600 MW机组超低排放改造引风机选型

唐忠顺， 王海秀， 张燕强， 周秋乐

(1. 茂名臻能热电有限公司， 广东茂名 525011； 2. 广东石油化工学院， 广东茂名 525000)

《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》要求2020年前，全国所有具备改造条件的燃煤电厂力争实现超低排放。《广东省煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》中要求到2020年[1]，全省燃煤机组大气污染物排放质量浓度基本达到燃气轮机组排放标准(即在基准含氧量6%的条件下，烟尘、SO2、NOx的排放质量浓度分别不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3)。

为了积极响应环保新要求，某电厂7号机组(600 MW)于2016年11月进行超低排放改造，技术路线为选择性催化还原(SCR)脱硝改造+湿法脱硫提效+增设湿式电除尘器+预留水煤介管式烟气换热器(MGGH)布置位置。SCR脱硝改造方案选用直接增加相同规格的备用层催化剂，脱硫提效方案是在吸收塔入口烟道顶部距离第一层喷淋层1.9 m处安装一个多孔合金托盘。根据选择的技术路线，在最大连续蒸发量(BMCR)工况下，烟气系统阻力将增大1 600 Pa，原引风机最大设计工作压力不能满足改造后BMCR工况所需风机压力，实际运行中仅能满足机组正常状态下的600 MW工况出力要求，但此时引风机已无出力裕量，如果系统设备堵塞或煤质恶化则无法满足满负荷出力要求，必须对原引风机进行增容改造[2]。通过对引风机进行选型研究，选择合适的风机型号以满足机组正常运行。

1 锅炉烟气系统概述

该机组于2014年1月投产运行，锅炉为DG1920/25.4-II2型超临界变压直流本生锅炉，采用一次再热、单炉膛、尾部双烟道结构、烟气挡板调节再热汽温、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构、平衡通风、露天布置、前后墙对冲燃烧。锅炉主要技术参数见表1(BRL为锅炉额定负荷；THA为热耗率验收)。

表1 锅炉主要技术参数

锅炉烟气系统原配有2台SAF30-15-2型双级动叶轴流引风机(笔者所取参数为2台风机参数的平均值)，脱硫系统不另配增压风机。原引风机设计技术参数见表2(TB为风机设计点)。

表2 原引风机设计技术参数

2 风烟系统阻力评估

2.1 改造前烟气系统阻力测试

机组超低排放改造前，对600 MW机组烟气系统阻力进行摸底测试。测量结果表明：脱硝系统A侧阻力为800 Pa、B侧阻力为830 Pa，因脱硝系统安装的是两层催化剂，阻力值基本正常；空气预热器A侧阻力为1 995 Pa，B侧阻力为1 830 Pa，大于设计阻力1 100 Pa，因空气预热器存在严重的堵塞问题，进而影响到烟气系统阻力；电袋除尘器系统A侧阻力为805 Pa、B侧阻力为825 Pa，目前国内电袋除尘器实际平均阻力为1 000 Pa，该机组电袋除尘器阻力处于国内较优水平；脱硫吸收塔阻力为1 070 Pa，而设计阻力为1 350 Pa，脱硫吸收塔共四层喷淋层，试验时仅投用了三层，得出脱硫吸收塔阻力属正常。

由上述分析可以看出：试验测试数据表明脱硝系统、电袋除尘器及脱硫系统的阻力均处于正常范围，但空气预热器阻力明显偏大，存在严重的阻力问题。

2.2 不同超低排放改造技术路线下烟气系统新增阻力

该机组超低排放改造有3个技术改造路线可供选择：技术路线一为SCR脱硝改造+预留烟气冷却器布置位置+湿法脱硫提效(煤中硫质量分数w(S)=1.0%)+增设湿式电除尘器+预留烟气再热器布置位置+风机改造；技术路线二为SCR脱硝改造+预留烟气冷却器布置位置+湿法脱硫提效(w(S)=1.2%)+增设湿式电除尘器+预留烟气再热器布置位置+风机改造；技术路线三为低氮燃烧器改造+SCR脱硝改造+增设烟气冷却器+湿法脱硫提效(w(S)=1.75%)+增设湿式电除尘器+增设MGGH+风机扩容。

低氮燃烧器改造不会对系统阻力产生影响；脱硝系统催化剂安装了两层，新增一层催化剂，设计阻力为200 Pa；增设MGGH将使系统阻力增加1 000 Pa。脱硫提效改造对系统阻力的影响为：技术路线一在吸收塔入口烟道顶部距离第一层喷淋层1.9 m处安装一个多孔合金托盘，阻力增加700 Pa；技术路线二新增一层喷淋层并新增一层合金托盘，阻力增加1 000 Pa；技术路线三将原有吸收塔改为双循环吸收塔，在双循环吸收塔中间新增一座AFT(Absorber Feed Tank)浆液收集碗装置，阻力增加900 Pa。改造还将在吸收塔出口安装湿式除尘器，系统阻力增加700 Pa。由此得出：在BMCR工况下，技术路线一增加系统阻力1 600 Pa，技术路线二增加系统阻力1 900 Pa，技术路线三增加系统阻力2 800 Pa[3]。

3 引风机改造选型研究

3.1 超低排放改造后引风机运行预估

对超低排放改造后引风机运行参数估算，数据见表3。

表3 改造后引风机运行参数估算数据

超低排放改造三种技术路线BMCR工况所需引风机压力均已大于现有引风机8 532 Pa的最大设计工作压力。将改造后的引风机运行参数标注在原引风机的性能曲线上，见图1。

由图1可以看出：机组超低排放改造后，在BMCR工况时原引风机动叶角度约为+10°。如再按相关技术规范[4]考虑一定的体积流量裕量、风机全压裕量，则改造后TB工况将超出该引风机的工作极限。同时，改造后引风机的高负荷工作点将向风机失速区域靠近，例如在技术路线三的600 MW工况时，风机运行点理论失速裕量仅为1.37，略高于国家标准规定的1.3的最小失速裕量要求。考虑到运行中参数的变化，原引风机运行存在一定的失速安全风险。因此，原引风机不能满足机组BMCR工况的安全稳定出力需求。

图1 超低排放改造后原引风机运行情况

实际运行中仅能满足机组正常状态下600 MW工况出力要求，但此时风机已无合理的出力裕量，如果空气预热器堵塞严重或煤质变差时，风机就无法满足满负荷需求[5]。因此，该超低排放改造需要对原引风机增容改造。

3.2 引风机增容改造参数设计

(1) 风机体积流量。

在600 MW工况(给水质量流量1 795.0 t/h)引风机平均实测体积流量为446 m3/s，根据蒸发量换算到BMCR工况后，得出BMCR工况工作风机体积流量为478 m3/s，入口烟气温度约135 ℃，密度为0.86 kg/m3。由于超低改造不会对引风机入口系统烟气量产生影响，因此，取上述实测风机体积流量推算的BMCR工况风机体积流量作为超低改造后新的选型基本风机体积流量。

考虑今后煤种、烟气系统漏风和排烟温度变化，以及目前锅炉烟气流量较高的现状，综合考虑在上述基本风机体积流量基础上取5%的裕量，即改造后TB工况设计风机体积流量为501.9 m3/s，取整后为500 m3/s。

(2) 风机全压。

在600 MW工况下引风机实测全压为6 013 Pa，根据实测风机体积流量与风烟系统阻力的关系换算到BMCR工况下，得出BMCR工况系统风机全压为6 788 Pa，以此作为新引风机选型基本压头并考虑15%的压头裕量，而超低排放改造新增阻力由于已经考虑了裕量这里不再取裕量，最终得出不同改造技术路线下的新引风机TB设计压力(取整后)分别为：技术路线一9 400 Pa、技术路线二9 700 Pa、技术路线三10 600 Pa。

(3) 电动机功率。

风机轴功率计算公式为[6]：

(1)

式中：N为风机轴功率，kW；kpt为风机压缩性系数，根据风机全压、进口绝对静压计算，约为0.966；Q为风机体积流量，m3/s；p为风机全压，Pa；η为风机全压效率，取0.85；

电动机选型功率计算公式为：

(2)

式中：Pe为电动机功率，kW；K为电动机的容量安全系数，轴流式风机转动惯量较小，取1.05；ηs为传动效率，联轴器直联传动，取0.98。

由式(1)和式(2)可得：按技术路线一TB工况，风机轴功率为5 341 kW，电动机选型功率为5 723 kW；按技术路线二TB工况，风机轴功率为5 512 kW，电动机选型功率为5 906 kW；按技术路线三TB工况，风机轴功率为6 023 kW，电动机选型功率为6 454 kW。

根据上述计算结果，引风机改造后风机体积流量、风机全压、电动机选型功率的参数汇总见表4。

表4 引风机改造后主要性能设计选型参数

4 引风机增容改造方案选择与分析

4.1 改造方案选择

引风机增容改造最终按技术路线二所选择的参数进行实施，2017年1月该600 MW机组完成了超低排放改造。

引风机增容改造具体方案如下：电动机更换，因原电动机功率为5 000 kW，不能满足改造后的风机功率需求；风机进出口尺寸不变，轮毂及叶片全部更换；风机集流器改造，需要与新的叶轮匹配；扩压器更换；机壳更换；主轴承箱与液压调节装置整体运返风机厂家进行解体大修后利旧；电动机润滑油站、风机油站、冷却风机等利旧；风机中心标高不变，风机基础与电动机基础利旧。

根据改造方案及选型参数要求，并结合该机组改造实际情况，引风机生产厂家选取了SAF31-18-2型双级动叶可调轴流风机，提供的增容改造后的引风机技术参数见表5。

表5 增容改造后引风机技术参数

4.2 改造分析

600 MW机组超低排放改造后，于2017年2月20日至24日对引风机进行性能试验。在机组600 MW、430 MW、300 MW三个工况下测量了引风机参数。性能试验结果见表6，实际运行性能曲线见图2。

表6 引风机改造后性能试验数据

图2 实际运行工况点在性能曲线中的表示

风机全压、风机体积流量取A、B两侧的平均。由表6得出：在600 MW满负荷工况实际运行下，风机全压为6 455 Pa，风机体积流量为406 m3/s，轴功率为3 218.9 kW。因设计技术参数没有提供430 MW与300 MW两个工况下的参数，故不进行比较分析。

将600 MW工况下实际运行参数与表5中风机设计技术参数比较：全压裕量为17.13%，风机体积流量裕量为8.97%。

由此可以得出：风机全压偏差相对较大，全压偏高约1 300 Pa，相对偏高17%，体积流量相对偏大约9%。这主要是因为试验时烟气系统相关设备处于较清洁状态，从另一个角度来看，较高的全压裕量可以保证将来烟气系统相对恶劣运行工况时引风机仍能满足需要。经计算本次各试验工况点的失速裕量均较大(大于30%)，为引风机稳定运行提供较好的保障。综上所述，该引风机增容改造的优化选型工作较为成功。

5 结语

针对某600 MW机组超低排放改造，对引风机增容改造优化选型进行了综合分析计算，提供了技术思路与方法，可供电站风机选型改造提供一定参考。

通过综合对比，该引风机改造最终选用了SAF31-18-2型双级动叶可调轴流风机。根据风机选型设计参数与改造后风机实际运行时的试验结果比较、分析，选型参数合理，风机设计安全裕量充分，能够满足锅炉正常运行下的各工况需求，即使将来再增加MGGH相关换热器，在烟气系统阻力水平正常情况下，该引风机及其电动机也能满足要求。

参考文献：

[1] 覃芸, 王延纬. 广东省"十三五"期间火电厂建设空间分析[J]. 广东电力, 2016, 29(7): 67-71, 77.

[2] 周冲. 600 MW火电机组超清洁排放改造及配套引风机改造应用与分析[J]. 应用能源技术, 2017(2): 20-23.

[3] 韦红旗, 马国伟, 王晓风, 等. 600 MW机组烟气系统综合改造后风机的改造及选型分析[J]. 电站系统工程, 2015, 31(5): 61-65.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 大中型火力发电厂设计规范: GB 50660—2011[S]. 北京: 中国计划出版社, 2012.

[5] 梁新磊, 耿静, 姚卫国. 超临界600 MW机组锅炉改造后引风机选型分析[J]. 热力发电, 2013, 42(4): 102-103, 108.

[6] 北京能源集团有限责任公司, 东南大学. 电站风机应用技术与实践[M]. 北京: 中国电力出版社, 2017: 23-24.