150MW机组超低排放系统的升级改造应用与难点对策研究—以山东鲁西发电#3-#6机组超低排放升级改造项目为例

150MW机组超低排放系统的升级改造应用与难点对策研究 —以山东鲁西发电#3-#6机组超低排放升级改造项目为例

孙雨洲

上海中芬新能源投资有限公司 上海市 201203

摘 要：随着火电机组不断运行造成的超低排放系统运行效率下降，烟囱出口各项排放参数指标接近可允许排放污染物（主要指二氧化硫和烟尘）指标的临界值，超低排放系统需要进行升级改造。为使改造后，脱硫和湿电系统均能满足超低排放要求，大幅提升脱硫和除尘效率，同时进一步减少烟气中携带的液滴浓度，增强原脱硫和湿电系统的高效性和稳定性。本文结合山东鲁西发电#3-#6机组超低排放升级改造项目，通过采用多个系统同步升级处理的改造技术，根据原有的DW吸收塔和板式湿电的现状及特点，研究论述了150MW级别的火电机组超低排放系统在升级改造过程中，通过采用增加烟气反应接触时间、增加液气比、强化气液传质强度、强化氧化效果、提高吸收剂活性和改善吸收塔浆液质量等多项措施，达到升级改造的目的。通过改造后各项试验以及出口排放参数数据表明，150MW机组的超低排放系统经过有效升级改造后，可使机组长期安全、可靠、稳定的运行。

关键词：150MW机组超低排放系统；升级改造；高效循环泵；极板极线

引言

本次关于150MW机组超低排放系统的升级改造本着安全性、可靠性和经济性为主要原则，最大程度上对原有设备进行利旧，减少改造工程量，同时满足脱硫和除尘效率。着重对脱硫系统以及湿式电除尘器的各子系统进行更新升级，也包括了相应的电气、热控和土建工程。

1、山东鲁西发电#3-#6机组超低排放升级改造项目概况

山东鲁西发电有限公司#3、#4机组于2013年11月正式投运发电，于2017年7月通过了山东省环保厅超低排放验收。#5、#6机组于2015年5月正式投运发电，于2016年8月通过超低排放验收。四台机组原计划的服役到期时间为2033年前后。锅炉原有脱硫系统设计燃烧煤种的硫含量为1%，对应入口SO₂含量在1800mg/Nm³ (标态、干基、6%氧) 时，#3、#4锅炉烟囱出口SO₂浓度不大于100mg/Nm³，#5、#6锅炉烟囱出口SO₂浓度不大于35mg/Nm³。按照国家环保日益严峻的形势和电厂燃煤的市场环境，我们在现有设备系统基础上，对原脱硫及湿电系统进行升级改造。改造后#3-#6锅炉脱硫系统入口SO₂含量在2400mg/Nm³时，满足出口烟气SO₂含量均低于35mg/Nm³，脱硫效率不小于99%;烟尘含量均低于5mg/Nm³，除尘效率不小于99%。且经升级改造后，不仅是系统参数上满足指标要求，而是可以长期常态化的提升机组的安全运行裕度，机组的稳定性和可靠性得到大幅提升，能满足较长一段时间内极端条件下系统仍可达标排放的使用需求。因电厂所属的上级集团已开始2×660MW大机组的施工建设，根据“上大压小”的政策要求，新机组投产并网发电后，现有四台机组有可能会关停，所以本次升级改造也特别注意对施工成本的控制。

2、150MW机组超低排放系统中脱硫部分的升级改造

脱硫工艺系统改造包括对脱硫吸收塔的循环浆液、本体及内部件系统、氧化空气系统、以及外部的石灰石浆液制备系统、石膏脱水系统和废水处理系统等进行更新升级。

2.1 浆液循环和吸收塔本体及内部件系统

2.1.1 提升吸收塔浆液喷射高度

由于脱硫效率将得到提升，吸收塔内的总浆液循环量和液气比也将随之增加。首先，根据计算每个吸收塔的总浆液循环量≥12000m³/h，每台循环泵扬程≥21米。现场所使用为高效循环泵，则流量和扬程已满足所需要的参数，但需要提升吸收塔内浆液的喷射高度和密度，以增加烟气反应接触的时间并强化气液传质强度。同时，吸收塔内浆液喷射高度需要提高3m，具体改造措施为：

（1）更换所有吸收塔浆液喷嘴，更换为喷射高度和密度更好的型号。

（2）浆液喷射高度增加以后，将原有的吸收塔除雾器安装位置抬高3.5m。抬高方法为：在喷浆管和除雾器之间的吸收塔区域分割开后，上部整体抬高3.5米，吸收塔出口烟道也随之调整长度，同时还要调整所有相关管道、平台爬梯以及增加防腐等。

2.1.2 增加高效循环泵

为了提高现有脱硫系统的运行稳定性，每个吸收塔需要新增一台相同型号的浆液循环泵，采取与原浆液循环泵并联安装的方式，同时更换所有浆液循环泵进出口电动阀以及更换所有浆液循环泵的联轴器为强度更高的联轴器。考虑到吸收塔区域一般都布置紧凑，无法给新增浆液循环泵在吸收塔壁上开孔，故采取新增浆液循环泵的入口管道与相邻浆液循环泵的入口管道共用的方式，把相邻浆液循环泵原有的入口管道滤网拆除，更换为等径三通，用于联接2台泵，同时在2台泵入口新安装一台用于隔离浆液的电动蝶阀。原有的入口管道滤网拆除后，改为在吸收塔内部吸入口位置安装，滤网材料为2205合金。

图1 脱硫效率同浆液循环量关系曲线图

2.2 氧化空气系统

经改造后，原有吸收塔浆池的容积将不能满足浆液循环时间及石膏结晶时间，考虑到增加吸收塔浆池容积需从底部抬高吸收塔，这样会对原有系统造成大面积破坏，将大大增加改造难度，现考虑采取强化氧化效果方面入手，主要反应在增加氧化空气量、提高吸收塔搅拌器搅拌效果和改善浆液品质上。其中，改善浆液品质涉及脱硫废水系统改造。

2.2.1 氧化风机

需全部更换更大流量的氧化风机，压头适当提高，原有氧化空气管道及分支管道均不作调整，位于吸收塔内部的氧化喷枪位置不变。根据脱硫场地实地情况，对于4座吸收塔，氧化风机采用 4台运行、4台备用的罗茨风机。氧化风机设置有隔音罩防止噪声污染，氧化风机房间内空间有限，应尽量利用好原有设备的土建基础。风机外壳和所有磨损件要易于拆除，并且留有足够的检修空间。

2.2.2 吸收塔搅拌器

吸收塔搅拌器全部更换，增加搅拌器叶轮直径、转速，使搅拌效率更为高效。保留原有吸收塔搅拌器冲洗管道系统，吸收塔搅拌器的安装位置和连接方式不变。搅拌器的叶轮和轴要具备耐磨损和耐腐蚀性，需至少适应高达20000ppm的Cl^-浓度。除了叶轮和轴外，其它的部件要能在不用停机条件下在线更换。搅拌器叶片材质为2507合金，主轴的材质为1.4529合金。

2.3 脱硫增效添加剂制备系统

为了提高吸收剂活性，增加脱硫效率，改善氧化效果，同时增加现有系统运行可靠性，考虑增加一套脱硫增效添加剂处理系统。需单独设置一套制备系统，将合格的脱硫增效添加剂溶液送入现有脱硫石灰石浆液罐中，利用现有输送及控制系统送入吸收塔。脱硫增效添加剂制备系统包括：脱硫增效添加剂接受地坑及搅拌器、脱硫增效添加剂储存罐、输送泵以及配套的储存罐液位计、工艺管道和阀门等。

2.4 石膏脱水系统

超低排放改造后脱硫系统石膏产量将会有一定的增加，现有石膏脱水系统只能勉强维持现有运行工况下的石膏脱水能力，为了满足脱硫系统改造后的石膏产量，拟在原有石膏脱水楼预留空位增加一套石膏真空皮带脱水机，同时增加相应部分电缆及阀门、管道。

2.5 废水处理系统

为了进一步改善浆液成分，提高氧化和脱硫效果，原有废水系统已无法满足超低排放要求，根据环保相关要求，对现有脱硫废水系统进行升级改造。具体情况如下：

2.5.1 石灰乳制备系统

（1）石灰粉仓：

布袋除尘器运行正常，风机出口需加装风道。检查反吹电磁阀接头是否有损坏现象，看现场是否可以修复使用。检查粉仓内、震动给料机、螺旋给料机内是否有余料，时间过长的结块需清理干净。如有电机堵转现象，需清理后重新试运。

（2）石灰乳制备箱及储存箱：

增加超声波料位计并检查进水电磁阀和进水手动球阀损坏修复情况。

（3）石灰乳输送泵：

石灰乳输送泵带水试运，检查机封漏水情况，看是否需更换油盘根，更换轴承以及法兰、垫片。检查冲洗电磁阀情况。

2.5.2 有机硫加药系统

检查有机硫储罐、有机硫计量泵、盐酸加药系统、助凝剂加药系统、三联箱系统、澄清池系统以及出水箱系统：

（1）重点检查各系统的防腐和管路的损坏情况，必要时要重新进行防腐并修复损坏管路。

（2）重点检查各泵体以及搅拌器的损坏情况，检查叶轮、联轴器、压滤机、机封等重点部件是否可以正常试转，有无跑冒滴漏等现象。

3、150MW机组超低排放系统中湿式电除尘部分的升级改造

湿式电除尘在使用较长段时间后普遍会发现一、二次电压下降，部分极板极线会变形从而造成电场的间距不均匀，产生局部放电现象等问题，从而造成出口烟尘浓度数据超标，不能长时间满足超低排放的需求。

3.1 阳极板系统

传统的316L合金材质极板厚度比较薄，且面对较恶劣运行情况时耐腐蚀性较差，本次改造采用以316L合金为内部骨架，外衬阻燃玻璃钢，与阴极框架相连接的吊耳部分做特别的加强处理。这样整体性好，强度和耐腐蚀度也大幅提升。在装卸、存放和吊装时候要特别注意极板的平整度，特别是吊装时一定要采用两台吊车相互配合进行，大吨位（50吨以上）作为主吊装机械吊上部吊耳部分，极板中间要缠绕揽风绳，防止起吊过程中有微风造成极板不断旋转发生事故。小吨位（25吨以上）主要吊尾部配合，在上部起吊时，下部同时吊起，这样做可以防止极板在吊装过程中产生变形。阳极板与底梁之间安装时需要留有20-30mm的间隙用于在固定阳极板的同时又给阳极板留有一定膨胀量的空间，如果阳极板与底梁之间未留间隙，则容易导致阳极板在温度升高时发生膨胀顶底部梁又无间隙的情况下向两侧弯曲变形。

3.2 阴极线系统

阴极系统主要包括阴极电晕线及整体的固定框架、连接螺栓。全部采用316L合金材质。阴极线为高效芒刺极线，阴极线下端采取整体固定的措施，能满足烟气流速较高工况下的运行。在装卸、存放和吊装时候要特别注意对芒刺极线的保护。吊装时注意壳体内侧的烟气阻流板与阴极部分间距不能太近，靠近壳体最末的极板间距保持在300mm左右。同样，与极板间距要相等、均匀的布置。防止中心间距不均匀造成部分电场间电阻变小，电压升不上去。这一点也是在升压调试时需主要发现和检查的内容。根据Deutsch公式：

（公式中， -除尘效率，%；Co-除尘器出口烟气含尘浓度，g/Nm³；Ce-除尘器进口含尘浓度，g/Nm³；f-比集尘面积，m²·s/m³； -粒子驱进速度，ms）我们可以计算出本工程改造后采用300mm极板中心间距对除尘效率以及运行的经济性最为有利。最末端的极板间距如果无法调整的，则采取拆除部分阴极小框架的断路处理方式。之后，全面检查紧固件连接情况，阴极框架如有一部分螺栓出现松动与脱离现象，也是造成电场升压出现异常的部分原因。

3.3 壳体及气流均布板

原进气端原来设计有一层气流均布板，为碳钢加鳞片防腐工艺，使用时经常发现烟气进气分布不均匀，造成局部电场烟气量大、流速快，而局部电场烟气量少，没有发挥气流均布的效能，从而严重影响了整个湿电系统除尘系统的效率。改造后增加一层采用两层气流均布版，材质改为PP材质。进出口烟箱与直段本体壳体的连接部位做加强防腐处理。

图2 极线与阴极框架 图3 极板极线均匀布置

3.4 冲洗及排水系统

极板极线的顶部设有喷淋冲洗装置，用工艺水泵将工艺水送至顶部对极板、极线进行冲洗。根据实际运行工况，调整顶部冲洗时间间隔和冲洗时间长度。冲洗水冲洗表面烟尘后落入到湿电壳体下方的锥形斗中，排水管由原来PP管改为316L合金管，使用寿命时间更长，灰水排至地沟中进一步处理。

4、150MW机组超低排放系统经升级改造后的运行情况

在168h期间对整个脱硫和湿电系统进行全面的检查和调试，处理一些局部放电的小问题。改造后，在燃烧煤种含硫量提高至入口SO2含量为2400mg/ Nm³时，#3-#6机组脱硫系统均能满足超低排放要求，改造后出口烟气SO₂含量均低于35mg/Nm³，配合脱硫增效剂使用可降至20mg/ Nm³左右，脱硫效率不小于99%。同时，原湿电除尘系统经升级改造后，二次电压稳定至65kV以上，粉尘的出口浓度含量甚至保持在3mg/Nm³以下，系统效率得到了大幅提升。

表1 升级改造后系统运行性能参数表

5、150MW机组超低排放系统升级存在的难点与优化解决措施

5.1 除尘器电压问题与解决措施

湿电系统最初调试时，发现一、二次电压达不到技术协议要求，二次电压一直在50kV左右，经过仔细调整极板极线之间间距后提升的效果也不再明显。后经计算电除尘器的同极间距和阴极线总长度来测算选用三相高压硅整流电源的容量，觉得可能是电源型号选用小了，因此决定将两台变压器并联连接后再次升压试验，试验后发现一、二次电压值大幅提升，也印证了之前的想法。对于二次电压而言，一般除尘系统的电场同极间距在300mm左右的，应采用72kV电压档的型号，电压档随着同极间距的增加而提升，也只有这样才能满足电场粉尘荷电的需要。最终，通过采用更换更大容量的三相高压电源解决了电压升不上去的问题。

5.2 湿电系统用水量超标问题与解决措施

在168试运行期间，发现湿电系统的用水量较大，超过了设计值。经调查，冲洗的频率为每8小时冲洗10分钟。后经人孔门实时观察并统计分析了顶部冲洗水使用量同阳极板清洗之间的关系，调整顶部冲洗水时间间隔和冲洗时间长度为每24小时冲洗15分钟，使之达到在合理高效冲洗目的下，用水指标符合技术协议的要求，同时也起到了节能减排的效果。

6、结论与建议

综上所述，华北地区因为雾霾和减排等原因，上级环保部门会不定期的要求在超低排放的基础上继续减排30%-50%，并且越来越常态化，这对于环保系统的可靠稳定运行提出了非常高的要求。本次4台150MW机组超低排放系统升级改造前后历时3个多月，总工程造价2700余万元。对脱硫系统以及湿式电除尘器的各子系统进行升级改造，改造后系统的安全和使用裕度都得到了大幅的提升。本次改造为利旧性质的改造，最大程度使用了原有的设备，也大幅降低了工程造价，同时满足了可靠性和经济性的需要。随着国家火电机组政策的不断调整，300MW以下规模的火电机组将逐步退出历史的舞台，作为地区不可替代的热源供应首站，以后可能会成为调峰填谷的备用电源。因此，精准、有效、节约的升级改造将保障机组在关停之前阶段使电厂的运行经济效益最大化。

参考文献：

[1]郭志、刘志敏.基于气液悬浮旋切掺混的气动旋流塔脱硫性能测试与分析[J].《环境工程学报》2020.

[2]邓永利.600MW火电机组管式湿电除尘器改造方案研究及应用[J].《电力系统装备》2016.

撰写日期：2022-02

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