“煙塔合一”、合并風(fēng)機、脫硫無旁路煙道熱電機組煙道系統(tǒng)設(shè)計

劉 璞，談琪英，湯曉舒

(北京國電華北電力工程有限公司，北京市，100120)

1 工程概況

三河電廠二期工程安裝2臺300MW亞臨界、一次中間再熱、抽汽凝汽式供熱國產(chǎn)機組，鍋爐為東方鍋爐（集團）股份有限責(zé)任公司制造。每臺機組設(shè)1套選擇性催化還原脫硝裝置（selective catalytic reduction，SCR），SCR反應(yīng)器直接布置在省煤器之后、空預(yù)器之前的煙道上?？疹A(yù)器后依次布置靜電除塵器、雙吸離心引風(fēng)機、石灰石-石膏濕法脫硫吸收塔和排煙冷卻塔。二期工程2臺機組分別于2007年8月、11月建成投產(chǎn)，機組達到了設(shè)計性能指標。

三河二期工程（以下簡稱“本工程”）突破了常規(guī)的機組煙道系統(tǒng)設(shè)計理念，煙道系統(tǒng)采用無旁路脫硫，鍋爐引風(fēng)機和增壓風(fēng)機合并設(shè)置，同時考慮SCR裝置阻力（三合一），玻璃鋼煙道，取消煙氣-煙氣換熱器（gas-gas heater，GGH），煙塔合一等新技術(shù)、新工藝，不僅簡化煙道系統(tǒng)，節(jié)約設(shè)計占地，而且減少了運行費用。

2 煙道系統(tǒng)設(shè)計特點

本工程在300MW級機組煙道系統(tǒng)設(shè)計上率先同步安裝SCR煙氣脫硝裝置和石灰石-石膏濕法脫硫裝置，脫硫系統(tǒng)設(shè)計取消旁路煙道和GGH、取消煙囪，采用“煙塔合一”冷卻塔。由于采用了“煙塔合一”排煙方式，本工程沒有必要設(shè)置GGH，同時脫硫塔出口至冷水塔內(nèi)排煙道均采用玻璃鋼凈煙道，又由于脫硫系統(tǒng)取消了旁路，簡化了爐后煙道系統(tǒng)，促成脫硫增壓風(fēng)機與鍋爐引風(fēng)機合并設(shè)置。

本工程煙氣系統(tǒng)流程為：爐膛→省煤器→脫硝裝置→空氣預(yù)熱器→靜電除塵器→引風(fēng)機→脫硫吸收塔→排煙冷卻塔→大氣。

根據(jù)煙氣系統(tǒng)流程，由于簡化了爐后煙氣系統(tǒng)、采用新材料等，給設(shè)計帶來一些新的問題，為此在煙道系統(tǒng)設(shè)計中需要采取針對性的措施。

2.1 玻璃鋼凈煙道及事故噴淋系統(tǒng)設(shè)計

本工程脫硫塔出口凈煙道可以采用玻璃鋼煙道或鋼煙道（內(nèi)襯防腐樹脂鱗片）2種方式，在比較了2種煙道方式的支架結(jié)構(gòu)及防腐等費用并考慮長期的維護管理等因素后，確定采用國外已普遍應(yīng)用的FRP玻璃鋼煙道。

與鋼煙道相比，玻璃鋼煙道具有防腐性能好、重量輕，導(dǎo)熱系數(shù)低、糙率系數(shù)低、免后期維護等特點。此外，玻璃鋼煙道具有可設(shè)計性，可根據(jù)工程具體情況，通過調(diào)整材料配比、纏繞工藝等方式對管道的力學(xué)性能指標進行設(shè)計調(diào)整。玻璃鋼煙道除初投資略高于鋼煙道外，在耐久性、可維護性、冷卻塔排放煙氣適應(yīng)性等方面更具優(yōu)勢。

2.1.1 玻璃鋼煙道設(shè)計參數(shù)的確定

由于沒有玻璃鋼煙道相關(guān)的設(shè)計標準，其設(shè)計壓力按煙道運行中內(nèi)部介質(zhì)可能出現(xiàn)的最大壓力，當(dāng)最大壓力絕對值低于2 kPa時，按±2 kPa設(shè)計。本工程玻璃鋼煙道設(shè)計壓力按±2 kPa設(shè)計。

機組在正常運行工況下，玻璃鋼煙道內(nèi)介質(zhì)運行溫度為50℃，考慮15℃的溫度裕量，玻璃鋼煙道的設(shè)計溫度為65℃。在機組啟停和其他非正常工況下，采取煙氣噴淋減溫措施，確保玻璃鋼煙道內(nèi)介質(zhì)短時（不大于10 min）運行溫度為80℃。機組在停止運行時，在室外環(huán)境溫度下，可能承受的最低溫度為-21℃（三河所在地區(qū)極端最低氣溫為-21℃）。本工程玻璃鋼煙道設(shè)計溫度為-21～65℃，短時（不大于10 min）承受溫度80℃。基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2；基本雪壓為0.40 kN/m2。設(shè)計地震烈度：8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.2 g。玻璃鋼煙道積灰荷載見下文。

2.1.2 玻璃鋼煙道材料及流速選擇

本工程玻璃鋼煙道采用環(huán)向纏繞成型的玻璃纖維增強乙烯基樹脂復(fù)合材料制作，其內(nèi)直徑為5.2 m，總厚度為30 mm（結(jié)構(gòu)層厚度27 mm、化學(xué)腐蝕層厚度2.5 mm、外保護層厚度0.5 mm），加固筋間距為3.0 m，煙道支點最大間距為48 m。煙道的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明其強度、剛度、穩(wěn)定性均能滿足工程要求。煙道的材質(zhì)選型、成型工藝合理。

根據(jù)對德國 Lippendorf電廠（2×933 MW）、Niederaussem電廠11號機組（1×950MW）的考察報告及北京高碑店一期“煙塔合一”工程的調(diào)研了解，脫硫吸收塔后玻璃鋼煙道凈煙氣的設(shè)計流速一般為16～20 m/s。本工程在BMCR工況下，燃用設(shè)計煤種玻璃鋼煙道內(nèi)煙氣流速為18.51 m/s。

2.1.3 玻璃鋼煙道布置設(shè)計

由于使用材料的差異，玻璃鋼煙道在布置上不同于常規(guī)鋼煙道，國外初期常采用低位布置方式，而后期多采用高位布置方式，以方便煙氣在冷卻塔中向上擴散，并減少濕煙氣對筒壁的影響。本工程結(jié)合脫硫吸收塔出口高度較高的情況，采用了玻璃鋼煙道高位布置，水平煙道中心標高為39 m，并向吸收塔方向傾斜，以便使?jié)駸煔饽Y(jié)水排向脫硫吸收塔側(cè)。為保證煙氣在冷卻塔內(nèi)向上排放，在冷卻塔中心設(shè)7.8 m高的垂直煙道。脫硫凈煙道系統(tǒng)彎頭少，可減小煙道的壓力損失，有利于煙氣的排放。

考慮到供熱機組的特點，設(shè)計考慮了2臺機組共用1塔的條件。三河電廠二期工程3、4號鍋爐脫硫吸收塔出口至排煙冷卻塔煙道的設(shè)計布置方式見圖1。

由3號鍋爐引風(fēng)機出來的煙氣直接進入3號脫硫吸收塔，處理后的煙氣從吸收塔頂部煙氣出口排出，進入3號排煙冷卻塔。

由4號鍋爐引風(fēng)機出來的煙氣直接進入4號脫硫吸收塔，處理后的煙氣從吸收塔頂部煙氣出口排出。凈煙道分2個支路：在正常工況下，凈煙氣排入4號排煙冷卻塔；在冬季4號排煙冷卻塔停運時，凈煙氣排入3號排煙冷卻塔。在煙道的2個支路上分別設(shè)置擋板門，用于煙氣切換。

根據(jù)玻璃鋼煙道的整體布置，設(shè)置非金屬補償器和固定、滑動組合支撐，解決煙道的熱膨脹問題，避免熱應(yīng)力的集中。

2.1.4 實際的煙道布置方案

本工程在實際實施過程中，考慮節(jié)約工程造價的需要及今后運行中有實現(xiàn)不切換的運行方式的可能性，按3號爐對應(yīng)3號排煙冷卻塔，4號爐對應(yīng)4號排煙冷卻塔，4號爐至3號排煙冷卻塔的煙道（包括塔內(nèi)）及相應(yīng)擋板均不施工，在今后運行測試結(jié)果分析完成后再確定支路煙道施工的必要性，塔上預(yù)留的第2個煙道開洞按少配筋混凝土封死，需要時可以敲開孔洞，計算及設(shè)計均按雙煙道考慮。

2.1.5 玻璃鋼煙道內(nèi)積灰荷載的確定

由于當(dāng)時的規(guī)程或標準對脫硫之后的煙道積灰荷載沒有明確的規(guī)定，考慮機組低負荷時煙氣流速較低，玻璃鋼煙道會出現(xiàn)積灰，首先對玻璃鋼煙道可承受的積灰厚度進行預(yù)測，再計算與其他荷載共同作用下玻璃鋼煙道強度，保證煙道安全運行，取242 mm作為玻璃鋼煙道積灰高度設(shè)計值，積灰重力密度按15 kN/m3計算。

從三河電廠運行2年反饋的情況來看，玻璃鋼煙道中基本不積灰，僅在膨脹節(jié)處有少許積灰。建議今后玻璃鋼煙道設(shè)計時，煙道底部最大積灰厚度一般可按不大于200 mm考慮，該積灰荷載可作為控制運行和檢修的條件在設(shè)計文件中體現(xiàn)。要求對玻璃鋼煙道定期檢查，對煙道內(nèi)的積灰情況每年檢查2次（冬季、夏季各1次）。

2.1.6 玻璃鋼煙道疏水設(shè)置

三河電廠二期工程玻璃鋼煙道坡向脫硫吸收塔側(cè)。在不需要設(shè)置補償器的煙道上，疏水直接進入吸收塔；在設(shè)置有補償器的煙道上，于補償器最低點設(shè)有疏水管道，疏水至吸收塔附近泵坑。疏水包括玻璃鋼煙道內(nèi)的煙氣凝結(jié)水和排煙冷水塔內(nèi)進入煙道的雨水或者冷水塔內(nèi)凝結(jié)水。疏水管道管徑按DN200設(shè)置。

目前電廠實際運行玻璃鋼煙道內(nèi)的凝結(jié)水量約為5 m3/h，pH值為2.3，疏水管道管徑可適當(dāng)減小。

2.1.7 事故噴淋系統(tǒng)

由于吸收塔內(nèi)零部件、防腐襯膠及玻璃鋼凈煙道對煙氣溫度非常敏感，需要嚴格控制吸收塔入口煙氣溫度，在吸收塔入口設(shè)置事故噴淋系統(tǒng)。本工程脫硫吸收塔內(nèi)防腐襯膠、噴淋層管道和除霧器原件等所能承受的最高溫度是80℃，玻璃鋼凈煙道的設(shè)計溫度為65℃，短時運行溫度為80℃（不大于10 min）。當(dāng)脫硫區(qū)域停電或全部漿液循環(huán)泵故障停運時，為了避免原煙氣（溫度120℃）進入吸收塔對內(nèi)部的零部件、防腐襯膠及塔后玻璃鋼煙道造成破壞，需開啟事故噴淋系統(tǒng)，把煙氣溫度控制在65℃以下；當(dāng)脫硫系統(tǒng)正常而機組排煙溫度異常升高時（短時300℃），事故噴淋系統(tǒng)的設(shè)計也應(yīng)滿足把短時高溫?zé)煔饨档偷轿账脑S入溫度160℃以下。

采用在脫硫吸收塔入口煙道上設(shè)置事故噴淋系統(tǒng)的措施，以保證吸收塔及玻璃鋼凈煙道不受高溫的破壞。事故噴淋系統(tǒng)設(shè)置有高位事故水箱(容積為100 m3)，除霧器沖洗水泵對事故水箱自動補水，另外設(shè)置1路消防水泵補水水源。如果煙氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障煙溫升高時，可快速投入事故噴淋系統(tǒng)，將溫度降至上述限值以下。與此同時，考慮了各種保證運行安全的措施，包括在保證脫硫效率的前提下使?jié){液循環(huán)泵經(jīng)常有1臺處于備用狀態(tài)及供電安全的保證、供水水源安全的保證等，即使在供水泵失去備用情況下，還設(shè)有高位事故水箱，以保證一定時間的用水。

2.2 “煙塔合一”排煙

“煙塔合一”技術(shù)在國外已實施多年，在國內(nèi)僅北京高碑店一期工程在改造工程中應(yīng)用，且是由外國公司設(shè)計，并在改造工程中保留了煙囪，即采用了有旁路的“煙塔合一”技術(shù)。本工程采用了國內(nèi)第1座自主設(shè)計的、滿足“環(huán)?？尚行浴焙汀皯?yīng)用安全性”的排煙冷卻塔。

3 煙道系統(tǒng)阻力分析及引風(fēng)機選型

脫硫煙氣系統(tǒng)是否設(shè)置增壓風(fēng)機與該系統(tǒng)是否設(shè)置脫硫旁路和GGH、及是否與主機組同步建設(shè)有關(guān)。另外，還需要考慮投資費用、布置、功耗、風(fēng)機選型、對鍋爐的影響等因素。三河電廠二期工程綜合考慮上述因素后取消增壓風(fēng)機，采用雙吸、雙支式帶液力耦合器調(diào)速功能的引風(fēng)機。該引風(fēng)機同時克服鍋爐煙氣系統(tǒng)、脫硝及脫硫3部分的阻力，引風(fēng)機的壓頭有所提高，但對于引風(fēng)機的整體造價提高不多，既簡化系統(tǒng)節(jié)省占地，又降低了初投資。三河二期采用引風(fēng)機與增壓風(fēng)機合并配置的方案更顯“煙塔合一”、“無旁路脫硫”的優(yōu)越性。

3.1 煙道系統(tǒng)設(shè)備阻力值選取

空氣預(yù)熱器隨鍋爐本體由東方鍋爐廠設(shè)計供貨。它的設(shè)計已考慮加SCR后空氣預(yù)熱器的防腐、防堵措施，特別考慮了裝設(shè)脫硝裝置后帶來額外的銨化合物會在空預(yù)器換熱元件上結(jié)垢，從而引起空預(yù)器的堵塞、腐蝕現(xiàn)象對空預(yù)器的影響。按鍋爐廠提供的數(shù)據(jù)，BMCR工況下鍋爐本體（包括自生通風(fēng)、空預(yù)器本體煙氣側(cè)）阻力值為2400 Pa。

脫硝系統(tǒng)阻力按脫硝廠家提供的初步設(shè)計資料，化學(xué)壽命期內(nèi)，對于SCR反應(yīng)器內(nèi)的每一層催化劑，壓力損失增幅不超過20%。引風(fēng)機選型時按加裝附加催化劑后的阻力考慮。

脫硫系統(tǒng)阻力按脫硫廠家提供的設(shè)計資料。

玻璃鋼煙道的阻力包括3部分：摩擦阻力、局部阻力（彎頭、風(fēng)門、補償器等）和排煙冷卻塔內(nèi)煙氣出口局部阻力。在該部分阻力計算時，參考了北京高碑店一期工程的外國公司的設(shè)計數(shù)據(jù)，從脫硫吸收塔出口至排煙冷卻塔的玻璃鋼煙道阻力共計200 Pa。

3.2 引風(fēng)機選型

鍋爐煙氣系統(tǒng)分段阻力匯總見表1。

每臺鍋爐配置2臺50%容量引風(fēng)機。根據(jù)《火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[5]的規(guī)定，引風(fēng)機的風(fēng)量裕量不低于10%，另加不低于10℃的溫度裕量，引風(fēng)機的壓頭裕量不低于20%，本工程實際選取為風(fēng)量裕量不低于15%，另加不低于10℃的溫度裕量，壓頭裕量不低于25%。引風(fēng)機選型各工況點參數(shù)（設(shè)計煤種）見表2。

原設(shè)計引風(fēng)機推薦采用軸流風(fēng)機，由于脫硫增壓風(fēng)機與引風(fēng)機合并，引風(fēng)機壓頭較高，只有雙級動調(diào)軸流風(fēng)機及離心機可滿足要求。但雙級動調(diào)軸流風(fēng)機作為引風(fēng)機當(dāng)時在國內(nèi)電廠還沒有運行業(yè)績,關(guān)鍵部件需要進口，鑒于引進費用過高和國內(nèi)無運行業(yè)績，最終確定采用雙吸雙支離心風(fēng)機。通過招標確定引風(fēng)機型號為Y4-2×60-14No29F，每臺離心引風(fēng)機配置1臺原裝進口液力耦合器(1150 SVNL 22-32型)。

表1 煙氣系統(tǒng)分段阻力Tab.1 Flue-gas system sectional resistant Pa

表2 引風(fēng)機選型各工況點參數(shù)（設(shè)計煤種）Tab.2 Various condition point parameter for ID fan model selection（design coal）

3.3 電廠引風(fēng)機實際運行情況及分析

三河電廠二期目前運行已經(jīng)2年，實際燃用煤質(zhì)接近校核煤種，其中灰分、硫分及發(fā)熱量偏差不大。煙道系統(tǒng)運行后，內(nèi)壓力實測值數(shù)據(jù)見表3。

表3 煙道系統(tǒng)內(nèi)壓力實測值數(shù)據(jù)Tab.3 Duct system internal pressure measured data Pa

從表3實測數(shù)據(jù)和計算值對比，引風(fēng)機阻力計算值有所偏高，由于引風(fēng)機阻力主要來自鍋爐本體、脫硝裝置、除塵器本體，脫硫吸收塔本體，其阻力值一般由設(shè)備廠家根據(jù)設(shè)計煤種提供，考慮到我國電廠燃用煤種多變的實際情況，各廠家提供的數(shù)據(jù)一般都留有一定裕量。另外，采用冷卻塔排煙的經(jīng)驗不多，脫硫吸收塔出口至排煙冷卻塔的玻璃鋼煙道阻力未充分考慮冷卻塔濕冷蒸汽的上拔力。目前引風(fēng)機在BMCR工況實際運行負荷率按照實際運行電流折算約為70%。引風(fēng)機的選型基本是合適的。

4 關(guān)于爐膛防爆壓力及煙道系統(tǒng)設(shè)計壓力

隨著煙氣系統(tǒng)配置的多樣化以及對國內(nèi)外標準的不同解讀，目前工程中對爐膛防爆壓力的選取不盡統(tǒng)一，部分大型機組的鍋爐爐膛設(shè)計瞬態(tài)壓力的選取為±9.98 kPa（或±9.9 kPa、±9.8 kPa）及±8.7 kPa。三河電廠二期鍋爐爐膛最大瞬時承受壓力按絕對值不低于9.8 kPa考慮。“三合一”引風(fēng)機在環(huán)境溫度下的TB點能力已超過爐膛最大瞬時承受壓力。由于鍋爐爐膛設(shè)計瞬態(tài)壓力的提高，一方面提高了鍋爐設(shè)備的造價，另一方面也受爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制，故不宜一味提高鍋爐爐膛瞬態(tài)壓力承受值，而是要綜合考慮鍋爐安全、結(jié)構(gòu)合理性、工程造價等因素，依靠完善保護控制措施，保證鍋爐安全。三河電廠二期采取報警、鍋爐總?cè)剂咸l（main fuel trip，MFT）、跳風(fēng)機的爐膛三段保護措施，且在所有工況下均要保證從送風(fēng)機入口到排煙塔的通道暢通無阻。

設(shè)置脫硝、無旁路脫硫以及不設(shè)增壓風(fēng)機后，煙氣系統(tǒng)阻力分配有一定的變化，對設(shè)計壓力取值有一定影響，煙氣系統(tǒng)設(shè)計壓力按《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[6]要求考慮最大運行壓力、MFT時煙風(fēng)道介質(zhì)壓力、最低介質(zhì)設(shè)計壓力三方面因素確定。

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常規(guī)工程鍋爐啟停、吹掃及煤油混燒時，煙氣中含大量油煙和粉塵，為防止對脫硫吸收塔內(nèi)漿液產(chǎn)生污染，煙氣均經(jīng)旁路煙道排放。本工程無脫硫旁路，如果不采取措施，這些煙塵和油霧將直接進入脫硫吸收塔、煙塔，對脫硫吸收塔內(nèi)漿液及煙塔內(nèi)壁產(chǎn)生危害。

本工程安裝了等離子點火裝置，啟動時可實現(xiàn)無油或少油燃燒。鍋爐啟動前脫硫系統(tǒng)漿液循環(huán)泵投入運行，除塵器先于漿液循環(huán)泵投入使用，除塵器可除去大部分未完全燃燒的煤粉，對少量煤粉可能產(chǎn)生的漿液污染，根據(jù)運行情況對部分漿液進行置換，即大量補充新鮮的石灰石漿液，同時排放污染的漿液。在鍋爐事故停機的時候，待煙風(fēng)系統(tǒng)停運后，再停運脫硫系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)。

雖然取消旁路煙道對脫硫系統(tǒng)有一定的影響，但在采取各種有效措施后，本工程的運行實踐證明脫硫無旁路煙塔運行是安全的。

6 結(jié)論

三河電廠(二期工程)是國內(nèi)首座國產(chǎn)化“煙塔合一”排煙、引風(fēng)機和增壓風(fēng)機合并設(shè)置、脫硫無旁路、玻璃鋼凈煙道的現(xiàn)代化環(huán)保熱電廠。該工程煙氣系統(tǒng)同步安裝脫硝、脫硫裝置，無GGH和增壓風(fēng)機的設(shè)置，極大地簡化了大型環(huán)保電廠的煙道設(shè)計系統(tǒng)，在吸收塔前采用事故噴淋降溫設(shè)計，保護了吸收塔及吸收塔后玻璃鋼凈煙道，保證了煙氣系統(tǒng)的安全可靠性。

三河電廠二期工程排煙冷卻塔已于2007年8月投產(chǎn)，根據(jù)投產(chǎn)后的測試數(shù)據(jù)證明，國內(nèi)首臺“煙塔合一”、脫硫無旁路機組的煙氣系統(tǒng)設(shè)計是成功的。

[1]北京國電華北電力工程有限公司.冷卻塔排煙技術(shù)自主研發(fā)與應(yīng)用：技術(shù)報告[R].北京：北京國電華北電力工程有限公司，2006.

[2]武漢理工大學(xué).三河電廠排煙冷卻塔玻璃鋼煙道結(jié)構(gòu)分析研究報告[R].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

[3]北京國電華北電力工程有限公司.三河電廠二期工程申報2008度電力行業(yè)優(yōu)秀工程設(shè)計材料之二專題報告(一)脫硫無旁路煙氣系統(tǒng)[R].北京：北京國電華北電力工程有限公司，2008.

[4]華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司.冷卻塔排煙技術(shù)自主研發(fā)與應(yīng)用：調(diào)試技術(shù)總結(jié)報告[R].北京：華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，2008.

[5]DL 5000—2000火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[6]DL/T 5121—2000火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[7]北京國電華北電力工程有限公司.鍋爐爐膛防爆壓力及煙氣系統(tǒng)設(shè)計壓力研究[R].北京：北京國電華北電力工程有限公司，2008.

[8]湯蘊琳.火電廠“煙塔合一”技術(shù)的應(yīng)用[J].電力建設(shè)，2005，26（2）：11-14.

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[10]曾德勇.國內(nèi)脫硫-煙塔合—工程設(shè)計[J].電力建設(shè)，2007，28（5）：57-60.

[11]曾德勇.從設(shè)計角度提高脫硫-煙塔合一系統(tǒng)的安全性和可靠性[J].電力建設(shè)，2008，29（3）：56-59.