气力输灰系统节能技术的应用

国能濮阳热电有限公司 王 欣

随着我国确立了2030年前碳达峰和2060年前碳中和的目标，对优化能源结构和煤炭清洁高效利用提出了更高要求。为进一步降低煤电机组能耗，促进电力行业清洁低碳转型，助力全国碳达峰、碳中和目标如期实现，国家发改委、国家能源局联合发布了《关于开展全国煤电机组改造升级的通知》（发改运行〔2021〕1519号），依据全国煤电机组改造升级实施方案的要求，对供电煤耗在300克标煤/千瓦时以上的煤电机组应加快创造条件实施节能改造。而在国内火力发电厂中，电除尘气力输灰系统又是一个耗能较多的环节，针对电除尘压缩空气系统及空压机节能技术[1]、输灰系统优化改造[2]、气力输灰系统节能降耗控制策略优化[3]等成为火电厂节能技术研究的一个重要方向。

针对目前火电厂除灰系统输灰効率低、耗电率高的问题，本文以某火电厂电除尘气力输灰系统节能改造为例，通过对除灰系统的耗能现状分析，指出造成除灰耗电率高的主要原因，从气力输灰系统的耗气量和空压机能耗两个方面开展节能技术路线的研究，阐述了仓泵输灰助吹装置、交叉式输灰工艺改进等节能技术的应用和评估，经过效益分析得出，该节能技术可以有效地降低除灰系统耗气量和耗电率。

1 除灰系统的耗能现状分析

某火电厂现有2×210MW 国产燃煤发电机组，配备东方锅炉厂生产的DG670/13.7-19型超高压、一次中间再热、自然循环、Ⅱ型布置汽包炉，单炉膛四角切圆燃烧、平衡通风、燃煤、半露天全钢构架、固态排渣炉，其中除灰系统每台机组各设一套气力输送系统，每个电场各有四个灰斗，灰斗下配置一台下引式仓泵，采用下引式环隙管内流化的输送方式输送，经3根独立输灰母管正压输送到储灰库。

该厂在投产初期，经常性燃烧煤种的灰分高于设计值，致使粉煤灰比重高、灰量大，造成输灰不畅；尤其在供暖季，因输灰能力不足，电除尘器灰斗频繁出现高料位、灰管堵塞的故障，当采用紧急外排灰处理时又极易产生严重的环境污染。为解决除灰系统输灰能力不足的问题，该厂进行了除灰系统增容，但改造后依然存在较多问题，主要体现在：除灰系统运行仅满足了输灰的功能性要求，没有考虑到节能性、经济性要求，导致除灰系统输送効率低、耗电率高。

从表1中统计的节能改造前5个月的数据可以看出，在不同的机组负荷下，除灰耗电率月均值为0.766%，始终处于较高水平，这也使得该厂的厂用电量升高、供电煤耗增加，降低了机组的经济性。而除灰系统的电能消耗主要有两个方面：一方面是电除尘器的高压电源和低压电器，这些能耗是保证设备正常运行所必需的，降耗空间较小；另一方面是输灰空压机的耗能。该厂由5台6kV/200kW 螺杆式空压机为输灰系统提供气源，当两台机组运行时需启动全部5台空压机，单台机组高负荷运行时也要启动3台空压机。因此，空压机的高耗能是造成除灰耗电率高的主要原因。

表1 技改前除灰月度耗电率

2 节能技术路线的研究

2.1 输灰耗气量的分析

气力输灰系统的耗气量是影响系统节能的关键，在确定运行方式、输送距离和当地气压汽温等条件，可依据《火电厂除灰设计规程》计算输灰耗气量：Q=1000G/60μρ，式中：Q 为输送空气量（m3/min）；G 为气力输灰系统的出力（t/h）；μ 为标准状态下输送空气的密度（kg/m3）；ρ 为输送灰气比（kg/kg）。因此，在系统出力不变时，通过适当增大输送灰气比可以减少耗气量。虽然灰气比的提高可以降低系统耗气量，但灰气比受输送速度影响很大，当其提高到一定程度输送速度就随之下降，一旦降到噎塞速度之下，将会导致管道堵塞。所以要使气力输灰系统耗气量降低，就必须提高输灰速度，通过合理地提高输灰速度，就能够防止因灰气比升高造成的堵管现象，还可提高气力输灰系统输送效率。

2.2 空压机耗能的分析

在压缩空气系统节能技术方面，许多专家以螺杆式空压机为分析对象，从数学模型[4]和直接模拟模型软件（CAA）[5]来分析空压机的能耗，分析结果表明，空压机排气压力、加卸载频率是影响其能耗的主要因素。参考IR 公司的英格索兰空气系统节能评估解决方案和ML200型螺杆空压机说明书：在保证气力输灰系统用气量的同时尽可能降低空压机的排气压力，排气压力设定越低所消耗的轴功率越少，每降低1bar 压力可减少7%～10%能耗；当空压机间歇运行会带来压缩机频繁起停、也增大电能损耗，方案表明频繁加卸载至少增加30%的能耗；同时空载运行也会加剧设备磨损，增加运营成本，造成能源的浪费。

另外，该火电厂电除尘设计文件也表明：在不考虑压缩空气管道泄漏、吸气参数变化等情况时，气力输灰系统以及用气设备的工作压力只需要0.4～0.5MPa。所以，通过优化输灰工艺流程、调整输灰方式，减少空压机启动台数，适当降低压缩空气系统压力和波动幅度，就可以有效地减少空压机耗能。

3 节能技术的应用与评估

3.1 仓泵助吹装置的应用

仓泵助吹装置依据文丘里管“射流引力原理”，如图1所示，在仓泵进气口的法兰管道连接处配有缩径喷嘴，喷嘴法兰前端与压缩空气管相连，接受气源阀门控制，后端插入至仓泵底部灰料处，由压缩空气、喷嘴、缩径管、补气环与扩径管共同完成助吹功能。

图1 助吹装置原理示意图

增加仓泵助吹装置后，压缩空气经该装置喷嘴后加速流出，高速气流通过混合室把喷嘴周围灰料气化，经过“喉管”（补气环）、“扩张段”进入输灰母管。通过压缩空气动量的交换来形成一种低压的区域，在仓泵底部下料口形成低压（负压）区域，灰料产生“吸入作用”，并且由于压力差的存在，使得高速流出的空气流和被吸引的灰料经过“扩张段”混合后喷射出来，加速后的气流能够对灰料进行均匀混合。

3.2 “交叉式”输灰工艺的改进

原输灰工艺在运行中（图2左图），当灰量较少或负荷较低时气力输灰系统运行时未达到设计出力，造成经济性下降；而灰量过大或负荷较高时，一电场左、右仓室的粉煤灰受制于共用一根输灰母管，输送时的压缩空气量不足，加压流化效果变差，易造成堵管。同时该厂设计文件表明：电除尘灰量分配上，一二电场的输灰量占总灰量的95%以上，其中一电场约占76%、二电场约占19%，且两电场的出力不小于56t/h。所以，改进一二电场的输灰工艺有助于提高气力输灰系统的输送效率。

图2 输送工艺改造前、后示意图

如图2（虚线内）所示，通过改变一二电场输灰管道布置，将一电场拆分为左、右两个独立输灰单元，分别进入#1、#2输灰母管；将二电场拆分为左、右两个独立输灰单元，分别进入#2、#1输灰母管，改进后的输灰管呈“交叉式”布置；取消三四电场使用的#3输灰管，使三电场与一电场右仓室、二电场左仓室公用#2输灰母管；使四电场与一电场左仓室、二电场右仓室共用#1输灰母管。另外，通过程控逻辑优化，增加各输灰单元之间的闭锁和优先级判断，避免多个仓室同时进行灰料输送造成气源压力骤降。

3.3 节能技术的评估

输灰耗气量评估：节能改造使压缩空气母管压力（空压机排气压力）及压力波动幅度发生变化。单机运行时，改造前需启动3台空压机、压缩空气母管压力0.6MPa，改造后只需启动1台空压机、压缩空气母管压力降至0.45MPa；压力最大波动幅度由0.4MPa 降至0.2MPa，如图3所示，节能改造大幅降低了压缩空气母管压力及波动幅度，减少了空压机启动台数和输灰耗气量。

图3 输灰系统压缩空气母管改造前、后压力

除灰耗电率评估：该厂改造后的除灰耗电率如表2（取自该厂生产指标完成情况日报表）所示，从表2中统计的5个月数据可以看出，除灰耗电率月均值由改造前（表1）的0.766%下降到0.563%，同比减少了0.203%，表明除灰系统的节能改造在一定范围内有效地降低除灰耗电率。

表2 技改后除灰月度耗电率

3.4 经济效益、安全效益分析

空压机经济效益计算：该厂共配备了5套36m3/min、6kV/200kW 螺杆式空压机。节能改造后，在单机运行只需启动1台空压机，同比减少2台的空压机的运行；在双机运行只需启动2台空压机，同比减少3台。按照1台空压机一个月的平均耗电量计算，则每月（按30天）可节约厂用电12.72万千瓦时/月（P=×6000×200×cosφ×24×30）；用电价格按照0.5元来计算，每台空压机可以节约的电费为6.36万元/月。若该厂的机组运行状况是单机和双机各运行6个月，则每年节约厂用电量381.6万千瓦时，节约电费190.8万元。

空压机寿命及经济效益计算：能改造不仅减少了空压机运行台数，降低了空压机启停的频次和运维费用，还提高空压机的使用寿命。从这些方面来分析，按照每台空压机运维费大概在12万元/年，机组运行状况依旧按单机和双机各运行6个月来计算，每年可节约运维费30万元。

安全效益分析：节能改造增加了空压机的备用台数，确保机组正常运行期间不会因空压机故障检修或压缩空气量不足，而产生因电除尘器灰斗长期高料位导致的安全隐患，还避免因粉煤灰堵管而采用紧急外排灰处理过程中产生的环境污染事故。

4 结语

通过对某火电厂2×210MW 机组除灰系统耗能分析以及节能技术的实施，不仅有效地减少输灰耗气量、降低除灰耗电率，还提高了除灰系统的经济性和安全性，对于同类型机组除灰系统节能降耗有着良好的借鉴作用。但改造也带来新问题，仓泵助吹装置“喷嘴”出口气流速度的提升加快了仓泵底部设备及输灰管的磨损，使日常维护成本和工作量升高，今后还需在管道磨损方面做更细致的研究，继续开展除灰系统节能降耗工作。