脱硫浆液循环系统灵活性改造及其调节性能试验

高沛荣，何未雨，王晓乾，马骁骅，黄宏业

脱硫浆液循环系统灵活性改造及其调节性能试验

高沛荣1，何未雨1，王晓乾1，马骁骅1，黄宏业2

（1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.华能海南发电股份有限公司海口电厂，海南 海口 571923）

目前，烟气脱硫系统普遍缺乏迅速调节及深度调节性能，需对浆液循环系统进行灵活性改造。本文建立了浆液循环管路计算模型，并根据某燃煤电厂330 MW机组脱硫系统的设备情况，计算了浆液循环系统灵活性调节空间，同时进行了灵活性改造后的调节性能试验。结果表明：脱硫浆液循环系统灵活性调节空间决定其调节性能及节能效果，在改造前应对其进行计算；灵活性改造提高了脱硫系统的安全稳定性，也提高了其随原烟气SO2质量浓度和机组负荷波动的线性调节性能及迅速调节性能，同时具备一定的深度调节性能；采用一拖二变频方式的浆液循环系统，可使灵活性调节始终处于较好的状态；该机组改造后节能效果明显，1.1年即可回收成本，但不同机组的改造成本回收周期有所不同。该结论可为浆液循环系统灵活性改造及脱硫系统运行优化提供参考。

烟气脱硫；浆液循环系统；灵活性；调节性能；计算模型；变频；一拖二；节能

2016年11月国家发展和改革委员会、国家能源局联合发布了《电力发展“十三五”规划（2016—2020年）》[1]，明确提出要加大燃煤发电机组灵活性改造力度，加大煤电调峰的能力。在此背景下，近年来国内大量燃煤发电机组开始进行灵活性技术改造，并逐渐参与深度调峰。而采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺的烟气脱硫（FGD）系统调节仍依靠传统的浆液循环泵组合运行优化、吸收塔浆液pH值调控等方式[2-3]，缺乏迅速调节性能及深度调节性能。

浆液循环系统的灵活性改造将使得脱硫系统具备一定的迅速调节性能及深度调节性能。但目前，国内对此研究较少，本文基于理论基础和工程实例，对脱硫浆液循环系统灵活性改造及其调节性能进行分析。

1 计算模型

1.1 浆液循环系统灵活性调节空间

脱硫浆液循环系统一般由多个浆液循环管路组成，而每个浆液循环管路主要由滤网、蝶阀、浆液循环泵、喷嘴、进出口管路组成（图1）。

图1 浆液循环系统

浆液循环泵选型是根据浆液循环管路特性核算结果选取的，其流量根据脱硫工程设计工况下循环浆液量确定，扬程则根据吸收塔浆液池正常运行液位范围至喷淋层喷嘴出口（含喷嘴背压）的全程压降确定[4]。浆液循环泵选型是在理论计算的基 础上将泵流量和扬程分别放大1.10~1.15倍和1.05~1.10倍，且为了应对极端工况，最终的选型裕量可能还会有所放大。

泵选型裕量会增加系统能耗，但有利于增大喷嘴背压和流量。然而，增大喷嘴背压对喷淋层的传质能力仅有微小的提升[5]，喷嘴流量则一般有上限值要求，故而浆液循环系统灵活性调节主要是针对扬程而言，且可通过变频调节的方式实现。

1.2 浆液循环管路计算模型

电机变频调速后，泵的转速也跟随变化，其变频后的性能参数可根据相似定律求出。但相似定律只适用于相似工况点，而浆液循环管路特性曲线并不经过坐标原点，不与任何经过运行工况点的比例曲线重合，故而调节时不同转速下的运行工况点都不相似[6-8]。

根据伯努利方程[9]可得

即

式中：1、2分别为管路进出口的位置高度；1、2分别为管路进出口处的浆液流速；1、2分别为管路进出口处的截面直径；0为大气压力；为浆液密度；为重力加速度常数；p为浆液循环泵扬程；l为管路压头损失。

根据浆液循环管路系统可知：

式中：net、valve、nozzle分别为滤网、蝶阀、喷嘴的局部压头损失；in、out分别为进出口管路的沿程压头损失；net、valve、nozzle分别为滤网、蝶阀、喷嘴的局部阻力因数；in、out分别为进出口管路的沿程阻力因数；net、valve、nozzle、in、out分别为浆液在滤网、蝶阀、喷嘴及进出口管路中的浆液流速；net、valve、nozzle、in、out分别为浆液在滤网、蝶阀、喷嘴及进出口管路的截面直径；in、out分别为进出口管路的长度。

将式(3)—式(8)代入式(2)可得

设：

将式(10)、式(11)代入式(9)，即可得

式中：Δ为管路进出口的高度差，在实际运行过程中，需要保持吸收塔浆液池液位的稳定，故而可把Δ视为一个常数；net、net、valve、valve、nozzle、nozzle、in、in、in、out、out、out、2、1均为常数，那么1也是一个常数，由此可得管路性能曲线p是一个二次递增函数且p≥Δ。

浆液循环泵大多属于高比转速泵，因而其工频工况下性能曲线1是一条开口向下的递减抛物线，在泵的性能曲线图上绘制管路性能曲线，这2条曲线相交于泵的工频工况点(A,A)。为确保喷嘴的雾化效果，喷嘴入口压力存在最小值，根据喷嘴的压力流量关系公式计算可得管路的最小流量值min，代入式(12)即可得泵的最小扬程值min，在管路性能曲线上寻得该点(min,min)。

利用相似定律得到其他变频转速下泵的性能曲线，当该曲线穿过点(min,min)时，其对应的变频转速即为最小转速值min，由此可得最小变频值min。浆液循环泵‒曲线如图2所示。

通过该计算模型对每个浆液循环管路进行计算，泵的选型裕量越大，则其灵活性调节空间越大。

1.3 运行工况点与相识工况点比较

根据浆液循环泵工频工况下性能曲线1，利用相似定律可得在其他变频转速下泵的性能曲线2。浆液循环泵属于后向叶型离心泵，所以1、2对应的功率曲线1、2是开口向下的抛物线。

图2 浆液循环泵Q‒H曲线

假设有一条二次曲线经过原点，且经过工频工况下泵性能曲线与实际管路性能曲线相交点即工频工况点(A,A)，可得

‒曲线及‒曲线如图3所示。由图3可知，在变频工况下，p与2相交于运行工况点(B,B)，0与2相交于相似工况点(C,C)，即可得：

由此可见：变频调速后泵的运行工况点扬程比相似工况点高，运行工况点流量比相似工况点低；而功率曲线是一条存在峰值的开口向下抛物线，故而B和C的大小关系不宜一概而论。

2 工程实例

2.1 改造方案

选取某燃煤电厂330 MW机组脱硫系统为研究对象，结合上述计算模型对每条浆液循环管路进行计算，并利用-曲线及-曲线进行辅助判断，可得浆液循环泵C的选型裕量最大，其最低可变频至35.0 Hz左右运行，但一般控制在37.5 Hz左右。

该脱硫系统浆液循环泵C、D的选型一致。考虑到泵内部流动为固液两相流体的流动，长期运行会出现因泵磨损引起的运行电流下降现象，故而可作一拖二变频改造，当C泵磨损严重或故障时变频器切换至D泵运行。

2.2 改造效果

调节浆液循环泵变频频率时，实际工况点的电流值也随之变化，而相似工况点的理论电流值可根据相似定律计算得到，试验结果如图4所示。

图4 变频频率与电流关系

由图4可知：在变频频率35~42 Hz区间，理论电流值大于实际电流值，在42~50 Hz区间，实际电流值大于理论电流值，这符合上文功率曲线是一条存在峰值的开口向下抛物线，理论电流值与实际电流值的大小关系不宜一概而论的结论；变频工况下的节能效果较为可观，在变频频率为45、40、35 Hz时，其节省电量分别达到26.1%、49.0%、69.2%。

3 调节性能试验

影响净烟气SO2质量浓度及脱硫效率的因素比较多，诸如机组负荷、煤质、原烟气SO2质量浓度、吸收塔浆液pH值、浆液循环泵运行组合方式等[10]。为了更清晰地分析改造后浆液循环系统的调节性能，以下将采用单变量分析法或双变量分析法，分别对原烟气SO2质量浓度波动、机组负荷波动、原烟气SO2质量浓度和机组负荷同时波动时，浆液循环系统的调节性能进行试验分析。

3.1 原烟气SO2质量浓度波动

由于原烟气SO2质量浓度是影响液气比的主要因素[11]，所以试验选取的原烟气SO2质量浓度波动区间不宜相差太大。本文选取3组工况进行试验，结果如图5所示。

由图5可见：机组负荷分别稳定在305、200、175 MW左右时，原烟气SO2质量浓度波动区间基本一致；在净烟气SO2质量浓度保持一致的前提下，在305、200、175 MW 负荷下25%变频调节幅度对原烟气SO2质量浓度的调节幅度分别为608、662、828 mg/m3，即机组负荷越低，对原烟气SO2质量浓度波动时的调节性能越好。

3.2 机组负荷波动

由于烟气量随负荷的波动而波动，会直接改变液气比，影响脱硫效率[12]，选取该组工况数据时，机组负荷的波动区间不宜相差太大。本文选取3组工况进行试验，结果如图6所示。

由图6可见：在原烟气SO2质量浓度分别保持在1 791、1 363、605 mg/m3左右，各工况机组负荷波动区间基本一致；在净烟气SO2质量浓度保持一致的前提下，原烟气SO2质量浓度1 791、1 363、605 mg/m3下25%变频调节幅度对机组负荷的调节幅度分别为85、100、172 MW，即原烟气SO2质量浓度越低，对机组负荷波动时的调节性能越好。其中，在原烟气SO2质量浓度为605 mg/m3工况下，对应的机组负荷波动区间为44%~96%，基本上做到了全负荷调节。

3.3 原烟气SO2质量浓度和机组负荷同时波动

原烟气SO2质量浓度和机组负荷同时波动时改造后浆液循环系统调节性能如图7所示。

因工况7与工况5原烟气SO2质量浓度及机组负荷波动区间均较为接近，故进行比对分析。结果表明：在净烟气SO2质量浓度前后保持一致的前提下，25%变频调节幅度对工况7原烟气SO2质量浓度及机组负荷调节幅度分别为409 mg/m3、80 MW，而工况5则为11 mg/m3、100 MW。可见，在原烟气SO2质量浓度及机组负荷同时波动时，变频调节所产生的原烟气SO2质量浓度和机组负荷波动幅度会互相挤压。

因工况8与工况7的原烟气SO2质量浓度及机组负荷波动区间也较为接近，故进行比对分析。结果表明：25%变频调节幅度对工况8的原烟气SO2质量浓度及机组负荷调节幅度分别为477 mg/m3、129 MW，均大于工况7的调节幅度。这是充分利用净烟气SO2质量浓度压线运行空间的结果，净烟气SO2质量浓度从10.5 mg/m3跃升至30.5 mg/m3。由此可见，在充分利用净烟气SO2质量浓度压线运行空间时，变频调节所产生的原烟气SO2质量浓度和机组负荷波动幅度将得到一定提升。

3.4 灵活性改造技术特点

1）参与调峰的煤电机组负荷波动比较频繁，脱硫系统较难跟随主机波动进行泵组合节能优化运行。这是因为泵组合调整方式对脱硫效果而言是非线性的，且频繁启停大功率泵会影响泵的电机寿命、吸收塔液位的稳定以及易造成厂内电网的电压波动。本文对浆液循环系统进行的灵活性改造提高了脱硫系统的安全稳定性，同时使得脱硫系统具备随原烟气SO2质量浓度和机组负荷波动的线性调节性能及迅速调节性能。

2）当机组负荷较低或燃煤含硫量远低于设计煤质含硫量时，即使采用最节能的运行方式，SO2排放质量浓度仍有可能会很低甚至为零，无法充分利用SO2排放质量浓度压线空间。而浆液循环系统的灵活性改造可使脱硫系统具备深度调节性能，能有效降低运行能耗。

3）浆液喷淋量的提高有利于传质性能的强化，从而提高脱硫效率，但脱硫效率随浆液喷淋量的增加而增加的趋势逐渐变缓，即浆液喷淋量大到一定程度后对提高脱硫效率的影响变小，而系统能耗却成比例增加[13-15]。经过超低排放改造后，大多数脱硫系统运行于高脱硫效率区间以满足35 mg/m3的SO2排放标准，且为了避免工况波动引起的SO2排放超标情况，一般净烟气SO2质量浓度会控制在较低水平，这将使得运行能耗偏高。浆液循环系统的灵活性改造使得脱硫系统能够充分利用净烟气SO2质量浓度压线运行空间，节能效果明显。

4）浆液循环泵的变频调速降低了泵体内的浆液流速，从而降低了对泵的磨损，延长泵体的修复或更换周期，减少了维护工作量及维修费用。对于一拖二变频方式而言，在变频泵严重磨损而影响调节性能时，可将变频器切换到另一台泵上。

4 经济性分析

脱硫系统的运营费用主要包括电耗费用、水耗费用、石灰石费用、人工费用、检修费用、SO2排污费用和石膏的销售收入等[16]。浆液循环系统的灵活性调节对各项费用的影响见表1。

表1 灵活性调节对脱硫系统运营费用的影响

Tab.1 The effect of flexibility adjustment on operating expenses of the desulfurization system

由表1可知，运营费用主要取决于电耗费用，而SO2排污费用则由各地大气污染物排放征收标准决定。以该机组为例，按排污费减半征收后每污染当量1.2元计，上年度仅缴纳13.36万元；且在超低排放运行工况下，增加浆液喷淋量对SO2减排贡献有限。故本文暂不考虑SO2排污费用，仅核算浆液循环泵和引风机的节能效果。

1）上年度变频泵平均运行电流为23.24 A，在工频工况下的电流达到39.94 A左右，以厂用电 压6.2 kV、变频器功率因数0.96计，功率降低 172.16 kW。以上年度机组运行小时数7 971.37 h、上网电价0.439 8元/(kW·h)计，可节省电费60.36万元。

2）变频调速可减少浆液喷淋量，在烟气量不变的前提下，单位体积内持液量减少，气液两相间混合密度减小，喷淋区静压降低，从而使塔内阻力降低[5]。变频泵年平均电流为23.24 A，对应的变频频率约为41 Hz，在50~41 Hz变频工况下，2台引风机功率共降低34.36 kW左右，即年节省电费约12.05万元。

浆液循环系统灵活性改造后，年电耗费用可节省72.41万元，而变频器的购置、安装和土建等费用约为80万左右，即1.1年可收回购置安装成本。

5 结 论

1）浆液循环系统灵活性调节空间决定其调节性能及节能效果，因而改造前应通过浆液循环管路计算模型对每个管路进行计算，并利用-曲线及-曲线进行辅助判断。优先选取选型裕量大的浆液循环泵进行灵活性改造。

2）浆液循环系统的灵活性改造提高了脱硫系统的安全稳定性，使得脱硫系统具备一定的随原烟气SO2质量浓度和机组负荷波动的线性调节性能及迅速调节性能，同时具备一定的深度调节性能。原烟气SO2质量浓度及机组负荷越低，浆液循环系统对工况变动的调节性能越好，尤其在充分利用净烟气SO2质量浓度压线运行空间时，其调节性能将更加优越。

3）采用一拖二变频方式的浆液循环系统，在其中1台泵严重磨损而影响调节性能时，可将变频器切换到另一台泵上，以保证灵活性调节效果。

4）本文浆液循环系统灵活性改造应用实例表明，改造后节能效果明显，1.1年即可收回成本。

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Flexibility transformation of desulfurization slurry circulating system and its adjustment performance test

GAO Peirong1, HE Weiyu1, WANG Xiaoqian1, MA Xiaohua1, HUANG Hongye2

(1. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China; 2. Huaneng Hainan Haikou Power Plant Co., Ltd., Haikou 571923, China)

At present, there are lacks of rapid adjustment performance and deep adjustment performance in flue gas desulfurization systems, so that flexibility transformation should be carried out for the slurry circulating system. In this study, the calculation model of slurry circulating pipeline was established, and the flexibility adjustment range for slurry circulating system was calculated according to the equipment situation of a 330 MW coal-fired power unit. Meanwhile, adjustment performance test after the transformation was carried out. The results show that, the adjustment performance and energy saving effect of the slurry circulating system depend on its flexibility adjustment range, which should be calculated before the transformation. The flexibility transformation improves the safety and stability of the desulfurization system, which has certain linear and rapid adjustment performance by following the fluctuation of SO2 mass concentration in raw flue gas and unit load, as well as certain deep adjustment performance. The slurry circulating system with the mode of one inverter for two motors can make the flexibility adjustment in a better state. There is obvious energy saving effect after the transformation in this unit, of which the cost can be recovered in 1.1 years, but the cost recovery cycle for different units will be different. The conclusion of this study can provide a guidance for flexibility transformation of slurry circulating systems and operation optimization of desulfurization systems.

flue gas desulfurization, slurry circulating system, flexibility, adjustment performance, calculation model, frequency conversion, one inverter for two motors, energy saving

X773

A

10.19666/j.rlfd.201904105

高沛荣, 何未雨, 王晓乾, 等. 脱硫浆液循环系统灵活性改造及其调节性能试验[J]. 热力发电, 2019, 48(12): 98-104. GAO Peirong, HE Weiyu, WANG Xiaoqian, et al. Flexibility transformation of desulfurization slurry circulating system and its adjustment performance test[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 98-104.

2019-04-28

高沛荣(1986)，男，硕士，工程师，主要研究方向为电力环保技术，gaopeirong@tpri.com.cn。

（责任编辑 杨嘉蕾）