(宁夏电投银川热电有限公司)
摘要：本文主要阐述了针对燃煤锅炉尾部烟道至烟囱之间的烟气系统进行优化设计改造，达到降低烟气风阻、节能降耗的目的，并以宁夏电投银川热电有限公司为例研究了该技术改造在火电厂中的理论应用及改造措施。
关键词：烟气；引风机；负压；风阻；电耗
一、课题提出的背景
宁夏电投银川热电有限公司于1999年10月一期工程建成投产，2004年2月二期工程建成投产。目前共有6炉4机，总装机容量90MW。分别为：3×75t/h+3×150t/h煤粉锅炉，2×15MW+2×30MW抽凝式汽轮发电机组，设计年供热能力3.05×106GJ。
因2017年脱硝超低排放提标改造，需新增脱硝反应器及其引出、返回烟道，每台炉整体增加烟气阻力约650Pa（BMCR工况），但是二期引风机设计裕量无法满足技改新增设计烟气阻力，即锅炉在≥95t/h的低负荷下单引风机即难以维持正常燃烧所需氧量和负压，若继续增加转速提高风机出力则液力耦合器因油温过高难以维持，不得不启动备用引风机运行，在130t/h以上的高负荷下双引风机已无裕量。
二、课题研究的目的
为确保脱硝改造中现有引风机不做增压改造的前提下满足锅炉烟气各段负压要求，课题组从整个烟气流程梳理，对烟道设计不合理、烟气阻力大的区域进行了二次改造、优化布置，最大程度降低锅炉烟气系统阻力，降低、平衡引风机出口母管风压动态平衡点和风压值，达到节能降耗目标。
三、课题研究的作用及意义
通过对风烟系统可改动的大风阻点，全盘设计改造，多点布局，细处着手，确保了现有引风机能够克服满足脱硝改造后增加的烟阻，而且与历史同期相比，在105t/h以下的负荷范围内单引风机即可满足锅炉负压要求，极大地节约了脱硝技改费用和机组运行成本，为银川热电实现烟气达标排放、可持续发展做出重要贡献，对实现公司安全生产长周期具有重要意义。
四、技术改造具体方案
（一）问题分析及设计思路
1.烟气系统参数
原烟气系统流程：锅炉尾部烟道→预电除尘器→半干法脱硫塔→二级除尘器（#4、#5炉为静电除尘器，#6炉为布袋除尘器）→引风机→分支烟道→原烟气母管→三炉合一脱硫吸收塔→三炉合一湿式电除尘器→净烟道母管→烟囱。
改造后烟气系统流程：锅炉尾部烟道（新增SCR脱硝反应器）→新建预电除尘器→二级除尘器（#4、#5炉为静电除尘器，#6炉为布袋除尘器）→引风机→分支烟道→原烟气母管→三炉合一脱硫吸收塔→三炉合一湿式电除尘器→净烟道母管→烟囱。
SCR脱硝反应器为三加一层设计，布置在锅炉尾部烟道的上级空预器后、下级省煤器前，通过引入引出烟道架设安装在锅炉房外空地上，设计时对尾部烟道进行重新布置，结合脱硝超低排放改造技改工程同步进行了本课题设计和施工，达到了整体优化设计布局、降低烟气阻力的目标。
引风机规范：风机型号Y5-36-14No24F，流量：245433m3/h， 全压：9017Pa，耦合器型号：YOTcp875，电机型号:YKK500-6-800kw，6kv，IP54，2台风机/炉。
2.改造前实际运行中存在的问题分析
改造前对实际运行中情况分析总结，存在以下弊病或问题：
（1）锅炉在非供暖期（105t/h～130t/h负荷区间）的中负荷下即需要投运两台引风机，增加了一台引风机的电耗，增加了运行成本，增加了发电煤耗，且加剧了风机的机械损耗。同时六台引风机母管制并列运行，引风机出口母管的风压平衡点和风阻值随各炉负荷及单台引风机出口最大风压的变化而变化，因为短板效应，致使所有运行的引风机争抢原风压平衡点以维持锅炉负荷和炉膛负压，那么有泄漏点的引风机必定会成为风压短板，只能继续提高转速、加大出力来维持母管风压平衡点，致使该引风机泄漏状态恶性循环，加大出力同时更加速了风机叶轮和风壳的磨损泄漏，泄漏量大被迫停机消缺或其它引风机也加大出力争抢风压平衡点，如此循环。如果分支与母管间有烟气隔绝门便可以停运风机隔离消缺，若没有烟气隔绝门隔离单台风机或锅炉烟气，则最终只能二期全停后消缺。
（2）锅炉在130t/h以上的冬季供暖高峰期，双引风机运行仍无裕量增加送风量以保证给粉量的充分燃烧，致使锅炉因缺氧造成的燃料不完全燃烧损失非常严重（高负荷期#5锅炉排烟温度经常高达180℃），以及因缺氧燃烧而在炉膛内经常发生严重结焦现象，增加了运行职工的冬季工作强度及时间，也为末端的碎渣、冲渣、除灰设备带来巨大的压力。增加了冲渣泵、渣浆泵等大功率电机的耗电，结焦严重时段渣浆泵连续运行，冲渣泵仅能在渣池水位高时停运，一旦水位打低则需立即启动冲渣，即便如此运行职工因渣沟不能及时冲通的拖班、加班现象仍时有发生，严重时加班长达10小时以上。
3. 二期三台锅炉（#4、#5、#6炉）引风机设计计算依据理论分析
（1）二期锅炉烟气阻力计算分析
#4、#5与#6炉烟气系统区别在于二级除尘器不同（#4、#5炉为静电除尘器，#6炉为布袋除尘器），布袋除尘器本体烟气阻力较静电除尘器大1200Pa左右，另外#4、#5炉引风机前竖直烟道装有缩径段烟道，#6炉没有瓶颈烟道，烟气阻力差300Pa左右。故按照#6炉烟气系统做理论分析，#6炉烟气系统阻力理论计算数据见表1。
表1：#6锅炉烟气系统阻力理论计算数据（设计煤质条件）
（2）拟改造前后理论设计数据对比分析
因引风机及其液力耦合器已配型安装投运，重置扩容或变频器改造成本太高，只能从尽量降低整个烟气流程中的各设备及烟道的风阻上想办法。
基于以上理论计算，现有引风机设计全压9017Pa，若在尾部烟道系统中新增安装SCR脱硝反应器，烟气阻力增加约650Pa，烟气系统总阻力由8360.58Pa增加至9010.58Pa，现有引风机勉强能满足系统工况风阻要求，但无设计裕量，将导致限负荷风险。且因原有预除尘器紧挨锅炉房墙外布置，无SCR反应器安装空间，需对锅炉尾部烟道及框架进行大量改造，施工费用和改造投资加大，此非最优方案。因此必须对锅炉尾部烟道烟气系统做优化设计改造，最大限度降低系统烟气总阻力，达到节能降耗目的，且便于布置安装SCR反应器。
通过分析论证及现场勘测，技改项目小组提出并实施了如下技改设计思路：拆除原有预除尘器、半干法脱硫塔、烟道瓶颈；引风机后分支烟道加装烟气隔绝门；顺锅炉中心线方向在锅炉房外利旧原除尘器框架建设安装SCR脱硝反应器；在二级除尘器前端直连建设一台预电除尘器；烟道弯头及挡板门优化改造等。
（二） 技术改造具体方案
1. 拆除无用的半干法脱硫塔和预除尘器，结合脱硝改造工程，重新合理设计布置脱硝反应器及新预电除尘器。
依据风阻计算书可知，二期三台半干法脱硫塔本体运行风阻为1800Pa，自投运石灰石——石膏湿法脱硫塔后该半干法脱硫系统即退出运行，烟气流经吸收塔文丘里管和塔身，导致烟气先缩容后扩容，降低了风速，是一处很大的阻力点，且该塔出入口烟道弯头多、腐蚀漏风点多、检修费用高难度大，必须改造。降低该处的风阻方案有两种，一种为烟气可以经由新建旁路烟道“躲开”该塔，另一种为直接将该塔拆除。考虑到2017年锅炉烟气脱硝提标技改项目中，即将新建的脱硝反应器本身占地庞大，而原有烟道及预除、半干法脱硫塔串联建设于锅炉房南墙外，又占去了大部分空间。若SCR脱硝反应器框架绕道布置，则增加了引入、引出烟道弯头数量和施工难度，增大了烟气阻力，最优的解决方案即为拆除半干法脱硫塔，为新建的脱硝反应器及新电除尘器预留建设空地，同时减少了风阻，确保SCR脱硝改造后引风机裕量足够，不需要对引风机进行改造。因该项技改工程较大且与脱硝技改相关联，经协商最后纳入脱硝提标改造工程中同期整体设计布局、实施拆除改造。
2. 拆除改造烟道瓶颈
首先就是#4、#5炉ESP2出口烟道的变径段。二期建设初期为了满足污染物排口环保测量元件安装要求，将二级电除尘器出口喇叭连接处的方形烟道先变径为“天方地圆”，然后又再次缩径为圆形烟道并安装了烟气分析仪测量元件，之后又扩径为圆形烟道并通过“天圆地方”与引风机入口矩形烟道连接。（烟道上部、下部为2510*2510mm的正方形，中间部位为直径2210mm圆形烟道，居中有最小直径为1400mm的喇叭口缩径短节，总高度约为10500mm）。因该处烟道位于引风机入口烟道，两次变径形成的瓶颈严重缩减了烟气通流面积，每台炉将直接增加至少300Pa的风阻，带来的即是引风机的电耗增加和系统负压裕量减少，进而制约锅炉的送风量和负荷的增加，严重影响锅炉热效率提高。缺陷即是技改任务，经多次测量、核算，确定技改方案为：拆除该段“缩径短节”，采用与上下段正方形烟道相同材质、壁厚的碳钢板进行等径焊接更换改造。改造目的是消除烟道瓶颈，减少该段烟气系统阻力。
3. 引风机出口分支烟道汇入母管烟道处的直角弯改造。
二期每台炉配备两台引风机，#4、#5炉甲乙引风机出口分支烟道直接汇入原烟道母管，#6炉甲、乙引风机出口烟道是先并入一支小母管烟道，然后再汇入原烟道母管，母管内的烟气流向为自东向西（#4炉至#6炉）逐级扩容，而且所有的分支烟道汇入原烟道母管的西侧连接处折角均为直角，汇通处形成烟气折射对冲，再次形成烟气流通的小瓶颈。为减少风阻，技改方案为将烟气汇入母管的西侧折角改为90°弧形过渡连接，可减少约50Pa阻力。
4. 安装分支烟道烟气隔绝门，拆除无用的烟气旁路门及挡板门。
在2015年二期脱硫改造试运期，临时设计安装了原烟道母管、净烟道母管及原烟道母管旁路挡板门，该三处电动挡板门尺寸大，叶片宽，已形成了三处风阻点，而且还需防止因烟气冲刷振动引起的挡板自关隐患，已无必要保留。技改方案为：二期原烟道主路挡板门、净烟道挡板门内部挡板全部拆除，框架不动，做满焊密封处理防止漏风；原烟道与净烟道之间的旁路挡板门彻底拆除，并在原烟道及净烟道侧各补焊一整张钢板以封闭原烟道与净烟道的缺口，并用玻璃鳞片材料做好防腐，如此既杜绝了隐患，又再次减少了约150Pa的风阻。同时设计采购安装4台烟气隔绝门，确保各炉引风机出口分支烟道能够100%与烟气隔离，杜绝了烟气倒流腐蚀电除尘器金属件、烟道钢板和锅炉三管，防止了锅炉停运后引风机倒转现象。
（三）施工计划及完成情况
据全盘考虑，拆除半干法脱硫塔、新建预除尘器工作划入2017年SCR脱硝改造项目中，通过EPC招标程序由福建龙净环保股份有限公司中标并负责详细设计实施；拆除改造烟道瓶颈、引风机出口分支烟道汇入母管烟道处的直角弯改造、安装分支烟道烟气隔绝门、拆除无用的烟气旁路门及挡板门等工作由我项目小组设计，2017年经过公开招标程序由宁夏飞鹭实业有限公司中标并负责施工。目前所有项目已竣工并正常投运。
五、改造后效果分析
目前根据锅炉实际投运情况与历史相同负荷下的运行方式对比，其改造后的节能效果显著，总结说明如下：
1. 改造前二期锅炉在非供暖期（95t/h以下的低负荷）即需要投运两台引风机。改造后在105t/h以上负荷才需要投运两台引风机运行，即105t/h以下负荷一台引风机就可以保证燃烧所需风量下的负压且有一定裕量，完全减少了一台引风机的电耗，降低了运营成本，减少了发电煤耗，同时降低了一台引风机的机械损耗。因非供暖期长达7个月，二期机组基本在纯凝工况运行，单台炉负荷在95t/h至105t/h区间运行时长近3个月，较过去多启动的一台引风机以液耦最低转速，电流45A计算，其每小时节约近270kwh的电量，一天近6500kwh，以0.42元的上网电价计算一天节约费用约2700元，3个月即节约24.5万元的费用。在冬季供暖期间，因引风机裕量充足送风机可以保证高负荷下燃烧所需氧量，因此而减少的锅炉结焦及后续除渣、冲渣工作量，以除灰渣浆泵、冲渣泵每运行班次启动时间节约1小时计算，冬季高负荷时间段1个月计算，冬季供暖期除灰渣泵节电费用约6.5万元费用。两项合并年节约费用约31万元。
2.改造前，二期锅炉在130t/h以上的冬季供暖高峰期，双引风机运行仍无裕量增加送风量以保证给粉量的充分燃烧，致使锅炉因缺氧造成的燃料不完全燃烧损失非常严重（高负荷期二期#5锅炉排烟温度经常高达180℃），以及因缺氧燃烧而在炉膛内经常发生严重结焦现象，增加了运行职工的冬季工作强度及时间，甚至在吹灰时不得不减少送风量以保证炉膛负压，进一步加剧了缺氧燃烧的弊端，引风机裕量不足成了锅炉不能增加风量、负荷的瓶颈。改造后在锅炉168调试期间，将负荷最高加至140t/h，引风机仍有裕量，而此时两台送风机入口调门已全部开启，充分佐证了过去因引风机裕量不足致使的锅炉负荷不能增加的“短板”已完全消除，完全可以满足两台送风机满负荷下的负压需求。至2017年冬季供暖初期，与历史同期负荷比较，二期锅炉可以更多地送入燃烧所需风量，减轻因缺氧造成的锅炉受热面结焦状况，进而降低因锅炉结焦严重造成的除焦、碎渣、冲渣等造成的后续人员工作强度及碎渣机、渣浆泵、冲渣泵等辅机电耗。且结合我公司2017年二期锅炉部分空预器、省煤器、过热器、水冷壁管更换技改项目的实施，改造后排烟温度降至150℃左右，节能效果显著提高。
六、综合评价
通过以上分析比对、优化设计、择优实施改造，降低了设备磨损和内耗，系统简化布置，占地布局美观，节省了引风机扩容改造费用，降低了烟气系统风阻，达到了节能降耗的目标，最终收效显著，年节电至少31万元，为机组稳发满发和安全生产作出了突出贡献。
参考文献:
[1]张玉山. 《银川热电锅炉烟气除尘、脱硫、脱硝系统运行规程》. 内部资料,2017，（05）.
[2]何波. 《银川热电锅炉烟气除尘、脱硫、脱硝系统检修工艺手册》. 内部资料,2017,（06）.
[3]苏志鹏. 《300MW直流锅炉脱硝技术分析》.中国知网,2012,（01）.
论文作者:张正喜,闻小华,王锋,高伟东
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/18
标签：烟气论文; 烟道论文; 锅炉论文; 引风机论文; 阻力论文; 二期论文; 技改论文; 《电力设备》2017年第33期论文;