“煙塔合一”、合并風機、脫硫無旁路煙道熱電機組煙道系統設計

劉 璞，談琪英，湯曉舒

(北京國電華北電力工程有限公司，北京市，100120)

1 工程概況

三河電廠二期工程安裝2臺300MW亞臨界、一次中間再熱、抽汽凝汽式供熱國產機組，鍋爐為東方鍋爐（集團）股份有限責任公司制造。每臺機組設1套選擇性催化還原脫硝裝置（selective catalytic reduction，SCR），SCR反應器直接布置在省煤器之后、空預器之前的煙道上。空預器后依次布置靜電除塵器、雙吸離心引風機、石灰石-石膏濕法脫硫吸收塔和排煙冷卻塔。二期工程2臺機組分別于2007年8月、11月建成投產，機組達到了設計性能指標。

三河二期工程（以下簡稱“本工程”）突破了常規的機組煙道系統設計理念，煙道系統采用無旁路脫硫，鍋爐引風機和增壓風機合并設置，同時考慮SCR裝置阻力（三合一），玻璃鋼煙道，取消煙氣-煙氣換熱器（gas-gas heater，GGH），煙塔合一等新技術、新工藝，不僅簡化煙道系統，節約設計占地，而且減少了運行費用。

2 煙道系統設計特點

本工程在300MW級機組煙道系統設計上率先同步安裝SCR煙氣脫硝裝置和石灰石-石膏濕法脫硫裝置，脫硫系統設計取消旁路煙道和GGH、取消煙囪，采用“煙塔合一”冷卻塔。由于采用了“煙塔合一”排煙方式，本工程沒有必要設置GGH，同時脫硫塔出口至冷水塔內排煙道均采用玻璃鋼凈煙道，又由于脫硫系統取消了旁路，簡化了爐后煙道系統，促成脫硫增壓風機與鍋爐引風機合并設置。

本工程煙氣系統流程為：爐膛→省煤器→脫硝裝置→空氣預熱器→靜電除塵器→引風機→脫硫吸收塔→排煙冷卻塔→大氣。

根據煙氣系統流程，由于簡化了爐后煙氣系統、采用新材料等，給設計帶來一些新的問題，為此在煙道系統設計中需要采取針對性的措施。

2.1 玻璃鋼凈煙道及事故噴淋系統設計

本工程脫硫塔出口凈煙道可以采用玻璃鋼煙道或鋼煙道（內襯防腐樹脂鱗片）2種方式，在比較了2種煙道方式的支架結構及防腐等費用并考慮長期的維護管理等因素后，確定采用國外已普遍應用的FRP玻璃鋼煙道。

與鋼煙道相比，玻璃鋼煙道具有防腐性能好、重量輕，導熱系數低、糙率系數低、免后期維護等特點。此外，玻璃鋼煙道具有可設計性，可根據工程具體情況，通過調整材料配比、纏繞工藝等方式對管道的力學性能指標進行設計調整。玻璃鋼煙道除初投資略高于鋼煙道外，在耐久性、可維護性、冷卻塔排放煙氣適應性等方面更具優勢。

2.1.1 玻璃鋼煙道設計參數的確定

由于沒有玻璃鋼煙道相關的設計標準，其設計壓力按煙道運行中內部介質可能出現的最大壓力，當最大壓力絕對值低于2 kPa時，按±2 kPa設計。本工程玻璃鋼煙道設計壓力按±2 kPa設計。

機組在正常運行工況下，玻璃鋼煙道內介質運行溫度為50℃，考慮15℃的溫度裕量，玻璃鋼煙道的設計溫度為65℃。在機組啟停和其他非正常工況下，采取煙氣噴淋減溫措施，確保玻璃鋼煙道內介質短時（不大于10 min）運行溫度為80℃。機組在停止運行時，在室外環境溫度下，可能承受的最低溫度為-21℃（三河所在地區極端最低氣溫為-21℃）。本工程玻璃鋼煙道設計溫度為-21～65℃，短時（不大于10 min）承受溫度80℃。基本風壓為0.45 kN/m2；基本雪壓為0.40 kN/m2。設計地震烈度：8度，設計基本地震加速度值為0.2 g。玻璃鋼煙道積灰荷載見下文。

2.1.2 玻璃鋼煙道材料及流速選擇

本工程玻璃鋼煙道采用環向纏繞成型的玻璃纖維增強乙烯基樹脂復合材料制作，其內直徑為5.2 m，總厚度為30 mm（結構層厚度27 mm、化學腐蝕層厚度2.5 mm、外保護層厚度0.5 mm），加固筋間距為3.0 m，煙道支點最大間距為48 m。煙道的結構分析結果表明其強度、剛度、穩定性均能滿足工程要求。煙道的材質選型、成型工藝合理。

根據對德國 Lippendorf電廠（2×933 MW）、Niederaussem電廠11號機組（1×950MW）的考察報告及北京高碑店一期“煙塔合一”工程的調研了解，脫硫吸收塔后玻璃鋼煙道凈煙氣的設計流速一般為16～20 m/s。本工程在BMCR工況下，燃用設計煤種玻璃鋼煙道內煙氣流速為18.51 m/s。

2.1.3 玻璃鋼煙道布置設計

由于使用材料的差異，玻璃鋼煙道在布置上不同于常規鋼煙道，國外初期常采用低位布置方式，而后期多采用高位布置方式，以方便煙氣在冷卻塔中向上擴散，并減少濕煙氣對筒壁的影響。本工程結合脫硫吸收塔出口高度較高的情況，采用了玻璃鋼煙道高位布置，水平煙道中心標高為39 m，并向吸收塔方向傾斜，以便使濕煙氣凝結水排向脫硫吸收塔側。為保證煙氣在冷卻塔內向上排放，在冷卻塔中心設7.8 m高的垂直煙道。脫硫凈煙道系統彎頭少，可減小煙道的壓力損失，有利于煙氣的排放。

考慮到供熱機組的特點，設計考慮了2臺機組共用1塔的條件。三河電廠二期工程3、4號鍋爐脫硫吸收塔出口至排煙冷卻塔煙道的設計布置方式見圖1。

由3號鍋爐引風機出來的煙氣直接進入3號脫硫吸收塔，處理后的煙氣從吸收塔頂部煙氣出口排出，進入3號排煙冷卻塔。

由4號鍋爐引風機出來的煙氣直接進入4號脫硫吸收塔，處理后的煙氣從吸收塔頂部煙氣出口排出。凈煙道分2個支路：在正常工況下，凈煙氣排入4號排煙冷卻塔；在冬季4號排煙冷卻塔停運時，凈煙氣排入3號排煙冷卻塔。在煙道的2個支路上分別設置擋板門，用于煙氣切換。

根據玻璃鋼煙道的整體布置，設置非金屬補償器和固定、滑動組合支撐，解決煙道的熱膨脹問題，避免熱應力的集中。

2.1.4 實際的煙道布置方案

本工程在實際實施過程中，考慮節約工程造價的需要及今后運行中有實現不切換的運行方式的可能性，按3號爐對應3號排煙冷卻塔，4號爐對應4號排煙冷卻塔，4號爐至3號排煙冷卻塔的煙道（包括塔內）及相應擋板均不施工，在今后運行測試結果分析完成后再確定支路煙道施工的必要性，塔上預留的第2個煙道開洞按少配筋混凝土封死，需要時可以敲開孔洞，計算及設計均按雙煙道考慮。

2.1.5 玻璃鋼煙道內積灰荷載的確定

由于當時的規程或標準對脫硫之后的煙道積灰荷載沒有明確的規定，考慮機組低負荷時煙氣流速較低，玻璃鋼煙道會出現積灰，首先對玻璃鋼煙道可承受的積灰厚度進行預測，再計算與其他荷載共同作用下玻璃鋼煙道強度，保證煙道安全運行，取242 mm作為玻璃鋼煙道積灰高度設計值，積灰重力密度按15 kN/m3計算。

從三河電廠運行2年反饋的情況來看，玻璃鋼煙道中基本不積灰，僅在膨脹節處有少許積灰。建議今后玻璃鋼煙道設計時，煙道底部最大積灰厚度一般可按不大于200 mm考慮，該積灰荷載可作為控制運行和檢修的條件在設計文件中體現。要求對玻璃鋼煙道定期檢查，對煙道內的積灰情況每年檢查2次（冬季、夏季各1次）。

2.1.6 玻璃鋼煙道疏水設置

三河電廠二期工程玻璃鋼煙道坡向脫硫吸收塔側。在不需要設置補償器的煙道上，疏水直接進入吸收塔；在設置有補償器的煙道上，于補償器最低點設有疏水管道，疏水至吸收塔附近泵坑。疏水包括玻璃鋼煙道內的煙氣凝結水和排煙冷水塔內進入煙道的雨水或者冷水塔內凝結水。疏水管道管徑按DN200設置。

目前電廠實際運行玻璃鋼煙道內的凝結水量約為5 m3/h，pH值為2.3，疏水管道管徑可適當減小。

2.1.7 事故噴淋系統

由于吸收塔內零部件、防腐襯膠及玻璃鋼凈煙道對煙氣溫度非常敏感，需要嚴格控制吸收塔入口煙氣溫度，在吸收塔入口設置事故噴淋系統。本工程脫硫吸收塔內防腐襯膠、噴淋層管道和除霧器原件等所能承受的最高溫度是80℃，玻璃鋼凈煙道的設計溫度為65℃，短時運行溫度為80℃（不大于10 min）。當脫硫區域停電或全部漿液循環泵故障停運時，為了避免原煙氣（溫度120℃）進入吸收塔對內部的零部件、防腐襯膠及塔后玻璃鋼煙道造成破壞，需開啟事故噴淋系統，把煙氣溫度控制在65℃以下；當脫硫系統正常而機組排煙溫度異常升高時（短時300℃），事故噴淋系統的設計也應滿足把短時高溫煙氣降低到吸收塔的許入溫度160℃以下。

采用在脫硫吸收塔入口煙道上設置事故噴淋系統的措施，以保證吸收塔及玻璃鋼凈煙道不受高溫的破壞。事故噴淋系統設置有高位事故水箱(容積為100 m3)，除霧器沖洗水泵對事故水箱自動補水，另外設置1路消防水泵補水水源。如果煙氣系統出現故障煙溫升高時，可快速投入事故噴淋系統，將溫度降至上述限值以下。與此同時，考慮了各種保證運行安全的措施，包括在保證脫硫效率的前提下使漿液循環泵經常有1臺處于備用狀態及供電安全的保證、供水水源安全的保證等，即使在供水泵失去備用情況下，還設有高位事故水箱，以保證一定時間的用水。

2.2 “煙塔合一”排煙

“煙塔合一”技術在國外已實施多年，在國內僅北京高碑店一期工程在改造工程中應用，且是由外國公司設計，并在改造工程中保留了煙囪，即采用了有旁路的“煙塔合一”技術。本工程采用了國內第1座自主設計的、滿足“環保可行性”和“應用安全性”的排煙冷卻塔。

3 煙道系統阻力分析及引風機選型

脫硫煙氣系統是否設置增壓風機與該系統是否設置脫硫旁路和GGH、及是否與主機組同步建設有關。另外，還需要考慮投資費用、布置、功耗、風機選型、對鍋爐的影響等因素。三河電廠二期工程綜合考慮上述因素后取消增壓風機，采用雙吸、雙支式帶液力耦合器調速功能的引風機。該引風機同時克服鍋爐煙氣系統、脫硝及脫硫3部分的阻力，引風機的壓頭有所提高，但對于引風機的整體造價提高不多，既簡化系統節省占地，又降低了初投資。三河二期采用引風機與增壓風機合并配置的方案更顯“煙塔合一”、“無旁路脫硫”的優越性。

3.1 煙道系統設備阻力值選取

空氣預熱器隨鍋爐本體由東方鍋爐廠設計供貨。它的設計已考慮加SCR后空氣預熱器的防腐、防堵措施，特別考慮了裝設脫硝裝置后帶來額外的銨化合物會在空預器換熱元件上結垢，從而引起空預器的堵塞、腐蝕現象對空預器的影響。按鍋爐廠提供的數據，BMCR工況下鍋爐本體（包括自生通風、空預器本體煙氣側）阻力值為2400 Pa。

脫硝系統阻力按脫硝廠家提供的初步設計資料，化學壽命期內，對于SCR反應器內的每一層催化劑，壓力損失增幅不超過20%。引風機選型時按加裝附加催化劑后的阻力考慮。

脫硫系統阻力按脫硫廠家提供的設計資料。

玻璃鋼煙道的阻力包括3部分：摩擦阻力、局部阻力（彎頭、風門、補償器等）和排煙冷卻塔內煙氣出口局部阻力。在該部分阻力計算時，參考了北京高碑店一期工程的外國公司的設計數據，從脫硫吸收塔出口至排煙冷卻塔的玻璃鋼煙道阻力共計200 Pa。

3.2 引風機選型

鍋爐煙氣系統分段阻力匯總見表1。

每臺鍋爐配置2臺50%容量引風機。根據《火力發電廠設計技術規程》[5]的規定，引風機的風量裕量不低于10%，另加不低于10℃的溫度裕量，引風機的壓頭裕量不低于20%，本工程實際選取為風量裕量不低于15%，另加不低于10℃的溫度裕量，壓頭裕量不低于25%。引風機選型各工況點參數（設計煤種）見表2。

原設計引風機推薦采用軸流風機，由于脫硫增壓風機與引風機合并，引風機壓頭較高，只有雙級動調軸流風機及離心機可滿足要求。但雙級動調軸流風機作為引風機當時在國內電廠還沒有運行業績,關鍵部件需要進口，鑒于引進費用過高和國內無運行業績，最終確定采用雙吸雙支離心風機。通過招標確定引風機型號為Y4-2×60-14No29F，每臺離心引風機配置1臺原裝進口液力耦合器(1150 SVNL 22-32型)。

表1 煙氣系統分段阻力Tab.1 Flue-gas system sectional resistant Pa

表2 引風機選型各工況點參數（設計煤種）Tab.2 Various condition point parameter for ID fan model selection（design coal）

3.3 電廠引風機實際運行情況及分析

三河電廠二期目前運行已經2年，實際燃用煤質接近校核煤種，其中灰分、硫分及發熱量偏差不大。煙道系統運行后，內壓力實測值數據見表3。

表3 煙道系統內壓力實測值數據Tab.3 Duct system internal pressure measured data Pa

從表3實測數據和計算值對比，引風機阻力計算值有所偏高，由于引風機阻力主要來自鍋爐本體、脫硝裝置、除塵器本體，脫硫吸收塔本體，其阻力值一般由設備廠家根據設計煤種提供，考慮到我國電廠燃用煤種多變的實際情況，各廠家提供的數據一般都留有一定裕量。另外，采用冷卻塔排煙的經驗不多，脫硫吸收塔出口至排煙冷卻塔的玻璃鋼煙道阻力未充分考慮冷卻塔濕冷蒸汽的上拔力。目前引風機在BMCR工況實際運行負荷率按照實際運行電流折算約為70%。引風機的選型基本是合適的。

4 關于爐膛防爆壓力及煙道系統設計壓力

隨著煙氣系統配置的多樣化以及對國內外標準的不同解讀，目前工程中對爐膛防爆壓力的選取不盡統一，部分大型機組的鍋爐爐膛設計瞬態壓力的選取為±9.98 kPa（或±9.9 kPa、±9.8 kPa）及±8.7 kPa。三河電廠二期鍋爐爐膛最大瞬時承受壓力按絕對值不低于9.8 kPa考慮。“三合一”引風機在環境溫度下的TB點能力已超過爐膛最大瞬時承受壓力。由于鍋爐爐膛設計瞬態壓力的提高，一方面提高了鍋爐設備的造價，另一方面也受爐膛結構設計的限制，故不宜一味提高鍋爐爐膛瞬態壓力承受值，而是要綜合考慮鍋爐安全、結構合理性、工程造價等因素，依靠完善保護控制措施，保證鍋爐安全。三河電廠二期采取報警、鍋爐總燃料跳閘（main fuel trip，MFT）、跳風機的爐膛三段保護措施，且在所有工況下均要保證從送風機入口到排煙塔的通道暢通無阻。

設置脫硝、無旁路脫硫以及不設增壓風機后，煙氣系統阻力分配有一定的變化，對設計壓力取值有一定影響，煙氣系統設計壓力按《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》[6]要求考慮最大運行壓力、MFT時煙風道介質壓力、最低介質設計壓力三方面因素確定。

5 啟停控制方式

常規工程鍋爐啟停、吹掃及煤油混燒時，煙氣中含大量油煙和粉塵，為防止對脫硫吸收塔內漿液產生污染，煙氣均經旁路煙道排放。本工程無脫硫旁路，如果不采取措施，這些煙塵和油霧將直接進入脫硫吸收塔、煙塔，對脫硫吸收塔內漿液及煙塔內壁產生危害。

本工程安裝了等離子點火裝置，啟動時可實現無油或少油燃燒。鍋爐啟動前脫硫系統漿液循環泵投入運行，除塵器先于漿液循環泵投入使用，除塵器可除去大部分未完全燃燒的煤粉，對少量煤粉可能產生的漿液污染，根據運行情況對部分漿液進行置換，即大量補充新鮮的石灰石漿液，同時排放污染的漿液。在鍋爐事故停機的時候，待煙風系統停運后，再停運脫硫系統、除塵系統。

雖然取消旁路煙道對脫硫系統有一定的影響，但在采取各種有效措施后，本工程的運行實踐證明脫硫無旁路煙塔運行是安全的。

6 結論

三河電廠(二期工程)是國內首座國產化“煙塔合一”排煙、引風機和增壓風機合并設置、脫硫無旁路、玻璃鋼凈煙道的現代化環保熱電廠。該工程煙氣系統同步安裝脫硝、脫硫裝置，無GGH和增壓風機的設置，極大地簡化了大型環保電廠的煙道設計系統，在吸收塔前采用事故噴淋降溫設計，保護了吸收塔及吸收塔后玻璃鋼凈煙道，保證了煙氣系統的安全可靠性。

三河電廠二期工程排煙冷卻塔已于2007年8月投產，根據投產后的測試數據證明，國內首臺“煙塔合一”、脫硫無旁路機組的煙氣系統設計是成功的。

[1]北京國電華北電力工程有限公司.冷卻塔排煙技術自主研發與應用：技術報告[R].北京：北京國電華北電力工程有限公司，2006.

[2]武漢理工大學.三河電廠排煙冷卻塔玻璃鋼煙道結構分析研究報告[R].武漢：武漢理工大學，2006.

[3]北京國電華北電力工程有限公司.三河電廠二期工程申報2008度電力行業優秀工程設計材料之二專題報告(一)脫硫無旁路煙氣系統[R].北京：北京國電華北電力工程有限公司，2008.

[4]華北電力科學研究院有限責任公司.冷卻塔排煙技術自主研發與應用：調試技術總結報告[R].北京：華北電力科學研究院有限責任公司，2008.

[5]DL 5000—2000火力發電廠設計技術規程[S].

[6]DL/T 5121—2000火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程[S].

[7]北京國電華北電力工程有限公司.鍋爐爐膛防爆壓力及煙氣系統設計壓力研究[R].北京：北京國電華北電力工程有限公司，2008.

[8]湯蘊琳.火電廠“煙塔合一”技術的應用[J].電力建設，2005，26（2）：11-14.

[9]曾德勇.煙塔合一工程綜合調研[J].電力建設，2007，28（3）：41-44.

[10]曾德勇.國內脫硫-煙塔合—工程設計[J].電力建設，2007，28（5）：57-60.

[11]曾德勇.從設計角度提高脫硫-煙塔合一系統的安全性和可靠性[J].電力建設，2008，29（3）：56-59.