大型燃機化學(xué)加氨系統(tǒng)及其安全技術(shù)研究與應(yīng)用

姬曉慧

（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州510663）

由于我國多煤少氣的能源格局，導(dǎo)致我國以往電力生產(chǎn)的主力是燃煤電廠，但是燃煤機組對環(huán)境的影響比較大。近年來，隨著我國環(huán)境形勢的日益嚴峻，并且世界各國對能源需求的不斷增長和環(huán)境保護的日益加強，清潔能源的推廣應(yīng)用已成必然趨勢。目前我國著力發(fā)展清潔能源，例如太陽能、水能、風(fēng)能、生物能、氫能、核能、海洋潮汐能、地?zé)崮艿?。其中燃?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組作為清潔能源發(fā)電的代表，在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用［1］。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電項目具有傳統(tǒng)燃煤電廠難以比擬的超低排放性，有利于生態(tài)環(huán)境的改善和節(jié)能減排的推進。因此如何在我國經(jīng)濟背景下提升燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠的運行經(jīng)濟性水平是非常必要的，其較高的經(jīng)濟性也可以提高燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠的盈利水平，從而促進燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠行業(yè)的快速發(fā)展。

廣東某燃機項目燃氣輪機、蒸汽輪機均由上海電氣股份有限公司提供，其中燃機為國內(nèi)首臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、核心技術(shù)的ANSALDO國產(chǎn)改進型F級燃機，余熱鍋爐采用東方菱日鍋爐有限公司提供的三壓、再熱、無補燃、臥式自然循環(huán)余熱鍋爐。該項目的主機配置方案如下：兩套一拖一多軸機組，每套機組配置如下：1臺燃機（安薩爾多AE94.3A）+1臺燃機發(fā)電機（水氫氫）+1臺余熱鍋爐+1臺汽輪機+1臺汽輪發(fā)電機（空冷），中、高壓汽包給水均由低壓汽包爐水提供。根據(jù)改進型F級燃機機組汽水品質(zhì)要求和水化學(xué)工況，為了控制給水、凝結(jié)水和爐水的水質(zhì)，最大限度地減少熱力系統(tǒng)結(jié)垢和腐蝕，該項目熱力系統(tǒng)給水采用氧化性全揮發(fā)處理AVT（O），凝結(jié)水和給水分別設(shè)置加氨點，凝結(jié)水、給水加氨裝置按兩機1套配置。

目前加液氨和加氨水方式無論是在大型燃煤發(fā)電項目還是大型燃機項目中均有廣泛的應(yīng)用。隨著對機組安全經(jīng)濟運行要求的提高，凝結(jié)水、給水加氨采用的藥品種類及其相應(yīng)安全設(shè)計技術(shù)措施對于大型燃機水化學(xué)工況的控制以及機組安全經(jīng)濟運行十分重要。

1 大型燃機水化學(xué)工況

為了控制給水和凝結(jié)水的水質(zhì)指標(biāo)，最大限度地減少熱力系統(tǒng)的腐蝕，并根據(jù)燃機的水化學(xué)工況，凝結(jié)水、給水往往采用加氨進行處理及水質(zhì)調(diào)節(jié)。通過對凝結(jié)水及給水進行加氨處理，可以提高凝結(jié)水及給水的pH值，從而維持水中pH值達到一定的堿性環(huán)境，降低水汽系統(tǒng)設(shè)備及管道受腐蝕的影響［2］。

按照國家能源局頒布的《燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組余熱鍋爐水汽質(zhì)量控制標(biāo)準》（DL/T 1924—2018）中凝結(jié)水和給水的水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準，大型燃機項目正常運行時，對于無銅給水系統(tǒng)，加氨控制標(biāo)準為控制高壓給水和中壓給水pH值為9.2～9.8［3］。熱力系統(tǒng)凝結(jié)水、給水加氨處理系統(tǒng)的設(shè)計中，凝結(jié)水的加氨點設(shè)置在凝結(jié)水泵出水母管，給水的加氨點設(shè)置在中壓給水泵進口和高壓給水泵的進口。凝結(jié)水、給水的加氨方式采用自動加氨，加藥量根據(jù)凝結(jié)水、給水流量信號和來自水汽取樣系統(tǒng)的電導(dǎo)率信號自動調(diào)節(jié)。

2 加氨技術(shù)方案對比

目前大型燃機項目化學(xué)加藥系統(tǒng)主流技術(shù)路線是加液氨和加氨水兩種方式，即凝結(jié)水、給水加氨的原料主要采用液氨和氨水。凝結(jié)水、給水加氨濃度按照1%～2%考慮，通過計量泵投加至加藥點。通常加氨裝置布置在集控樓或者燃機鍋爐輔助間零米的化學(xué)加藥間內(nèi)。

2.1 加液氨方案

液氨通常是鋼瓶裝，含氨量大于99.9%，化學(xué)純，液體。液體無水氨應(yīng)符合《液體無水氨》（GB/T 536—2017）優(yōu)等品的質(zhì)量要求。廣東某燃機項目化學(xué)加藥系統(tǒng)采用加液氨方式，設(shè)置了4臺臥式液氨鋼瓶，每個鋼瓶直徑為?600，幾何容積V=400 L，設(shè)計壓力為3.0 MPa，單個鋼瓶內(nèi)液氨最大充裝量為200 kg。液氨鋼瓶通過減壓后，液氨氣化成氨氣，通過氨氣廠區(qū)管道輸送注入加氨裝置的電動攪拌氨溶液箱內(nèi)溶解并稀釋成1%～2%的氨溶液。該燃機項目液氨貯罐的布置已經(jīng)充分考慮各方面的安全要求，配置了相應(yīng)的安全設(shè)施。

2.2 加氨水方案

氨水通常是塑料桶裝或者鋼制貯存罐存放，含氨量為25%～28%，化學(xué)純的液體。氨水應(yīng)符合《化學(xué)試劑氨水》（GB/T 631—2007）中化學(xué)純的質(zhì)量要求。常規(guī)工程設(shè)置2臺氨水貯存罐，單臺氨水貯存罐的幾何容積V=5 m3，設(shè)計壓力為常壓。氨水貯存罐通常布置在機組排水槽蓋板上，或者集中布置在全廠藥品貯存區(qū)，通過氨水輸送泵輸送至加氨裝置的電動攪拌氨溶液箱內(nèi)溶解并稀釋成1%～2%的氨溶液。

最后，以產(chǎn)品中間鏈條碳排放的降低為目標(biāo)，重新規(guī)劃產(chǎn)品的生產(chǎn)流程和制造技術(shù)。因為很多產(chǎn)品的最后環(huán)節(jié)并不具有很高的碳排放，但是中間原材料的投入環(huán)節(jié)具有高碳排放的特征。不僅如此，我國還應(yīng)加強區(qū)域合作。碳關(guān)稅是一種單邊貿(mào)易措施，針對特定商品，不考慮不同國家和地區(qū)二氧化碳排放的差異。因此，我國應(yīng)加快同發(fā)展中國家和地區(qū)的經(jīng)貿(mào)聯(lián)系，建立更為開放的自由貿(mào)易區(qū)，在自貿(mào)協(xié)定中制定碳減排約束和激勵機制，充分考慮區(qū)域內(nèi)不同的排放差異，可實行碳排放交易機制和補償機制，通過生產(chǎn)補貼和消費補貼，鼓勵低碳產(chǎn)品的生產(chǎn)和貿(mào)易，共享低碳發(fā)展技術(shù)。

2.3 技術(shù)分析

氨氣是一種無色有毒的氣體，密度比空氣輕，具有很強的刺激性氣味。氨氣在常溫常壓下是氣態(tài)，極易溶于水，在常溫常壓條件下，1體積水可以溶解約700體積的氨氣。當(dāng)加壓到0.7 MPa時或溫度降至-33℃時，氨氣會轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)氨［4］。液氨，又稱為無水氨，屬于無色易燃的有毒液體，易揮發(fā)產(chǎn)生氨氣，氨氣的爆炸極限按體積計為15.7%～27.4%。氨水相比較液氨雖然不存在爆炸危險，但是氨水具有腐蝕性，且純度不高，日常運行消耗量大，經(jīng)濟效益較差。而液氨純度很高，自身雜質(zhì)含量非常低，液氨中的氨實際有效純度遠遠高于氨水，相比較氨水帶入熱力系統(tǒng)的雜質(zhì)含量極低，從技術(shù)層面更加有利于控制并提高凝結(jié)水、給水的水質(zhì)指標(biāo)［5］。

液氨作為化學(xué)加藥系統(tǒng)凝結(jié)水、給水加氨系統(tǒng)的原料，已經(jīng)在廣東某燃機項目中成功推廣應(yīng)用，目前兩臺機組均已順利移交業(yè)主，并投入商業(yè)發(fā)電運行。

2.4 經(jīng)濟分析

根據(jù)廣東某燃機項目投運3年以來的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，詳細統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。液氨年耗量約5 t，年運行費用（包括藥劑費、運輸費及充裝費等含稅總價）約10萬元；如果使用氨水加藥方式，則年運行費用約18萬元。相比較加氨水方式，加液氨方式在貯存和運輸成本方面存在很大的優(yōu)勢，年運行費用可以降低約8萬元，節(jié)省費用約44%。

表1 廣東某燃機項目液氨統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of liquid ammonia of a large-scale combined cycle power plant project in Guangdong Province

2.5 分析結(jié)果

加液氨和加氨水兩種方式在設(shè)備投資及土建費用等方面相差不多，化學(xué)加藥系統(tǒng)采用液氨加藥方式，可以降低加氨的年運行費用，經(jīng)濟效益顯著；并且加液氨方式凝結(jié)水、給水的水質(zhì)控制指標(biāo)優(yōu)于加氨水方式，更加有利于整個機組的安全穩(wěn)定運行，可以提高熱力系統(tǒng)設(shè)備的耐腐蝕性，熱力系統(tǒng)水質(zhì)控制管理及運行維護更加方便，技術(shù)效益明顯。

根據(jù)廣東某燃機項目用戶反饋，凝結(jié)水、給水加液氨極大地提高了熱力系統(tǒng)設(shè)備的耐腐蝕性，凝結(jié)水、給水水質(zhì)控制指標(biāo)優(yōu)異，液氨鋼瓶及加氨系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定，系統(tǒng)可靠性高，可以滿足大型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行要求。自投運以來，化學(xué)加藥液氨系統(tǒng)及設(shè)備運行狀況良好，液氨耗量及運行費用較低，經(jīng)濟效益效果顯著，運行費用與同類機組相比明顯偏低，達到了技術(shù)先進、經(jīng)濟效益好的雙重目標(biāo)。

3 液氨系統(tǒng)安全設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

鑒于我國因液氨泄漏引發(fā)的火災(zāi)爆炸等事故屢有發(fā)生，液氨系統(tǒng)的安全設(shè)計不容忽視，采取相應(yīng)的安全措施至關(guān)重要。目前國內(nèi)部分燃煤機組，化學(xué)加藥系統(tǒng)的多個高壓液氨鋼瓶集中布置在集控樓零米的液氨鋼瓶貯存間內(nèi)或集中布置在主廠房加藥間內(nèi)，如果未設(shè)置相關(guān)的安全設(shè)施，將存在安全隱患。

廣東某燃機項目化學(xué)加藥系統(tǒng)采用加液氨方式，液氨系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)充分考慮了各方面的安全要求，其安全設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)及主要創(chuàng)新點如下：

1）根據(jù)《燃煤發(fā)電廠液氨罐區(qū)安全管理規(guī)定》，氨區(qū)應(yīng)布置在廠區(qū)邊緣且處于全年最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)［6］。該燃機項目液氨鋼瓶貯存間布置在位于廠區(qū)最南側(cè)的電廠紅線圍墻內(nèi)側(cè)，化水車間東南側(cè)，2#冷卻塔的南側(cè)，滿足氨區(qū)布置要求。

2）四臺臥式液氨鋼瓶集中布置在單獨的半敞開式的建筑物內(nèi)。液氨鋼瓶貯存間建筑物尺寸為5.5 m×4.5 m，混凝土屋面，梁底標(biāo)高2.5 m；三面圍墻高度1 m，入口處設(shè)置鋼柵欄帶鎖雙開門。液氨鋼瓶貯存間詳細布置見圖1。

3）根據(jù)《火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火標(biāo)準》（GB 50229—2019）7.1.8條款，液氨區(qū)液氨儲罐設(shè)置自動水噴霧的消防措置［7］。消防水噴淋系統(tǒng)不僅可以用于消防滅火，還可以用于液氨泄漏稀釋吸收。廣東某燃機項目分別在液氨鋼瓶首尾兩端的上方設(shè)有噴淋管及噴頭，整個噴淋管呈環(huán)形布置。

4）液氨鋼瓶貯存間室外設(shè)置有總有效容積為50 m3的地下式廢水收集池，通過廢水泵輸送至工業(yè)廢水集中處理站的廢水貯存池內(nèi)，通過工業(yè)廢水處理設(shè)備處理后回用或達標(biāo)排放。該廢水收集池可以收集當(dāng)液氨發(fā)生泄漏時的消防噴淋水或者液氨使用時噴淋的工業(yè)水，避免對環(huán)境造成污染，并可以充分對廢水進行回收利用。

圖1 液氨鋼瓶貯存間設(shè)備平面布置圖Fig.1 Layout of liquid ammonia tank storage room

5）根據(jù)《火力發(fā)電廠煙氣脫硝設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5480—2013）表3.2.4液氨區(qū)域相鄰建（構(gòu)）筑物或設(shè)施等之間的防火間距要求，液氨區(qū)與周邊丙、丁類廠房距離不小于24 m，與循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冷卻塔的防火間距不應(yīng)小于30 m［8］。廣東某燃機項目液氨總幾何容積為1.6 m3，液氨鋼瓶貯存間距離相鄰的化水車間73.5 m，距離相鄰的2#冷卻塔35 m，完全滿足規(guī)范要求。

6）四臺液氨鋼瓶是通過瓶架進行固定，瓶架正上方設(shè)置有工業(yè)水噴淋裝置。液氨鋼瓶在使用過程中，當(dāng)壓力降低時液氨會發(fā)生氣化，液氨揮發(fā)時需要向外界吸收大量的熱量，導(dǎo)致液氨鋼瓶外殼周圍的溫度降低，空氣中的水蒸氣凝結(jié)在液氨鋼瓶外殼上產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，結(jié)露會阻礙液氨的進一步氣化，所以在使用過程中，把水噴淋灑在液氨鋼瓶上，可以提供液氨氣化時所需要的熱量。

7）在液氨鋼瓶貯存間內(nèi)四臺液氨鋼瓶上方設(shè)置有氨氣檢漏儀，當(dāng)液氨泄漏值為10 ppm/Nm3為高報警值，達到30 ppm/Nm3為高高報警值。當(dāng)液氨泄漏監(jiān)測超過30 ppm/Nm3設(shè)定值時啟動消防水噴淋系統(tǒng)。

8）在液氨鋼瓶貯存間內(nèi)液氨鋼瓶正上方的梁底設(shè)置有電動葫蘆，液氨鋼瓶貯存間入口處設(shè)有斜坡，用于倒換液氨鋼瓶時通過電動葫蘆進行吊裝，便于運行維護及操作。

9）液氨鋼瓶貯存間內(nèi)電氣設(shè)備均按照防爆設(shè)計，例如電動葫蘆采用防爆型電機，線路、照明和開關(guān)等按照防爆配置；液氨罐體設(shè)置靜電接地裝置，管道法蘭采用靜電跨接。

10）液氨鋼瓶貯存間設(shè)置鋼柵欄大門及門鎖，正常運行期間可以避免設(shè)備受到破壞，從運行管理層面保障了設(shè)備正常安全運行。

11）液氨鋼瓶區(qū)周圍設(shè)置圍堰和排水溝，設(shè)置帶有洗眼器的安全淋浴器等安全衛(wèi)生防護設(shè)備。作業(yè)現(xiàn)場應(yīng)配置過濾式防毒面具、氧氣呼吸器或正壓式空氣呼吸器、隔離式防護服、橡膠手套等防護用具［9］。同時作業(yè)現(xiàn)場應(yīng)配備應(yīng)急防爆工具和堵漏工具等應(yīng)急工具。運行人員應(yīng)定期檢查，制定執(zhí)行漏氨重點部位的檢維修計劃［10］。

12）液氨鋼瓶貯存間布置在廠區(qū)最南側(cè)一個獨立的建筑物內(nèi)，鑒于防火間距的要求，該建筑物設(shè)置在電廠最南側(cè)電廠圍墻內(nèi)側(cè)，并布置在電廠次入口主干道的盡頭，藥品運輸非常方便。相比較氨水貯存罐或者桶裝氨水需要在集控樓或鍋爐輔助間區(qū)域裝卸藥品，會造成主廠區(qū)的藥品污染及視覺污染，液氨鋼瓶運輸方式可以避免穿過主廠區(qū)，避免造成視覺上的不美觀。

4 結(jié)論

對于控制及調(diào)節(jié)大型燃機水化學(xué)工況，采用加液氨方式可以提高燃機熱力系統(tǒng)凝結(jié)水、給水的水質(zhì)控制指標(biāo)，降低年運行費用。

為了有效避免或降低安全事故，結(jié)合廣東某燃機項目的設(shè)計思路及方案，大型燃機化學(xué)加藥液氨系統(tǒng)液氨貯罐安全設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)及主要創(chuàng)新點如下：

1）液氨鋼瓶集中布置在單獨的半敞開式建筑物內(nèi)；液氨鋼瓶貯存間與相鄰建（構(gòu)）筑物或設(shè)施等之間的防火間距應(yīng)滿足規(guī)范要求。

2）液氨鋼瓶上方設(shè)置工業(yè)水噴淋裝置以及消防水噴淋系統(tǒng)。

3）液氨鋼瓶上方設(shè)置氨氣檢漏儀，當(dāng)液氨泄漏監(jiān)測超過設(shè)定值時啟動消防水噴淋系統(tǒng)。

4）液氨鋼瓶貯存間內(nèi)電氣設(shè)備均按照防爆設(shè)計，并設(shè)置安全衛(wèi)生防護設(shè)備。

5）液氨鋼瓶上方設(shè)置電動葫蘆，便于運行維護及操作。

6）液氨鋼瓶貯存間設(shè)置地下式廢水收集池，用于收集當(dāng)液氨發(fā)生泄漏時的氨水、消防噴淋水或者液氨使用時噴淋的工業(yè)水。

7）液氨鋼瓶貯存間設(shè)置鋼柵欄大門及門鎖。