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摘要：为适应火电机组灵活性发电背景下脱硫系统氧化风机节能降耗需要，对离心式氧化风机进行母管制节能工艺研究。基于离心风机特性，提出了母管制氧化风系统，低负荷时用1台离心风机带两个吸收塔运行。根据脱硫氧化机理建立氧化风需求量模型，计算出不同负荷下脱硫氧化风需求量，为氧化风机母管制和单元制的运行切换提供理论依据。脱硫液位压差是氧化风系统的主要阻力分布来源，控制液位波动有利于氧化风母管制运行安全。在70%脱硫负荷下，采用氧化风母管制运行，降低了系统能耗，提高了运行的安全性。
关键词：湿法脱硫；氧化风机；节能优化；母管制
0引言
目前，国内火电燃煤机组大多采用湿法脱硫技术，石灰石湿法脱硫技术较为成熟，具有成本低、脱硫效率高等特点［1-3］。电站WFGD的经济性和环保性成为当前湿法脱硫研究的热点，即优化设备能耗同时保证脱硫效率［4-5］。湿法脱硫系统能耗占据供电总量的1%～2%左右［6-8］，而氧化风机是脱硫系统主要的耗能设备之一。常用的氧化空气子系统主要分为氧化空气喷枪式和空气管网喷射式［9-10］。氧化空气喷枪结构简单，投资成本低，喷枪管径较大，出口不易堵塞；但因鼓出的气泡较大，氧化空气利用率较低，风机能耗大。空气管网喷射式在吸收塔氧化区底部断面上均布若干氧化空气母管，母管上有众多分支管，能形成细小的气泡，均匀分布在吸收塔内，氧化空气利用率较高，风机能耗小；但较小的氧化空气孔，容易被浆液中的固体堵塞，维护成本较高。在实际运行中，进入吸收塔的氧化风量远高于实际需求量，一方面造成风机能耗过高，另一方面过量的氧化空气会加剧塔内泡沫的产生，造成吸收塔液位虚高，严重情况甚至造成浆液溢流。这一问题在当前火电机组长时间低负荷运行的情况下更加突出，也不利于火电机组的灵活运行。所以，脱硫系统氧化风机的节能改造势在必行。陆建军等［11］针对湿法烟气脱硫系统介绍了氧化空气量和氧化风机的压头计算公式，为脱硫氧化风机的设计选型提供了参考。郭西清［12］结合理论计算和实际运行，将离心式氧化风机的运行方式由原先的“两运一备”变为“一运两备”后，大大降低了氧化风机的能耗。张超［6］对脱硫离心式氧化风机故障原因进行了分析，提出了采取单台氧化风机通过风机出口联络管供应相邻两个吸收塔的运行方式并成功地进行运行优化试验。本文重点讨论离心风机母管制工艺，计算不同脱硫负荷下吸收塔实际所需的氧化风量，确定单台离心风机额定出力下能满足两台机组运行的最高脱硫负荷。在高负荷时采取双风机单元制运行策略，为双吸收塔各自供风，低负荷时切换单风机母管制运行以供给双吸收塔，从而降低氧化风机的能耗。
1氧化风系统母管制工艺
火电厂机组负荷变化幅度较大，大部分氧化风机采用离心式风机。离心风机的流量与转速成正比，压头与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比［13-14］。若通过调节转速来调节风量，氧化风机出口压力也会相应减少，当出口压力小于氧化风总阻力就无法将氧化空气喷入浆液池中。所以离心式氧化风机无法采用变频节能改造技术，在低负荷工况下氧化风供应量过剩，能耗浪费严重。以某电厂2×350MW机组湿法烟气脱硫系统为例：该厂设置了2座吸收塔，每座吸收塔匹配2台离心式氧化风机，每台氧化风机的额定流量为3Nm3/s，额定功率为315kW，出口相对压力为88kPa。机组低负荷运行过程氧化风供应量过大，导致能耗增加，液位波动大，运行安全性下降。针对离心式氧化风机的节能，可采用母管制氧化风系统，将4台氧化风机出口引入供风母管中，2座吸收塔连接同一供风母管，母管中间安装1个联络电动门。每座吸收塔前的氧化风管上装有氧化风流量计和电动阀，保证氧化风能根据实际需求量进入2座吸收塔中。具体工艺流程如图1所示。实际运行过程中，高负荷阶段，联络电动门关闭，2座吸收塔采用单元制运行，各吸收塔氧化风机各自供风。低负荷阶段，联络电动门开启，停掉1台氧化风机，只保留1台氧化风机运行，该风机的氧化风通过联通母管同时向2座吸收塔供风，即氧化风系统进入母管制运行方式，节约能耗。在某氧化风机事故状态下，可通过氧化风母管制运行，提高脱硫系统的安全性和冗余性。
2氧化空气量需求
氧化风母管制和单元制运行模式切换必须基于脱硫氧化风量的精确计算。氧化风机作用是向吸收塔鼓入足量空气，保证塔内亚硫酸钙的氧化［15-17］，具体反应式如式（1）。CaSO3+1/2O2+2H2O=CaSO4•2H2O（1）在实际运行中，吸收塔所供应的氧化空气量远远高于实际所需空气量。亚硫酸钙经历了2个阶段的氧化，即喷淋层内的自然氧化和吸收塔浆液内的强制氧化。自然氧化率与喷淋层的个数有关，喷淋层个数越多，浆液中亚硫酸钙被烟气中氧气氧化的量越多。超低排放后，国内脱硫系统自然氧化能力明显提高，导致实际氧化风量远超脱硫需要的氧化风量。氧化风以气泡的形式通入浆液中，对亚硫酸钙进行强制氧化。由于气膜和液膜、液膜和液膜之间的传质速率有限，有一部分氧化风来不及发生反应，随着气泡一起跑到浆液外。氧化空气喷嘴到吸收塔液面距离越大，气泡在浆液中停留时间越长，强制氧化率越高。所以，强制氧化风量与运行参数如吸收塔液位、脱硫负荷等参数密切相关。基于以上分析，建立氧化风实际需求量公式如式（2）。Q实际=0.5×29×（1-α）×Qgas×CSO2×η×10-60.21×64×β（2）式中：Q实际为氧化风实际需求量，Nm3/h；α为自然氧化率，与吸收塔运行方式有关，一般在0.2～0.3之间；Qgas为脱硫塔入口烟气量，Nm3/h；CSO2为脱硫塔入口SO2浓度，mg/Nm3；η为脱硫效率；β为强制氧化率，是吸收塔液位的函数。基于公式（2），求得该电厂不同负荷下氧化风实际需求量如表1。在脱硫负荷发生变化时，自然氧化风量基本不变，强制氧化风实际需求量随脱硫负荷降低而降低。机组负荷在70%负荷以下时，强制氧化风实际需求量在3Nm3/s以下，可切换为母管制运行。由于离心风机的出口流量基本不发生变化，所以在母管制运行下，很多时候的氧化风实际供应量仍然大于实际需求量。但相比于2台氧化风机运行，母管制运行节能效果显著。
3氧化风子系统运行模式和能耗分析
离心风机的能耗可由式（3）算出计算［13］。Nof=qv×Δp1000×η×ηd×ηg（3）式中：Nof表示氧化风机能耗，kW；qv表示风机出口流量，m3/s；Δp表示风机进出口压差，Pa；η表示风机效率；ηd表示传动效率；ηg表示原动机效率。在运行中，吸收塔所供应的氧化空气量远远高于实际所需的空气量。离心风机因其特殊的性能曲线，不宜调整出口的风量，而在脱硫负荷较低时可切换为1台风机带2台机组脱硫塔的形式。基于DCS数据和氧化风需求量公式进行计算，可分别得到单元制和母管制运行的能耗，如表2所示。由表2可以看出，该厂氧化风机的选型偏大，氧化风实际供应量远高于实际需求量。离心式氧化风机在单风机单塔运行下只能全负荷运行，不适合当前灵活性发电节能的要求。但采用母管制运行时，70%以下的脱硫负荷时可用单氧化风机供给双吸收塔运行，可降低50%左右的能耗。母管制运行模式下，低负荷时2座吸收塔只需要1台氧化风机运行，显著提高了氧化风系统运行的经济性，同时提高了运行的灵活性和安全性。
4母管制阻力与流量的讨论
氧化风流量越大，则系统阻力越大。如果氧化风系统总阻力大于氧化风机出口的额定压力，可能会使氧化风机发生跳闸事故。母管制的运行方式减少了单台吸收塔的氧化风量，氧化风机受到的总阻力也会相应减小。氧化风进入脱硫系统过程中主要受到4种阻力：液位阻力、调节阀阻力、除雾器阻力和管道沿程阻力。本研究对象的液位阻力一般是60kPa～70kPa，占总阻力的70%～90%。调节阀阻力与调节阀的开度有关，开度越小，阻力越大，阀门全开时则阻力很小；在50%的开度时阻力达到了4kPa以上。除雾器的阻力也不容忽视，发生堵塞时会超过500Pa。管道沿程阻力和局部阻力相对较小，且与运行工况关联度较小。液位阻力和调节阀阻力随运行条件而变化。吸收塔液位每增加1m，液位阻力增加10kPa，对氧化风总阻力的影响很大。母管制运行时，2座吸收塔液位不一致会导致氧化空气阻力分布不均，严重时可能会出现1座吸收塔没有氧化风的情况。所以，母管制运行时要时刻关注液位的变化，2座吸收塔液位偏差不能太大，尽量避免用调节阀平衡氧化风的阻力。除雾器发生堵塞时阻力也需要加强运行监视，及时冲洗并保证冲洗水的流量和压力，停运期间做好除雾器的检查和维护工作。
5小结
（1）根据离心风机的特性，提出了低负荷下氧化风机母管制运行策略，以降低氧化风机能耗，同时提高脱硫氧化风系统运行的经济性和安全性。（2）根据脱硫氧化机理建立氧化风需求量模型，计算出不同负荷下2座吸收塔需要的氧化风量，为母管制的运行切换提供了理论依据。（3）以某电厂2×350MW机组为例，当2台机组脱硫负荷在70%以下时可切换为母管制运行，能降低50%左右的能耗。（4）液位阻力和调节阀阻力随运行条件而变化。脱硫液位压差是氧化风系统的主要阻力来源，占总阻力的70%～90%，控制液位波动有利于氧化风母管制运行安全。
作者：谷小兵 宁翔 李建 肖海平 单位：大唐环境产业集团股份有限公司 华北电力大学能源动力与机械工程学院