660 MW超超臨界鍋爐凈煙氣取水裝置的優(yōu)化研究

王 林，楊 博，王紅雨，姜宏偉，宋曉輝，張亞夫，高景輝，孟穎琪

(1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054； 2.華能錫林郭勒熱電公司北方勝利電廠，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

我國內(nèi)蒙古地區(qū)煤炭資源豐富，但面臨干旱缺水的客觀氣候條件，建設(shè)大型火電基地需首先解決火電機(jī)組耗水量大的問題[1]。燃煤在鍋爐中燃燒后，自身固有的水分及燃燒反應(yīng)形成的水分，最終都會先分散到煙氣中，再排入大氣[2-3]。經(jīng)相關(guān)測算，大型電站鍋爐煙氣中的水分含量高達(dá)數(shù)十噸級，具有很大的回收利用潛力[4-6]。借助相關(guān)設(shè)備，回收利用上述水分，無疑將會大大提高缺水地區(qū)火電機(jī)組的綜合競爭力。

內(nèi)蒙古地區(qū)煤田多為含水量大的褐煤，其煙氣中的水分，主要包括以下四部分：煤的外水分、內(nèi)水分，氫元素氧化反應(yīng)形成的水，濕法脫硫過程中夾帶吸收塔內(nèi)的水以及一二次風(fēng)中空氣含水[7-8]。

針對上述水分，本文提出在脫硫吸收塔出口煙道內(nèi)增加一級煙氣換熱器，利用循環(huán)冷卻水降低煙氣溫度，使得煙氣中的水蒸氣受冷凝結(jié)，從而析出冷凝水。設(shè)備實際運(yùn)行表現(xiàn)表明，該套裝置的節(jié)水效果顯著，出力調(diào)節(jié)可靠。由于冷凝水回收量大，電廠短時間內(nèi)難以全部利用，因此對凈煙氣取水裝置進(jìn)行了優(yōu)化改造，增加濕式電除塵集塵板沖洗水以及脫硫吸收塔補(bǔ)給水作為其用戶，從而使得該套裝置實現(xiàn)了長期穩(wěn)定運(yùn)行，獲得了節(jié)水與環(huán)保的雙重效益[9]。

1 機(jī)組概況

某電廠2×660 MW機(jī)組工程采用了型號為HG-2114/29.3-HM14的超超臨界直流鍋爐。該鍋爐整體構(gòu)造采用塔式布局，燃用就地煤田提供的褐煤。其燃煤的基本特性分析如表1所示。

表1 燃煤特性分析

煤粉在爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生大量煙氣，理論計算得到該工程脫硫吸收塔出口的煙氣參數(shù)如表2所示。

表2 脫硫塔出口煙氣特性參數(shù)

從表2可知，煙氣中水蒸氣所占的體積份額，設(shè)計煤種下為16.10%，校核煤種下為17.62%，因此可回收的水量極為可觀。

2 凈煙氣取水裝置簡介

為回收利用高水分褐煤鍋爐煙氣中的水分，提出并建立了一套由循環(huán)水泵、間冷塔及煙道內(nèi)換熱器、冷凝水池組成的凈煙氣取水系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

凈煙氣取水系統(tǒng)原理圖如圖1所示。間冷塔中設(shè)置獨(dú)立的2個扇區(qū)用于循環(huán)水的冷卻。冷凝水循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計有專門的充水泵和膨脹水箱。正常運(yùn)行時，可視膨脹水箱的液位隨時進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)水，從而保證系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 凈煙氣取水系統(tǒng)原理圖

脫硫塔后的凈煙氣接近于飽和濕煙氣，其溫度為55 ℃左右。在脫硫塔與煙囪之間設(shè)置一級換熱器，用來降低煙氣溫度，析出煙氣中的部分水分，從而達(dá)到回收水的目的。換熱器的冷源介質(zhì)為閉式循環(huán)冷卻水，其在煙道中被煙氣加熱，然后送至間接冷卻塔放熱降溫，再通過循環(huán)水泵送回?fù)Q熱器，最終完成吸放熱的閉式循環(huán)。系統(tǒng)設(shè)計取水量如表3所示。

表3 凈煙氣取水系統(tǒng)取水量

煙氣中的水蒸氣被冷凝成液滴后，沿著換熱器表面流淌至煙道底部，經(jīng)集水槽、下降管，最終輸送至煙氣取水系統(tǒng)冷凝水池中，供電廠作為補(bǔ)給水使用。

2.2 煙氣換熱器

煙氣取水換熱器布置在脫硫塔和煙氣除霧器之間，換熱管材質(zhì)選用鈦管，布置形式為圓形光管順列布置，壁厚1.2 mm。吸收塔煙道外壁尺寸為11 500 mm×6 000 mm，內(nèi)部設(shè)置的煙氣換熱器參數(shù)如表4所示。

表4 煙氣換熱器設(shè)計參數(shù)

煙氣取水換熱器煙氣側(cè)流程為吸收塔→變徑管(含導(dǎo)流板)→煙氣取水換熱器本體→除霧器→煙氣加熱器預(yù)留段→變徑管→煙囪。

煙氣取水換熱器循環(huán)水側(cè)流程為間冷塔冷卻扇區(qū)→循環(huán)水泵→煙氣取水換熱器本體→間冷塔冷卻扇區(qū)。

2.3 循環(huán)水泵

本工程設(shè)計的循環(huán)水量為3 200 m3/h，每臺機(jī)組配置2×50%循環(huán)水泵，采用1拖2變頻調(diào)節(jié)出力。兩臺泵同時滿出力運(yùn)行時，凈煙氣取水系統(tǒng)達(dá)到最大水回收能力。循環(huán)水泵的性能參數(shù)如表5所示。

表5 循環(huán)水泵主要參數(shù)

2.4 換熱器水沖洗裝置

進(jìn)入煙氣取水換熱器的煙氣，雖然經(jīng)過了電除塵裝置的凈化，煙塵含量較低。但經(jīng)過脫硫塔后，煙氣中不可避免地會夾帶含有石膏的小液滴。冷凝過程中，這些雜質(zhì)也會在換熱管表面黏附，形成隔熱層，影響換熱器的換熱效率。此外，換熱器后的除霧器也存在積灰問題。因此，分別設(shè)計了換熱器沖洗水和二級煙道除霧器沖洗水裝置，當(dāng)煙氣換熱器進(jìn)出口差壓大于500 Pa時，即需打開沖洗水閥開始沖洗。

3 系統(tǒng)投用與優(yōu)化改造

3.1 系統(tǒng)投運(yùn)過程

利用充水泵向系統(tǒng)首次注水，并打開換熱器各模塊放氣門。系統(tǒng)滿水后，關(guān)閉各手動排氣門，啟動循環(huán)水泵，保持較低頻率運(yùn)行，強(qiáng)制建立水循環(huán)。循環(huán)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，注意檢查管道漏水點并及時緊固處理。

確認(rèn)系統(tǒng)管道密閉良好后，增加循環(huán)水泵出力，開始對系統(tǒng)管道進(jìn)行帶壓沖洗，直至取樣口處水質(zhì)優(yōu)良，滿足運(yùn)行要求。

鍋爐點火后，系統(tǒng)維持運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)膨脹水箱液位情況，及時補(bǔ)水。系統(tǒng)試運(yùn)參數(shù)如表6所示。

表6 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

從表6參數(shù)可知，凈煙氣取水裝置運(yùn)行正常，冷凝水回收效果優(yōu)于設(shè)計值。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)化改造

實際應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)回收的冷凝水量過大，超出了電廠補(bǔ)給水的耗用速度，為避免水池滿溢，運(yùn)行過程中還需暫停凈煙氣取水裝置。這無疑是對設(shè)備性能的浪費(fèi)。

針對上述問題，對凈煙氣取水裝置進(jìn)行了優(yōu)化改造，增加濕式電除塵器極板沖洗水與脫硫塔補(bǔ)給水兩路用戶，結(jié)合循環(huán)水泵自有的出力變頻調(diào)節(jié)能力，實現(xiàn)了裝置的全過程投用。具體優(yōu)化改造方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)沖洗示意圖

煙氣經(jīng)過脫硝、除塵、脫硫以及濕式電除塵等凈化工藝后，內(nèi)部固體雜質(zhì)含量極低，冷凝水的水質(zhì)清潔[10]，故可直接作為濕式電除塵的集塵板沖洗用水，并可直接作為脫硫吸收塔的補(bǔ)給水。上述兩個新增用戶，通過布設(shè)管道及增加增壓泵即可滿足運(yùn)行要求。

本工程系統(tǒng)選用的循環(huán)水泵自帶變頻調(diào)節(jié)功能，且換熱器入口處還設(shè)計有水量調(diào)節(jié)旁路。當(dāng)冷凝水池液位持續(xù)上漲時，可降低循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速，開大換熱器前的旁路，從而減少進(jìn)入換熱器的冷卻水量，降低水蒸氣的凝結(jié)量，實現(xiàn)冷凝水量的調(diào)節(jié)。

增加上述用戶后，結(jié)合循環(huán)水量調(diào)節(jié)手段，較好解決了機(jī)組運(yùn)行過程中冷凝水池滿水問題，凈煙氣取水裝置實現(xiàn)了全過程的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 語

針對內(nèi)蒙古地區(qū)干旱缺水的自然條件，提出并應(yīng)用了一套褐煤鍋爐凈煙氣取水裝置，利用冷凝法回收煙氣中的水分，系統(tǒng)實際運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)水效果顯著。針對冷凝水量過大，難以全部利用的問題，優(yōu)化改造后增加了脫硫吸收塔補(bǔ)給水與濕式電除塵器集塵板沖洗水兩個用戶，結(jié)合循環(huán)水量的調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)了凈煙氣取水裝置的長期穩(wěn)定運(yùn)行，取得了節(jié)水與環(huán)保的雙重效益，該系統(tǒng)的優(yōu)化改造經(jīng)驗也可供后續(xù)同類系統(tǒng)的建立提供參考。