]。

5 脫硝稀釋風(fēng)系統(tǒng)改造及優(yōu)化實(shí)施后的效果

5.1 稀釋風(fēng)量的變化

改造后機(jī)組500 MW以下負(fù)荷時(shí)脫硝稀釋風(fēng)量為5 900～6 200 m3/h，500 MW以上負(fù)荷時(shí)稀釋風(fēng)量為 6 600～7 000 m3/h，較改造前風(fēng)量增大了 2 500～3 000 m3/h。通過噴氨流場優(yōu)化調(diào)整后A、B兩側(cè)稀釋風(fēng)量偏差維持在300 m3/h左右，相對比較穩(wěn)定，且不需要頻繁對噴氨支管進(jìn)行壓縮空氣吹掃，大大減輕了運(yùn)維人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5.2 脫硝和脫硫裝置出口NOx的變化

脫硝裝置出口的煙氣經(jīng)過空氣預(yù)熱器的旋轉(zhuǎn)混合及脫硫裝置旋匯耦合器的均布，到達(dá)脫硫出口時(shí)混合更均勻，而脫硝裝置出口至脫硫裝置出口NOx幾乎不會被去除，因此，通過觀察脫硝裝置與脫硫裝置出口NOx值的偏差可輔助判斷脫硝裝置噴氨是否均衡。

改造前，脫硝裝置出口NOx值小于脫硫裝置出口NOx值，且偏差較大，偏差值大約為20 mg/m3。為了保證脫硫裝置出口排放凈煙氣中NOx值不超過35 mg/m3，脫硝裝置出口NOx值需控制在較小范圍內(nèi)，一般維持在15～20 mg/m3，導(dǎo)致實(shí)際噴氨量大于理論需氨量。改造后，脫硝裝置出口NOx值明顯高于脫硫裝置出口NOx值，脫硝裝置出口NOx值控制在45 mg/m3左右，脫硫出口凈煙氣NOx值可穩(wěn)定在35～40 mg/m3，實(shí)際噴氨量明顯小于理論需氨量。

5.3 噴氨量的變化

脫硝稀釋風(fēng)系統(tǒng)改造后，噴氨格柵各區(qū)域噴氨更均衡，噴氨量與煙氣中NOx相匹配，在機(jī)組負(fù)荷為660 MW、脫硝裝置入口NOx值為450 mg/m3、脫硝效率為89%的設(shè)計(jì)工況下，每1 h可節(jié)約氨蒸氣100 kg，相當(dāng)于節(jié)約尿素49.8 kg。按照尿素市場平均價(jià)格2 000元/t計(jì)算，每億kW·h電可節(jié)約運(yùn)行成本約1.5萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

6 結(jié)束語

針對古交西山發(fā)電公司脫硝系統(tǒng)運(yùn)行中脫硝稀釋風(fēng)量明顯下降、噴氨量增加、氨逃逸增大等問題，通過理論分析，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，找到了稀釋風(fēng)量降低的原因，并在分析原因的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的解決措施。措施實(shí)施后，稀釋風(fēng)量顯著增加且運(yùn)行穩(wěn)定，噴氨量和氨逃逸明顯降低，收到了預(yù)期的效果，大大提高了機(jī)組運(yùn)行的安全經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也減輕了運(yùn)維人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，對其他同類電廠脫硝系統(tǒng)的改造具有一定的參考價(jià)值。