氣力輸灰系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

國(guó)能濮陽(yáng)熱電有限公司 王 欣

隨著我國(guó)確立了2030年前碳達(dá)峰和2060年前碳中和的目標(biāo)，對(duì)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和煤炭清潔高效利用提出了更高要求。為進(jìn)一步降低煤電機(jī)組能耗，促進(jìn)電力行業(yè)清潔低碳轉(zhuǎn)型，助力全國(guó)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)如期實(shí)現(xiàn)，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展全國(guó)煤電機(jī)組改造升級(jí)的通知》（發(fā)改運(yùn)行〔2021〕1519號(hào)），依據(jù)全國(guó)煤電機(jī)組改造升級(jí)實(shí)施方案的要求，對(duì)供電煤耗在300克標(biāo)煤/千瓦時(shí)以上的煤電機(jī)組應(yīng)加快創(chuàng)造條件實(shí)施節(jié)能改造。而在國(guó)內(nèi)火力發(fā)電廠中，電除塵氣力輸灰系統(tǒng)又是一個(gè)耗能較多的環(huán)節(jié)，針對(duì)電除塵壓縮空氣系統(tǒng)及空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)[1]、輸灰系統(tǒng)優(yōu)化改造[2]、氣力輸灰系統(tǒng)節(jié)能降耗控制策略優(yōu)化[3]等成為火電廠節(jié)能技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。

針對(duì)目前火電廠除灰系統(tǒng)輸灰効率低、耗電率高的問(wèn)題，本文以某火電廠電除塵氣力輸灰系統(tǒng)節(jié)能改造為例，通過(guò)對(duì)除灰系統(tǒng)的耗能現(xiàn)狀分析，指出造成除灰耗電率高的主要原因，從氣力輸灰系統(tǒng)的耗氣量和空壓機(jī)能耗兩個(gè)方面開(kāi)展節(jié)能技術(shù)路線的研究，闡述了倉(cāng)泵輸灰助吹裝置、交叉式輸灰工藝改進(jìn)等節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用和評(píng)估，經(jīng)過(guò)效益分析得出，該節(jié)能技術(shù)可以有效地降低除灰系統(tǒng)耗氣量和耗電率。

1 除灰系統(tǒng)的耗能現(xiàn)狀分析

某火電廠現(xiàn)有2×210MW 國(guó)產(chǎn)燃煤發(fā)電機(jī)組，配備東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG670/13.7-19型超高壓、一次中間再熱、自然循環(huán)、Ⅱ型布置汽包爐，單爐膛四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、燃煤、半露天全鋼構(gòu)架、固態(tài)排渣爐，其中除灰系統(tǒng)每臺(tái)機(jī)組各設(shè)一套氣力輸送系統(tǒng)，每個(gè)電場(chǎng)各有四個(gè)灰斗，灰斗下配置一臺(tái)下引式倉(cāng)泵，采用下引式環(huán)隙管內(nèi)流化的輸送方式輸送，經(jīng)3根獨(dú)立輸灰母管正壓輸送到儲(chǔ)灰?guī)臁?/p>

該廠在投產(chǎn)初期，經(jīng)常性燃燒煤種的灰分高于設(shè)計(jì)值，致使粉煤灰比重高、灰量大，造成輸灰不暢；尤其在供暖季，因輸灰能力不足，電除塵器灰斗頻繁出現(xiàn)高料位、灰管堵塞的故障，當(dāng)采用緊急外排灰處理時(shí)又極易產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染。為解決除灰系統(tǒng)輸灰能力不足的問(wèn)題，該廠進(jìn)行了除灰系統(tǒng)增容，但改造后依然存在較多問(wèn)題，主要體現(xiàn)在：除灰系統(tǒng)運(yùn)行僅滿足了輸灰的功能性要求，沒(méi)有考慮到節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性要求，導(dǎo)致除灰系統(tǒng)輸送効率低、耗電率高。

從表1中統(tǒng)計(jì)的節(jié)能改造前5個(gè)月的數(shù)據(jù)可以看出，在不同的機(jī)組負(fù)荷下，除灰耗電率月均值為0.766%，始終處于較高水平，這也使得該廠的廠用電量升高、供電煤耗增加，降低了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。而除灰系統(tǒng)的電能消耗主要有兩個(gè)方面：一方面是電除塵器的高壓電源和低壓電器，這些能耗是保證設(shè)備正常運(yùn)行所必需的，降耗空間較小；另一方面是輸灰空壓機(jī)的耗能。該廠由5臺(tái)6kV/200kW 螺桿式空壓機(jī)為輸灰系統(tǒng)提供氣源，當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)需啟動(dòng)全部5臺(tái)空壓機(jī)，單臺(tái)機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)也要啟動(dòng)3臺(tái)空壓機(jī)。因此，空壓機(jī)的高耗能是造成除灰耗電率高的主要原因。

表1 技改前除灰月度耗電率

2 節(jié)能技術(shù)路線的研究

2.1 輸灰耗氣量的分析

氣力輸灰系統(tǒng)的耗氣量是影響系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵，在確定運(yùn)行方式、輸送距離和當(dāng)?shù)貧鈮浩麥氐葪l件，可依據(jù)《火電廠除灰設(shè)計(jì)規(guī)程》計(jì)算輸灰耗氣量：Q=1000G/60μρ，式中：Q 為輸送空氣量（m3/min）；G 為氣力輸灰系統(tǒng)的出力（t/h）；μ 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下輸送空氣的密度（kg/m3）；ρ 為輸送灰氣比（kg/kg）。因此，在系統(tǒng)出力不變時(shí)，通過(guò)適當(dāng)增大輸送灰氣比可以減少耗氣量。雖然灰氣比的提高可以降低系統(tǒng)耗氣量，但灰氣比受輸送速度影響很大，當(dāng)其提高到一定程度輸送速度就隨之下降，一旦降到噎塞速度之下，將會(huì)導(dǎo)致管道堵塞。所以要使氣力輸灰系統(tǒng)耗氣量降低，就必須提高輸灰速度，通過(guò)合理地提高輸灰速度，就能夠防止因灰氣比升高造成的堵管現(xiàn)象，還可提高氣力輸灰系統(tǒng)輸送效率。

2.2 空壓機(jī)耗能的分析

在壓縮空氣系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)方面，許多專家以螺桿式空壓機(jī)為分析對(duì)象，從數(shù)學(xué)模型[4]和直接模擬模型軟件（CAA）[5]來(lái)分析空壓機(jī)的能耗，分析結(jié)果表明，空壓機(jī)排氣壓力、加卸載頻率是影響其能耗的主要因素。參考IR 公司的英格索蘭空氣系統(tǒng)節(jié)能評(píng)估解決方案和ML200型螺桿空壓機(jī)說(shuō)明書(shū)：在保證氣力輸灰系統(tǒng)用氣量的同時(shí)盡可能降低空壓機(jī)的排氣壓力，排氣壓力設(shè)定越低所消耗的軸功率越少，每降低1bar 壓力可減少7%～10%能耗；當(dāng)空壓機(jī)間歇運(yùn)行會(huì)帶來(lái)壓縮機(jī)頻繁起停、也增大電能損耗，方案表明頻繁加卸載至少增加30%的能耗；同時(shí)空載運(yùn)行也會(huì)加劇設(shè)備磨損，增加運(yùn)營(yíng)成本，造成能源的浪費(fèi)。

另外，該火電廠電除塵設(shè)計(jì)文件也表明：在不考慮壓縮空氣管道泄漏、吸氣參數(shù)變化等情況時(shí)，氣力輸灰系統(tǒng)以及用氣設(shè)備的工作壓力只需要0.4～0.5MPa。所以，通過(guò)優(yōu)化輸灰工藝流程、調(diào)整輸灰方式，減少空壓機(jī)啟動(dòng)臺(tái)數(shù)，適當(dāng)降低壓縮空氣系統(tǒng)壓力和波動(dòng)幅度，就可以有效地減少空壓機(jī)耗能。

3 節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用與評(píng)估

3.1 倉(cāng)泵助吹裝置的應(yīng)用

倉(cāng)泵助吹裝置依據(jù)文丘里管“射流引力原理”，如圖1所示，在倉(cāng)泵進(jìn)氣口的法蘭管道連接處配有縮徑噴嘴，噴嘴法蘭前端與壓縮空氣管相連，接受氣源閥門控制，后端插入至倉(cāng)泵底部灰料處，由壓縮空氣、噴嘴、縮徑管、補(bǔ)氣環(huán)與擴(kuò)徑管共同完成助吹功能。

圖1 助吹裝置原理示意圖

增加倉(cāng)泵助吹裝置后，壓縮空氣經(jīng)該裝置噴嘴后加速流出，高速氣流通過(guò)混合室把噴嘴周圍灰料氣化，經(jīng)過(guò)“喉管”（補(bǔ)氣環(huán)）、“擴(kuò)張段”進(jìn)入輸灰母管。通過(guò)壓縮空氣動(dòng)量的交換來(lái)形成一種低壓的區(qū)域，在倉(cāng)泵底部下料口形成低壓（負(fù)壓）區(qū)域，灰料產(chǎn)生“吸入作用”，并且由于壓力差的存在，使得高速流出的空氣流和被吸引的灰料經(jīng)過(guò)“擴(kuò)張段”混合后噴射出來(lái)，加速后的氣流能夠?qū)伊线M(jìn)行均勻混合。

3.2 “交叉式”輸灰工藝的改進(jìn)

原輸灰工藝在運(yùn)行中（圖2左圖），當(dāng)灰量較少或負(fù)荷較低時(shí)氣力輸灰系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)未達(dá)到設(shè)計(jì)出力，造成經(jīng)濟(jì)性下降；而灰量過(guò)大或負(fù)荷較高時(shí)，一電場(chǎng)左、右倉(cāng)室的粉煤灰受制于共用一根輸灰母管，輸送時(shí)的壓縮空氣量不足，加壓流化效果變差，易造成堵管。同時(shí)該廠設(shè)計(jì)文件表明：電除塵灰量分配上，一二電場(chǎng)的輸灰量占總灰量的95%以上，其中一電場(chǎng)約占76%、二電場(chǎng)約占19%，且兩電場(chǎng)的出力不小于56t/h。所以，改進(jìn)一二電場(chǎng)的輸灰工藝有助于提高氣力輸灰系統(tǒng)的輸送效率。

圖2 輸送工藝改造前、后示意圖

如圖2（虛線內(nèi)）所示，通過(guò)改變一二電場(chǎng)輸灰管道布置，將一電場(chǎng)拆分為左、右兩個(gè)獨(dú)立輸灰單元，分別進(jìn)入#1、#2輸灰母管；將二電場(chǎng)拆分為左、右兩個(gè)獨(dú)立輸灰單元，分別進(jìn)入#2、#1輸灰母管，改進(jìn)后的輸灰管呈“交叉式”布置；取消三四電場(chǎng)使用的#3輸灰管，使三電場(chǎng)與一電場(chǎng)右倉(cāng)室、二電場(chǎng)左倉(cāng)室公用#2輸灰母管；使四電場(chǎng)與一電場(chǎng)左倉(cāng)室、二電場(chǎng)右倉(cāng)室共用#1輸灰母管。另外，通過(guò)程控邏輯優(yōu)化，增加各輸灰單元之間的閉鎖和優(yōu)先級(jí)判斷，避免多個(gè)倉(cāng)室同時(shí)進(jìn)行灰料輸送造成氣源壓力驟降。

3.3 節(jié)能技術(shù)的評(píng)估

輸灰耗氣量評(píng)估：節(jié)能改造使壓縮空氣母管壓力（空壓機(jī)排氣壓力）及壓力波動(dòng)幅度發(fā)生變化。單機(jī)運(yùn)行時(shí)，改造前需啟動(dòng)3臺(tái)空壓機(jī)、壓縮空氣母管壓力0.6MPa，改造后只需啟動(dòng)1臺(tái)空壓機(jī)、壓縮空氣母管壓力降至0.45MPa；壓力最大波動(dòng)幅度由0.4MPa 降至0.2MPa，如圖3所示，節(jié)能改造大幅降低了壓縮空氣母管壓力及波動(dòng)幅度，減少了空壓機(jī)啟動(dòng)臺(tái)數(shù)和輸灰耗氣量。

圖3 輸灰系統(tǒng)壓縮空氣母管改造前、后壓力

除灰耗電率評(píng)估：該廠改造后的除灰耗電率如表2（取自該廠生產(chǎn)指標(biāo)完成情況日?qǐng)?bào)表）所示，從表2中統(tǒng)計(jì)的5個(gè)月數(shù)據(jù)可以看出，除灰耗電率月均值由改造前（表1）的0.766%下降到0.563%，同比減少了0.203%，表明除灰系統(tǒng)的節(jié)能改造在一定范圍內(nèi)有效地降低除灰耗電率。

表2 技改后除灰月度耗電率

3.4 經(jīng)濟(jì)效益、安全效益分析

空壓機(jī)經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算：該廠共配備了5套36m3/min、6kV/200kW 螺桿式空壓機(jī)。節(jié)能改造后，在單機(jī)運(yùn)行只需啟動(dòng)1臺(tái)空壓機(jī)，同比減少2臺(tái)的空壓機(jī)的運(yùn)行；在雙機(jī)運(yùn)行只需啟動(dòng)2臺(tái)空壓機(jī)，同比減少3臺(tái)。按照1臺(tái)空壓機(jī)一個(gè)月的平均耗電量計(jì)算，則每月（按30天）可節(jié)約廠用電12.72萬(wàn)千瓦時(shí)/月（P=×6000×200×cosφ×24×30）；用電價(jià)格按照0.5元來(lái)計(jì)算，每臺(tái)空壓機(jī)可以節(jié)約的電費(fèi)為6.36萬(wàn)元/月。若該廠的機(jī)組運(yùn)行狀況是單機(jī)和雙機(jī)各運(yùn)行6個(gè)月，則每年節(jié)約廠用電量381.6萬(wàn)千瓦時(shí)，節(jié)約電費(fèi)190.8萬(wàn)元。

空壓機(jī)壽命及經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算：能改造不僅減少了空壓機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)，降低了空壓機(jī)啟停的頻次和運(yùn)維費(fèi)用，還提高空壓機(jī)的使用壽命。從這些方面來(lái)分析，按照每臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)維費(fèi)大概在12萬(wàn)元/年，機(jī)組運(yùn)行狀況依舊按單機(jī)和雙機(jī)各運(yùn)行6個(gè)月來(lái)計(jì)算，每年可節(jié)約運(yùn)維費(fèi)30萬(wàn)元。

安全效益分析：節(jié)能改造增加了空壓機(jī)的備用臺(tái)數(shù)，確保機(jī)組正常運(yùn)行期間不會(huì)因空壓機(jī)故障檢修或壓縮空氣量不足，而產(chǎn)生因電除塵器灰斗長(zhǎng)期高料位導(dǎo)致的安全隱患，還避免因粉煤灰堵管而采用緊急外排灰處理過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境污染事故。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某火電廠2×210MW 機(jī)組除灰系統(tǒng)耗能分析以及節(jié)能技術(shù)的實(shí)施，不僅有效地減少輸灰耗氣量、降低除灰耗電率，還提高了除灰系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，對(duì)于同類型機(jī)組除灰系統(tǒng)節(jié)能降耗有著良好的借鑒作用。但改造也帶來(lái)新問(wèn)題，倉(cāng)泵助吹裝置“噴嘴”出口氣流速度的提升加快了倉(cāng)泵底部設(shè)備及輸灰管的磨損，使日常維護(hù)成本和工作量升高，今后還需在管道磨損方面做更細(xì)致的研究，繼續(xù)開(kāi)展除灰系統(tǒng)節(jié)能降耗工作。