火力發電廠脫硫煙道旁路封堵后機組可靠性研究

張海富 康靜秋 張福仲 王進英 萬太浩

（1.國華電力公司惠州熱電分公司，廣東省惠州市，516082；2.華北電力科學研究院，北京市朝陽區，100025；3.國華電力公司錦界能源有限責任公司，陜西省榆林市，719319）

1 概述

隨著環保部 “十二五”減排要求的實施細化，持續推進污染物總量減排工作，為了減少污染物的排放，提高燃煤發電機組綜合脫硫脫硝的效率，要求對燃煤電廠脫硫系統煙道旁路實施徹底封堵，因此脫硫煙道旁路的封堵工作對于各發電公司勢在必行。已經投產的脫硫系統設計有旁路系統，當脫硫系統設備發生故障時可以切至旁路方式運行，煙風系統結構見圖1。在原設計上未把脫硫系統作為主設備來看待，在可靠性上可能存在較大的安全隱患。

旁路系統封堵意味著脫硫系統要在機組全工況下運行，其重要性尤為突出，因此需要對脫硫系統進行全面的風險評估，制定預控措施來提高設備的健康水平。特別是對于2臺引風機和1臺增壓風機的煙風系統改造，增壓風機是煙氣的唯一通道，一旦增壓風機跳閘機組必須停運。針對此類風險提出了增壓風機RB控制的運行方式，可以有效地減少機組的非計劃停運次數，對試驗的準備及過程進行深入研究，從本質上提高了機組的運行可靠性。

2 脫硫系統風險評估及預控

2.1 煙氣溫度造成吸收塔損壞的風險評估及預控

脫硫系統吸收塔設計漿液循環泵運行時吸收塔的入口煙氣溫度不能大于180℃，當漿液循環泵停運時煙氣溫度不允許超過80℃。由于原系統未設計吸收塔煙氣入口處的事故噴淋系統，因此當脫硫煙道旁路封堵后，如果由于脫硫系統母線失電而造成3臺漿液循環泵同時跳閘，或者鍋爐空預器停轉、著火等情況會造成吸收塔入口的煙氣溫度超過設計值，吸收塔內部的襯膠及除霧器設備就有可能會被損壞，嚴重時將造成整個吸收塔癱瘓。

為了保證脫硫吸收塔在事故高溫煙氣下的安全，在吸收塔入口段設置事故煙氣噴淋裝置，脫硫系統煙氣系統圖見圖2，對進入吸收塔的煙氣進行噴水減溫，使得進入吸收塔的煙氣溫度在允許的范圍內，保護吸收塔不受高溫煙氣的損壞。

（1）建立數學模型。分析吸收塔入口煙道內事故噴淋裝置的流場，研究在不同的煙氣流量、煙氣溫度和煙道布置的情況下，計算出事故噴淋減溫水量及其減溫效果，得出脫硫事故噴淋裝置母管、支管及噴嘴的布置方案，為無旁路煙氣脫硫系統的事故煙氣減溫水設計提供依據。

圖1 煙風系統結構

圖2 脫硫系統煙氣系統圖

（2）噴淋降溫方式。事故噴淋系統每套至少由兩級組成，第一級采用壓力霧化噴嘴，采用常規消防水 （或者特殊消防水）作為水源；第二級同樣采用壓力霧化噴嘴，采用特殊消防水 （或者常規消防水）作為水源。當鍋爐事故狀況下煙氣經過第一、二級減溫后，煙氣溫度由入口時的250℃降低至160℃（局部最高點不超過160℃）以下；當脫硫側事故狀況下煙氣經過第一、二級減溫后，煙氣溫度由170℃降低至80℃ （局部最高溫度不超過80℃）以下。

（3）考慮到事故噴淋系統是在系統設備出現故障狀況下的應急使用，因此事故噴淋系統采用氣動門的控制方式，避免設備及電源故障造成系統失靈。同時該套系統根據實際情況進行定期開展試運工作，避免煙氣異常情況下不能及時投運。

2.2 DCS系統風險評估及預控措施

原設計的DCS系統為2臺機組共用一套DCS系統，作為電廠安全運行的控制中樞神經系統，如果控制系統發生故障，容易造成2 臺機組同時跳閘，屬于重大安全隱患。隨著國家對環保要求的提高，脫硫系統在機組運行中嚴禁退出，一旦控制系統出現故障，將會影響到2臺機組環保設施的安全穩定運行，造成環保設備效率降低、污染物排放不達標以及發生環境污染等事件，給集團公司帶來不良的社會影響。因此將脫硫DCS系統進行單元制改造，1＃和2＃及脫硫公用分別由自成DCS網絡進行單元制控制，避免由于控制系統故障而影響到2臺機組的安全運行。

2.3 增壓風機動葉調節不及時風險評估及預控

傳統調試將增壓風機入口的壓力調節為較小，因為增壓風機動葉的頻繁動作直接影響著鍋爐爐膛的負壓，會造成負壓調節的不穩定，嚴重時會造成MFT 事件的發生。當送風機、引風機和一次風機跳閘到機組進行RB 動作時，2臺引風機的出力瞬間作用到1臺增壓風機上，增壓風機入口的壓力如果調整不及時，就會造成增壓風機入口壓力的保護動作所引起的增壓風機跳閘，脫硫系統切換至旁路方式運行，無脫硫旁路系統就會直接造成機組停運。因此增壓風機入口壓力的自動調節邏輯需要徹底優化并形成最優的調試方案，針對這個問題主要有3種方案：

（1）機組正常運行時使用2 臺送風機導葉開度，做為增壓風機入口壓力的自動前饋信號，使增壓風機能夠超前調節，避免造成爐膛負壓的大幅波動。同時將一次風機的RB動作信號以硬接線的方式作為自動控制的超馳信號，在RB發生時且爐膛負壓尚未發生變化前迅速將增壓風機動葉切為手動，根據負荷情況超馳關閉動葉到一固定值并維持一定時間，隨后恢復到RB工況前導葉開度位置維持不變進行開環控制，保證機組工況的穩定。

（2）機組正常時增壓風機入口壓力采用的原單回路控制不變，同時引入鍋爐側面的2臺引風機導葉開度與鍋爐爐膛負壓變化較大的一個信號的測量值作為前饋信號，使得增壓風機動葉能對被控參數進行快速調節。當一次風機RB動作后由于爐膛負壓的降低，2臺引風機的開度會迅速減小，同時將2臺送風機的開度增大，增壓風機自動跟隨引風機導葉開度實現自動調節維持機組運行穩定。

（3）機組正常時增壓風機入口壓力采用單回路控制，引入鍋爐側面的總風量控制指令作為前饋信號，使得增壓風機動葉能對被控參數進行快速調節。機組RB發生時，煤量的變換直接反映到風量的控制指令，使得增壓風機提前控制入口壓力，保證爐膛負壓及增壓風入口壓力控制在保護范圍內。

2.4 脫硫系統主要輔機電源系統風險評估及預控

2.4.1 漿液循環泵電源可靠性提高

系統原設計本機組的脫硫系統中的3臺漿液循環泵電源全部取自單元機組公用段，當電源系統出現故障時，會造成3臺漿液循環泵同時停止，造成機組非計劃停運的同時還有可能造成吸收塔的燒損。因此將本機組的最大出力泵增加一臺開關柜，電源從相鄰機組的公用段接引改造成采用雙電源式的管理方式。機組正常運行使用相鄰機組的電源，防止電壓的突然閃動 （低電壓保護動作）造成3臺泵同時跳閘，避免機組非計劃停運及吸收塔超溫，當相鄰機組的電源檢修時操作回本機組電源供電。當然也可以考慮將2臺漿液循環泵采用雙電源管理的方式，這樣可以避免雙電源泵檢修時給機組帶來的附加風險。采用雙電源控制需要在控制系統操作端及2臺開關柜側考慮閉鎖方式，避免2臺開關柜的同時合閘造成設備的損壞。

2.4.2 增壓風機油泵電源可靠性提高

原設計增壓風機中2臺潤滑油泵和2臺液壓油泵全部取自于同一路電源，一旦失電會造成增壓風機失去潤滑油，輕則造成風機軸承的磨損，重則油壓低引起增壓風機跳閘機組停運。因此設計將2臺潤滑油泵和2臺液壓油泵中的各一臺泵改成另一路的保安段電源，當一路電源失電時通過低油壓可以及時聯鎖另一臺油泵運行，避免因2臺油泵同時跳閘造成增壓風機停運及軸承損壞。

2.5 供漿系統風險評估及預控

系統原設計由2個漿液箱和3臺供漿泵所組成的“兩用一備”的控制方式，每臺泵由一條供漿管道到每一臺機組維持脫硫效率在設計值范圍內。由于漿液的特性是粘稠度較大，經常發生供漿管路堵塞及泄漏事件的發生，直接影響脫硫的效率。因此每臺機組分別增加一條備用供漿管道，避免供漿中斷、脫硫效率下降及出口二氧化硫超標環保事件發生。

2.6 工藝水系統風險評估及預控措施

該系統中一個工藝水箱設計2臺工藝水泵，工藝水系統主要用于漿液循環泵的軸承冷卻水及氧化風機冷卻水，工藝水箱故障工藝水中斷直接造成漿液循環泵及氧化風機跳閘機組非計劃停運。因此考慮增加一個工藝水箱采用一用一備的運行方式，避免機組的非計劃停運。

2.7 增壓風機風險評估及預控

脫硫煙道旁路封堵后增壓風機將作為機組的主要輔機，增壓風機跳閘將直接導致機組MFT，因此需要研究增壓風機系統的可靠性，從保護誤動及拒動的角度出發優化增壓風機的保護邏輯，同時考慮一旦出現增壓風機跳閘的情況，是否有其它運行方式可以維持機組的正常運行，避免機組非計劃停運事件的發生。因此考慮可否利用增壓風機跳閘后動葉全開這個煙氣通道維持機組帶部分負荷運行（增壓風機RB），可以動葉全開機組快速降負荷，利用引風機出力，克服脫硫阻力承擔的機組剩余負荷維持機組運行。同時研究增壓風機再次啟動的負荷點，保證增壓風機帶部分負荷啟動成功。需要在機組調試過程中確定機組的RB 負荷點及增壓風機啟動的負荷點。本著提高機組探索科技創新可行性，增壓風機RB 控制成為了科技創新的主要課題。

2.7.1 增壓風機保護邏輯的優化

考慮到增壓風機的重要性，特別邀請到設計院和電科院專家對增壓風機從保護拒動和誤動存在的風險重點進行了評估。從增壓風機設備本身及系統的安全性進行考慮，將增壓風機振動單點保護進行了修改，避免因雷雨天氣及振動探頭故障造成保護誤動；針對增壓風機入口壓力對系統的影響情況，取消增壓風機入口壓力高保護，將壓力低保護修改成煙道的最大承受能力，增壓風機保護邏輯的優化對比見表1。

表1 增壓風機保護邏輯的優化對比表

2.7.2 增壓風機RB試驗

增壓風機作為煙道的唯一通道，提出了一種國內首創的機組快減負荷功能——增壓風機RB。增壓風機RB的設計目的就是確保在機組增壓風機發生故障 （快速暫停）的工況下，通過對各種不同工況與運行方式下的邏輯判斷與控制策略的選擇，自動完成將機組的負荷降至與當前運行設備允許出力對應的目標負荷，同時在增壓風機跳閘的瞬間利用動葉全開建立一個煙氣流量的快速通道，保證主要調節系統工作正常，維持機組主要參數在允許范圍內。從而大大減少機組的非停次數，確保機組的安全穩定運行。

在研究過程中增壓風機RB在設計上仍然存在諸多難點，例如增壓風機跳閘后動葉全開的通流面積是否可以在鍋爐穩燃負荷之上；2臺引風機出力能否可以克服脫硫系統的阻力帶負荷運行；增壓風機跳閘后能否再次帶負荷啟動，動葉開度多大啟動合適；增壓風機RB 的目標負荷設計多少最為合適；增壓風機跳閘對鍋爐的影響程度是否可控；RB控制策略如何設計。

由于國內尚無開展相關工作，沒有經驗可以借鑒，因此在試驗過程中若稍有差池，輕則直接導致鍋爐滅火機組非計劃停運，重則可能由于鍋爐爐膛或者煙道壓力超過設備承受的極限直接損害風機等價格昂貴的設備。同時機組在運行多年并經過大修改造后，不能再單純地沿用原有設計說明書和性能實驗的原始數據進行簡單設計，而是需要根據機組本身的特性，設計符合機組特性、RB 試驗需要的風險評估和現場試驗方案，并組織安全實施，才能有效地評估機組對各類不同RB試驗的極端工況的耐受能力和改造后機組風煙系統的最真實的運行參數。只有根據現場最真實有效的試驗結果構建模型，模擬極端工況的真實條件，對RB和自動的優化方案進行優選和逐個測試，才能給予方案客觀的評估，從而最大程度地確保試驗的一次成功率，保證機組的安全穩定運行。

表2 機組負荷191MW 在機組穩燃負荷以上的具體參數表

圖3 增壓風機RB （400 MW）試驗曲線

圖4 增壓風機RB （550 MW）試驗曲線

因此要充分利用機組啟停機的機會，多次進行機組啟動過程中的冷態脫硫系統阻力試驗，機組停機過程中熱態脫硫系統阻力試驗，在機組熱態情況下增壓風機RB目標負荷試驗及增壓風機帶負荷啟動能力試驗。同時為全面考察增壓風機的RB控制品質，分別對機組中的負荷和高負荷進行了RB試驗，增壓風機RB （400 MW）和增壓風機RB（550 MW）的試驗曲線分別見圖3和圖4，試驗全部一次取得成功，達到 《火力發電廠模擬量控制系統驗收測試規程》優良指標。爐膛負壓最大到-1120～940Pa （保護動作值-2000～2500Pa），增壓風機動葉可以在11%啟動，當時入口壓力為1400Pa，機組負荷191MW 在機組穩燃負荷以上，啟動過程中所有參數正常，具體參數見表2。

3 結論

根據國家環保部的相關文件，近幾年各發電公司正在開展脫硫煙道旁路的取消工作。通過對脫硫系統的風險進行評估，以提高機組可靠性為目的，提出了脫硫系統的主要風險及預控措施，特別是獨創的增壓風機RB試驗的成功，國家已受理發明專利，可以有效減少機組的非計劃停運，同時也節省了其它發電公司采用增引合一的技術改造費用，對火力發電廠脫硫煙道旁路封堵技術改造有著一定的實際應用意義。

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