1 000 MW超超臨界機組空預器改造技術研究及應用

王 林

(安徽安慶皖江發電有限責任公司，安徽 安慶 246000)

0 引 言

空預器是電站鍋爐中重要的換熱設備。在機組運行中，空預器堵灰影響機組安全、穩定、連續運行，嚴重情況時會造成空預器堵塞，引起壓差升高，風機出力不足造成風機喘振、失速，甚至非計劃停機。空預器改造是解決該問題的有效方法[1]。

某發電有限責任公司3、4號機組為1 000 MW機組，配套東方鍋爐廠生產的超超臨界參數變壓運行直流爐，每臺鍋爐配備2臺由東方鍋爐廠提供的型號為LAP17286/2350的空預器。機組投運即配套安裝了SCR煙氣脫硝裝置，采用尿素熱解法制備脫硝還原劑。脫硝投運后，由于氨逃逸不可避免，逃逸氨和煙氣中SO3反應生成的硫酸氫氨在空預器低溫段中凝結，造成空預器堵塞嚴重，差壓上升至2.4 kPa，最高時期上升至3.0 kPa，同時造成低溫省煤器腐蝕、堵塞，最終使得引風機運行狀況惡劣，電流上升，嚴重影響機組運行的經濟性和安全性。

為了改善空預器運行狀況，提高機組運行的安全性、經濟性，需要對空預器進行改造，解決積灰、堵塞問題。

1 空預器改造技術分析

空預器改造首先針對空預器的實際運行狀態進行分析，依據改造后的工況進行詳細計算，制訂出切實可行的空預器改造方案。目前空預器的防堵改造技術路線主要有風量分切防堵灰技術、暖風器技術、熱風再循環改造等[2]。

風量分切防堵灰技術針對于空預器的堵塞機理進行研究，該方法是加熱即將結露的部分，以此解決低溫結露問題，不需要外接熱源，對排煙溫度影響較小，能量相對集中，效果穩定，蒸汽吹灰器頻率降低，不需要每次停機進行元件沖洗等。風量分切技術的缺點是要對空預器內部扇形板進行局部改動，增加了風量分切風機，系統能耗增加等。

鍋爐暖風器是利用汽輪機低壓抽汽加熱空氣預熱器進口空氣的熱交換器。采用暖風器技術，系統的風溫可調范圍大，能夠提高機組在較低氣溫下的一次風進口風溫，從而提高空預器排煙溫度。該技術缺點也很明顯，例如增加了風道的阻力，提高了一次、二次風機的耗電量，鍋爐熱效率下降，增加低壓抽汽量，降低全廠效率，投資成本較高等。

熱風再循環改造方式是在空氣預熱器二次風出口處增設一段風道，從預熱器出口中抽出一部分熱風，與入口的冷風混合，以提高入口風溫，從而提高冷端溫度。熱風再循環技術具有如下優點：改造成本低，系統停用對空預器運行沒有影響。同時，熱風再循環技術無法克服如下缺點：增加了送風機的電耗，增加送風機葉片磨損，降低鍋爐熱效率，造成空預器堵塞、腐蝕問題等。

以上幾種技術各有優缺點，綜合分析對比后，在進行技術方案選擇時，可以遵從如下條件[3]：

1)暖風器技術多應用于環境溫度很低的地區，能一定程度提高空預器排煙溫度，減緩空預器冷端受熱元件的堵塞。但使用暖風器技術會帶來一次、二次風阻力的增加，安慶電廠一次、二次風機裕量不足，一次、二次風阻力的增加會影響機組的安全穩定運行，且使用暖風器技術在一定程度上增加能耗水平，其設備較多，系統復雜，投資成本高。

2)熱風再循環技術也能在一定程度上提高空預器的排煙溫度，從而減緩冷端受熱元件的堵塞程度。但熱風再循環技術同樣存在降低鍋爐效率、增加二次風阻力，降低鍋爐熱效率的缺點。且熱風再循環的熱二次風含有一部分灰，通過送風機時，未經過耐磨處理的送風機葉片容易磨損，降低使用壽命，給機組的穩定安全運行帶來風險。

3)而風量分切防堵灰技術直接利用熱風來加熱空預器的冷端換熱元件，無需外加熱源，空預器排煙溫度基本保持不變，對鍋爐熱效率基本無影響。新增加的循環風道對一次、二次風阻力影響不大，對機組安全穩定運行無影響。且其改造工程量小、投資較低。目前在國內應用該方法進行技術改造的空預器有11臺，該方法能夠解決安慶電廠空預器堵塞的問題。

2 風量分切防堵灰技術改造

通過綜合比較分析，針對機組實際特點，此次改造最終選擇風量分切防堵技術。風量分切改造主要包括：扇形板改造、風道改造、風機及循環風管布置、磨料清掃系統改造、電氣系統和熱控系統改造等。

2.1 扇形板改造

為實現分切風的循環，須在空預器中設置循環風分倉，機組空預器轉向為煙氣側→一次風側→二次風側，因此，循環風分倉設置在二次風側分倉內，需要對空氣預熱器的扇形板進行改造，扇形板改造的方案示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 扇形板改造前示意圖

圖2 扇形板改造后示意圖

如圖2所示，將一次、二次風之間的原15°扇形板改為7.5°的扇形板，在保證一次風側流通面積不變的條件下，靠近一次風側放置。原二次風與煙氣側之間22.5°扇形板不動，在靠近二次風側增設1個7.5°的扇形板，調節該扇形板與煙氣側扇形板的相對位置，形成1個循環風分倉，循環風分倉所占角度為7.5°，上下2塊扇形板之間設置對應的弧形門，該方案需占用二次風側流通面積，經過計算，影響二次風約88 Pa。

2.2 空預器風道改造

在空預器內部改造時，在調整二次風側新增扇形板后形成的循環風分倉位置增加隔板，安裝分倉，隔板設計為錳鋼板。在分倉內部加設導流板，使熱風能夠在分倉內部均布，保證處在分倉內部的所有蓄熱元件都能被加熱，分倉出口到風管之間增設過渡段和變徑。

為實現循環風的閉式循環，在冷、熱端循環風分倉兩端用風道連接，并在循環風道中安裝高溫防磨循環風機作為循環的動力，風機變頻。同時，在靠近冷、熱端循環風分倉進出口位置安裝調節蝶閥，使防堵灰系統獨立。改造示意圖如圖3所示。

圖3 風道改造示意圖

2.3 風機及循環風管布置

根據對安慶電廠1 000 MW機組現場空間實地考察，結合空預器的轉向、空預器本體的改造位置和風管的布置等因素，以及安全可靠、有利操作、經濟合理的改造原則綜合考慮后，將2臺循環風機布置在A、B側空預器之間，靠近電除塵一側的位置。如圖4、圖5所示。

圖4 循環風機及風道安裝立面圖

圖5 循環風機及風道安裝平面圖

2.4 磨料清掃系統改造

為了對附著在蓄熱元件上的灰分及時清掃，防止由于灰分過度積累導致堵灰狀況，在循環風中加入少量磨料，采用循環風攜帶磨料沖刷蓄熱元件，對蓄熱元件上的積灰進行定期清掃。此方法優勢在于，攜帶磨料的方式可以保證在整個循環風倉里磨料和空氣的速度一致，這樣磨料對蓄熱元件的沖掃效果相同，無論低溫區還是中溫區都能達到良好的清掃效果，而且干燥的磨料對蓄熱元件表面凝結的液體有吸附作用，在清掃的同時可以將表面的液體帶走，進一步防止積灰。

2.5 電氣系統改造

電氣系統改造主要包含[4]：每臺爐新增2臺循環風機。在現場設置急停按鈕，以供現場人員發現故障時及時停止設備運行，保障現場人員、設備安全。空預器風量分切防堵灰系統簡圖如圖6所示。

圖6 空預器防堵灰系統簡圖

2.6 控制系統改造

此項目控制系統主要改造內容為新增設備監控測點，并入現有DCS系統中。實現由DCS對防堵灰系統進行監視和控制。操作站使用現有操作站，增設組態畫面，由運行人員通過屏幕對新增防堵灰系統設備、數據進行監控[5]。

2.7 設備基礎

此次改造主要增加煙道系統，煙道采用鋼架支撐。建議改造工程實施時，由工程公司對煙道支撐提出具體設計方案。每臺爐A、B側循環風機布置在2臺空預器之間靠近電除塵一側，放置在0 m位置，如圖7所示。新增循環風機基礎均采用鋼筋混凝土。

圖7 新增循環風機位置

實際改造系統如圖8所示。

圖8 4號機組空預器風量分切防堵灰系統局部

3 風量分切防堵灰設備改造效果分析

3、4號機風量分切防堵灰系統自完成168 h試轉正式投運以后，空預器煙氣側壓差一直保持穩定，沒有出現上升的趨勢。風量分切防堵灰系統投運后，有效地防止了空預器冷端稀硫酸的腐蝕及硫酸氫銨的生成，避免了空預器堵灰，空預器防堵灰效果明顯。具體數據見表1。

表1 3號機組改造前后參數對比Table 1 Parameter comparison of unit 3 before and after modification

4 經濟效益分析

通過技術改造，取得了顯著的經濟效益，具體從幾個角度進行分析[6]：

4.1 風機節能效益

改造后，由于預熱器阻力的下降，預計2臺引風機、2臺一次風機、2臺送風機、1臺增壓風機的電流將大幅降低。風機功率為

P=Q×p/(3 600·1 000·η0·η1)

(1)

式中：Q為風機流量，m3/h ；p為風機的揚程，Pa；η0為風機的內效率；η1為機械效率。

由于在BMCR工況中，風機基本上處于高效運行區域，風機效率受入口工質壓力參數影響較小，取風機效率為0.8，機械效率為0.98，則送、引以及一次風機在滿負荷下的電功率降低如下：

ΔP=Q×Δp/(3 600·1 000·η0·η1)

(2)

改造后，(相同運行氧量的)滿負荷工況下風機降耗數據見表2。

表2 BMCR工況下風機降耗 Table 2 Fan consumption reduction under BMCR condition

保守估計，滿負荷下2臺爐12臺風機總共下降1 820.8 kW，但2臺爐增加4臺循環風機利用率按照0.5計算，總功率為800 kW，1 000 MW機組年利用小時數按4 500 h，上網電價按0.32元/(kW·h)計算。

年節約廠用電：

(1 820.8-800)kW×4 500 h=4.593×106(kW·h)

年增加電量收入：

4.593×106(kW·h)×0.32(元/(kW·h))=146萬元

4.2 機組運行可靠性提高的效益

鍋爐煙風系統余量增加，機組運行可靠，因預熱器原因產生的檢修次數大大降低，機組滿發時間延長，事故限負荷時間減少。按照改造后每年至少減少一次停爐進行空預器水沖洗的次數，保守折算為平均年減少事故天數5天。按日平均負荷為8×105kW，發電利潤為0.15元/(kW·h)估計，2臺機組1年因可靠性提高的經濟效益估算如下：

0.15(元/(kW·h))×800 000 kW×24 h×5×2 =2 880萬元

4.3 空預器改造后總收益

2臺鍋爐空預器全部改造每年帶來的收益為風機節能效益和機組運行可靠性提高的效益之和，即：

146萬元+2 880萬元=3 026萬元

5 結 語

對不同空預器改造技術的優缺點進行分析，并依據安徽安慶皖江發電有限責任公司3、4號鍋爐特性，確定采用風量分切方法進行改造。

根據運行監控數據，4號鍋爐自防堵灰系統于2019年6月正式投運，運行4個月以來風機利用系數為0.5，空預器壓差一直保持穩定，未見上升，提高了鍋爐及輔機運行的安全性、經濟性。 空預器改造后，每年2臺機組的風機節電1.820 8×107(kW·h)，增加電量收入約146萬元；因機組可靠性提高增加的發電利潤約2 880萬元，節能降耗經濟效益明顯。