回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)的應(yīng)用

劉中政,康 強(qiáng),馬 強(qiáng),何立飛

(北京華能達(dá)電力技術(shù)應(yīng)用有限責(zé)任公司,北京 100045)

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器由于其結(jié)構(gòu)緊湊,傳熱密度高達(dá)500 m2/m3,占地面積小、換熱效率高等優(yōu)勢,在國內(nèi)煤電機(jī)組中的應(yīng)用越來越廣泛。國家能源集團(tuán)某電廠由于機(jī)組調(diào)峰頻繁、脫硝系統(tǒng)的投運(yùn)時(shí)間長,尤其是機(jī)組長時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)脫硝效率下降,氨逃逸不斷的增長,逃逸氨和煙氣中SO3反應(yīng)生成的硫酸氫氨在空氣預(yù)熱器中低溫段凝結(jié),導(dǎo)致空氣預(yù)熱器堵塞嚴(yán)重?？諝忸A(yù)熱器差壓上升至2.4 kPa,最高時(shí)期上升至4 kPa。同時(shí),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)重影響到機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性,空氣預(yù)熱器的堵灰問題已經(jīng)成為亟需解決的難題。

1 空氣預(yù)熱器堵灰的原因

在燃煤機(jī)組脫硝改造之前,入爐煤中硫的燃燒產(chǎn)物是引起空氣預(yù)熱器腐蝕和積灰的主要原因,即

S→SO3→H2SO4(稀)

當(dāng)空氣預(yù)熱器冷端蓄熱元件金屬平均壁溫降到低于酸露點(diǎn),達(dá)到最大酸凝結(jié)露所對應(yīng)的溫度時(shí),飛灰的沉積率最大。根據(jù)目前國內(nèi)機(jī)組的燃用煤質(zhì),一般認(rèn)為,酸露點(diǎn)溫度在80～120 ℃,對于燃煤鍋爐,稀硫酸腐蝕和積灰最嚴(yán)重處在距離冷端50～300 mm。

隨著SCR脫硝系統(tǒng)的投運(yùn),在控制煙氣中NOx的排放的同時(shí),對空氣預(yù)熱器產(chǎn)生了如下的影響:

SCR系統(tǒng)的主反應(yīng)方程式為

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(1)

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

(2)

隨著SCR脫硝系統(tǒng)催化劑的投運(yùn),燃燒生成的SO2在SCR系統(tǒng)催化劑中的活性成分V2O5的催化作用下生成SO3,煙氣中SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率增加,即煙氣中的SO3含量增加,加速了NH4HSO4的生成。同時(shí),由于煙氣中NH3和SO3的濃度的增加,造成煙氣酸露點(diǎn)溫度升高[1-2]。SCR系統(tǒng)發(fā)生了如下的副反應(yīng)方程式:

SO2+O2→SO3

(3)

NH3+SO3+H2O→NH4HSO4

(4)

在這兩個(gè)因素綜合作用下,加劇了空氣預(yù)熱器的酸腐蝕和堵灰。

煙氣中的SO3與逃逸的氨氣發(fā)生反應(yīng)生成NH4HSO4。NH4HSO4在空氣預(yù)熱器中的沉積溫度是150～190 ℃,處在空氣預(yù)熱器蓄熱元件中溫段,同時(shí)液態(tài)的NH4HSO4極易沾染灰分,且很難通過常規(guī)的水沖洗及蒸汽吹灰方式去除,所以導(dǎo)致了空氣預(yù)熱器堵灰速率增加[3]。

空氣預(yù)熱器經(jīng)過水沖洗后沒有徹底烘干就投入運(yùn)行,原先沒有徹底清洗留下的殘留物經(jīng)過煙氣烘干后形成水泥狀的積灰。

以上諸多因素的相互疊加、相互促進(jìn),導(dǎo)致了目前燃煤機(jī)組空氣預(yù)熱器的堵灰問題越來越嚴(yán)重。

隨著空氣預(yù)熱器的堵灰因素的變化以及堵灰速率的升高,傳統(tǒng)的解決空氣預(yù)熱器堵灰的技術(shù)方法已不能適應(yīng)當(dāng)前情況,空氣預(yù)熱器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[4-5]。

2 空氣預(yù)熱器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)

空氣預(yù)熱器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)是基于空氣預(yù)熱器的堵塞機(jī)理,有針對性解決的空氣預(yù)熱器堵塞的技術(shù)。

如圖1所示,針對稀硫酸的形成機(jī)理,風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)采用針對性加熱方式,在蓄熱元件轉(zhuǎn)至煙氣側(cè)之前,提高冷端蓄熱元件的溫度,使冷端溫度最低點(diǎn)高于酸結(jié)露點(diǎn),避開酸結(jié)露區(qū),避免稀硫酸的結(jié)露,解決空氣預(yù)熱器冷端稀硫酸結(jié)露的問題[6-7]。

圖1 風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)原理圖

以某330 MW亞臨界鍋爐空氣預(yù)熱器計(jì)算,空氣預(yù)熱器基本參數(shù)如表1所示。

表1 某330 MW機(jī)組空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)參數(shù)(BMCR工況)

采用數(shù)值分析的方法對空氣預(yù)熱器蓄熱元件壁溫進(jìn)行計(jì)算如表2、表3所示,經(jīng)過對空氣預(yù)熱器進(jìn)行四分倉改造增加循環(huán)分倉的方式,對即將進(jìn)入煙氣側(cè)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行熱風(fēng)加熱吹掃,可以將最冷端蓄熱元件的壁面溫度提高15～50 ℃,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)進(jìn)煙氣側(cè)后不再發(fā)生稀硫酸的凝結(jié),有效地解決了空氣預(yù)熱器的低溫腐蝕問題。

表2 機(jī)組燃用煤質(zhì)分析

表3 機(jī)組在改造后的運(yùn)行數(shù)據(jù)

針對蓄熱元件中溫段的NH4HSO4,采用由風(fēng)機(jī)增壓后自循環(huán)的高溫(≥300 ℃)、高流速的熱介質(zhì)對蓄熱元件表面凝結(jié)的NH4HSO4強(qiáng)制蒸發(fā)。通過高溫、高流速的熱介質(zhì)可以將部分液態(tài)NH4HSO4由中溫段吹至高溫段,通過空氣預(yù)熱器熱端自身的熱量汽化凝結(jié)的NH4HSO4。想要通過熱風(fēng)將中低溫段蓄熱元件壁面溫度提高到200 ℃以上避免硫酸氫銨凝結(jié)不現(xiàn)實(shí)也不可行。

風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)是通過提高穿過蓄熱元件的熱風(fēng)流速,提高蓄熱元件表面已凝結(jié)硫酸氫銨的蒸發(fā)速率。因?yàn)榱蛩釟滗@的蒸發(fā)是一直存在的,通過提高其周圍的空氣流速、擴(kuò)大蒸發(fā)面積可以達(dá)到控制液態(tài)硫酸氫銨的生成量從而控制空氣預(yù)熱器壓差維持在較低的水平[8-9]。

經(jīng)過計(jì)算,空氣預(yù)熱器綜合提效改造后,可以有效地保證防堵灰分倉內(nèi)的熱風(fēng)穿過空氣預(yù)熱器蓄熱元件的流速保持在25m/s以上。

風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)是通過在空氣預(yù)熱器中增加防堵灰分倉的方式,對冷端蓄熱元件進(jìn)行集中加熱,提高冷端溫度、強(qiáng)制蒸發(fā)的手段,解決由于稀硫酸及硫酸氫銨引起的空氣預(yù)熱器的堵灰。

不同于文獻(xiàn)中對于設(shè)置循環(huán)風(fēng)治理空氣預(yù)熱器堵塞技術(shù)的計(jì)算,風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)采用了熱風(fēng)風(fēng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力,空氣預(yù)熱器冷熱端同時(shí)安裝防堵灰分倉的方式,使風(fēng)量分切防堵灰系統(tǒng)與空氣預(yù)熱器本體通過扇形板隔離,系統(tǒng)相對獨(dú)立,這樣做更有利于熱風(fēng)的獨(dú)立循環(huán),熱風(fēng)穿過蓄熱元件時(shí)始終保持高流速。

3 風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

某電廠配套東方鍋爐廠生產(chǎn)的2×1 000 MW超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐,鍋爐型號為DG2910/29.15-Ⅱ3,每臺鍋爐配備兩臺由東方鍋爐廠提供的型號為LAP17286/2350的空氣預(yù)熱器。單臺鍋爐配有兩臺48分倉,三/雙密封、三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器,立式布置,煙氣與空氣以逆流方式換熱[10-11]。

機(jī)組設(shè)計(jì)煤種為補(bǔ)連塔煤,校核煤種為布爾臺煤。煤質(zhì)及灰分分析見表2。

根據(jù)前蘇聯(lián)1973年《鍋爐機(jī)組熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)辦法》經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:t1d為純水蒸汽漏電, ℃;SX為燃料折算硫分,%;AX為燃料折算灰分,%;Sar,Aa分別為燃料的收到基硫分,灰分,%;Qnet.ar為燃料收到基低位發(fā)熱量,kJ/kg;Ah為飛灰份額;β為與爐膛出口的過量空氣系數(shù)有關(guān)的系數(shù)。

經(jīng)過計(jì)算,在燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí),煙氣酸露點(diǎn)溫度為98.5 ℃。

通過風(fēng)量分切防堵灰系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)風(fēng)對轉(zhuǎn)子的持續(xù)吹掃加熱,提高空氣預(yù)熱器冷端平均壁溫。隨著循環(huán)風(fēng)溫的提高,冷端平均壁溫會更高,可以有效地避免空氣預(yù)熱器冷端蓄熱元件由于稀硫酸凝結(jié)導(dǎo)致的低溫腐蝕問題[12-13]。

二期機(jī)組自2015年投產(chǎn),投產(chǎn)后空預(yù)器壓差為1.7、1.9 kPa,冬季環(huán)境溫度較低時(shí)壓差高達(dá)4 kPa以上。為了改善空氣預(yù)熱器運(yùn)行狀況,提高機(jī)組的運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性,北京華能達(dá)電力技術(shù)應(yīng)用有限責(zé)任公司于2019年對2×1 000 MW機(jī)組空氣預(yù)熱器進(jìn)行了空氣預(yù)熱器風(fēng)量分切防堵灰改造并投入正常運(yùn)行。

3.2 空氣預(yù)熱器本體改造

3.2.1 扇形板改造

空氣預(yù)熱器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)改造時(shí),將原三分倉空氣預(yù)熱器改造為四分倉空氣預(yù)熱器,占用二次風(fēng)側(cè)兩個(gè)倉格(15°)流通面積。

經(jīng)過理論計(jì)算,機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),改造方案對煙氣側(cè)及一次風(fēng)側(cè)沒有影響。而二次風(fēng)側(cè)流通阻力增大約200 Pa,造成送風(fēng)機(jī)電流增大約10 A,機(jī)組技改過程中通過對二次風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化措施,抵消了對送風(fēng)機(jī)的影響。

不同于文獻(xiàn)中關(guān)于設(shè)置循環(huán)風(fēng)治理空氣預(yù)熱器堵塞技術(shù)的計(jì)算中采用的漏風(fēng)率為10.3%。為防止防堵灰分倉內(nèi)部熱風(fēng)泄漏至煙氣側(cè)、二次風(fēng)側(cè),導(dǎo)致熱風(fēng)損失影響空氣預(yù)熱器防堵灰效果。所以在風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)改造中均會對空氣預(yù)熱器密封片進(jìn)行維護(hù)及間隙調(diào)整,使得空氣預(yù)熱器漏風(fēng)率保持在較低的水平,保持漏風(fēng)率低于6%。

3.2.2 防堵灰系統(tǒng)外部風(fēng)管改造

通過風(fēng)管將冷端分倉與熱端分倉連接起來,形成循環(huán)獨(dú)立系統(tǒng),由熱端分倉抽取熱風(fēng),防堵灰風(fēng)機(jī)增壓后由冷端分倉吹進(jìn)空氣預(yù)熱器,對冷端蓄熱元件加熱及吹掃,達(dá)到空氣預(yù)熱器防堵灰的目的。防堵灰管道改造模型如圖2所示。

圖2 防堵灰管道改造模型

3.2.3 改造效果及經(jīng)濟(jì)性分析

機(jī)組在改造后的運(yùn)行數(shù)據(jù)如表3所示。

通過改造可以得到的經(jīng)濟(jì)效益:

1)風(fēng)機(jī)節(jié)能效益

改造后,由于預(yù)熱器阻力的下降,兩臺引風(fēng)機(jī)、兩臺一次風(fēng)機(jī)、兩臺送風(fēng)機(jī)、一臺增壓風(fēng)機(jī)的電流將大幅降低。

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:

△P=Q×△p/(3 600×1 000×η0×η1)

改造后,(相同運(yùn)行氧量的)滿負(fù)荷工況下各大風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流將有如下降幅:

送風(fēng)機(jī)電功率降低:9 kW;

一次風(fēng)機(jī)電功率降低:320 kW;

引風(fēng)機(jī)電功率降低:955 kW;

增加電量利潤:127.2萬元(保守估計(jì),滿負(fù)荷下兩臺爐6臺風(fēng)機(jī)總共下降1 284 kW,但1臺爐增加2臺循環(huán)風(fēng)機(jī)利用率按照0.5計(jì)算,機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)按4 500 h,上網(wǎng)電價(jià)按0.32元/ kW·h計(jì)算)。

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(shí)間延長,事故限負(fù)荷時(shí)間減少。

按照改造后每年至少減少一次停爐進(jìn)行空氣預(yù)熱器水沖洗的次數(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80萬 kW,每 kW·h電量發(fā)電利潤為0.15元估計(jì),因可靠性提高的經(jīng)濟(jì)效益估算約為1 440萬元。

3)蒸汽吹灰的節(jié)省量

2臺空氣預(yù)熱器進(jìn)行風(fēng)量分切防堵灰改造后,蒸汽吹灰投運(yùn)次數(shù)由原來的一班一次冷熱端均投運(yùn),改造后一天一次,只吹冷端,節(jié)省蒸汽量50 t/天。

蒸汽吹灰蒸汽參數(shù)為350 ℃,壓力為1.2 MPa,查表得,該參數(shù)條件下蒸汽焓為3 151.7 kJ/kg,由此計(jì)算通過蒸汽量的節(jié)省,標(biāo)煤價(jià)格按照1 000/t計(jì)算,每年增加的經(jīng)濟(jì)收益為:100.8萬元。

4)改造后單臺機(jī)組的總收益

空氣預(yù)熱器改造后單臺機(jī)組的總收益為1 668萬元。

5)以上計(jì)算未考慮以下因素影響的收益

(1)運(yùn)行檢修成本降低。風(fēng)量分切防堵灰改造后,可節(jié)約空氣預(yù)熱器檢修及沖洗費(fèi)用。

(2)設(shè)備安全性能的提高。風(fēng)量分切改造后,消除了爐膛及風(fēng)煙道較大的周期性交變應(yīng)力,改善了鍋爐周邊的生產(chǎn)環(huán)境,使鍋爐及附屬設(shè)備的安全運(yùn)行得到保證。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)分析,該電廠空氣預(yù)熱器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)改造項(xiàng)目后不僅有效地提高了鍋爐機(jī)組運(yùn)行的安全性,而且?guī)砹溯^為可觀的經(jīng)濟(jì)效益[14-15]。

3.3 其他電廠空氣預(yù)熱器進(jìn)行風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)改造的情況

大唐集團(tuán)某電廠裝有4臺600 MW鍋爐機(jī)組,空氣預(yù)熱器設(shè)備為上海鍋爐廠有限公司制造。分別于2015、2018、2019年對4臺機(jī)組空氣預(yù)熱器均進(jìn)行了風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)改造。配套的防堵灰風(fēng)機(jī)功率為315 kW,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為1 480 r/min,風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式采用磁力耦合器調(diào)速運(yùn)行,風(fēng)機(jī)常年保持在1 000 r/min運(yùn)行。

其中,3號機(jī)組自從2015年改造投運(yùn)后,空氣預(yù)熱器煙氣側(cè)差壓一直保持在<1.4 kPa(機(jī)組滿負(fù)荷時(shí))運(yùn)行,2021年以來由于機(jī)組運(yùn)行時(shí)間長,蓄熱元件使用老化損壞嚴(yán)重,防堵灰風(fēng)機(jī)葉輪磨損及設(shè)備連續(xù)運(yùn)行時(shí)間太長導(dǎo)致防堵灰效果稍有下降,煙氣側(cè)差壓最高為2.0 kPa(機(jī)組滿負(fù)荷時(shí))。

4 總 結(jié)

(1)根據(jù)運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),自防堵灰系統(tǒng)于2019年5月正式投運(yùn),運(yùn)行3年多以來空氣預(yù)熱器壓差一直保持在1.7、1.8 kPa,未見上升,風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)達(dá)到了很好的防堵灰的目的。

(2)風(fēng)量分切防堵灰系統(tǒng)配套的風(fēng)機(jī)為磁力耦合器調(diào)速運(yùn)行,在治理空氣預(yù)熱器堵塞的同時(shí)考慮了運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。同時(shí),空氣預(yù)熱器壓差得到控制后,引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)的節(jié)約的電耗完全可以抵消防堵灰風(fēng)機(jī)的運(yùn)行電耗,降低了廠用電率。

(3)空氣預(yù)熱器風(fēng)量分切防堵灰技術(shù)能夠有效地解決空氣預(yù)熱器的堵灰問題,通過該技術(shù)進(jìn)行的改造能夠長期保持空氣預(yù)熱器的壓差穩(wěn)定不上升,保證空氣預(yù)熱器的穩(wěn)定運(yùn)行,提高機(jī)組運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性。截至論文發(fā)表前,該技術(shù)已有超過45臺機(jī)組的改造業(yè)績。