氣力輸灰系統節能技術的應用

國能濮陽熱電有限公司 王 欣

隨著我國確立了2030年前碳達峰和2060年前碳中和的目標，對優化能源結構和煤炭清潔高效利用提出了更高要求。為進一步降低煤電機組能耗，促進電力行業清潔低碳轉型，助力全國碳達峰、碳中和目標如期實現，國家發改委、國家能源局聯合發布了《關于開展全國煤電機組改造升級的通知》（發改運行〔2021〕1519號），依據全國煤電機組改造升級實施方案的要求，對供電煤耗在300克標煤/千瓦時以上的煤電機組應加快創造條件實施節能改造。而在國內火力發電廠中，電除塵氣力輸灰系統又是一個耗能較多的環節，針對電除塵壓縮空氣系統及空壓機節能技術[1]、輸灰系統優化改造[2]、氣力輸灰系統節能降耗控制策略優化[3]等成為火電廠節能技術研究的一個重要方向。

針對目前火電廠除灰系統輸灰効率低、耗電率高的問題，本文以某火電廠電除塵氣力輸灰系統節能改造為例，通過對除灰系統的耗能現狀分析，指出造成除灰耗電率高的主要原因，從氣力輸灰系統的耗氣量和空壓機能耗兩個方面開展節能技術路線的研究，闡述了倉泵輸灰助吹裝置、交叉式輸灰工藝改進等節能技術的應用和評估，經過效益分析得出，該節能技術可以有效地降低除灰系統耗氣量和耗電率。

1 除灰系統的耗能現狀分析

某火電廠現有2×210MW 國產燃煤發電機組，配備東方鍋爐廠生產的DG670/13.7-19型超高壓、一次中間再熱、自然循環、Ⅱ型布置汽包爐，單爐膛四角切圓燃燒、平衡通風、燃煤、半露天全鋼構架、固態排渣爐，其中除灰系統每臺機組各設一套氣力輸送系統，每個電場各有四個灰斗，灰斗下配置一臺下引式倉泵，采用下引式環隙管內流化的輸送方式輸送，經3根獨立輸灰母管正壓輸送到儲灰庫。

該廠在投產初期，經常性燃燒煤種的灰分高于設計值，致使粉煤灰比重高、灰量大，造成輸灰不暢；尤其在供暖季，因輸灰能力不足，電除塵器灰斗頻繁出現高料位、灰管堵塞的故障，當采用緊急外排灰處理時又極易產生嚴重的環境污染。為解決除灰系統輸灰能力不足的問題，該廠進行了除灰系統增容，但改造后依然存在較多問題，主要體現在：除灰系統運行僅滿足了輸灰的功能性要求，沒有考慮到節能性、經濟性要求，導致除灰系統輸送効率低、耗電率高。

從表1中統計的節能改造前5個月的數據可以看出，在不同的機組負荷下，除灰耗電率月均值為0.766%，始終處于較高水平，這也使得該廠的廠用電量升高、供電煤耗增加，降低了機組的經濟性。而除灰系統的電能消耗主要有兩個方面：一方面是電除塵器的高壓電源和低壓電器，這些能耗是保證設備正常運行所必需的，降耗空間較小；另一方面是輸灰空壓機的耗能。該廠由5臺6kV/200kW 螺桿式空壓機為輸灰系統提供氣源，當兩臺機組運行時需啟動全部5臺空壓機，單臺機組高負荷運行時也要啟動3臺空壓機。因此，空壓機的高耗能是造成除灰耗電率高的主要原因。

表1 技改前除灰月度耗電率

2 節能技術路線的研究

2.1 輸灰耗氣量的分析

氣力輸灰系統的耗氣量是影響系統節能的關鍵，在確定運行方式、輸送距離和當地氣壓汽溫等條件，可依據《火電廠除灰設計規程》計算輸灰耗氣量：Q=1000G/60μρ，式中：Q 為輸送空氣量（m3/min）；G 為氣力輸灰系統的出力（t/h）；μ 為標準狀態下輸送空氣的密度（kg/m3）；ρ 為輸送灰氣比（kg/kg）。因此，在系統出力不變時，通過適當增大輸送灰氣比可以減少耗氣量。雖然灰氣比的提高可以降低系統耗氣量，但灰氣比受輸送速度影響很大，當其提高到一定程度輸送速度就隨之下降，一旦降到噎塞速度之下，將會導致管道堵塞。所以要使氣力輸灰系統耗氣量降低，就必須提高輸灰速度，通過合理地提高輸灰速度，就能夠防止因灰氣比升高造成的堵管現象，還可提高氣力輸灰系統輸送效率。

2.2 空壓機耗能的分析

在壓縮空氣系統節能技術方面，許多專家以螺桿式空壓機為分析對象，從數學模型[4]和直接模擬模型軟件（CAA）[5]來分析空壓機的能耗，分析結果表明，空壓機排氣壓力、加卸載頻率是影響其能耗的主要因素。參考IR 公司的英格索蘭空氣系統節能評估解決方案和ML200型螺桿空壓機說明書：在保證氣力輸灰系統用氣量的同時盡可能降低空壓機的排氣壓力，排氣壓力設定越低所消耗的軸功率越少，每降低1bar 壓力可減少7%～10%能耗；當空壓機間歇運行會帶來壓縮機頻繁起停、也增大電能損耗，方案表明頻繁加卸載至少增加30%的能耗；同時空載運行也會加劇設備磨損，增加運營成本，造成能源的浪費。

另外，該火電廠電除塵設計文件也表明：在不考慮壓縮空氣管道泄漏、吸氣參數變化等情況時，氣力輸灰系統以及用氣設備的工作壓力只需要0.4～0.5MPa。所以，通過優化輸灰工藝流程、調整輸灰方式，減少空壓機啟動臺數，適當降低壓縮空氣系統壓力和波動幅度，就可以有效地減少空壓機耗能。

3 節能技術的應用與評估

3.1 倉泵助吹裝置的應用

倉泵助吹裝置依據文丘里管“射流引力原理”，如圖1所示，在倉泵進氣口的法蘭管道連接處配有縮徑噴嘴，噴嘴法蘭前端與壓縮空氣管相連，接受氣源閥門控制，后端插入至倉泵底部灰料處，由壓縮空氣、噴嘴、縮徑管、補氣環與擴徑管共同完成助吹功能。

圖1 助吹裝置原理示意圖

增加倉泵助吹裝置后，壓縮空氣經該裝置噴嘴后加速流出，高速氣流通過混合室把噴嘴周圍灰料氣化，經過“喉管”（補氣環）、“擴張段”進入輸灰母管。通過壓縮空氣動量的交換來形成一種低壓的區域，在倉泵底部下料口形成低壓（負壓）區域，灰料產生“吸入作用”，并且由于壓力差的存在，使得高速流出的空氣流和被吸引的灰料經過“擴張段”混合后噴射出來，加速后的氣流能夠對灰料進行均勻混合。

3.2 “交叉式”輸灰工藝的改進

原輸灰工藝在運行中（圖2左圖），當灰量較少或負荷較低時氣力輸灰系統運行時未達到設計出力，造成經濟性下降；而灰量過大或負荷較高時，一電場左、右倉室的粉煤灰受制于共用一根輸灰母管，輸送時的壓縮空氣量不足，加壓流化效果變差，易造成堵管。同時該廠設計文件表明：電除塵灰量分配上，一二電場的輸灰量占總灰量的95%以上，其中一電場約占76%、二電場約占19%，且兩電場的出力不小于56t/h。所以，改進一二電場的輸灰工藝有助于提高氣力輸灰系統的輸送效率。

圖2 輸送工藝改造前、后示意圖

如圖2（虛線內）所示，通過改變一二電場輸灰管道布置，將一電場拆分為左、右兩個獨立輸灰單元，分別進入#1、#2輸灰母管；將二電場拆分為左、右兩個獨立輸灰單元，分別進入#2、#1輸灰母管，改進后的輸灰管呈“交叉式”布置；取消三四電場使用的#3輸灰管，使三電場與一電場右倉室、二電場左倉室公用#2輸灰母管；使四電場與一電場左倉室、二電場右倉室共用#1輸灰母管。另外，通過程控邏輯優化，增加各輸灰單元之間的閉鎖和優先級判斷，避免多個倉室同時進行灰料輸送造成氣源壓力驟降。

3.3 節能技術的評估

輸灰耗氣量評估：節能改造使壓縮空氣母管壓力（空壓機排氣壓力）及壓力波動幅度發生變化。單機運行時，改造前需啟動3臺空壓機、壓縮空氣母管壓力0.6MPa，改造后只需啟動1臺空壓機、壓縮空氣母管壓力降至0.45MPa；壓力最大波動幅度由0.4MPa 降至0.2MPa，如圖3所示，節能改造大幅降低了壓縮空氣母管壓力及波動幅度，減少了空壓機啟動臺數和輸灰耗氣量。

圖3 輸灰系統壓縮空氣母管改造前、后壓力

除灰耗電率評估：該廠改造后的除灰耗電率如表2（取自該廠生產指標完成情況日報表）所示，從表2中統計的5個月數據可以看出，除灰耗電率月均值由改造前（表1）的0.766%下降到0.563%，同比減少了0.203%，表明除灰系統的節能改造在一定范圍內有效地降低除灰耗電率。

表2 技改后除灰月度耗電率

3.4 經濟效益、安全效益分析

空壓機經濟效益計算：該廠共配備了5套36m3/min、6kV/200kW 螺桿式空壓機。節能改造后，在單機運行只需啟動1臺空壓機，同比減少2臺的空壓機的運行；在雙機運行只需啟動2臺空壓機，同比減少3臺。按照1臺空壓機一個月的平均耗電量計算，則每月（按30天）可節約廠用電12.72萬千瓦時/月（P=×6000×200×cosφ×24×30）；用電價格按照0.5元來計算，每臺空壓機可以節約的電費為6.36萬元/月。若該廠的機組運行狀況是單機和雙機各運行6個月，則每年節約廠用電量381.6萬千瓦時，節約電費190.8萬元。

空壓機壽命及經濟效益計算：能改造不僅減少了空壓機運行臺數，降低了空壓機啟停的頻次和運維費用，還提高空壓機的使用壽命。從這些方面來分析，按照每臺空壓機運維費大概在12萬元/年，機組運行狀況依舊按單機和雙機各運行6個月來計算，每年可節約運維費30萬元。

安全效益分析：節能改造增加了空壓機的備用臺數，確保機組正常運行期間不會因空壓機故障檢修或壓縮空氣量不足，而產生因電除塵器灰斗長期高料位導致的安全隱患，還避免因粉煤灰堵管而采用緊急外排灰處理過程中產生的環境污染事故。

4 結語

通過對某火電廠2×210MW 機組除灰系統耗能分析以及節能技術的實施，不僅有效地減少輸灰耗氣量、降低除灰耗電率，還提高了除灰系統的經濟性和安全性，對于同類型機組除灰系統節能降耗有著良好的借鑒作用。但改造也帶來新問題，倉泵助吹裝置“噴嘴”出口氣流速度的提升加快了倉泵底部設備及輸灰管的磨損，使日常維護成本和工作量升高，今后還需在管道磨損方面做更細致的研究，繼續開展除灰系統節能降耗工作。