脫硫系統(tǒng)電耗計(jì)算方法分析與應(yīng)用

譚 放

（大唐環(huán)境集團(tuán)股份有限公司，北京 100096）

廠用電率作為火電廠最為主要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一，每下降1%，將使供電煤耗減少3.499%，而脫硫系統(tǒng)作為火電廠廠用電系統(tǒng)中耗電量較大的系統(tǒng)，對(duì)于660 MW 機(jī)組，其耗電量一般占廠用電的5%～7%。然而，國(guó)內(nèi)外火電公司對(duì)于脫硫系統(tǒng)電耗的態(tài)度截然不同，很多國(guó)內(nèi)電廠在新建擴(kuò)建改建工程招標(biāo)文件中對(duì)脫硫電耗要求很低甚至完全沒(méi)有要求，而國(guó)外大型火電公司卻將脫硫系統(tǒng)電耗提高到與脫硫效率同等重要的一類(lèi)考核指標(biāo)，將直接影響業(yè)主對(duì)工程承包方的考核，對(duì)于電耗超出保證值的情況處罰十分嚴(yán)厲，輕則罰款，重則拒收。近年來(lái)，隨著中國(guó)政府“一帶一路”倡議的推進(jìn)，中方企業(yè)不斷出海承攬項(xiàng)目，而目前國(guó)內(nèi)對(duì)于電耗值的計(jì)算并無(wú)統(tǒng)一的規(guī)定或成文標(biāo)準(zhǔn)，電耗計(jì)算時(shí)多采用換算系數(shù)法，但該方法與實(shí)際脫硫系統(tǒng)電耗存在較大誤差，因此有必要對(duì)脫硫系統(tǒng)電耗計(jì)算方法進(jìn)行相關(guān)討論。

1 脫硫系統(tǒng)負(fù)荷分析

根據(jù)負(fù)荷特性、電壓等級(jí)、設(shè)備功率等因素，在脫硫系統(tǒng)電耗計(jì)算中將脫硫系統(tǒng)分為高壓負(fù)荷和低壓負(fù)荷。其中，高壓負(fù)荷以增壓風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵等高壓電動(dòng)機(jī)為主；低壓負(fù)荷按負(fù)荷性質(zhì)分為低壓電動(dòng)機(jī)、電加熱器、電子設(shè)備、電源饋線(xiàn)等。以某2×660 MW火電廠為例，脫硫系統(tǒng)電耗計(jì)算結(jié)果中，高壓負(fù)荷占比84%，是主要的電耗來(lái)源，因此如何通過(guò)合理的節(jié)能措施降低脫硫系統(tǒng)的高壓負(fù)荷是降低脫硫系統(tǒng)電耗的核心問(wèn)題。

2 脫硫系統(tǒng)電耗計(jì)算方法

2.1 換算系數(shù)法

根據(jù)DL/T5153—2014《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)廠用電率估算方法的說(shuō)明，將其運(yùn)用到脫硫系統(tǒng)電耗計(jì)算中，可得到以下公式：

式中：Sc為脫硫系統(tǒng)計(jì)算負(fù)荷（kVA）；cosφav為電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的平均功率因數(shù)，因?yàn)槊摿蛳到y(tǒng)負(fù)荷以高壓負(fù)荷為主，可取0.85；P為脫硫系統(tǒng)電耗計(jì)算值（kW）。

式中：Pc為負(fù)荷的計(jì)算功率；K為換算系數(shù)，可按表1取值。

表1 脫硫系統(tǒng)負(fù)荷換算系數(shù)表

其中負(fù)荷計(jì)算功率pc應(yīng)按負(fù)荷特點(diǎn)確定：

對(duì)于連續(xù)運(yùn)行（包括經(jīng)常連續(xù)和不經(jīng)常連續(xù)）的設(shè)備為：

式中：Pe為電動(dòng)機(jī)的額定功率（kW）。

對(duì)于短時(shí)及斷續(xù)運(yùn)行的設(shè)備為：

換算系數(shù)法是根據(jù)設(shè)備的電動(dòng)機(jī)功率Pe計(jì)算得出電耗值，在計(jì)算時(shí)考慮了負(fù)荷特點(diǎn)折算出計(jì)算功率，計(jì)算功率又根據(jù)負(fù)荷換算系數(shù)折算出計(jì)算負(fù)荷，在兩次折算中系數(shù)的取值均采用設(shè)定值，存在較大的誤差。同時(shí)，換算系數(shù)法計(jì)算的基礎(chǔ)采用電動(dòng)機(jī)功率，在電廠實(shí)際運(yùn)行中，設(shè)計(jì)煤種和實(shí)際煤種相比變化較大，造成了入口SO2濃度存在較大的波動(dòng)范圍，為保證運(yùn)行時(shí)的脫硫效率達(dá)到環(huán)保要求，在設(shè)備選型時(shí)考慮了較大余量，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的額定功率比實(shí)際耗電功率較大，計(jì)算出的電耗結(jié)果也比實(shí)際運(yùn)行時(shí)的電耗值大。

2.2 軸功率系數(shù)法

傳統(tǒng)軸功率法計(jì)算脫硫系統(tǒng)電耗時(shí)，將各個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的軸功率直接相加求和計(jì)算得出脫硫系統(tǒng)電耗結(jié)果。而軸功率系數(shù)法在傳統(tǒng)軸功率法的基礎(chǔ)上充分考慮了設(shè)備的負(fù)荷特點(diǎn)、運(yùn)行狀況和電機(jī)效率，得到了以下公式：

式中：P為脫硫系統(tǒng)電耗計(jì)算值（kW）；Pki為第i臺(tái)設(shè)備的軸功率（kW）；Kti為第i 臺(tái)設(shè)備的設(shè)備同時(shí)率系數(shù)；ηi為第i臺(tái)設(shè)備的電動(dòng)機(jī)效率。

其中，Kt為設(shè)備同時(shí)率，反映設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中耗電功率與額定功率的比值，脫硫設(shè)備在一段時(shí)間T內(nèi)，可根據(jù)軸功率的不同分為n 個(gè)時(shí)間段，每一個(gè)時(shí)間段記作Ti，相應(yīng)的設(shè)備軸功率記作Pkti，設(shè)備同時(shí)率Kt可由以下公式計(jì)算所得：

式中：Pk為脫硫設(shè)備額定狀態(tài)下的軸功率（kW）。

在具備相應(yīng)條件時(shí)，對(duì)脫硫設(shè)備的軸功率進(jìn)行一定時(shí)間內(nèi)的時(shí)間加權(quán)統(tǒng)計(jì)，可以計(jì)算出設(shè)備同時(shí)率系數(shù)；采用軸功率系數(shù)法計(jì)算的電耗結(jié)果充分考慮了不同設(shè)備的負(fù)荷特性和電機(jī)效率，從單個(gè)設(shè)備的耗電功率看，更貼近實(shí)際電耗值，但是，該方法在一定程度忽略了系統(tǒng)運(yùn)行的整體性，脫硫系統(tǒng)的工況是不斷變化的，一段時(shí)間內(nèi)的工況并不能表征所有的系統(tǒng)狀態(tài)。

3 案例分析

以某2×660 MW 燃煤機(jī)組煙氣脫硫系統(tǒng)為例，該機(jī)組采用濕法脫硫，包含煙氣系統(tǒng)、石灰石漿液制備系統(tǒng)、二氧化硫吸收系統(tǒng)、石膏排放系統(tǒng)、漿液排放系統(tǒng)、工藝和冷卻水系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)和廢水處理系統(tǒng)，采用以上兩種方法計(jì)算在保證工況下的電耗值，結(jié)算結(jié)果如表2所示。

表2 某2×660 MW燃煤機(jī)組脫硫系統(tǒng)電耗計(jì)算值

由計(jì)算結(jié)果可知，脫硫系統(tǒng)的電耗主要來(lái)自高壓負(fù)荷，其中增壓風(fēng)機(jī)和漿液循環(huán)泵對(duì)其影響最大。兩種計(jì)算方法的主要差異來(lái)源于增壓風(fēng)機(jī)的電耗計(jì)算結(jié)果，而漿液循環(huán)泵的計(jì)算結(jié)果差距較小，因?yàn)樵鰤猴L(fēng)機(jī)的額定電機(jī)功率遠(yuǎn)高于耗電軸功率，基于額定電機(jī)功率的換算系數(shù)法并不能真正反映其耗電情況，而漿液循環(huán)泵在大多數(shù)工況下都處于額定滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)。所以耗電功率與額定電機(jī)功率差值較小，兩種計(jì)算方法的差值也較小。

3.1 煙氣脫硫系統(tǒng)整體能耗特性

火電機(jī)組煙氣脫硫系統(tǒng)在發(fā)揮環(huán)保作用的同時(shí)，也有著能耗高的特性。對(duì)于大型燃煤電廠，脫硫系統(tǒng)的耗電量占廠用電的5%～7%，占據(jù)總發(fā)電量的0.5%，不同類(lèi)型的火電廠的脫硫能耗情況不同，要結(jié)合具體實(shí)際具體分析。脫硫系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，不同的子系統(tǒng)在不同的工況下有不同的能耗特性，主要包括SO2吸收系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、石膏處理系統(tǒng)和脫水系統(tǒng)等，其中主要的能耗來(lái)源為增壓風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵、真空泵、氧化風(fēng)機(jī)、濕式球磨機(jī)等設(shè)備。

3.2 增壓風(fēng)機(jī)能耗特性分析及節(jié)能措施

煙氣通過(guò)火電機(jī)組煙氣脫硫系統(tǒng)時(shí)，需要克服一定的阻力使煙氣經(jīng)過(guò)脫硫系統(tǒng)通過(guò)煙囪向大氣排放，脫硫系統(tǒng)通過(guò)增壓風(fēng)機(jī)克服系統(tǒng)阻力，機(jī)組在不同工況下的煙氣量不同，造成系統(tǒng)阻力也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，因此增壓風(fēng)機(jī)選型往往選用額定功率較大的設(shè)備，以保證能夠適應(yīng)不同的工況，實(shí)際運(yùn)行的耗電功率與額定功率存在較大的差異也導(dǎo)致了電機(jī)效率的降低。因此，降低增壓風(fēng)機(jī)電耗：①可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)備選型的方式，減少電機(jī)功率余量，提高電機(jī)效率；②可以通過(guò)定期疏通煙道阻塞的方式，減小系統(tǒng)阻力；③可以通過(guò)優(yōu)化增壓風(fēng)機(jī)控制方式，葉片開(kāi)度及時(shí)跟隨煙氣量變化，降低增壓風(fēng)機(jī)能耗。

3.3 漿液循環(huán)泵能耗特性分析及節(jié)能措施

漿液循環(huán)泵通過(guò)單級(jí)離心式水泵的全開(kāi)和關(guān)閉操作，將石灰石漿液輸送到噴淋層。脫硫系統(tǒng)設(shè)置多個(gè)噴淋層，漿液循環(huán)泵將石灰石漿液輸送到噴淋層，并與煙氣發(fā)生反應(yīng)，脫除逆向而來(lái)的煙氣中的二氧化硫。如果脫硫系統(tǒng)漿液循環(huán)泵需要吸收更多的漿液量，必須增加運(yùn)行泵的臺(tái)數(shù)，而不是調(diào)節(jié)正在運(yùn)行的單臺(tái)泵的流量。漿液循環(huán)泵的能耗情況主要受機(jī)組入爐煤硫分影響，受機(jī)組負(fù)荷影響較小。因此，降低漿液循環(huán)泵能耗，可以通過(guò)動(dòng)態(tài)控制、靈活切換的方式，合理控制漿液循環(huán)泵運(yùn)行時(shí)間，降低能耗；也可以通過(guò)提高機(jī)組負(fù)荷率，降低漿液循環(huán)泵廠用電率占比，提高能源利用率。

3.4 真空泵能耗特性分析及節(jié)能措施

設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范要求，石膏脫水系統(tǒng)為兩臺(tái)機(jī)組的公用系統(tǒng)，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需至少設(shè)計(jì)兩套真空脫水設(shè)備來(lái)完成石膏脫水作業(yè)，而在實(shí)際運(yùn)行中，石膏脫水系統(tǒng)多采用一用一備的運(yùn)行形式。脫水系統(tǒng)可以通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化使一臺(tái)真空泵就能滿(mǎn)足公用系統(tǒng)的作業(yè)需求，并留有足夠的備用裕量，進(jìn)而簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，還可以通過(guò)加裝漿液切換管道和石膏分液器的方式，降低真空泵的耗電量，提高系統(tǒng)效率。

3.5 氧化風(fēng)機(jī)能耗特性分析及節(jié)能措施

氧化風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)確定，而設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)是定值，工程設(shè)計(jì)師根據(jù)一定的葉輪外徑和葉輪長(zhǎng)度，計(jì)算出面積利用系數(shù)。因?yàn)橛绊懷趸L(fēng)機(jī)能耗特性的參數(shù)是定值，所以氧化風(fēng)機(jī)的容積效率也是定值，氧化風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越快，能耗越大，二者呈正相關(guān)性。而在工程設(shè)計(jì)中，一般每臺(tái)機(jī)組設(shè)置兩臺(tái)型號(hào)、功率完全一致的氧化風(fēng)機(jī)，采用一用一備的運(yùn)行形式。而實(shí)際運(yùn)行中，不同的工況需要的氧化風(fēng)量是不同，可以對(duì)氧化風(fēng)機(jī)采用差異化設(shè)計(jì)，兩臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)可以應(yīng)對(duì)不同工況以達(dá)到降低電耗的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）脫硫系統(tǒng)電耗在火電廠廠用電占有重要的位置，降低脫硫系統(tǒng)能耗，對(duì)于降低廠用電率，增加上網(wǎng)電量，提高機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，降低發(fā)電成本，有著重要的意義。正因如此，國(guó)外火電公司對(duì)于電耗問(wèn)題十分重視，將電耗保證值提高到與脫硫效率同等重要的位置。

（2）通過(guò)對(duì)比換算系數(shù)法和軸功率系數(shù)法兩種電耗計(jì)算方法可以看出，軸功率系數(shù)法在計(jì)算時(shí)考慮了更多的影響因素，計(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)際運(yùn)行電耗，而換算系數(shù)法基于設(shè)備的電動(dòng)機(jī)功率，在計(jì)算時(shí)采用了多次估算，實(shí)際計(jì)算的電耗結(jié)果往往大于實(shí)際運(yùn)行電

（3）降低脫硫電耗的核心在于降低增壓風(fēng)機(jī)電耗和漿液循環(huán)泵電耗，可以通過(guò)調(diào)節(jié)煙氣系統(tǒng)阻力、疏通煙氣管道阻塞等方式降低增壓風(fēng)機(jī)電耗，通過(guò)漿液循環(huán)泵動(dòng)態(tài)控制、靈活切換等方式降低漿液循環(huán)泵電耗，通過(guò)簡(jiǎn)化系統(tǒng)、加裝漿液切換管道和石膏分液器的方式，降低真空泵的耗電量，通過(guò)差異化設(shè)計(jì)、充分利用備用設(shè)備的方式提高氧化風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，進(jìn)而達(dá)到降低脫硫系統(tǒng)能耗的目的。