海水脫硫改造工程的循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

楊 帆，鄭經(jīng)緯，鄭培鋼，儲劍鋒

（1.中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063；2.中國能源建設(shè)股份有限公司，北京 100022）

0 引言

當(dāng)前直流供水電廠的脫硫工藝主要有石灰石脫硫和海水脫硫兩種。由于石灰石脫硫適應(yīng)性強，因此大多數(shù)電廠均采用該脫硫工藝。然而該系統(tǒng)運行采購、消納等環(huán)節(jié)較為繁瑣，且石灰石在運輸、磨制、裝卸等過程中也會產(chǎn)生揚塵污染。此外，石灰石脫硫還面臨脫硫廢水處理的問題。

海水脫硫應(yīng)用于高堿度海域的海邊電廠，具有運行簡便且無揚塵、廢水處理等問題的優(yōu)點。本文以廣西地區(qū)某海水直流供水火電工程為例，分析直流供水系統(tǒng)電廠改用海水脫硫工藝對循環(huán)水系統(tǒng)的影響，并提出了循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某工程建設(shè)2×1 000 MW超超臨界燃煤機組，同步建設(shè)煙氣脫硫脫硝設(shè)施；循環(huán)水系統(tǒng)采用直流供水方案，循環(huán)冷卻水水源為海水，引水方案選擇明渠引水、循環(huán)水泵房供水方案；2臺機組合建1座循環(huán)水泵站，循環(huán)水系統(tǒng)采用單元制方式運行，每臺機組配3臺國產(chǎn)固定葉立式混流循泵（2臺循泵配雙速電機），室內(nèi)布置，單臺循泵流量11.85 m3/s，揚程17.7 m，電機功率2 700 kW。循泵出口安裝液控蝶閥，春夏秋季采用1機3泵運行、冬季或減負荷時采用1機2泵運行；循環(huán)水排水系統(tǒng)設(shè)有虹吸井、排水箱涵、排水工作井、排水口。

原循環(huán)水設(shè)計流程如下：

取水口→取水明渠干渠→循環(huán)水泵站進水箱涵或敞開式喇叭口→循環(huán)水泵站（設(shè)在主廠房A排前）→循環(huán)水供水壓力管→凝汽器/開式冷卻水系統(tǒng)→循環(huán)水排水壓力管→虹吸井→排水箱涵→排水工作井→排水口。

該電廠原脫硫工藝采用石灰石脫硫，但預(yù)留了改造海水脫硫條件，主要包括：①總平面布置預(yù)留海水曝氣池及海水升壓泵房的建設(shè)位置；②循泵房預(yù)留換泵條件。在項目建設(shè)過程中，脫硫工藝由石灰石脫硫改為海水脫硫。

該工程循環(huán)水系統(tǒng)各建（構(gòu)）筑物已基本建設(shè)完成，主要包括：循泵房、循環(huán)水管道、排水箱涵、虹吸井、排水工作井。

1.2 廠址自然條件

1.2.1 特征潮位

直流供水系統(tǒng)的高程設(shè)計取決于取排水特征潮位和地坪標(biāo)高。本工程場地標(biāo)高5.5 m，取排水特征潮位如表1所示。

表1 設(shè)計潮位m

1.2.2 水溫

取水區(qū)域的水溫和氣溫變化趨勢是一致的，水溫的變化有明顯的季節(jié)性，即夏秋高、冬春低；垂直梯度是春夏大、秋冬小。根據(jù)相關(guān)水文站1967—2010年實測資料統(tǒng)計，累年各月水位如表2所示。

表2 取水水溫℃

1.2.3 堿度

海水堿度直接影響著海水脫硫所需的海水量，堿度越高，吸收相同的SO2的能力越強，所需的水量越小。本項目海水堿度參數(shù)如表3所示。

表3 海水堿度

1.2.4 燃煤含硫量

海水脫硫所需海水量取決于煤種的含硫量，燃煤含硫量越大，所需的海水量越多。本工程設(shè)計煤種和校核煤種含硫量分別為0.75%和0.57%。

2 脫硫工藝

2.1 脫硫工藝分類

燃煤電廠采用的脫硫工藝種類繁多，結(jié)合該工程的特點，適合該工程的脫硫工藝主要有石灰石脫硫及海水脫硫兩種方案。

石灰石脫硫工藝的原理是采用石灰石制成漿液作為脫硫吸收劑，與進入吸收塔的煙氣接觸混合，煙氣中的SO2與漿液中的CaCO3以及鼓入的強制氧化空氣進行化學(xué)反應(yīng)，最后生成石膏，從而達到脫除SO2的目的。

海水脫硫工藝是利用純海水的天然堿性吸收煙氣中SO2的脫硫技術(shù)。在脫硫吸收塔內(nèi)，大量海水噴淋洗滌進入吸收塔內(nèi)的燃煤煙氣，煙氣中的SO2被海水吸收而除去，凈化后的煙氣經(jīng)除霧器除霧排放。吸收SO2后的海水經(jīng)曝氣池曝氣處理，使其中的SO32-氧化成為穩(wěn)定的SO42-后排入大海。

2.2 海水脫硫工藝

海水脫硫工藝的系統(tǒng)由煙氣吸收系統(tǒng)和海水恢復(fù)系統(tǒng)組成。

煙氣吸收系統(tǒng)流程為：循環(huán)水排水→海水升壓泵前池→海水升壓泵→吸收塔→曝氣池→曝氣池排水溝→循環(huán)水排水溝→排海。

海水恢復(fù)系統(tǒng)流程為：曝氣池上游循環(huán)水排水溝→曝氣池→曝氣池下游循環(huán)水排水溝→排海。

影響海水脫硫工藝的主要影響因素有海水水量、海水堿度、海水溫度、煙氣含硫量和曝氣量，具體如下：

1）煙氣含硫量越高，則需要更多的海水及曝氣量；

2）海水堿度、流量、水溫、煙氣含硫量相同時，曝氣量越大，脫硫效果越好；

3）海水堿度、流量、煙氣含硫量相同時，水溫越高，曝氣效果越好，脫硫效果也越好；

4）海水堿度越低，為滿足脫硫后海水排放要求，所需的海水量越多；

5）冬季海水溫度低，曝氣效果差，為達到環(huán)評指標(biāo)，必須使用更多的海水。

3 改造工程對循環(huán)水系統(tǒng)的影響

采用石灰石脫硫時，循環(huán)水系統(tǒng)與脫硫系統(tǒng)相對獨立，二者基本互不影響。改成海水脫硫，對循環(huán)水系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在循環(huán)水系統(tǒng)總平面布置、循環(huán)水高程系統(tǒng)、循環(huán)水設(shè)備的選型、循環(huán)水系統(tǒng)的耗電量等方面。

3.1 對總平面布置的影響

根據(jù)本文2.2節(jié)的描述，海水脫硫工藝包括煙氣吸收系統(tǒng)及海水恢復(fù)系統(tǒng)。對于煙氣吸收系統(tǒng)，考慮到循環(huán)水排水水壓很小，不能自流進入脫硫吸收塔，因此需要在原循環(huán)水排水系統(tǒng)附近新建取水泵房，將部分電廠循環(huán)水的排水升壓至吸收塔，泵房內(nèi)設(shè)置濾網(wǎng)、起吊設(shè)施、海水升壓泵、閥門等。海水經(jīng)吸收塔后，攜帶大量HSO3－及H+自流進入曝氣池；對于海水恢復(fù)系統(tǒng)，則需要新建海水曝氣池、曝氣風(fēng)機房及變頻器間。電廠的所有循環(huán)水經(jīng)過曝氣池后又重新自流進入循環(huán)水排水系統(tǒng)，最終排入大海。

綜上所述，海水脫硫改造需要新增的建（構(gòu)）筑物有升壓泵房、曝氣池、風(fēng)機房、變頻器間等。其中，海水脫硫曝氣池及海水升壓泵房占地面積較大。

3.2 對高程系統(tǒng)的影響

對于直流供水的海邊電廠，曝氣池與外海直接相連，隨著排水口處潮位的變動，曝氣池的水位也會隨之上下波動。通常情況下，曝氣池內(nèi)都建有溢流堰以控制曝氣區(qū)內(nèi)水位的波動，來保證曝氣效果和風(fēng)機的合理選型，進而確保脫硫工藝系統(tǒng)穩(wěn)定運行。溢流堰的設(shè)置改變了已有排水系統(tǒng)的水位，整個循環(huán)水排水的高程系統(tǒng)隨之發(fā)生改變。因此，海水脫硫工藝的高程系統(tǒng)已經(jīng)融入到循環(huán)水高程系統(tǒng)，其高程優(yōu)化對電廠經(jīng)濟運行意義重大。

3.3 對設(shè)備選型的影響

電廠循環(huán)水泵的流量及揚程一般根據(jù)冷端優(yōu)化計算確定，改為海水脫硫工藝后，循環(huán)水泵的流量及揚程需要進一步復(fù)核。

3.4 對循環(huán)水系統(tǒng)耗電的影響

受曝氣池堰的影響，循環(huán)水泵揚程升高，循泵軸功率及相應(yīng)電機功率相應(yīng)增大；此外海水升壓泵的設(shè)置也增加了系統(tǒng)的電耗。

3.5 對運行的影響

一般機組夏天所需水量大于冬天，但對于采用海水脫硫工藝的機組而言，因為冬季水溫低導(dǎo)致曝氣效果差，致使所需的海水量與夏季相當(dāng)。因此，采用海水脫硫電廠的循環(huán)水系統(tǒng)水量與水溫的季節(jié)性變化不大。機組額定工況下運行時，循泵基本都是一機三泵運行。

采用石灰石脫硫，機組額定工況下運行時,循環(huán)水泵可根據(jù)季節(jié)性的水溫變化，采用一機兩泵或者一機三泵運行。

3.6 新建海水脫硫工程與改造工程的差異

通過本文3.1～3.5節(jié)的分析可知，海水脫硫工藝對循環(huán)水系統(tǒng)影響較大，對于新建的海水脫硫工程，在循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計時，需要兼顧脫硫系統(tǒng)。

對于改造工程，循環(huán)水系統(tǒng)的建（構(gòu)）筑物都已建設(shè)完成，由于循環(huán)水系統(tǒng)的大部分建（構(gòu)）筑物如循環(huán)水泵房、循環(huán)水管溝、虹吸井等，都是地下結(jié)構(gòu)，重建和拆除工程量大，施工周期長，投資成本高。因此在脫硫系統(tǒng)改造時，系統(tǒng)的設(shè)計必須優(yōu)化，論證充分利用這些已有建（構(gòu)）筑物的可行性。

利舊優(yōu)化設(shè)計的主要原則在于：

1）水量基本與原系統(tǒng)相同，取水系統(tǒng)水頭損失基本不變，從而可以保證循環(huán)水取水建（構(gòu)）筑物及循環(huán)水泵房可以利舊；

2）合理設(shè)計曝氣池水位，水壓變化不宜過大，保證水壓不會超出原有建（構(gòu)）筑物的設(shè)計壓力，從而充分利用已有的循環(huán)水排水溝、排水工作井等建（構(gòu)）筑物。

4 系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

4.1 原循環(huán)水系統(tǒng)簡介

原循環(huán)水系統(tǒng)按照明渠引水、循環(huán)水泵房供水方案設(shè)計；2臺機組合建1座循環(huán)水泵房，循泵房布置在汽機房A排與取水明渠之間。循環(huán)水排水建（構(gòu)）筑物包括虹吸井、排水箱涵、排水工作井、排水口。每臺機總循環(huán)水量為35.55 m3/s，原循環(huán)水排水系統(tǒng)高程圖如圖1所示。

圖1 原循環(huán)水排水系統(tǒng)高程系統(tǒng)圖

脫硫工藝改為海水脫硫后，循環(huán)水系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 改造后循環(huán)水系統(tǒng)流程圖

4.2 循環(huán)水量優(yōu)化

由于明渠及循環(huán)水泵房都已完成施工，因此，海水脫硫改造總水量不宜增加太多，否則將有可能導(dǎo)致取水建（構(gòu)）筑物的改造，大幅增加投資成本。

本文根據(jù)海水水量、煙氣含硫量、水溫、海水堿度、環(huán)評等多方面的因素反復(fù)核算，最終確定維持原水量，采用提高曝氣效果來補充海水量不足的方案。曝氣風(fēng)機采用變頻控制。

4.3 高程系統(tǒng)優(yōu)化

由于循環(huán)水系統(tǒng)各建（構(gòu)）筑物是按照百年一遇潮位設(shè)計，即在取水區(qū)域為百年一遇潮位時，電廠能夠安全穩(wěn)定運行，海水脫硫工藝系統(tǒng)作為電廠各系統(tǒng)的一部分，也必須滿足該要求。因此，以往很多的海水脫硫改造項目，為控制曝氣池堰上水位波動，保證曝氣效果，溢流堰的堰頂按照百年一遇潮位時，堰頂過流為自由出流考慮。此種做法雖然能控制堰上水位波動，但是循泵揚程將大幅度提高，對循泵影響太大，廠用電率也大幅度增加。因此，十分有必要對高程系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。

由于曝氣池堰的長度較大，約30 m，且高潮位時，曝氣池內(nèi)水深較大，對堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計影響大，因此，本文暫不考慮設(shè)置可調(diào)節(jié)堰。此外，外海水位時刻都在變動，很難實現(xiàn)可調(diào)節(jié)堰的實時控制。

本文分別以3個外海潮位對系統(tǒng)進行優(yōu)化：

1）方案一：外海潮位為百年一遇潮位4.50 m時，堰頂自由出流；

2）方案二：外海潮位為十年一遇潮位4.00 m時，堰頂自由出流；

3）方案三：外海潮位為0.60 m時，堰頂自由出流。

圖3～圖5分別表示三種工況下的排水高程系統(tǒng)圖。

圖3 方案一高程系統(tǒng)

圖4 方案二高程系統(tǒng)

圖5 方案三高程系統(tǒng)

結(jié)合圖1、圖3～圖5分析：

1）方案一曝氣池上游水位恒定，風(fēng)機風(fēng)壓波動范圍小，風(fēng)機無需變頻，但對循泵影響大，循泵揚程需要增加6.30 m，循泵電機軸功率增加最大，每臺機約增加2 800 kW；同時，由于水壓增加過大，已有虹吸井、排水箱涵不能利用，需要拆除重建，固定投資大，循泵房的結(jié)構(gòu)另需結(jié)合設(shè)備資料進一步復(fù)核。

2）由于十年一遇水位和百年一遇水位相差較小，因此方案二和方案一類似，堰上水位浮動小，僅0.15 m，但對原循環(huán)水系統(tǒng)影響較大，循泵電機軸功率增加較多，每臺機約增加2 600 kW，已有虹吸井、排水箱涵無法利用，需要拆除重建，固定投資大，循泵房的結(jié)構(gòu)另需結(jié)合設(shè)備資料進一步復(fù)核。

3）方案三對循泵的揚程影響最小，循泵揚程僅增加2.05 m，循泵電機軸功率增加約900 kW，且風(fēng)機的風(fēng)壓變化范圍為±3.25 m，在設(shè)備允許范圍內(nèi)，可以通過變頻措施，根據(jù)水位調(diào)整風(fēng)機運行狀態(tài)，該方案對原有排水建（構(gòu)）筑物影響最小，已有建（構(gòu)）筑物能充分利用，減少改造工程的固定投資。

各方案對比如表4所示。

表4 各方案對比

通過表4可知，方案三既能滿足工藝要求，又能節(jié)省廠用電，同時還能充分利用已有建（構(gòu)）筑物，減少工程投資，對電廠循環(huán)水系統(tǒng)的影響最小，該項目按方案三實施：循泵揚程提高2.05 m，更換循泵房內(nèi)的循環(huán)水泵；取水明渠、循泵房、循環(huán)水管、排水箱涵等充分利用原有建（構(gòu)）筑物。此外，考慮到曝氣池中已設(shè)有溢流堰，為減小循環(huán)水系統(tǒng)阻力，同步拆除虹吸井中的堰。

5 結(jié)語

對于石灰石脫硫改海水脫硫項目，本文結(jié)合具體電廠實際條件，提出了循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計概念，充分考慮利舊，既滿足了脫硫工藝的要求，又節(jié)省了工程投資并減少了運行費用。對于新建海水脫硫電廠，在初設(shè)階段也可采用本文優(yōu)化設(shè)計方案，使循環(huán)水系統(tǒng)與海水脫硫系統(tǒng)更好地融合。