电厂脱硫运行经济性考核研究

2014-02-07王永翔缪滨贤廖国权山西大学环境与资源学院山西太原030006天津华能杨柳青热电有限责任公司天津300380

电力科技与环保 2014年5期

李皎, 王永翔, 高岩, 缪滨贤, 廖国权, (. 山西大学环境与资源学院, 山西太原 030006；. 天津华能杨柳青热电有限责任公司, 天津 300380)

0 引言

在今后相当长的时期内，中国能源结构仍将以煤炭利用为主，而燃煤电厂作为耗能大户，对环境的污染很大[1]。目前降低燃煤电厂SO2排放主要采用烟气脱硫(FGD)的手段，主要的FGD技术包括石灰石-石膏法、氨法、镁法、LIFAC、SDA、CDSI等，其中石灰石-石膏法效率高、适用煤种硫分范围宽、市场占有率大[2]。我国的石灰石一石膏湿法FGD由于技术与管理的问题，投资与运维成本相当高。本文以杨柳青电厂石灰石-石膏湿法FGD系统为研究对象，通过分析主要能耗指标及控制因素，总结运行过程中的节能降耗经验，探讨健全和完善FGD系统经济运行考核体系，在达到环保要求的基础上，保障FGD系统安全、稳定、经济、优质运行。杨柳青电厂现有三、四期工程，总装机容量4×300MW，机组烟气脱硫均采用石灰石-石膏湿法FGD系统。两炉两塔一烟囱，布置旁路烟道和气-气烟气换热器(GGH)，四期7、8号机组在增加烟气脱硝后取消烟气换热器。

1 运行经济性分析

石灰石-石膏湿法FGD系统运行在降低排放的同时，发电成本也随着前期建设投入和运维成本的增加而增加。据统计，带FGD系统的燃煤机组运维费用一般要比不带的高3%左右，所以对FGD系统运维成本的构成分析和节降研究意义重大。燃煤电厂脱硫成本核算需综合考虑脱硫设备的建设安装费用、折旧率、运维成本以及服务年限内的机组发电量等，具体应包括石灰石粉耗、水耗、电耗、蒸汽成本(GGH高温高压蒸汽吹扫)、人工成本、设备维修费用、折旧、银行贷款利息及其他费用[3-7]。原材料成本主要是SO2排放量多少的影响，电耗成本是因为设备运行造成厂用电成本的增加而使得环保成本内部化，人工成本简单视为参与环保设备运行和检修人员的薪酬福利待遇，此外，检修维护时用的备品备件的材料费，是设备维护的重要部分。对火电厂环保设备运维成本构成进行分析可知，提高FGD系统的经济运行水平，应主要从降低石灰石粉消耗、水耗、电耗等着手。

1.1 电耗指标分析

电耗是FGD系统运行过程中的最大能耗，一般情况下，目前国内燃煤电厂 FGD系统电耗高达厂发电量的1%～1.5%[1]。杨柳青电厂2011年厂用电率为5.03%，FGD系统耗电率1.21%，四期FGD系统2012年完成增容改造后耗电率达到2.0%。在FGD系统中，6kV段的增压风机、吸收塔浆液循环泵和PC段的氧化风机、挡板密封风机电加热器、杂用风机、GGH低泄漏风机、真空泵、稀浆液返回泵等主要工艺设备的电功率占比很大[8]，可通过对这些设备在运行过程的电耗影响因素进行分析，改善运行条件，从而降低FGD系统电耗。

(1)增压风机电耗分析控制

增压风机的作用是将烟气升压以克服FGD系统的设备和烟道阻力，FGD系统入口烟气越多(质量流量和体积流量)，相应阻力越大，增压风机出力亦愈多[9〗。要降低增压风机电耗，可采取控制锅炉炉膛4%左右的氧含量、综合调配引风机和增压风机出力、合理控制GGH和除雾器压差等措施[10]。其次应调整好锅炉燃烧和控制好系统漏风。在保证机组负荷的前提下，尽可能提高锅炉燃烧换热效率以减少煤耗；由于煤粉锅炉系统都是负压运行，外界空气不可避免会向系统内泄漏。漏风会增大烟气的质量流量，并提高FGD系统的烟气流速，其平方值与系统阻力成正比。可通过加强各连接处的严密性，和控制炉膛及烟道负压避免系统内外压差过大来减少系统漏风。另外，要降低FGD系统入口烟气温度。烟气温度越高，体积流量增大，使增压风机比功越大；同时烟气体积流量增大会使系统阻力增加，增压风机为克服系统阻力而提供的压升就越大。降低FGD系统入口烟气温度，重点在于提高锅炉换热效率，需保证水冷壁、过热器、再热器、空预器和省煤器良好的运转状态。此外，可从设计角度减少系统阻力，烟道的转弯处、GGH、吸收塔喷淋层、除雾器等部位是阻力的主要来源[11]。可选用表面光滑、不易腐蚀的材料以避免装置结垢堵塞。

(2)吸收塔浆液循环泵电耗分析控制

循环泵出力对液气比和钙硫比有直接影响，而液气比和钙硫比是决定脱硫效率的关键因素。运行过程中为减少循环泵电耗可采取适当停运循环泵、保持合理的吸收塔浆液密度和液位、使用脱硫添加剂等措施[4]。此外，可在接班后向值长了解本班吸收塔入口SO2浓度预计，来相应安排浆液循环泵运行方式。根据锅炉与FGD系统运行时的负荷变化相应调整吸收塔浆液循环泵的组合投运方式，满足钙硫比和液气比的需要，能获得理想的节约电耗效果。杨柳青电厂FGD系统循环泵投运可执行如下组合方式：在100% BMCR稳定运行条件下，三期机组FGD系统当入口SO2浓度小于850mg/m3时，可停运1号循环泵；四期机组FGD系统当入口SO2浓度小于1100mg/m3时，可停运4号循环泵，当吸收塔入口SO2浓度小于1800mg/m3时，可停用1号循环泵。其他机组负荷条件下，当入口SO2浓度稳定且能保证脱硫效率时，可适当提高停运循环泵的入口SO2浓度值。

1.2 水耗指标分析

FGD系统水耗主要为烟囱排出烟气中的气态水和液态水、脱水石膏中的游离水和结晶水以及FGD系统排出废水[12-14]。主要环节是烟气与吸收塔浆液温差导致的蒸发损失，可多达100多t/h，其与烟气流量和温度关系密切。当烟气进入吸收塔喷淋区域后，被换热冷却到约50℃，且由于脱硫反应过程放热，两部分热量叠加，导致浆液中水分蒸发，随净烟气排出。根据蒸发水耗形成机理，可降低吸收塔入口烟气温度。一般而言，有GGH的FGD系统比没有GGH的蒸发水耗要小。相对于蒸发损失，烟气携带液态水导致的水耗较小。按除雾器设计要求的最低值75mg/m3核算，每台300MW机组的排放烟气携带水分损失约0.1t/h，这部分损失控制可采取提高除雾器效率的措施，但经济性较差，同时水耗降低并不明显[1]。而对脱水石膏中的游离水和结晶水来说，游离水可通过提高脱水系统效率来减少损失，结晶水是石膏晶体的一部分，二者节能降耗潜力有限。同样FGD系统废水排放不可避免，其为保证浆液活性，控制Cl-、可溶性重金属离子以及粉尘含量等。

1.3 其他能耗指标分析

FGD系统工艺流程较为复杂，除了工艺水和电力资源的大量消耗，吸收剂、吹扫蒸汽等的消耗也是可观的[7]。石灰石粉作为脱硫吸收剂，其粒度对消溶性有决定性影响，为保证脱硫效率和提高利用率，应控制购买的石灰石粉粒度和纯度[15]。杨柳青电厂对入厂石灰石粉质量要求是粒度小于44μm、碳酸钙含量大于90%。此外，目前杨柳青电厂三期FGD系统还存在GGH，其利用高温高压蒸汽进行吹扫。吹扫时运行人员应对GGH差压和内部换热元件的堵塞情况进行综合判断，合理差压情况下可酌情减少吹扫的次数和时间[16]。但吹扫次数减少时，应密切监视差压变化，否则可能增大系统阻力，从而导致增压风机的电耗增加，综合考虑比较，减小FGD系统阻力对于节省能耗更有利[17]。因此，GGH高温高压蒸汽吹扫需严格执行定期工作，控制GGH原、净烟气侧差压在400Pa左右。

2 运行经济性考核

2.1 考核指标选择与权重

FGD系统运行经济性考核办法的核心内容是指标选取和权重分配。指标选取应以指标的具体化、可量化、可操作为原则，同时以明确运行部门人员权责范围为基础。结合杨柳青电厂FGD系统工艺特点，选取净烟气SO2浓度、吸收塔浆液密度、吸收塔浆液pH值、脱除单位SO2的耗电量、脱除单位SO2的耗水量与脱除单位SO2的石灰石粉消耗量等作为考核依据，定义如下：

(1)净烟气SO2浓度。取烟囱入口的SO2浓度值，该浓度值的达标是FGD系统运行的最低要求，直接关系到排污费用支出及脱硫电价收入。根据考核指标的具体化、可量化、可操作原则，将净烟气SO2浓度转化排放超标时间指标，通过定期对排放超标时间的统计分析FGD系统的脱硫性能及变化趋势。

(2)吸收塔浆液密度。吸收塔浆液密度是影响脱硫效率和石膏品质的一个重要指标。在增大补浆量或停止出石膏的情况下，吸收塔浆液密度会逐渐增大，其大小跟钙硫比和过饱和度这两个因素密切相关。为保证FGD系统性能的稳定性，将吸收塔浆液密度超过1130mg/L的时间进行定期统计作为考核标准。

(3)吸收塔浆液pH值。吸收塔浆液pH值一般与净烟气SO2浓度连锁。在运行过程中，应尽量控制pH值在5.0～6.0之间以保持FGD系统稳定的化学条件。因此，可将吸收塔浆液pH值超过6.0的时间进行定期统计作为考核标准。

(4)单位SO2耗电量。定义为脱硫系统用电量除以M，M为(原烟气SO2浓度-净烟气SO2浓度)×烟气流量。杨柳青电厂一套FGD系统电功率设计值高达4052KW，四期FGD系统增容改造后电耗更大。根据考核指标的具体化、可量化、可操作原则，将单位SO2耗电量转化为增压风机电量和循环泵节能停运时间两个指标。增压风机和吸收塔浆液循环泵在FGD系统电耗占比多达80%左右，通过定期对增压风机电量和FGD系统投运且出口达标条件下的循环泵节能停运时间进行统计能间接掌握FGD系统电力消耗情况及变化趋势。

(5)单位SO2耗水量。定义为FGD系统用水量除以M(M定义同上)。FGD系统水耗包括工艺水和工业水消耗，杨柳青电厂取河水用作FGD系统工艺水和工业水水源，单价成本较高。工业水主要用于真空皮带脱水机系统及用作循环泵机封水、循环泵减速机冷却水，相对于工艺水用量小且节约空间小。工艺水消耗主要是除雾器冲洗，是FGD系统蒸发损失的最主要来源，根据考核指标的具体化、可量化、可操作原则，将单位SO2耗水量转化为除雾器用水量指标，定期对除雾器用水量进行统计以掌握FGD系统水资源的消耗情况及变化趋势。

(6)单位SO2石灰石粉消耗量。定义为FGD系统石灰石粉用量除以M。杨柳青电厂直接购买石灰石粉作为FGD系统SO2吸收剂，通过对单位SO2石灰石粉消耗量的计算能直观了解石灰石粉的利用效率。根据考核指标的具体化、可量化、可操作原则，将单位SO2石灰石粉消耗量转化石灰石粉用量指标，定期对石灰石粉用量进行统计以分析石灰石粉品质和FGD系统整体运行工况。根据对净烟气SO2浓度、吸收塔浆液密度、吸收塔浆液pH值、脱除单位SO2的耗电量、脱除单位SO2的耗水量与脱除单位SO2的石灰石粉消耗量等对脱硫运行成本的影响程度，确定FGD系统运行经济性考核的指标及各自权重见下表1。

表1 FGD系统运行经济性考核指标及权重分布

指标名称超标排放时间塔浆液密度超限时间塔浆液pH值超限时间增压风机电量循环泵节能停运时间除雾器用水量石灰石粉用量指标权重/%205525251010

考虑到四期机组FGD系统节能停运的循环泵可能是1号循环泵或4号循环泵，可以将考核指标循环泵节能停运时间的权重进行再分配。根据设备电功率比例，将1号循环泵节能停运时间权重设为8%，4号循环泵节能停运时间权重设为17%。

2.2 基于经济运行的绩效考核办法

FGD系统运行经济性考核办法除确定考核指标及各自权重外，还需要对数据采集方式、时间及统计计算方法作出规定，并将考核结果与绩效奖励挂钩。根据实际情况，考核指标数据采集分析可采取人工和计算机采集相结合的方式，保证数据报表的准确性，降低差错率，方便运行人员即时查看指标完成情况[18]。

在对FGD系统经济运行进行考核的过程中，非运行内部原因导致的系统限出力(无法正常补浆和出石膏、循环泵和氧化风机出力不足)、在线仪表失准、数据传输中断、入口SO2浓度超标、FGD启停以及其他重大异常故障等相应时间段内的指标统计经上级管理人员认可后可剔除，不计入考核。由于运行人员人为或重大疏忽造成FGD系统跳闸、旁路挡板门保护打开、吸收塔溢流、人身伤害或设备损坏事故，特别是发现采取不正当手段和弄虚作假，破坏和谐的行为，应取消该班组当月经济运行考核绩效奖，按公司相关规定进行责任认定与处理。同时运行人员应制止随意使用脱硫工艺水冲洗地面及浪费水的行为；避免发生来车卸粉泄漏和石灰石粉制浆系统泄漏，地沟满时应及时联系检修清理；制浆密度计故障以及其他在线仪表不准时及时联系检修处理；发现石灰石粉质量问题及时反馈至策划部；保证交接班时石灰石浆液箱液位6m以上，且浆液密度符合要求；及时检查比较烟囱底部烟温和吸收塔出口烟温，保证旁路挡板的严密性。对运行人员出现上述疏忽失责应制定相关扣分规则，不定时对现场情况进行抽查，对违规现象从FGD系统经济运行考核总分中扣除相应分值。

3 结语

石灰石-石膏湿法FGD系统庞大复杂，运行过程能耗较大，脱硫运行成本控制关系整个机组的经济运行。本文对FGD系统脱硫成本的构成及主要能耗指标并进行了详细分析，探索了基于FGD系统经济运行的绩效考核办法。随着FGD节能降耗的深入开展，可根据FGD系统的运行情况和运行班组反馈的情况，对考核办法进行完善和修订。不断改进指标项目及评分奖励规则，尽快实现完全使用计算机采集数据并自动生成报表，增设DCS画面显示FGD系统经济运行考核指标的实时和月度统计结果，提高考核的公平性、公开性，最终达到规范脱硫运行、提高脱硫运行经济性与可靠性的目的。

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