1 000 MW超超臨界機(jī)組空預(yù)器改造技術(shù)研究及應(yīng)用

王 林

(安徽安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 安慶 246000)

0 引 言

空預(yù)器是電站鍋爐中重要的換熱設(shè)備。在機(jī)組運(yùn)行中，空預(yù)器堵灰影響機(jī)組安全、穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行，嚴(yán)重情況時會造成空預(yù)器堵塞，引起壓差升高，風(fēng)機(jī)出力不足造成風(fēng)機(jī)喘振、失速，甚至非計劃停機(jī)?？疹A(yù)器改造是解決該問題的有效方法[1]。

某發(fā)電有限責(zé)任公司3、4號機(jī)組為1 000 MW機(jī)組，配套東方鍋爐廠生產(chǎn)的超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，每臺鍋爐配備2臺由東方鍋爐廠提供的型號為LAP17286/2350的空預(yù)器。機(jī)組投運(yùn)即配套安裝了SCR煙氣脫硝裝置，采用尿素?zé)峤夥ㄖ苽涿撓踹€原劑。脫硝投運(yùn)后，由于氨逃逸不可避免，逃逸氨和煙氣中SO3反應(yīng)生成的硫酸氫氨在空預(yù)器低溫段中凝結(jié)，造成空預(yù)器堵塞嚴(yán)重，差壓上升至2.4 kPa，最高時期上升至3.0 kPa，同時造成低溫省煤器腐蝕、堵塞，最終使得引風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況惡劣，電流上升，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

為了改善空預(yù)器運(yùn)行狀況，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性，需要對空預(yù)器進(jìn)行改造，解決積灰、堵塞問題。

1 空預(yù)器改造技術(shù)分析

空預(yù)器改造首先針對空預(yù)器的實際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，依據(jù)改造后的工況進(jìn)行詳細(xì)計算，制訂出切實可行的空預(yù)器改造方案。目前空預(yù)器的防堵改造技術(shù)路線主要有風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)、暖風(fēng)器技術(shù)、熱風(fēng)再循環(huán)改造等[2]。

風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)針對于空預(yù)器的堵塞機(jī)理進(jìn)行研究，該方法是加熱即將結(jié)露的部分，以此解決低溫結(jié)露問題，不需要外接熱源，對排煙溫度影響較小，能量相對集中，效果穩(wěn)定，蒸汽吹灰器頻率降低，不需要每次停機(jī)進(jìn)行元件沖洗等。風(fēng)量分切技術(shù)的缺點是要對空預(yù)器內(nèi)部扇形板進(jìn)行局部改動，增加了風(fēng)量分切風(fēng)機(jī)，系統(tǒng)能耗增加等。

鍋爐暖風(fēng)器是利用汽輪機(jī)低壓抽汽加熱空氣預(yù)熱器進(jìn)口空氣的熱交換器。采用暖風(fēng)器技術(shù)，系統(tǒng)的風(fēng)溫可調(diào)范圍大，能夠提高機(jī)組在較低氣溫下的一次風(fēng)進(jìn)口風(fēng)溫，從而提高空預(yù)器排煙溫度。該技術(shù)缺點也很明顯，例如增加了風(fēng)道的阻力，提高了一次、二次風(fēng)機(jī)的耗電量，鍋爐熱效率下降，增加低壓抽汽量，降低全廠效率，投資成本較高等。

熱風(fēng)再循環(huán)改造方式是在空氣預(yù)熱器二次風(fēng)出口處增設(shè)一段風(fēng)道，從預(yù)熱器出口中抽出一部分熱風(fēng)，與入口的冷風(fēng)混合，以提高入口風(fēng)溫，從而提高冷端溫度。熱風(fēng)再循環(huán)技術(shù)具有如下優(yōu)點：改造成本低，系統(tǒng)停用對空預(yù)器運(yùn)行沒有影響。同時，熱風(fēng)再循環(huán)技術(shù)無法克服如下缺點：增加了送風(fēng)機(jī)的電耗，增加送風(fēng)機(jī)葉片磨損，降低鍋爐熱效率，造成空預(yù)器堵塞、腐蝕問題等。

以上幾種技術(shù)各有優(yōu)缺點，綜合分析對比后，在進(jìn)行技術(shù)方案選擇時，可以遵從如下條件[3]：

1)暖風(fēng)器技術(shù)多應(yīng)用于環(huán)境溫度很低的地區(qū)，能一定程度提高空預(yù)器排煙溫度，減緩空預(yù)器冷端受熱元件的堵塞。但使用暖風(fēng)器技術(shù)會帶來一次、二次風(fēng)阻力的增加，安慶電廠一次、二次風(fēng)機(jī)裕量不足，一次、二次風(fēng)阻力的增加會影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，且使用暖風(fēng)器技術(shù)在一定程度上增加能耗水平，其設(shè)備較多，系統(tǒng)復(fù)雜，投資成本高。

2)熱風(fēng)再循環(huán)技術(shù)也能在一定程度上提高空預(yù)器的排煙溫度，從而減緩冷端受熱元件的堵塞程度。但熱風(fēng)再循環(huán)技術(shù)同樣存在降低鍋爐效率、增加二次風(fēng)阻力，降低鍋爐熱效率的缺點。且熱風(fēng)再循環(huán)的熱二次風(fēng)含有一部分灰，通過送風(fēng)機(jī)時，未經(jīng)過耐磨處理的送風(fēng)機(jī)葉片容易磨損，降低使用壽命，給機(jī)組的穩(wěn)定安全運(yùn)行帶來風(fēng)險。

3)而風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)直接利用熱風(fēng)來加熱空預(yù)器的冷端換熱元件，無需外加熱源，空預(yù)器排煙溫度基本保持不變，對鍋爐熱效率基本無影響。新增加的循環(huán)風(fēng)道對一次、二次風(fēng)阻力影響不大，對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行無影響。且其改造工程量小、投資較低。目前在國內(nèi)應(yīng)用該方法進(jìn)行技術(shù)改造的空預(yù)器有11臺，該方法能夠解決安慶電廠空預(yù)器堵塞的問題。

2 風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)改造

通過綜合比較分析，針對機(jī)組實際特點，此次改造最終選擇風(fēng)量分切防堵技術(shù)。風(fēng)量分切改造主要包括：扇形板改造、風(fēng)道改造、風(fēng)機(jī)及循環(huán)風(fēng)管布置、磨料清掃系統(tǒng)改造、電氣系統(tǒng)和熱控系統(tǒng)改造等。

2.1 扇形板改造

為實現(xiàn)分切風(fēng)的循環(huán)，須在空預(yù)器中設(shè)置循環(huán)風(fēng)分倉，機(jī)組空預(yù)器轉(zhuǎn)向為煙氣側(cè)→一次風(fēng)側(cè)→二次風(fēng)側(cè)，因此，循環(huán)風(fēng)分倉設(shè)置在二次風(fēng)側(cè)分倉內(nèi)，需要對空氣預(yù)熱器的扇形板進(jìn)行改造，扇形板改造的方案示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 扇形板改造前示意圖

圖2 扇形板改造后示意圖

如圖2所示，將一次、二次風(fēng)之間的原15°扇形板改為7.5°的扇形板，在保證一次風(fēng)側(cè)流通面積不變的條件下，靠近一次風(fēng)側(cè)放置。原二次風(fēng)與煙氣側(cè)之間22.5°扇形板不動，在靠近二次風(fēng)側(cè)增設(shè)1個7.5°的扇形板，調(diào)節(jié)該扇形板與煙氣側(cè)扇形板的相對位置，形成1個循環(huán)風(fēng)分倉，循環(huán)風(fēng)分倉所占角度為7.5°，上下2塊扇形板之間設(shè)置對應(yīng)的弧形門，該方案需占用二次風(fēng)側(cè)流通面積，經(jīng)過計算，影響二次風(fēng)約88 Pa。

2.2 空預(yù)器風(fēng)道改造

在空預(yù)器內(nèi)部改造時，在調(diào)整二次風(fēng)側(cè)新增扇形板后形成的循環(huán)風(fēng)分倉位置增加隔板，安裝分倉，隔板設(shè)計為錳鋼板。在分倉內(nèi)部加設(shè)導(dǎo)流板，使熱風(fēng)能夠在分倉內(nèi)部均布，保證處在分倉內(nèi)部的所有蓄熱元件都能被加熱，分倉出口到風(fēng)管之間增設(shè)過渡段和變徑。

為實現(xiàn)循環(huán)風(fēng)的閉式循環(huán)，在冷、熱端循環(huán)風(fēng)分倉兩端用風(fēng)道連接，并在循環(huán)風(fēng)道中安裝高溫防磨循環(huán)風(fēng)機(jī)作為循環(huán)的動力，風(fēng)機(jī)變頻。同時，在靠近冷、熱端循環(huán)風(fēng)分倉進(jìn)出口位置安裝調(diào)節(jié)蝶閥，使防堵灰系統(tǒng)獨立。改造示意圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)道改造示意圖

2.3 風(fēng)機(jī)及循環(huán)風(fēng)管布置

根據(jù)對安慶電廠1 000 MW機(jī)組現(xiàn)場空間實地考察，結(jié)合空預(yù)器的轉(zhuǎn)向、空預(yù)器本體的改造位置和風(fēng)管的布置等因素，以及安全可靠、有利操作、經(jīng)濟(jì)合理的改造原則綜合考慮后，將2臺循環(huán)風(fēng)機(jī)布置在A、B側(cè)空預(yù)器之間，靠近電除塵一側(cè)的位置。如圖4、圖5所示。

圖4 循環(huán)風(fēng)機(jī)及風(fēng)道安裝立面圖

圖5 循環(huán)風(fēng)機(jī)及風(fēng)道安裝平面圖

2.4 磨料清掃系統(tǒng)改造

為了對附著在蓄熱元件上的灰分及時清掃，防止由于灰分過度積累導(dǎo)致堵灰狀況，在循環(huán)風(fēng)中加入少量磨料，采用循環(huán)風(fēng)攜帶磨料沖刷蓄熱元件，對蓄熱元件上的積灰進(jìn)行定期清掃。此方法優(yōu)勢在于，攜帶磨料的方式可以保證在整個循環(huán)風(fēng)倉里磨料和空氣的速度一致，這樣磨料對蓄熱元件的沖掃效果相同，無論低溫區(qū)還是中溫區(qū)都能達(dá)到良好的清掃效果，而且干燥的磨料對蓄熱元件表面凝結(jié)的液體有吸附作用，在清掃的同時可以將表面的液體帶走，進(jìn)一步防止積灰。

2.5 電氣系統(tǒng)改造

電氣系統(tǒng)改造主要包含[4]：每臺爐新增2臺循環(huán)風(fēng)機(jī)。在現(xiàn)場設(shè)置急停按鈕，以供現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)故障時及時停止設(shè)備運(yùn)行，保障現(xiàn)場人員、設(shè)備安全。空預(yù)器風(fēng)量分切防堵灰系統(tǒng)簡圖如圖6所示。

圖6 空預(yù)器防堵灰系統(tǒng)簡圖

2.6 控制系統(tǒng)改造

此項目控制系統(tǒng)主要改造內(nèi)容為新增設(shè)備監(jiān)控測點，并入現(xiàn)有DCS系統(tǒng)中。實現(xiàn)由DCS對防堵灰系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。操作站使用現(xiàn)有操作站，增設(shè)組態(tài)畫面，由運(yùn)行人員通過屏幕對新增防堵灰系統(tǒng)設(shè)備、數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控[5]。

2.7 設(shè)備基礎(chǔ)

此次改造主要增加煙道系統(tǒng)，煙道采用鋼架支撐。建議改造工程實施時，由工程公司對煙道支撐提出具體設(shè)計方案。每臺爐A、B側(cè)循環(huán)風(fēng)機(jī)布置在2臺空預(yù)器之間靠近電除塵一側(cè)，放置在0 m位置，如圖7所示。新增循環(huán)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)均采用鋼筋混凝土。

圖7 新增循環(huán)風(fēng)機(jī)位置

實際改造系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 4號機(jī)組空預(yù)器風(fēng)量分切防堵灰系統(tǒng)局部

3 風(fēng)量分切防堵灰設(shè)備改造效果分析

3、4號機(jī)風(fēng)量分切防堵灰系統(tǒng)自完成168 h試轉(zhuǎn)正式投運(yùn)以后，空預(yù)器煙氣側(cè)壓差一直保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)上升的趨勢。風(fēng)量分切防堵灰系統(tǒng)投運(yùn)后，有效地防止了空預(yù)器冷端稀硫酸的腐蝕及硫酸氫銨的生成，避免了空預(yù)器堵灰，空預(yù)器防堵灰效果明顯。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 3號機(jī)組改造前后參數(shù)對比Table 1 Parameter comparison of unit 3 before and after modification

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過技術(shù)改造，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，具體從幾個角度進(jìn)行分析[6]：

4.1 風(fēng)機(jī)節(jié)能效益

改造后，由于預(yù)熱器阻力的下降，預(yù)計2臺引風(fēng)機(jī)、2臺一次風(fēng)機(jī)、2臺送風(fēng)機(jī)、1臺增壓風(fēng)機(jī)的電流將大幅降低。風(fēng)機(jī)功率為

P=Q×p/(3 600·1 000·η0·η1)

(1)

式中：Q為風(fēng)機(jī)流量，m3/h ；p為風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程，Pa；η0為風(fēng)機(jī)的內(nèi)效率；η1為機(jī)械效率。

由于在BMCR工況中，風(fēng)機(jī)基本上處于高效運(yùn)行區(qū)域，風(fēng)機(jī)效率受入口工質(zhì)壓力參數(shù)影響較小，取風(fēng)機(jī)效率為0.8，機(jī)械效率為0.98，則送、引以及一次風(fēng)機(jī)在滿負(fù)荷下的電功率降低如下：

ΔP=Q×Δp/(3 600·1 000·η0·η1)

(2)

改造后，(相同運(yùn)行氧量的)滿負(fù)荷工況下風(fēng)機(jī)降耗數(shù)據(jù)見表2。

表2 BMCR工況下風(fēng)機(jī)降耗 Table 2 Fan consumption reduction under BMCR condition

保守估計，滿負(fù)荷下2臺爐12臺風(fēng)機(jī)總共下降1 820.8 kW，但2臺爐增加4臺循環(huán)風(fēng)機(jī)利用率按照0.5計算，總功率為800 kW，1 000 MW機(jī)組年利用小時數(shù)按4 500 h，上網(wǎng)電價按0.32元/(kW·h)計算。

年節(jié)約廠用電：

(1 820.8-800)kW×4 500 h=4.593×106(kW·h)

年增加電量收入：

4.593×106(kW·h)×0.32(元/(kW·h))=146萬元

4.2 機(jī)組運(yùn)行可靠性提高的效益

鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)余量增加，機(jī)組運(yùn)行可靠，因預(yù)熱器原因產(chǎn)生的檢修次數(shù)大大降低，機(jī)組滿發(fā)時間延長，事故限負(fù)荷時間減少。按照改造后每年至少減少一次停爐進(jìn)行空預(yù)器水沖洗的次數(shù)，保守折算為平均年減少事故天數(shù)5天。按日平均負(fù)荷為8×105kW，發(fā)電利潤為0.15元/(kW·h)估計，2臺機(jī)組1年因可靠性提高的經(jīng)濟(jì)效益估算如下：

0.15(元/(kW·h))×800 000 kW×24 h×5×2 =2 880萬元

4.3 空預(yù)器改造后總收益

2臺鍋爐空預(yù)器全部改造每年帶來的收益為風(fēng)機(jī)節(jié)能效益和機(jī)組運(yùn)行可靠性提高的效益之和，即：

146萬元+2 880萬元=3 026萬元

5 結(jié) 語

對不同空預(yù)器改造技術(shù)的優(yōu)缺點進(jìn)行分析，并依據(jù)安徽安慶皖江發(fā)電有限責(zé)任公司3、4號鍋爐特性，確定采用風(fēng)量分切方法進(jìn)行改造。

根據(jù)運(yùn)行監(jiān)控數(shù)據(jù)，4號鍋爐自防堵灰系統(tǒng)于2019年6月正式投運(yùn)，運(yùn)行4個月以來風(fēng)機(jī)利用系數(shù)為0.5，空預(yù)器壓差一直保持穩(wěn)定，未見上升，提高了鍋爐及輔機(jī)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性。 空預(yù)器改造后，每年2臺機(jī)組的風(fēng)機(jī)節(jié)電1.820 8×107(kW·h)，增加電量收入約146萬元；因機(jī)組可靠性提高增加的發(fā)電利潤約2 880萬元，節(jié)能降耗經(jīng)濟(jì)效益明顯。