660 MW超超臨界鍋爐凈煙氣取水裝置的優(yōu)化研究

王 林，楊 博，王紅雨，姜宏偉，宋曉輝，張亞夫，高景輝，孟穎琪

(1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054； 2.華能錫林郭勒熱電公司北方勝利電廠，內蒙古 錫林浩特 026000)

我國內蒙古地區(qū)煤炭資源豐富，但面臨干旱缺水的客觀氣候條件，建設大型火電基地需首先解決火電機組耗水量大的問題[1]。燃煤在鍋爐中燃燒后，自身固有的水分及燃燒反應形成的水分，最終都會先分散到煙氣中，再排入大氣[2-3]。經(jīng)相關測算，大型電站鍋爐煙氣中的水分含量高達數(shù)十噸級，具有很大的回收利用潛力[4-6]。借助相關設備，回收利用上述水分，無疑將會大大提高缺水地區(qū)火電機組的綜合競爭力。

內蒙古地區(qū)煤田多為含水量大的褐煤，其煙氣中的水分，主要包括以下四部分：煤的外水分、內水分，氫元素氧化反應形成的水，濕法脫硫過程中夾帶吸收塔內的水以及一二次風中空氣含水[7-8]。

針對上述水分，本文提出在脫硫吸收塔出口煙道內增加一級煙氣換熱器，利用循環(huán)冷卻水降低煙氣溫度，使得煙氣中的水蒸氣受冷凝結，從而析出冷凝水。設備實際運行表現(xiàn)表明，該套裝置的節(jié)水效果顯著，出力調節(jié)可靠。由于冷凝水回收量大，電廠短時間內難以全部利用，因此對凈煙氣取水裝置進行了優(yōu)化改造，增加濕式電除塵集塵板沖洗水以及脫硫吸收塔補給水作為其用戶，從而使得該套裝置實現(xiàn)了長期穩(wěn)定運行，獲得了節(jié)水與環(huán)保的雙重效益[9]。

1 機組概況

某電廠2×660 MW機組工程采用了型號為HG-2114/29.3-HM14的超超臨界直流鍋爐。該鍋爐整體構造采用塔式布局，燃用就地煤田提供的褐煤。其燃煤的基本特性分析如表1所示。

表1 燃煤特性分析

煤粉在爐膛內燃燒產生大量煙氣，理論計算得到該工程脫硫吸收塔出口的煙氣參數(shù)如表2所示。

表2 脫硫塔出口煙氣特性參數(shù)

從表2可知，煙氣中水蒸氣所占的體積份額，設計煤種下為16.10%，校核煤種下為17.62%，因此可回收的水量極為可觀。

2 凈煙氣取水裝置簡介

為回收利用高水分褐煤鍋爐煙氣中的水分，提出并建立了一套由循環(huán)水泵、間冷塔及煙道內換熱器、冷凝水池組成的凈煙氣取水系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)構成

凈煙氣取水系統(tǒng)原理圖如圖1所示。間冷塔中設置獨立的2個扇區(qū)用于循環(huán)水的冷卻。冷凝水循環(huán)系統(tǒng)內設計有專門的充水泵和膨脹水箱。正常運行時，可視膨脹水箱的液位隨時進行系統(tǒng)補水，從而保證系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行。

圖1 凈煙氣取水系統(tǒng)原理圖

脫硫塔后的凈煙氣接近于飽和濕煙氣，其溫度為55 ℃左右。在脫硫塔與煙囪之間設置一級換熱器，用來降低煙氣溫度，析出煙氣中的部分水分，從而達到回收水的目的。換熱器的冷源介質為閉式循環(huán)冷卻水，其在煙道中被煙氣加熱，然后送至間接冷卻塔放熱降溫，再通過循環(huán)水泵送回換熱器，最終完成吸放熱的閉式循環(huán)。系統(tǒng)設計取水量如表3所示。

表3 凈煙氣取水系統(tǒng)取水量

煙氣中的水蒸氣被冷凝成液滴后，沿著換熱器表面流淌至煙道底部，經(jīng)集水槽、下降管，最終輸送至煙氣取水系統(tǒng)冷凝水池中，供電廠作為補給水使用。

2.2 煙氣換熱器

煙氣取水換熱器布置在脫硫塔和煙氣除霧器之間，換熱管材質選用鈦管，布置形式為圓形光管順列布置，壁厚1.2 mm。吸收塔煙道外壁尺寸為11 500 mm×6 000 mm，內部設置的煙氣換熱器參數(shù)如表4所示。

表4 煙氣換熱器設計參數(shù)

煙氣取水換熱器煙氣側流程為吸收塔→變徑管(含導流板)→煙氣取水換熱器本體→除霧器→煙氣加熱器預留段→變徑管→煙囪。

煙氣取水換熱器循環(huán)水側流程為間冷塔冷卻扇區(qū)→循環(huán)水泵→煙氣取水換熱器本體→間冷塔冷卻扇區(qū)。

2.3 循環(huán)水泵

本工程設計的循環(huán)水量為3 200 m3/h，每臺機組配置2×50%循環(huán)水泵，采用1拖2變頻調節(jié)出力。兩臺泵同時滿出力運行時，凈煙氣取水系統(tǒng)達到最大水回收能力。循環(huán)水泵的性能參數(shù)如表5所示。

表5 循環(huán)水泵主要參數(shù)

2.4 換熱器水沖洗裝置

進入煙氣取水換熱器的煙氣，雖然經(jīng)過了電除塵裝置的凈化，煙塵含量較低。但經(jīng)過脫硫塔后，煙氣中不可避免地會夾帶含有石膏的小液滴。冷凝過程中，這些雜質也會在換熱管表面黏附，形成隔熱層，影響換熱器的換熱效率。此外，換熱器后的除霧器也存在積灰問題。因此，分別設計了換熱器沖洗水和二級煙道除霧器沖洗水裝置，當煙氣換熱器進出口差壓大于500 Pa時，即需打開沖洗水閥開始沖洗。

3 系統(tǒng)投用與優(yōu)化改造

3.1 系統(tǒng)投運過程

利用充水泵向系統(tǒng)首次注水，并打開換熱器各模塊放氣門。系統(tǒng)滿水后，關閉各手動排氣門，啟動循環(huán)水泵，保持較低頻率運行，強制建立水循環(huán)。循環(huán)水泵運轉過程中，注意檢查管道漏水點并及時緊固處理。

確認系統(tǒng)管道密閉良好后，增加循環(huán)水泵出力，開始對系統(tǒng)管道進行帶壓沖洗，直至取樣口處水質優(yōu)良，滿足運行要求。

鍋爐點火后，系統(tǒng)維持運行狀態(tài)，根據(jù)膨脹水箱液位情況，及時補水。系統(tǒng)試運參數(shù)如表6所示。

表6 系統(tǒng)運行參數(shù)

從表6參數(shù)可知，凈煙氣取水裝置運行正常，冷凝水回收效果優(yōu)于設計值。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)化改造

實際應用過程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)回收的冷凝水量過大，超出了電廠補給水的耗用速度，為避免水池滿溢，運行過程中還需暫停凈煙氣取水裝置。這無疑是對設備性能的浪費。

針對上述問題，對凈煙氣取水裝置進行了優(yōu)化改造，增加濕式電除塵器極板沖洗水與脫硫塔補給水兩路用戶，結合循環(huán)水泵自有的出力變頻調節(jié)能力，實現(xiàn)了裝置的全過程投用。具體優(yōu)化改造方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)沖洗示意圖

煙氣經(jīng)過脫硝、除塵、脫硫以及濕式電除塵等凈化工藝后，內部固體雜質含量極低，冷凝水的水質清潔[10]，故可直接作為濕式電除塵的集塵板沖洗用水，并可直接作為脫硫吸收塔的補給水。上述兩個新增用戶，通過布設管道及增加增壓泵即可滿足運行要求。

本工程系統(tǒng)選用的循環(huán)水泵自帶變頻調節(jié)功能，且換熱器入口處還設計有水量調節(jié)旁路。當冷凝水池液位持續(xù)上漲時，可降低循環(huán)水泵的轉速，開大換熱器前的旁路，從而減少進入換熱器的冷卻水量，降低水蒸氣的凝結量，實現(xiàn)冷凝水量的調節(jié)。

增加上述用戶后，結合循環(huán)水量調節(jié)手段，較好解決了機組運行過程中冷凝水池滿水問題，凈煙氣取水裝置實現(xiàn)了全過程的穩(wěn)定運行。

4 結 語

針對內蒙古地區(qū)干旱缺水的自然條件，提出并應用了一套褐煤鍋爐凈煙氣取水裝置，利用冷凝法回收煙氣中的水分，系統(tǒng)實際運行穩(wěn)定，節(jié)水效果顯著。針對冷凝水量過大，難以全部利用的問題，優(yōu)化改造后增加了脫硫吸收塔補給水與濕式電除塵器集塵板沖洗水兩個用戶，結合循環(huán)水量的調節(jié)，最終實現(xiàn)了凈煙氣取水裝置的長期穩(wěn)定運行，取得了節(jié)水與環(huán)保的雙重效益，該系統(tǒng)的優(yōu)化改造經(jīng)驗也可供后續(xù)同類系統(tǒng)的建立提供參考。