引言

为落实国家《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》要求,煤电企业相继进行了脱硝系统的超低排放改造。脱硝系统的超低排放改造后,部分电厂出现了因硫酸氢铵在空预器低温段结垢,带来空预器烟气侧差压大的问题[1,2,3]。空预器烟气侧差压大将直接影响电厂机组出力和厂用电指标,甚至造成机组被迫停运。空预器低温段硫酸氢铵生成主要有两个方面原因:一是脱硝喷氨流场不均,造成局部氨逃逸超标;二是入炉煤含硫偏高或SO2/SO3转化超标,造成SO3总量上升[4]。空预器低温段硫酸氢铵沉积主要有两个方面原因:一是空预器出口烟温长时间偏低(长期低负荷或深度调峰期间);二是硫酸氢铵生成量偏高。空预器低温段硫酸氢铵沉积的上述原因无法通过运行调整解决,只能通过相应技术改造来解决。

解决因硫酸氢铵沉积造成空预器低温段堵塞问题常见的方法有:喷氨流场优化、基于SCR出口NOx多点测量技术的喷氨自动控制、空预器3.5分仓、空预器在线水冲洗等。近年来声波吹灰技术发展迅猛,声波清灰除垢效果显著,而可调频声波吹灰器相比常规声波吹灰器具有适用的灰粒径范围更宽,交变力清灰除垢能力更出众的特点,其在解决空预器堵塞问题上有着更好的应用前景。本文结合某电厂600MW亚临界机组空预器可调频声波吹灰器改造,介绍可调频声波吹灰器的技术原理及应用实绩。

1 设备概况

某厂600MW等级机组锅炉为美国BABCOCK&WILCOX公司生产的亚临界、一次再热、自然循环、平衡通风,单汽包、半露天、平衡通风固态排渣煤粉炉。锅炉采用正压直吹式制粉系统及前后墙对冲燃烧方式,配置两台ABB三分仓旋转式空预器,空预器配有一套蒸汽吹灰系统。

该机组2012年实施了脱硝改造,脱硝系统采用2+1蜂窝式催化剂及涡流混合喷氨技术。2014年新增一层蜂窝式催化剂,实现了超低排放改造。2012年脱硝系统改造后,脱硝验收性能试验发现喷氨流场均匀性较差,存在局部过喷氨问题。2013年春节期间机组长时间低负荷运行后首次出现了空预器堵塞,经停机化验确认空预器堵塞物主要成份为硫酸氢铵。在2012年脱硝改造至2014年超低排放改造前空预器堵塞频次约为每年1次。2014年超低排放改造后至2016年底,由于NOx排放指标下降,喷氨量上升造成脱硝系统局部过喷氨现象明显增加,空预器堵塞频次上升为每年4次左右。2017年机组参与深度调峰后,深度调峰期间要求机组负荷低于40%额定负荷,脱硝系统局部过喷氨现象更加突出,平均每两次深度调峰造成空预器发生一次堵塞,全年发生空预器堵塞频次上升为6次。

2 可调频声波吹灰器原理及系统

2.1 声波吹灰原理及理论

声波吹灰的一般原理是通过声波发生器产生一个带有一定能量的声波,抵消浮游在烟气流中灰垢的聚积力或表面粘附力,当受热面上的积灰受到以一定频率交替变化的疏密波反复拉压作用时会因疲劳疏松脱落,被烟气流带走,从而达到清除锅炉受热面表面积灰的目的。可调频声波吹灰器清除硫酸氢铵的原理是利用烟气中不同质量和粒径的灰在声波作用下的脉动差异使硫酸氢铵粒子表面吸附浮灰以减小硫酸氢氨粒子的粘附力,从而降低硫酸氢铵粒子在空预器换热面沉积的可能;其次是可调频声波吹灰器具有更强的交变力,增强了换热面上沉积物受到的疏密波反复拉、压作用力,使硫酸氢铵更容易脱落而被烟气流带走。

声波吹灰的基本理论[5]:结垢所受到的声波作用力、声波的能量以及结垢的振动位移、速度、加速度相关。振动位移、速度、加速度越大结垢所受到的力就越大,积灰,结垢就容易断裂,松散和除去。

介质质点振动最大位移。根据声压与平均有效声压级的关系式：

可求出声波作用下介质的声压PA=10(0.05Lp-4.699)，式中Lp为声压级，PA为平均有效声压，P0为参考声压。介质在声波作用下的振动特性可表示为：

则质点的最大振动位移：

式中f为声波频率，ρg为介质密度，C为在介质中声波传播速度。

沉积物颗粒振动最大位移。根据海德曼声凝并理论研究结果，在声场中固体粒子振动的振幅XP与气体介质质点振幅Xg之比为：

由此可以计算出声场中沉积物颗粒的振动最大位移为：

式中ρp为固体颗粒密度，Xp为固体颗粒振幅，μ为介质动力粘滞系数，C为介质中声波传播速度，a为尘粒半径。

根据舒扎伦督公式：

式中T为绝对温度，T0为常温（25℃），μ0为25℃下烟气粘滞系数。

介质质点振动最大加速度。声场中某点介质质点振动的最大加速度ag可表示为：

结垢颗粒振动最大加速度。在声压从0到PA交替变化时，根据运动学可以的出结垢颗粒振动最大加速度ap的表达式：

可见频率对振动加速度影响比较复杂,不同的结垢颗粒粒径有不同的频率敏感区域。随结垢颗粒粒径减小其受频率影响的敏感区扩大,且敏感区域的临界频率向较高频率点推移;相反随结垢颗粒粒径增大其受频率影响的敏感区变窄,且敏感区域的临界频率向较低频率点推移;当频率小于临界频率时,结垢颗粒最大振动加速度随频率增高而增大的程度较显著,反之则增大程度较缓慢。

2.2 声波吹灰选型

声学声波吹灰器是基于声学理论工作的,所以选择吹灰器产品主要依据声学参数:声压级和频率。总的来说声波频率和声压级对除垢效果有明显的影响,声压级越高作用于介质和结垢颗粒的交变声压绝对值越大,有利于介质质点及结垢颗粒的振动位移和振动加速度的提高。另一方面,频率增高有利于提高介质质点和振动加速度,同时频率的提高直接增大了声场中声压的交变次数,有利于结垢疲劳效应的增强。考虑到空预器换热面波纹板相比锅炉正常管式换热面复杂,为了得到好的吹灰效果,尽可能选择声压级高、宽频可调的产品。

声波吹灰器输入压缩空气一般采用电厂常备稳定的气源(厂用气),输入压缩空气的压力通常选取0.3MPa。声波吹灰器声压等级一般选取不低于155dB。考虑到空预器换热面结构复杂,虽然高频声波有助于颗粒脱落,但高频声波衰减相对较快,硫酸氢铵为粘结性硬垢,同时灰垢脱落为动态过程,灰垢粒径由大变小,吹灰频率选择采用中低频复合宽频带,范围同时根据空预器尺寸、声源号筒选择,600MW机组应在40～200Hz范围内根据实际情况进行调整。

2.3 声波吹灰系统及布置

声波吹灰系统。从厂用气接入一路气源,通过压力基调仪控制声波吹灰发生器前压力在0.3MPa左右,压缩气体通过气体变频发生器和专业喇叭进入空预器吹灰(图1)。

声波吹灰器布置。每台空预器设计2台可调频高声强声波吹灰器,每台机组合计安装4台高声强声波吹灰器。每台空预器烟气侧进口和二次风侧进口各安装1台声波吹灰器,喇叭口顺着介质流向布置,原蒸汽吹灰系统位置不变。

声波吹灰控制。控制系统采用PLC编程开发,系统使用触摸屏操作,通过DTU、GPRS网络实现数据传递。系统由就地控制柜和远程上位机组成。就地控制柜使用触摸屏配合PLC进行控制,采用手动单机和自动循环两种控制方式,并具备条件判定、连锁互锁功能,通过人机界面可很便捷的实现频率设定、时间设定、单个吹扫、成组吹扫等操作的设定。

3 可调频声波吹灰效果分析

3.1 空预器烟气侧差压分析

从图4可以看出:机组在超低排放改造后各典型工况下,A、B侧空预器烟气侧差压均值均较超低排放改造前偏高,特别是500MW以上工况。需要说明的是,本次超低排放改造后的空预器堵塞是机组B级检修后首次启动,经历两次长时间低负荷运行,空预器烟气侧差压已经上升至二十五项反措“空预器烟气侧差压不高于设计值的150%”的要求,随后安排了空预器在线水冲洗。

从图5可以看出:单投空预器A侧声波吹灰器的工况下,机组连续运行1个月期间,在经历两次深度调峰和一次长时间低负荷运行后,额定工况下A侧空预器烟气侧差压达1.7kPa,B侧空预器烟气侧差压达2.1kPa。因空预器B侧差压大,经过计算两侧烟道的烟气分配发生了约10%的偏移,因此实际空预器A的烟气侧差压在1.5kPa左右,较超低改造前略高,属于正常。

利用机组调停机会,将空预器换热面冲洗干净。机组启动后,空预器两侧声波吹灰器均投用。机组在连续运行四个月期间,经历多次深度调峰和长时间低负荷运行后,额定工况下空预器烟气侧差压均值1.5kPa左右,较超低改造前略高,属于正常。通过以上对比分析比较可知,投用可调频声波吹灰器后,空预器吹灰清堵效果明显,空预器低温段原严重堵塞情况明显减轻。

3.2 空预器低温段检查情况分析

机组停运前,空预器烟气侧差压达到2.0kPa,实施声波吹灰器改造前空预器低温段中间堵塞比较严重,最外圈换热面几乎全部堵死,及时采取空预器水冲洗后,低温段中间波纹板内壁仍有少量硫酸氢铵硬垢粘附;实施声波吹灰器改造后空预器低温段最外圈区域仍存在一定程度堵塞现象,而低温段中间部位几乎没有堵塞现象,这可能是由于低温段最外圈区域温度较低且烟气流速较慢所致。同时也说明硫酸氢铵一旦在空预器低温段最外圈波纹板上粘附牢固,声波吹灰器的清理作用也受限。可调频声波吹灰器改造后达到了类似空预器水冲洗后的效果。

从空预器烟气侧差压看,可调频声波吹灰器投运后,机组在经历了深度调峰和长时间低负荷工况后,额定负荷工况下空预器烟气侧差压较超低排放改造前有所提高;从空预器堵塞、空预器水冲洗后和加装声波吹灰器后的内部检查情况看,加装可调频声波吹灰器后空预器低温段堵塞情况大为好转,可达到在线水冲洗后的效果。总体来说基本达到了改造的目的。