“三塔合一”技术在660MW机组的应用.doc

“三塔合一”技术在国内660MW机组的成功应用杨立铭 刘明华 国电宝鸡发电有限责任公司, 陕西 宝鸡 721405【摘要】本文以国电宝鸡发电公司2660MW机组为例介绍了海勒式空冷系统、烟气排放和烟气脱硫“三塔合一”方案的工程应用，通过对该系统主要设备、运行情况的介绍，说明该技术可以成功应用于600MW级超临界机组，机组经过各工况下运行，性能指标达到设计要求，整塔装置达到冷却、脱硫、排烟三种功效，取得良好的经济效益和社会效益，“三塔合一”技术的应用前景一片光明。对于我国北方地区火力发电厂的建设提供了实例，具有较好的借鉴作用和应用前景。【关键字】三塔合一；混合式凝汽器；脱硫；排烟近年来，我国北方地区火力发电厂建设主要采用直接空冷技术，很少采用间接空冷技术。国电宝鸡发电有限责任公司2660MW超临界燃煤机组，采用海勒式间接空冷系统，是目前国内首家投入运行的高参数、大容量采用“三塔合一”技术的海勒式间接空冷系统的燃煤机组。空冷塔为海勒型双曲线形混凝土结构自然通风塔，整套烟气脱硫装置（FGD）位于冷却塔中心位置，烟道通过支柱空档进入空冷塔与脱硫岛连接，脱硫净烟气从脱硫塔顶部钢制烟筒排出。整塔装置具有冷却、脱硫、排烟三种功效，简称此技术为“三塔合一”技术，在600MW以上大容量机组上应用属于世界首创，自2010年12月机组投产发电以来，三塔合一的运行状况良好，各项指标均达到设计要求，系统设备均能有效满足机组各种工况的运行要求。一、 “三塔合一”设备系统介绍1. 海勒式间接系统及相关设备国电宝鸡第二发电厂2660MW机组采用海勒式间接空冷系统，是海勒式间冷系统在世界上首次应用于600MW级超临界机组。系统主要由喷射式凝汽器、水力机械组和间冷冷却塔三部分组成。在两个低压缸下各布置一台混合式凝汽器，低压缸排汽与喷射的冷却水混合,将汽轮机排汽冷却。凝汽器中有约3%的凝结水进入锅炉给水系统,其余约97%的水被循环水泵打入冷却塔散热管束被空气冷却后经与循环水泵电机同轴布置的水轮机调压后再进入混合式凝汽器喷射。此系统中循环水水质与凝结水水质相同。系统简图见图1。图1海勒式间接空冷系统示意图间接空冷系统采用2台混合式凝汽器。凝汽器纵向方向的5个内侧联箱和分割板把凝汽器分为10个蒸汽通道，在内侧联箱的侧面板有4层喷嘴，每台凝汽器有4760个喷嘴，喷嘴直径为13mm，冷却水通过喷嘴喷射至冲击板形成水膜。汽轮机排汽与水膜直接接触完成换热并冷却成水，同时水膜被加热到排汽压力下的饱和温度。整个系统设计冷却水量为50000m3/h，喷射式凝汽器额定蒸汽流量为1300.5t/h，设计气温为16，背压（汽轮机排汽口处）11KPa，夏季温度33，夏季背压（汽轮机排汽口处）27KPa。相对于表面式凝汽器，混合式凝汽器能够让水温基本达到排汽的饱和温度，过冷度小于0.5，系统可以获得更好的真空度，此外其结构更简单，可靠性更高，维修费用更低。系统内还布置有3套相同且并联连接的水力机械组。该机械组由驱动电机、冷却水循环泵和能量回收水轮机组成。循环水泵与水轮机、驱动电机同轴连接。低压缸排汽与喷射的冷却水混合后的热水经循环水泵升压后至冷却塔内冷却单元冷却，冷却后的冷水经与循环泵电机同轴布置的水轮机调压后进入凝汽器喷射。主厂房内凝结水泵入口取水自循环水泵出口热水管与水轮机入口冷水管，可根据凝结水精处理水温要求切换。冷却水循环泵为DVSe1100型卧式单级双吸泵，是为海勒式间接空冷系统而设计，能使喷射式凝汽器真空室的冷凝水保持饱和状态。能量回收水轮机用在冷却水回路上，水轮机的作用是回收从冷却塔返回到凝汽器的冷却水的残余能量，通过挠性联轴器与循环水泵相连，富余压头被利用，可以使每台循环泵电机电流下降约20A左右。同时冷却水通过水轮机后的压力值降到了混合式凝汽器的压力值。水轮机由蜗壳、可调节导叶和混流式转子组成。导叶通过电动执行器控制水轮机的正常关闭和调节水量。间冷冷却塔是内置脱硫吸收塔和烟囱的“三塔合一”设计，冷却塔的塔外圈垂直布置冷却三角，塔内布置有烟囱和脱硫吸收塔。采用将脱硫岛及排烟装置布置在空冷塔的中心位置，烟道通过支柱空档进入空冷塔与脱硫岛连接，脱硫净烟气从脱硫塔顶部钢制烟筒排出，塔筒内侧至顶部 50m处涂有环氧、聚氨酯涂料。冷却塔采用钢筋混凝土双曲线自然通风冷却塔，冷却塔高170m，塔顶直径为84.466m，喉部标高145m，喉部直径82m。吸收塔布置于冷却塔内，烟气从引风机出口烟道穿过冷却塔X柱接入吸收塔，通过置于吸收塔顶部的烟囱排放，脱硫吸收塔总高57.23m，其中烟囱段15m。 “三塔合一”布置如图2所示。间冷冷却塔塔共布置179个冷却三角，被分为10个功能相同的冷却扇段，冷却三角采用第五代FORGO（福哥）TA-60多孔槽板翅片铝制热交换器，这是一种全铝制的管翅式热交换器，多根换热管与翅片整体连接。空气侧的换热通过在平板表面上冲压形成矩形槽而得以增强，冲压而形成的槽与空气流交叉，当气体穿过换热束时沿着气流方向就能形成 图2间冷冷却塔布置示意图 一种重复出现的波状的气体流动。同时空气侧的压降相对于换热增强可以忽略，且具有良好的表面清洗性。该热交换器翅片间距3.1mm，翅片厚度0.3mm，管道外径18.6mm，壁厚0.75mm。每个冷却元件的长度宽度深度为6m2.4m0.15m。4个或者3个冷却元件组装到一起，两端有联箱，采用O形环密封，相邻两个冷却三角百叶窗共用一个电动执行机构；空气进入侧安装有气流控制百叶窗。塔内布置6个串联的地下储水箱（6220t）及地下冷却水管道。冷、热循环水母管上各配有一个液动事故疏水阀，排水进入地下储水箱；同时循环水冷水母管上配有一个电动凝汽器溢水阀，排水也进入地下储水箱。设计中管道系统的恒压由水轮机导叶调节控制。系统中恒定水量由储水箱和凝汽器水位控制。液力平衡通过旁通阀的正确控制来保证。两个旁通阀分别控制5个冷却扇段的液力平衡。冷却水温度通过控制冷却塔周围百叶窗的开度来控制。2.脱硫塔烟气脱硫装置采用石灰石-石膏湿法（FGD）脱硫工艺，脱硫装置采用单元制，一炉一塔，脱硫烟气系统采用烟塔合一，不设旁路烟道，不设GGH ，不设脱硫增压风机，阻力由引风机统一考虑。吸收塔布置在冷却塔中心线处，吸收塔出口垂直净烟道直接对空排放，脱硫后的洁净烟气通过吸收塔顶部的垂直烟道排烟装置与冷却塔热空气一起混合从空冷塔中排出。脱硫装置在锅炉所有负荷状态下均能持续安全运行。吸收塔采用喷淋塔，喷淋塔塔内有多层喷雾层，石灰石浆液喷嘴为轴流型/旋流型，材质为碳化硅。采用二级除雾器，吸收塔内壁采用玻璃鳞片树脂衬里。所有输送浆液的管道在设计上均能保证合理的自流排空，停运后重新启动不发生堵塞。配备有自动停运清洗系统，由工艺水系统供水，防高温、防冻、防结露。吸收塔及相关设备均布置在冷却塔内，为防止夏季冷却塔内高温对设备、仪表的影响，从设备选型、运行、检修方面均采取防高温的措施。为了保证脱硫主要设备运行正常，对空冷塔内设备电机采用闭式水系统进行冷却，水质采用除盐水。按锅炉BMCR工况全烟气脱硫，脱硫系统设计的含硫量按照1.2%进行，保证含硫量为1.2%时脱硫效率95%，脱硫系统可用率95%。3.排烟塔从锅炉引风机出口烟道引出到脱硫后烟气通过吸收塔顶部垂直烟道排放的整个烟风道系统及设备。烟气系统将未脱硫的烟气引入脱硫装置，将脱硫后的洁净烟气通过排烟装置与冷却塔热空气一起排放。脱硫烟气系统按不设旁路烟道，进入脱硫装置的烟气通过引风机实现流量控制，从吸收塔出来的净烟气直接通过吸收塔顶部的垂直烟道排放，即排烟系统采用“烟塔合一”技术。从锅炉到FGD的烟气烟道直径大约为8米，烟道从冷却塔约16米高的位置引入冷却塔内部。烟道经过冷却塔X支腿之间，并由带油漆保护的钢结构支撑。冷却塔内部的温度从25C 到 65C 不等，这取决于环境以及热负荷。为了避免FGD配件出现故障，所有电机以及其它电气设备应该以热带环境条件为基础予以选择。在正常运转情况下，烟气从FGD顶部排出，同时这股相对较细的气流柱被大量干燥气流包裹，干燥的气流在具有腐蚀性的烟气和混凝土塔筒表面形成了保护层，大量的气流会起到保护冷却塔混凝土塔筒的作用。尽管如此，为了更有效地降低洁净湿烟气对塔筒壁的腐蚀破坏，在混凝土冷却塔筒顶部内表面100m以上高度进行了防护涂料处理。排烟效果与240m常规烟囱进行比较：在评价检测区域内，空冷塔排烟与传统烟囱的排放污染物对区域空气质量的影响其分布趋势是相同的，均在区域的西北部出现污染物浓度高值区。从浓度值分析，空冷塔在170m排放高度和烟囱在240m排放高度的条件下，无论是区域的小时浓度和日均浓度的最大值，还是对各关心点的小时和日均浓度最大值，烟囱的影响均高于空冷塔。整体上来讲，尽管空冷塔的排放高度为170m，比烟囱低70m，但由于充分利用了空冷塔中大量热空气的热力抬升力，从而使空冷塔排烟对区域空气质量的改善贡献明显优于烟囱的排放方式。二、“三塔合一”系统设备的运行状况1.空冷系统在各类工况的间接空冷系统性能参数得到保证宝鸡发电有限责任公司生产厂区地处宝鸡东北方向32km，常年环境温度(最低/最高) -19/+40，大气压力平均 927mbara，塔筒结构设计风速在10m高度为23.7m/s (0.35kN/m2)。机组经过冬季和春、夏季运行，各项性能工况均得到保证。机组经过一年半的实际运行检验，海勒式间接空冷系统运行安全可靠，散热量完全满足设计要求，在各种工况和负荷要求下均能保证机组冷却效果。系统阀门严密性良好，控制及保护逻辑完善，在冬季系统投退、运行中未发生设备冻坏现象。海勒式空冷系统自动投入率100%，能完全自行调整，确保机组安全稳定运行。从下表运行参数情况来看，春、夏、秋、冬各个季节运行均可以满足机组设计要求。采用了混合式凝汽器，凝汽器运行端差近乎为零。以凝汽器背压10KPa为例：该压力下的排汽饱和温度46，凝结水温46.12，热经济性优秀。 表1 660MW机组海勒空冷系统运行参数一览负荷%环境温度凝汽器背压Kpa循环水进出水温度运行循环泵台数投运扇段数个百叶窗开度%夏季50%(330MW)3412.5750/4231010080%(500MW)312160/50310100100%（600MW）3323.263/50310100冬季50%(330MW)-28.936/27283580%(500MW)-29.846/312845100%（655MW）-27.745/292855春秋季50%(330MW)157.738/293103780%(500MW)129.444/3231043100%（655MW）2012.850/35310100经性能考核试验，机组负荷为614.77MW时，环境温度27.36，大气压94.02kPa ，环境风速1.97m/s时，最大风速5.2m/s，性能保证散热量741.29MW，实测空冷塔散热量827.70MW，性能系数为0.116，冷却塔的散热能力达到了设计保证值，满足现场设备生产需要。同时，在冬季环境温度最低气温-19.2，冷却塔零米以上10m处环境风速4m/s，空冷散热器管束正常，没有发生结冰、冻坏问题，百叶窗雨雪天气能灵活启闭功能、其他系统管道、阀门等附件不冻坏，系统的防冻性能也满足设计及生产要求。2. 脱硫工艺系统在冬季、夏季工况的性能参数得到保证脱硫装置采用石灰石-石膏湿法（FGD）脱硫工艺，脱硫装置采用单元制，一炉一塔。按锅炉BMCR工况全烟气脱硫，不设旁路烟道，不设GGH ，不设脱硫增压风机，系统压降通过引风机克服；每塔配套四台浆液循环泵、三台氧化风机；系统流程简捷、辅机容量经优化设计，脱硫厂用电率为0.85%。机组自投产以来，燃用煤质偏离设计煤种，煤质较差，但在锅炉负荷BMCR工况下，石灰石耗量、工艺水耗量、电耗、压缩空气量消耗量在均未超过保证值的条件下，保证了FGD的脱硫效率不小于95%，FGD装置出口SO2排放浓度未超过允许最大排放浓度163mg/Nm3（干基，6%O2）。在FGD入口烟气含尘量不大于150mg/Nm3（干基，6%O2），确保FGD出口烟尘浓度未超过允许最大排放浓度50mg/Nm3（干基，6%O2）。SO2实际排放速率均远低于允许值，SO2、烟尘及NOx实际排放浓度均低于允许排放浓度，在满足设计条件的情况下，脱硫系统的可利用率达到100%。在机组满负荷工况，燃煤含硫量0.6%、三台浆液循环泵、二台氧化风机运行方式下，脱硫效率达到97%，其他各项指标均达到或超过设计值，仍有进一步优化的余地。3.烟气排放系统在冬季、夏季工况的性能参数得到保证比较烟塔合一和独立高烟囱解决方案的地表浓度结果，采用独立烟囱产生的浓度高于烟塔合一方案。独立烟囱产生的浓度在夏季高出2.2倍，冬季高出1.4倍。产生这样结果的原因是由于烟气在冬季的浮力更大，同时冷却塔出口气温根据气温变化而变化。而采用烟塔合一以后，由于利用冷却塔巨大的热量和热空气量对脱硫后湿烟气形成包裹和抬升，混合气体抬升高度比冷却塔高出几十米到百米，促进烟气中污染物的扩散，促进地方环境质量的提高。烟塔合一优势：节省烟囱、烟气再热系统等土建及设备初投资和运行维护费用；增加烟气的抬升高度；促进烟气中污染物的稀释扩散。三、技术优势及应用成果图3：烟气排放实际情况采用“烟塔合一”技术。“烟塔合一”技术是现代电力工业发展的一种新兴技术，具有节能、环保的综合功能。一方面，脱硫装置安装在空冷塔塔心部位，脱硫反应塔与上部钢制烟筒一体化设计、配制、防腐处理，脱硫后的净烟气从脱硫塔上部钢制烟筒排出，经过170m高的空冷塔排入大气。利用塔内部热空气的抬升力更好的实现了脱硫后净烟气高度扩散，基本可以做到无烟排放，极大的减少了地面污染沉降的含量利于环境保护，明显优于烟囱的排放方式。与常规独立烟囱排放烟气相比，当地面风速为2m/s时，烟塔合一排烟方案SO2地面最大浓度仅为烟囱排烟方案SO2地面最大浓度的约1/3，为烟气脱硫后净烟气排放通道的防腐等诸多困难找到了很好的解决办法。另一方面，采用烟塔合一技术节省了机组的占地空间，节约了烟囱、烟气再热系统等土建及设备初投资和运行维护费用，补偿了间接空冷系统占地面积较大的不足；同时，在脱硫系统中不再设置GGH，脱硫后净烟气温度一般在50左右, 排烟装置在塔心布置并且冷却塔内部的空间容积很大,烟气抬升过程中净烟气几乎接触不到塔内筒壁面，保证了塔筒内壁不受净烟气腐蚀，只需对塔顶以下50m范围内进行塔内壁常规防腐即可。不须再面对传统烟囱防腐保护难题，减少GGH设备投资和传统烟囱防腐费用，降低运行能耗及维护费用。采用海勒式空冷系统，循环水系统耗水率理论为零。大幅度减少了火力发电厂的水耗，大量节约水资源。另外，系统设计科学可靠。系统运行自动投入率达到100%，能完全自行调整，保证了机组运行所需要的真空。四、该技术应用中出现的