回轉式空氣預熱器風量分切防堵灰技術的應用

劉中政,康 強,馬 強,何立飛

(北京華能達電力技術應用有限責任公司,北京 100045)

回轉式空氣預熱器由于其結構緊湊,傳熱密度高達500 m2/m3,占地面積小、換熱效率高等優(yōu)勢,在國內煤電機組中的應用越來越廣泛。國家能源集團某電廠由于機組調峰頻繁、脫硝系統(tǒng)的投運時間長,尤其是機組長時間低負荷運行時脫硝效率下降,氨逃逸不斷的增長,逃逸氨和煙氣中SO3反應生成的硫酸氫氨在空氣預熱器中低溫段凝結,導致空氣預熱器堵塞嚴重。空氣預熱器差壓上升至2.4 kPa,最高時期上升至4 kPa。同時,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,嚴重影響到機組運行經濟性和安全性,空氣預熱器的堵灰問題已經成為亟需解決的難題。

1 空氣預熱器堵灰的原因

在燃煤機組脫硝改造之前,入爐煤中硫的燃燒產物是引起空氣預熱器腐蝕和積灰的主要原因,即

S→SO3→H2SO4(稀)

當空氣預熱器冷端蓄熱元件金屬平均壁溫降到低于酸露點,達到最大酸凝結露所對應的溫度時,飛灰的沉積率最大。根據目前國內機組的燃用煤質,一般認為,酸露點溫度在80～120 ℃,對于燃煤鍋爐,稀硫酸腐蝕和積灰最嚴重處在距離冷端50～300 mm。

隨著SCR脫硝系統(tǒng)的投運,在控制煙氣中NOx的排放的同時,對空氣預熱器產生了如下的影響:

SCR系統(tǒng)的主反應方程式為

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(1)

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

(2)

隨著SCR脫硝系統(tǒng)催化劑的投運,燃燒生成的SO2在SCR系統(tǒng)催化劑中的活性成分V2O5的催化作用下生成SO3,煙氣中SO2向SO3的轉化率增加,即煙氣中的SO3含量增加,加速了NH4HSO4的生成。同時,由于煙氣中NH3和SO3的濃度的增加,造成煙氣酸露點溫度升高[1-2]。SCR系統(tǒng)發(fā)生了如下的副反應方程式:

SO2+O2→SO3

(3)

NH3+SO3+H2O→NH4HSO4

(4)

在這兩個因素綜合作用下,加劇了空氣預熱器的酸腐蝕和堵灰。

煙氣中的SO3與逃逸的氨氣發(fā)生反應生成NH4HSO4。NH4HSO4在空氣預熱器中的沉積溫度是150～190 ℃,處在空氣預熱器蓄熱元件中溫段,同時液態(tài)的NH4HSO4極易沾染灰分,且很難通過常規(guī)的水沖洗及蒸汽吹灰方式去除,所以導致了空氣預熱器堵灰速率增加[3]。

空氣預熱器經過水沖洗后沒有徹底烘干就投入運行,原先沒有徹底清洗留下的殘留物經過煙氣烘干后形成水泥狀的積灰。

以上諸多因素的相互疊加、相互促進,導致了目前燃煤機組空氣預熱器的堵灰問題越來越嚴重。

隨著空氣預熱器的堵灰因素的變化以及堵灰速率的升高,傳統(tǒng)的解決空氣預熱器堵灰的技術方法已不能適應當前情況,空氣預熱器風量分切防堵灰技術應運而生[4-5]。

2 空氣預熱器風量分切防堵灰技術

空氣預熱器風量分切防堵灰技術是基于空氣預熱器的堵塞機理,有針對性解決的空氣預熱器堵塞的技術。

如圖1所示,針對稀硫酸的形成機理,風量分切防堵灰技術采用針對性加熱方式,在蓄熱元件轉至煙氣側之前,提高冷端蓄熱元件的溫度,使冷端溫度最低點高于酸結露點,避開酸結露區(qū),避免稀硫酸的結露,解決空氣預熱器冷端稀硫酸結露的問題[6-7]。

圖1 風量分切防堵灰技術原理圖

以某330 MW亞臨界鍋爐空氣預熱器計算,空氣預熱器基本參數如表1所示。

表1 某330 MW機組空氣預熱器設計參數(BMCR工況)

采用數值分析的方法對空氣預熱器蓄熱元件壁溫進行計算如表2、表3所示,經過對空氣預熱器進行四分倉改造增加循環(huán)分倉的方式,對即將進入煙氣側的轉子進行熱風加熱吹掃,可以將最冷端蓄熱元件的壁面溫度提高15～50 ℃,使轉子轉進煙氣側后不再發(fā)生稀硫酸的凝結,有效地解決了空氣預熱器的低溫腐蝕問題。

表2 機組燃用煤質分析

表3 機組在改造后的運行數據

針對蓄熱元件中溫段的NH4HSO4,采用由風機增壓后自循環(huán)的高溫(≥300 ℃)、高流速的熱介質對蓄熱元件表面凝結的NH4HSO4強制蒸發(fā)。通過高溫、高流速的熱介質可以將部分液態(tài)NH4HSO4由中溫段吹至高溫段,通過空氣預熱器熱端自身的熱量汽化凝結的NH4HSO4。想要通過熱風將中低溫段蓄熱元件壁面溫度提高到200 ℃以上避免硫酸氫銨凝結不現實也不可行。

風量分切防堵灰技術是通過提高穿過蓄熱元件的熱風流速,提高蓄熱元件表面已凝結硫酸氫銨的蒸發(fā)速率。因為硫酸氫銨的蒸發(fā)是一直存在的,通過提高其周圍的空氣流速、擴大蒸發(fā)面積可以達到控制液態(tài)硫酸氫銨的生成量從而控制空氣預熱器壓差維持在較低的水平[8-9]。

經過計算,空氣預熱器綜合提效改造后,可以有效地保證防堵灰分倉內的熱風穿過空氣預熱器蓄熱元件的流速保持在25m/s以上。

風量分切防堵灰技術是通過在空氣預熱器中增加防堵灰分倉的方式,對冷端蓄熱元件進行集中加熱,提高冷端溫度、強制蒸發(fā)的手段,解決由于稀硫酸及硫酸氫銨引起的空氣預熱器的堵灰。

不同于文獻中對于設置循環(huán)風治理空氣預熱器堵塞技術的計算,風量分切防堵灰技術采用了熱風風機作為驅動力,空氣預熱器冷熱端同時安裝防堵灰分倉的方式,使風量分切防堵灰系統(tǒng)與空氣預熱器本體通過扇形板隔離,系統(tǒng)相對獨立,這樣做更有利于熱風的獨立循環(huán),熱風穿過蓄熱元件時始終保持高流速。

3 風量分切防堵灰技術的應用

3.1 項目概況

某電廠配套東方鍋爐廠生產的2×1 000 MW超超臨界參數變壓運行直流爐,鍋爐型號為DG2910/29.15-Ⅱ3,每臺鍋爐配備兩臺由東方鍋爐廠提供的型號為LAP17286/2350的空氣預熱器。單臺鍋爐配有兩臺48分倉,三/雙密封、三分倉回轉式空氣預熱器,立式布置,煙氣與空氣以逆流方式換熱[10-11]。

機組設計煤種為補連塔煤,校核煤種為布爾臺煤。煤質及灰分分析見表2。

根據前蘇聯(lián)1973年《鍋爐機組熱力計算標準辦法》經驗公式:

式中:t1d為純水蒸汽漏電, ℃;SX為燃料折算硫分,%;AX為燃料折算灰分,%;Sar,Aa分別為燃料的收到基硫分,灰分,%;Qnet.ar為燃料收到基低位發(fā)熱量,kJ/kg;Ah為飛灰份額;β為與爐膛出口的過量空氣系數有關的系數。

經過計算,在燃用設計煤種時,煙氣酸露點溫度為98.5 ℃。

通過風量分切防堵灰系統(tǒng)內循環(huán)風對轉子的持續(xù)吹掃加熱,提高空氣預熱器冷端平均壁溫。隨著循環(huán)風溫的提高,冷端平均壁溫會更高,可以有效地避免空氣預熱器冷端蓄熱元件由于稀硫酸凝結導致的低溫腐蝕問題[12-13]。

二期機組自2015年投產,投產后空預器壓差為1.7、1.9 kPa,冬季環(huán)境溫度較低時壓差高達4 kPa以上。為了改善空氣預熱器運行狀況,提高機組的運行安全性、經濟性,北京華能達電力技術應用有限責任公司于2019年對2×1 000 MW機組空氣預熱器進行了空氣預熱器風量分切防堵灰改造并投入正常運行。

3.2 空氣預熱器本體改造

3.2.1 扇形板改造

空氣預熱器風量分切防堵灰技術改造時,將原三分倉空氣預熱器改造為四分倉空氣預熱器,占用二次風側兩個倉格(15°)流通面積。

經過理論計算,機組滿負荷運行時,改造方案對煙氣側及一次風側沒有影響。而二次風側流通阻力增大約200 Pa,造成送風機電流增大約10 A,機組技改過程中通過對二次風道進行優(yōu)化措施,抵消了對送風機的影響。

不同于文獻中關于設置循環(huán)風治理空氣預熱器堵塞技術的計算中采用的漏風率為10.3%。為防止防堵灰分倉內部熱風泄漏至煙氣側、二次風側,導致熱風損失影響空氣預熱器防堵灰效果。所以在風量分切防堵灰技術改造中均會對空氣預熱器密封片進行維護及間隙調整,使得空氣預熱器漏風率保持在較低的水平,保持漏風率低于6%。

3.2.2 防堵灰系統(tǒng)外部風管改造

通過風管將冷端分倉與熱端分倉連接起來,形成循環(huán)獨立系統(tǒng),由熱端分倉抽取熱風,防堵灰風機增壓后由冷端分倉吹進空氣預熱器,對冷端蓄熱元件加熱及吹掃,達到空氣預熱器防堵灰的目的。防堵灰管道改造模型如圖2所示。

圖2 防堵灰管道改造模型

3.2.3 改造效果及經濟性分析

機組在改造后的運行數據如表3所示。

通過改造可以得到的經濟效益:

1)風機節(jié)能效益

改造后,由于預熱器阻力的下降,兩臺引風機、兩臺一次風機、兩臺送風機、一臺增壓風機的電流將大幅降低。

在BMCR工況中,風機基本上處于高效運行區(qū)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:

△P=Q×△p/(3 600×1 000×η0×η1)

改造后,(相同運行氧量的)滿負荷工況下各大風機運行電流將有如下降幅:

送風機電功率降低:9 kW;

一次風機電功率降低:320 kW;

引風機電功率降低:955 kW;

增加電量利潤:127.2萬元(保守估計,滿負荷下兩臺爐6臺風機總共下降1 284 kW,但1臺爐增加2臺循環(huán)風機利用率按照0.5計算,機組年利用小時數按4 500 h,上網電價按0.32元/ kW·h計算)。

2)機組運行可靠性提高的效益

鍋爐煙風系統(tǒng)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(fā)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氣預熱器水沖洗的次數,保守折算為平均年減少事故天數5天。

按日平均負荷為80萬 kW,每 kW·h電量發(fā)電利潤為0.15元估計,因可靠性提高的經濟效益估算約為1 440萬元。

3)蒸汽吹灰的節(jié)省量

2臺空氣預熱器進行風量分切防堵灰改造后,蒸汽吹灰投運次數由原來的一班一次冷熱端均投運,改造后一天一次,只吹冷端,節(jié)省蒸汽量50 t/天。

蒸汽吹灰蒸汽參數為350 ℃,壓力為1.2 MPa,查表得,該參數條件下蒸汽焓為3 151.7 kJ/kg,由此計算通過蒸汽量的節(jié)省,標煤價格按照1 000/t計算,每年增加的經濟收益為:100.8萬元。

4)改造后單臺機組的總收益

空氣預熱器改造后單臺機組的總收益為1 668萬元。

5)以上計算未考慮以下因素影響的收益

(1)運行檢修成本降低。風量分切防堵灰改造后,可節(jié)約空氣預熱器檢修及沖洗費用。

(2)設備安全性能的提高。風量分切改造后,消除了爐膛及風煙道較大的周期性交變應力,改善了鍋爐周邊的生產環(huán)境,使鍋爐及附屬設備的安全運行得到保證。

根據實際運行參數分析,該電廠空氣預熱器風量分切防堵灰技術改造項目后不僅有效地提高了鍋爐機組運行的安全性,而且?guī)砹溯^為可觀的經濟效益[14-15]。

3.3 其他電廠空氣預熱器進行風量分切防堵灰技術改造的情況

大唐集團某電廠裝有4臺600 MW鍋爐機組,空氣預熱器設備為上海鍋爐廠有限公司制造。分別于2015、2018、2019年對4臺機組空氣預熱器均進行了風量分切防堵灰技術改造。配套的防堵灰風機功率為315 kW,設計轉速為1 480 r/min,風機運行方式采用磁力耦合器調速運行,風機常年保持在1 000 r/min運行。

其中,3號機組自從2015年改造投運后,空氣預熱器煙氣側差壓一直保持在<1.4 kPa(機組滿負荷時)運行,2021年以來由于機組運行時間長,蓄熱元件使用老化損壞嚴重,防堵灰風機葉輪磨損及設備連續(xù)運行時間太長導致防堵灰效果稍有下降,煙氣側差壓最高為2.0 kPa(機組滿負荷時)。

4 總 結

(1)根據運行監(jiān)控數據,自防堵灰系統(tǒng)于2019年5月正式投運,運行3年多以來空氣預熱器壓差一直保持在1.7、1.8 kPa,未見上升,風量分切防堵灰技術達到了很好的防堵灰的目的。

(2)風量分切防堵灰系統(tǒng)配套的風機為磁力耦合器調速運行,在治理空氣預熱器堵塞的同時考慮了運行經濟性。同時,空氣預熱器壓差得到控制后,引風機、送風機、一次風機的節(jié)約的電耗完全可以抵消防堵灰風機的運行電耗,降低了廠用電率。

(3)空氣預熱器風量分切防堵灰技術能夠有效地解決空氣預熱器的堵灰問題,通過該技術進行的改造能夠長期保持空氣預熱器的壓差穩(wěn)定不上升,保證空氣預熱器的穩(wěn)定運行,提高機組運行安全性、經濟性。截至論文發(fā)表前,該技術已有超過45臺機組的改造業(yè)績。