增壓風機旁路節能技術在廣西火電廠中的應用

         

針對廣西火電廠機組近年來負荷不高的具體情況,采用投資小、工期短的增壓風機旁路節能技術達到降低脫硫係統用電量的目的。改造前,對裝設有增壓風機的火電廠不同工況下引風機全壓裕量以及鍋爐、脫硫係統阻力等因素進行分析和計算,判斷其是否具備改造條件。

改造情況表明,廣西4個火電廠改造總費用不到400萬元,每年節約風機用電費用總計1164萬元,此外,由於增設了增壓風機旁路,有效避免脫硫煙氣旁路取消後,因增壓風機故障導致脫硫非停、機組跳閘嚴重事故的發生。

廣西電網統調的火電廠有13個,其中12個采用石灰石一石膏濕法脫硫工藝,9個設計有增壓風機。由於廣西火電廠燃煤硫分含量較高,脫硫係統用電占廠用電率較高,約占廠用電的1.6%~2%。

石灰石-石膏濕法脫硫工藝是目前應用最為廣泛的脫硫技術,經過多年運行、調整和摸索,石灰石-石膏濕法脫硫裝置節能減排的優化手段已非常成熟,挖掘潛力有限。考慮到增壓風機的用電量約占脫硫係統用電量的40%~50%,因此,如何降低增壓風機的用電量是今後節能新的技術方向。

1增壓風機旁路節能技術

脫硫係統設置增壓風機的目的是克服增加的脫硫係統阻力。由於增壓風機與鍋爐引風機串聯運行,增壓風機本身的阻力及風機、電機能量轉換的損失需要額外消耗部分電能。近年來,為了降低脫硫係統用電量,提高係統運行可靠性,最有效的方法就是將增壓風機與鍋爐引風機合二為一。

因此,新建電廠的脫硫係統通常不設增壓風機。同時,部分火電廠結合煙氣脫硝改造,取消了脫硫係統增壓風機,並對鍋爐引風機進行出力改造。截止2013年1月,廣西已有3個電廠進行了增壓風機與鍋爐引風機合二為一的改造。增壓風機與鍋爐引風機合二為一的改造方式簡單、可靠、節能效果較好,但需要對鍋爐原引風機的基礎進行改建,且原增壓風機及鍋

爐引風機一般作拆除報廢處理,造成該改造方式工期較長、費用昂貴,僅引風機基礎改造就需約45天,而2x300MW機組改造費用與增壓風機、引風機報廢費用之和超過1000萬元。另外,增壓風機與鍋爐引風機合二為一後,新引風機在TB工況下的壓力遠超原引風機壓力,因此還需對鍋爐爐膛安全性進行評估分析。

根據DL/T468-2004《電站鍋爐引風機選型和使用導則》,火電廠鍋爐引風機選型時,其全壓、風量、溫度等參數一般根據BMCR工況並考慮10%~20%的裕量進行選擇。因此,在引風機出口煙道與吸收塔入口煙道之間增設一條煙氣旁路(圖1),當鍋爐負荷較低時,煙氣通過該旁路直接進入吸收塔而不需要啟動增壓風機,脫硫係統的阻力利用鍋爐的引風機全壓裕量克服,從而達到節能的目的。

該旁路區別於脫硫煙氣旁路稱為增壓風機旁路。增壓風機旁路節能技術無需對增壓風機和引風機進行任何改造,僅需增設一條不長的煙道及一個煙氣檔板門,較增壓風機與鍋爐引風機合二為一的改造費用低得多,通常2x300MW機組的改造費用每台機組僅需約40萬元。

圖1增壓風機旁路示意圖

對於引風機全壓有較大裕量的電廠,引風機、增壓風機增加變頻器也可以達到較好的節能效果,但每台機組需要增設3台大功率、價格昂貴的變頻器,並且風機在使用變頻器後會出現包括變頻切工頻擋板卡澀、風機失速裕量增大等各種問題,因此部分電廠放棄這種節能改造方式。

2廣西部分火電廠鍋爐引風機出力及脫硫係統阻力情況

由上可見,增壓風機旁路節能技術取決於鍋爐引風機有足夠的全壓裕量以克服脫硫係統的阻力。當鍋爐負荷較低時,煙氣係統及脫硫係統的阻力均相應降低,引風機的全壓裕量就愈大。因此,增壓風機旁路改造前應對不同鍋爐工況下引風機全壓以及鍋爐、脫硫係統阻力等因素進行分析和計算,避免改造後達不到效果而造成浪費。

廣西6個裝設有增壓風機的電廠中有2個電廠經過煙氣脫硝改造後,在鍋爐負荷較高時,雖然增壓風機靜(動)葉開度已達到最大,但其引風機出力明顯不足,因此,這2個電廠不考慮進行增壓風機旁路改造。其餘4個有增壓風機的電廠在進行脫硝、脫硫改造後,對鍋爐、脫硫係統不同負荷下阻力情況、引風機全壓等進行了測試,測試時為保證脫硫係統阻力的真實性,脫硫吸收塔漿液循環泵全部運行,結果見表1。

表1廣西4個電廠鍋爐引風機、增壓風機及係統阻力數據匯總表

根據表1數據,除貴港電廠外,其餘3個電廠BMCR工況下引風機全壓基本與鍋爐及脫硫係統總阻力(P1+P2=)相當;但在75%負荷時,這4個電廠鍋爐及脫硫側阻力(P3+P4)均小於引風機的全壓;50%負荷時,引風機全壓裕量更大。

由於廣西火電廠多為調峰電廠,2013年及2014年火電機組的等效負荷率約為額定負荷的60%,預計今後變化不會太大,因此上述電廠具備進行增壓風機旁路改造的條件。

3增壓風機旁路改造後的運行情況

從2013年開始,廣西這4個電廠結合鍋爐檢修進行增設增壓風機旁路的改造工作,截止2013年9月,這4個電廠共8台機組全部完成改造工作。為避免增壓風機係統故障導致脫硫係統非計劃停運、機組跳閘事故的發生,增壓風機旁路的煙氣檔板門具備快速打開功能,即當增壓風機故障跳閘時,增壓風機旁路的煙氣檔板門能快速打開。

每台機組改造完成後在啟動時均先僅啟動鍋爐引風機,鍋爐煙氣隻通過增壓風機旁路進入脫硫吸收塔,並緩慢增大鍋爐負荷,記錄鍋爐負荷、引風機電流及進出口壓差等數據。當引風機運行電流接近其額定電流或其全壓不足時,啟動增壓風機,關閉增壓風機旁路,此時,鍋爐負荷即為增壓風機不啟動允許的最大鍋爐負荷Pmax,引風機電流即為增壓風機不啟動時最大允許電流Imax。

這4個電廠改造前後不同負荷下的試驗數據見表2,由於每個電廠的2台機組的容量、引風機、增壓風機等均相同,表中僅列出每個電廠具有代表性的1台引風機的運行數據。

表2改造前、後不同負荷下引風機及增壓風機的電流

根據表2數據,改造後增壓風機不啟動時,北海電廠2x300MW機組鍋爐負荷最大,達到額定負荷,說明其引風機裕量設計較大;貴港電廠2x600MW機組鍋爐負荷最小,約為455MW,相當其鍋爐75%MBCR負荷;所有電廠達到最大鍋爐負荷Pmax二時,引風機電流未超過額定值,但引風機的全壓不足。

引風機全壓不足的原因主要是這些電廠現場場地小,增壓風機旁路改造時,增壓風機旁路煙道均需要增設2個90°的彎頭,加上增設的煙氣檔板門,脫硫係統的阻力相應增加了約600Pa。從表2數據可知,4個電廠在75%鍋爐負荷時,增壓風機均不需要啟動,說明這4個電廠增設增壓風機旁路的改造取得成功。

4效益分析

由於廣西電網以水電為主,火電廠主要用於調峰,火電機組大部分運行時間內負荷較低。據統計,自2013年以來,廣西火電機組負荷約為額定負荷的50%~70%,晚間負荷更低。預計今後幾年內廣西火電機組負荷偏低情況沒有變化,因此,這4個電廠改造後多數情況下不需要啟動脫硫增壓風機。

在未增設增壓風機旁路前,風機的用電量包括引風機及增壓風機的用電量,而增設增壓風機旁路後,當增壓風機不啟動時,風機的用電量僅為引風機的用電量,兩者之差即為節約的電量。在已知電機運行電流的情況下,由式(1)計算引風機電機的用電量:

式中:屍為引風機電機消耗的電源功率,kW;U為驅動電機線電壓,取6kV;I為引風機電機運行電流(測得各值見表2),A;cosφ為電機功率因數,按0.85計。

由表2數據和式(1)即可計算改造前引風機、增壓風機的用電量以及改造後增壓風機不啟動時引風機的用電量,結果見表3。

表3增設增壓風機旁路改造前、後不同負荷下節電效果

根據表3數據,即使這4個電廠機組在75%負荷下的運行小時數占機組年運行小時的50%,增壓風機旁路改造後,合計每年節約風機用電量2587x104kW˙h,節約費用1164萬元(上網電價按0.45元/kW˙h計),而每個電廠的改造費用為80~100萬元,其經濟效益較大。

另外,根據國家相關環保政策,國內所有火電廠必須在2013年12月前取消脫硫煙氣旁路。脫硫煙氣旁路取消後,當增壓風機因故障跳閘時,相應脫硫係統停運,並進一步造成機組非計劃停運。在增設增壓風機旁路後,當增壓風機因故障跳閘時,煙氣檔板門可快速打開,煙氣通過增壓風機旁路進入吸收塔,從而有效避免脫硫非停、機組跳閘嚴重事故的發生,具有良好的社會效益。

5結論與建議

由上述結果可見,對設有脫硫增壓風機且鍋爐引風機全壓有足夠裕量的火電廠,特別對以調峰為主的廣西區內火電廠,增設增壓風機煙氣旁路所取得的經濟效益及社會效益較大。

根據部分電廠在增設增壓風機旁路改造中取得的經驗和教訓,建議:

1改造實施前,必須進行鍋爐側、煙氣脫硫側阻力及引風機全壓餘量的測試和分析,脫硫係統阻力測試時漿液循環泵應全部運行。此外,還需考慮增設的煙氣檔板門及煙道所增加的阻力,以避免設置增壓風機旁路後增壓風機不啟動時最大鍋爐負荷很低,節約的風機用電量很少,沒有達到預期效果。

2由於影響脫硫係統及鍋爐側阻力因素較多,運行時如果鍋爐及脫硫係統阻力增加,並且鍋爐負荷接近增壓風機不啟動允許的最大負荷時,運行人員應及時做好啟動增壓風機的準備工作,確保增壓風機及時啟動。重新啟動增壓風機時,鍋爐、脫硫運行人員必須密切協調,以防止增壓風機啟動過程中鍋爐爐膛壓力波動太大甚至滅火事故的發生。

3增壓風機旁路的煙氣檔板門應具備快速打開功能(全開時間≤15s),增壓風機故障跳閘時的保護邏輯設置,應確保增壓風機故障跳閘時,煙氣檔板門可快速打開。開展要求不同,特高頻信號無法穿越金屬外殼,需在絕緣結構處測量,而超聲局放檢測技術受故障點距離限製較多。綜合利用多種檢測技術,可以有效覆蓋巡檢中的“死角”,提高缺陷識別整體水平。

5.1拓寬測試項目開展渠道

當前階段,變電站內超聲局放檢測項目的開展一般分為檢修試驗人員例行檢測和專家組巡檢,主要是對大負荷前後、重要節日及政治保電前的全站設備進行檢測,並對重點設備、疑似缺陷設備進行跟蹤監測。針對電力負荷變化較大的線路、變壓器對應的斷路器設備,建議增加運行人員檢測,以及時發現電流劇烈變化可能帶來的故障缺陷;針對同一廠商已出現過問題的同類設備,建議增加設備製造方帶電檢測工作,歸類總結可能存在的家族性缺陷。

5.2完善狀態檢修輔助決策分析係統

狀態檢修輔助決策係統為各類狀態數據信息的歸納分析提供了便利,也為狀態檢修工作中設備評價、決策製定等提供了數據支撐,但現階段仍存在較大發展空間。狀態檢修輔助決策分析係統中狀態信息類別、數據廣度有待拓寬,分析深度、輔助決策水平需要提升。以文中所述案例所在電力公司的狀態檢修輔助決策係統為例,斷路器設備狀態檢修策略的製定主要基於停電檢修試驗數據、家族性缺陷數據、運行工況數據以及SF6氣體成分帶電檢測數據,缺乏對超聲局放、特高頻局放等帶電檢測及跟蹤監測數據的深度應用。建議結合狀態檢測新技術的應用對輔助決策係統相關模塊、係統功能進行完善,充分利用各類狀態數據提升決策水平,使係統不斷滿足設備運維檢修、故障診斷工作的新要求。