燃煤火电机组脱硫系统氧化风机的选型

摘 要：本文分析了燃煤火电机组脱硫系统氧化风机的选型的方法和流程，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：燃煤 脱硫 氧化风机 选型

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（c）-0088-02

中国能源资源以煤炭为主。在电源结构方面，今后相当长的时间内以燃煤发电机组为主的基本格局不会改变，由此造成了严重的环境污染，特别是SO2即酸雨的污染。火电厂的SO2排放量在全国SO2总排放量中占有相当的比例。近年来，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，我国加大了对环境污染的治理，控制燃煤电厂的SO2排放，推行电力洁净生产和改善我国的大气环境质量有着十分重要的意义。

1 脱硫系统概况

燃煤脱硫方法分类。

燃煤脱硫方法可分为三大类：燃烧前脱硫，燃烧中脱硫，燃烧后脱硫。

燃煤后烟气脱硫Flue Gas Desulfuri zation，简称FGD。按脱硫过程是否加水和脱硫产物的干湿形态可分为湿法、干法和半干法。

湿法脱硫技术成熟，效率高，Ca/S比低，运行可靠，操作简单，湿式钙法（简称湿法）烟气脱硫技术是3种脱硫方法中技术最成熟、实际应用最多、运行状况最稳定的脱硫工艺。在大型火电厂中，90%以上采用湿式石灰/石灰石-石膏法烟气脱硫工艺流程，对高硫煤脱硫效率达到90%以上。

在石灰石湿法烟气脱硫系统中，高压鼓风机用于吸收塔的强制氧化系统。氧化系统的氧化风机的作用是产生一定压力的空气，并送至吸收塔氧化池内，为吸收塔浆池中的浆液提供充足的氧化空气；在搅拌器的作用下，氧气和亚硫酸盐（进行化学反应，生成稳定的硫酸盐（即石膏）。所以在系统脱硫过程中，氧化风机的性能直接影响到脱硫副产品的品质。烟气SO2的脱除过程是一个非常复杂的体系，反应机理复杂，但其原理可以用以下总反应式表示：

石灰法：SO2+CaO+1/2H2O→CaSO3·1/2H2O

石灰石法：SO2+CaCO3+1/2H2O→CaSO3·1/2H2O+CO2

2 设备选型原则

设备选型的三个基本原则：（1）生产上适用，所选择的设备是和生产工艺的实际需要；（2）技术上先进，它以生产适用为前提，以获得最大经济效益为目的，防止选择即将淘汰的设备；（3）经济上合理。应将生产上适用、技术上先进和经济上合理三者统一权衡。

2.1 风机选型

电厂脱硫常用的鼓风机有罗茨鼓风机（双叶、三叶）和离心鼓风机（多级离心、单级离心），它们有其各自的特点。

（1）罗茨鼓风机。

属于是容积式气体压缩机，工作原理是：由两个叶轮（或三叶）在箱体内互为反方向匀速旋转，使箱体和叶轮所包围着的一定量的气体由吸入的一侧输送到排出的一侧。其特点是：气体脉动变大，负荷变化大；强制流量，在设计压力范围内，管网阻力变化时其流量变化很小；适用于在流量要求稳定而阻力变化幅度较大的工作场合。对于脱硫系统来说，在吸收塔运行液位上下波动的情况下可以提供稳定的氧化风量。罗茨风机的工作曲线对于压力和流量的适应范围较小，对于高含硫量的脱硫系统一般采用两用一备的方案。

脱硫建设初期采用进口产品较多，后因为其价格昂贵，而采用了价格低廉的国产产品。罗茨风机噪音大，振动高，效率低，本体漏风率高（约10%），润滑油渗漏等缺点，其风量调节只能采用变频调速和出风管放气，变频调速设备本身的价格比鼓风机价格还要高，出风管放气则造成能量浪费，噪声污染。在灞桥电厂等处进行的性能试验表明，设备性能不佳的罗茨风机随着阻力的变化，相应的风量也会出现较大波动，从而不能满足脱硫系统的需求。三叶罗茨风机相对于传统的双叶一定程度上提高在阻力较大工作场合的适应性，风机效率也有一定改善，但受风量风压要求的局限性仍然很大。

（2）离心鼓风机。

离心鼓风机又分为多级低速和单级高速，单级和多级离心鼓风机都是工作轮在旋转的过程中，由于旋转离心力的作用及工作轮中的扩压流动，使气体的速度得到提高，随后在扩压器中把速度能转化为压力能。不同的是单级离心风机只有一组叶轮，空气的压缩是一次压缩完成的，而多级离心鼓风机在一根主轴上有多组叶轮，空气的压缩是在多组叶轮间逐步完成的。由于离心风机是依靠提高空气的流动速度即空气动能来压缩空气提高压力，所以要获得同样的压力，单级离心风机的叶轮必须要比多级风机的转速高数十倍，通常情况下多级离心鼓风机的转速只有数千转，而单级离心风机的转速可以高达数万转。

离心式风机较容积式风机具有供气连续、运行平衡，效率高、结构简单、噪声低、外型尺寸及重量小、易损件少等优点。但也有随吸收塔液位变化流量波动较大等特点，需配备相应的风量调节装置。单级高速风机较多级风机流道短，减少了多级间的流道损失，并采用进风导叶片调节风量方式，风机效率较高。但由于压力的提供很大程度上依靠转速的提高，而转速的提供受到平衡、润滑及材料性能等多方面的限制，所以单级离心风机的控制和维护保养特别重要；同时由于高转速带来诸多部件如叶片等磨损较大，对风机轴承要求较高。正因如此，单级离心风机叶片材料需选用合金钢，并且采用整体铣制工艺，因此价格较昂贵。而多级离心风机叶片全部为焊接工艺，风机运行可靠性降低。

2.2 风机的性能、效率、节能、噪声方面的对比

（1）由于脱硫氧化鼓风机的功率大，通常24小时连续运转，所以提高鼓风机的机械效率，所带来的节能效应也是可观的。现今国内电厂整改燃用高硫煤普遍用单级高速离心鼓风机做为氧化风机来替代原罗茨、多级鼓风机。下面对三种风机的性能特点进行比较。

罗茨鼓风机由于周期性的吸、排气和瞬时等容压缩造成气流速度和压力的脉动，因而会产生较大的气体动力噪声。此外，转子之间和转子与气缸之间的间隙会造成气体泄漏，从而使效率降低，其效率在68%左右；罗茨式氧化风机出口需要喷淋降温设备，避免氧化空气进口处浆液与高温、干燥的氧化空气接触后，浆液由于快速干燥而导致出现结晶的结垢现象，氧化空气在入塔前进行喷水冷却，使之降温，并达到饱和。罗茨风机在运行中的噪声高达110分贝以上，且为低频段噪音，需对风机进行特别处理，普遍采用隔音房来降低噪声。但是这就提高了隔音房里电机的运行温度，影响电机的安全运行。因此实际运行中各厂基本上会拆除隔音罩，造成噪音无法控制。

多级离心鼓风机气体经过几级叶轮的离心力及扩压器连续扩压，使气体压力得到升高，虽然效率有所提高，但调控特性较差，在流化系统复杂变化的工况条件下运行效率低，一般在73%左右，噪声高达100分贝以上，噪音也较大。

单级高速离心鼓风机利用三元流理论，定速通过入口挡板调节，效率不会随着时间的变化，并考虑了流体的损失最小、效率最高的一种节能离心风机，通过高速电机或齿轮箱增速，使鼓风机转速在8000～30000间工作，效率可达83%以上，比其他风机节能10%～20%左右，具有明显的节能效果，目前首选机型。由于液面高度的变化，会导致背压的变化。单级高速离心鼓风机可调节范围为45%～100%，自动化控制程度非常高，在定速的条件下能够适应变液面高度工况要求。单级高速离心鼓风机出口温度低于罗茨、多级鼓风机，温升在50 ℃以下，不需使用冷却器来冷却，只利用原氧化风喷淋设备，即可避免喷气口结垢的风险。为脱硫氧化系统的提效改造提供装备支撑。

（2）使用寿命方面。

由于运行转速非常高，单级高速离心鼓风机用于氧化系统的叶轮采用锻不锈钢材料叶轮，以应对气体冲击磨损，提高使用寿命；罗茨风机一般是铸造灰铁制成，加工精度低（叶轮仅工作表面加工），剩余不平衡量大，风机振动大、易磨损，而磨损后风机性能降低很大。总体来说离心风机的使用寿命和检修周期都比罗茨风机长。自动化程度高，故障率低。

（3）传动部分。

罗茨风机采用皮带传动，总体运行比较稳定。安装或维护不当时，皮带易打滑。离心风机采用齿轮箱+联轴器传动，轴承采用滑动轴承，低速端采用圆柱瓦，高速端采用可倾瓦结构，确保了高速旋转时轴承运转稳定。同时齿轮箱采用水平剖分结构易於拆卸与维护，同时采用油泵强制润滑的循环方式，使风机在运转过程中避免主轴与轴瓦接触磨损。整套系统较为复杂，故障点多，可能造成风机运行的危险点增加，对保护系统要求较高。

（4）风机出口风温。

罗茨风机采用压缩气体的方式做功，风机出口温度一般在120度左右，通过减温水可以保证进入吸收塔气温满足要求，但风温传热到轴承，造成轴承温度高，风机运行风险增大。离心风机出口风温也会达到100度左右，但对风机本体运行影响不大。

（5）对比表（如表1）。

（6）配置及运行控制。

单级高速离心鼓风机标准配置中包含了鼓风机系统、管路仪控系统和PLC控制系统，实现开机、运行检测、流量检测、报警、跳闸保护、喘振保护、故障记录等所有运行参数的自动控制及实时监控。有效地保证了鼓风机长期稳定运行，一次性投资比多级离心鼓风机、罗茨鼓风机要高。而多级离心鼓风机、罗茨风机标准配置维鼓风机系统和进出口温度仪表，业主还需现场制造管路仪控及逻辑控制系统。

（7）后期的维护量和维护成本。

罗茨鼓风机智能化程度低巡检人员的工作量较大，同时罗茨鼓风机叶轮不平衡量大，风机振动大、易磨损后期的维护成本较大：而单级高速离心鼓风机智能化程度高，平时几乎无维护量，使用寿命长，维护成本很小，是罗茨鼓风机所不可比拟的。

（8）脱硫项目氧化空气的系统特点。

.氧化风机流量一般为吸收塔所需流量的50%，流量裕量为10%，压力损失考虑管道阻力及液面阻力后留有10%的余量。随着脱硫机组的容量变大，发电机组燃煤煤质含硫量的增加。FGD系统的氧化风机的风量、压头不断加大，罗茨风机由于本身设备的局限性（流量一般在10000 Nm3以下，压头在80 kPa以下）；无法向更大容量提升，因此在高含硫量、大容量的脱硫机组中罗茨风机不太适用.徐塘#4、#5脱硫改造项目流量已大于或接近10000 Nm3（标态，湿基），压头达100 kPa，显然罗茨鼓风机不太适用，但这对单级高速鼓风机来讲却是常规设计参数。工程实例也说明了这点，如据了解北京京能热电1-2脱硫系统氧化风机原为江苏百事德生产的两套串联罗茨双级风机（一用一备），设计参数如下（如表2）。

原罗茨鼓风机运行起来存在运行不稳定，经常因振动大后造成机器损坏检修不断，脱硫系统一直不能正常运行，另外还存噪音大、能耗高、自动化程度低，夏季性能偏小等缺陷。北京京能于2010年对原罗茨鼓风机进行了改造，采用了节能环保型单级高速鼓风机D145-2.16，投产至今运行一直很稳定，节能效果也很明显.京能热电于2012年3月又签订了一台单级高速鼓风机替代原先江苏百事德生产的罗茨鼓风机。徐塘虎山两项目相关设计参数与北京京能热电的参数较相似，所以选罗茨鼓风机应不适合。

下表为对于江苏徐塘发电公司#4、#5脱硫改造项目选用罗茨风机、多级离心风机、单级高速离心风机运行的经济性比较（如表3）

项目脱硫系统单台炉氧化风机的配置为一用一备，整个项目氧化风机实为两用两备

因此根据上表可计算出采用单级高速离心鼓风机方案比罗茨风机方案年节约电费为：

（3600000-2800000）×0.4×2=640000（元）

综上所述认为，从技术较度讲罗茨鼓风机在徐塘虎山两项目上应用是不合适的，采用单级高速离心鼓风机更为理想可靠。单级高速鼓风机虽一次性投资较罗茨鼓风机大，但单级高速鼓风机后续维护成本较少，同时单级高速鼓风机节能效果明显，两年就可以收回比罗茨鼓风机多投入的钱，对于特许经营项目这种环保节能型的产品因综合经济效益明显，应为首选产品。

参考文献

[1] 翟鸣秋.论火力发电厂烟气脱硫装置的改造[C]//重庆市电机工程学会2010年学术会议论文集，2010.

[2] 邱世平，韩月荣.600MW电厂烟气脱硫装置设备选型及工艺设计特点[C]//中国环境科学学会，2006.