燃煤火電機組脫硫系統氧化風機的選型

摘 要：本文分析了燃煤火電機組脫硫系統氧化風機的選型的方法和流程，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：燃煤 脫硫 氧化風機 選型

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0088-02

中國能源資源以煤炭為主。在電源結構方面，今后相當長的時間內以燃煤發電機組為主的基本格局不會改變，由此造成了嚴重的環境污染，特別是SO2即酸雨的污染。火電廠的SO2排放量在全國SO2總排放量中占有相當的比例。近年來，隨著國民經濟的發展和人民生活水平的提高，我國加大了對環境污染的治理，控制燃煤電廠的SO2排放，推行電力潔凈生產和改善我國的大氣環境質量有著十分重要的意義。

1 脫硫系統概況

燃煤脫硫方法分類。

燃煤脫硫方法可分為三大類：燃燒前脫硫，燃燒中脫硫，燃燒后脫硫。

燃煤后煙氣脫硫Flue Gas Desulfuri zation，簡稱FGD。按脫硫過程是否加水和脫硫產物的干濕形態可分為濕法、干法和半干法。

濕法脫硫技術成熟，效率高，Ca/S比低，運行可靠，操作簡單，濕式鈣法（簡稱濕法）煙氣脫硫技術是3種脫硫方法中技術最成熟、實際應用最多、運行狀況最穩定的脫硫工藝。在大型火電廠中，90%以上采用濕式石灰/石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝流程，對高硫煤脫硫效率達到90%以上。

在石灰石濕法煙氣脫硫系統中，高壓鼓風機用于吸收塔的強制氧化系統。氧化系統的氧化風機的作用是產生一定壓力的空氣，并送至吸收塔氧化池內，為吸收塔漿池中的漿液提供充足的氧化空氣；在攪拌器的作用下，氧氣和亞硫酸鹽（進行化學反應，生成穩定的硫酸鹽（即石膏）。所以在系統脫硫過程中，氧化風機的性能直接影響到脫硫副產品的品質。煙氣SO2的脫除過程是一個非常復雜的體系，反應機理復雜，但其原理可以用以下總反應式表示：

石灰法：SO2+CaO+1/2H2O→CaSO3·1/2H2O

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

2 設備選型原則

設備選型的三個基本原則：（1）生產上適用，所選擇的設備是和生產工藝的實際需要；（2）技術上先進，它以生產適用為前提，以獲得最大經濟效益為目的，防止選擇即將淘汰的設備；（3）經濟上合理。應將生產上適用、技術上先進和經濟上合理三者統一權衡。

2.1 風機選型

電廠脫硫常用的鼓風機有羅茨鼓風機（雙葉、三葉）和離心鼓風機（多級離心、單級離心），它們有其各自的特點。

（1）羅茨鼓風機。

屬于是容積式氣體壓縮機，工作原理是：由兩個葉輪（或三葉）在箱體內互為反方向勻速旋轉，使箱體和葉輪所包圍著的一定量的氣體由吸入的一側輸送到排出的一側。其特點是：氣體脈動變大，負荷變化大；強制流量，在設計壓力范圍內，管網阻力變化時其流量變化很小；適用于在流量要求穩定而阻力變化幅度較大的工作場合。對于脫硫系統來說，在吸收塔運行液位上下波動的情況下可以提供穩定的氧化風量。羅茨風機的工作曲線對于壓力和流量的適應范圍較小，對于高含硫量的脫硫系統一般采用兩用一備的方案。

脫硫建設初期采用進口產品較多，后因為其價格昂貴，而采用了價格低廉的國產產品。羅茨風機噪音大，振動高，效率低，本體漏風率高（約10%），潤滑油滲漏等缺點，其風量調節只能采用變頻調速和出風管放氣，變頻調速設備本身的價格比鼓風機價格還要高，出風管放氣則造成能量浪費，噪聲污染。在灞橋電廠等處進行的性能試驗表明，設備性能不佳的羅茨風機隨著阻力的變化，相應的風量也會出現較大波動，從而不能滿足脫硫系統的需求。三葉羅茨風機相對于傳統的雙葉一定程度上提高在阻力較大工作場合的適應性，風機效率也有一定改善，但受風量風壓要求的局限性仍然很大。

（2）離心鼓風機。

離心鼓風機又分為多級低速和單級高速，單級和多級離心鼓風機都是工作輪在旋轉的過程中，由于旋轉離心力的作用及工作輪中的擴壓流動，使氣體的速度得到提高，隨后在擴壓器中把速度能轉化為壓力能。不同的是單級離心風機只有一組葉輪，空氣的壓縮是一次壓縮完成的，而多級離心鼓風機在一根主軸上有多組葉輪，空氣的壓縮是在多組葉輪間逐步完成的。由于離心風機是依靠提高空氣的流動速度即空氣動能來壓縮空氣提高壓力，所以要獲得同樣的壓力，單級離心風機的葉輪必須要比多級風機的轉速高數十倍，通常情況下多級離心鼓風機的轉速只有數千轉，而單級離心風機的轉速可以高達數萬轉。

離心式風機較容積式風機具有供氣連續、運行平衡，效率高、結構簡單、噪聲低、外型尺寸及重量小、易損件少等優點。但也有隨吸收塔液位變化流量波動較大等特點，需配備相應的風量調節裝置。單級高速風機較多級風機流道短，減少了多級間的流道損失，并采用進風導葉片調節風量方式，風機效率較高。但由于壓力的提供很大程度上依靠轉速的提高，而轉速的提供受到平衡、潤滑及材料性能等多方面的限制，所以單級離心風機的控制和維護保養特別重要；同時由于高轉速帶來諸多部件如葉片等磨損較大，對風機軸承要求較高。正因如此，單級離心風機葉片材料需選用合金鋼，并且采用整體銑制工藝，因此價格較昂貴。而多級離心風機葉片全部為焊接工藝，風機運行可靠性降低。

2.2 風機的性能、效率、節能、噪聲方面的對比

（1）由于脫硫氧化鼓風機的功率大，通常24小時連續運轉，所以提高鼓風機的機械效率，所帶來的節能效應也是可觀的。現今國內電廠整改燃用高硫煤普遍用單級高速離心鼓風機做為氧化風機來替代原羅茨、多級鼓風機。下面對三種風機的性能特點進行比較。

羅茨鼓風機由于周期性的吸、排氣和瞬時等容壓縮造成氣流速度和壓力的脈動，因而會產生較大的氣體動力噪聲。此外，轉子之間和轉子與氣缸之間的間隙會造成氣體泄漏，從而使效率降低，其效率在68%左右；羅茨式氧化風機出口需要噴淋降溫設備，避免氧化空氣進口處漿液與高溫、干燥的氧化空氣接觸后，漿液由于快速干燥而導致出現結晶的結垢現象，氧化空氣在入塔前進行噴水冷卻，使之降溫，并達到飽和。羅茨風機在運行中的噪聲高達110分貝以上，且為低頻段噪音，需對風機進行特別處理，普遍采用隔音房來降低噪聲。但是這就提高了隔音房里電機的運行溫度，影響電機的安全運行。因此實際運行中各廠基本上會拆除隔音罩，造成噪音無法控制。

多級離心鼓風機氣體經過幾級葉輪的離心力及擴壓器連續擴壓，使氣體壓力得到升高，雖然效率有所提高，但調控特性較差，在流化系統復雜變化的工況條件下運行效率低，一般在73%左右，噪聲高達100分貝以上，噪音也較大。

單級高速離心鼓風機利用三元流理論，定速通過入口擋板調節，效率不會隨著時間的變化，并考慮了流體的損失最小、效率最高的一種節能離心風機，通過高速電機或齒輪箱增速，使鼓風機轉速在8000～30000間工作，效率可達83%以上，比其他風機節能10%～20%左右，具有明顯的節能效果，目前首選機型。由于液面高度的變化，會導致背壓的變化。單級高速離心鼓風機可調節范圍為45%～100%，自動化控制程度非常高，在定速的條件下能夠適應變液面高度工況要求。單級高速離心鼓風機出口溫度低于羅茨、多級鼓風機，溫升在50 ℃以下，不需使用冷卻器來冷卻，只利用原氧化風噴淋設備，即可避免噴氣口結垢的風險。為脫硫氧化系統的提效改造提供裝備支撐。

（2）使用壽命方面。

由于運行轉速非常高，單級高速離心鼓風機用于氧化系統的葉輪采用鍛不銹鋼材料葉輪，以應對氣體沖擊磨損，提高使用壽命；羅茨風機一般是鑄造灰鐵制成，加工精度低（葉輪僅工作表面加工），剩余不平衡量大，風機振動大、易磨損，而磨損后風機性能降低很大。總體來說離心風機的使用壽命和檢修周期都比羅茨風機長。自動化程度高，故障率低。

（3）傳動部分。

羅茨風機采用皮帶傳動，總體運行比較穩定。安裝或維護不當時，皮帶易打滑。離心風機采用齒輪箱+聯軸器傳動，軸承采用滑動軸承，低速端采用圓柱瓦，高速端采用可傾瓦結構，確保了高速旋轉時軸承運轉穩定。同時齒輪箱采用水平剖分結構易於拆卸與維護，同時采用油泵強制潤滑的循環方式，使風機在運轉過程中避免主軸與軸瓦接觸磨損。整套系統較為復雜，故障點多，可能造成風機運行的危險點增加，對保護系統要求較高。

（4）風機出口風溫。

羅茨風機采用壓縮氣體的方式做功，風機出口溫度一般在120度左右，通過減溫水可以保證進入吸收塔氣溫滿足要求，但風溫傳熱到軸承，造成軸承溫度高，風機運行風險增大。離心風機出口風溫也會達到100度左右，但對風機本體運行影響不大。

（5）對比表（如表1）。

（6）配置及運行控制。

單級高速離心鼓風機標準配置中包含了鼓風機系統、管路儀控系統和PLC控制系統，實現開機、運行檢測、流量檢測、報警、跳閘保護、喘振保護、故障記錄等所有運行參數的自動控制及實時監控。有效地保證了鼓風機長期穩定運行，一次性投資比多級離心鼓風機、羅茨鼓風機要高。而多級離心鼓風機、羅茨風機標準配置維鼓風機系統和進出口溫度儀表，業主還需現場制造管路儀控及邏輯控制系統。

（7）后期的維護量和維護成本。

羅茨鼓風機智能化程度低巡檢人員的工作量較大，同時羅茨鼓風機葉輪不平衡量大，風機振動大、易磨損后期的維護成本較大：而單級高速離心鼓風機智能化程度高，平時幾乎無維護量，使用壽命長，維護成本很小，是羅茨鼓風機所不可比擬的。

（8）脫硫項目氧化空氣的系統特點。

.氧化風機流量一般為吸收塔所需流量的50%，流量裕量為10%，壓力損失考慮管道阻力及液面阻力后留有10%的余量。隨著脫硫機組的容量變大，發電機組燃煤煤質含硫量的增加。FGD系統的氧化風機的風量、壓頭不斷加大，羅茨風機由于本身設備的局限性（流量一般在10000 Nm3以下，壓頭在80 kPa以下）；無法向更大容量提升，因此在高含硫量、大容量的脫硫機組中羅茨風機不太適用.徐塘#4、#5脫硫改造項目流量已大于或接近10000 Nm3（標態，濕基），壓頭達100 kPa，顯然羅茨鼓風機不太適用，但這對單級高速鼓風機來講卻是常規設計參數。工程實例也說明了這點，如據了解北京京能熱電1-2脫硫系統氧化風機原為江蘇百事德生產的兩套串聯羅茨雙級風機（一用一備），設計參數如下（如表2）。

原羅茨鼓風機運行起來存在運行不穩定，經常因振動大后造成機器損壞檢修不斷，脫硫系統一直不能正常運行，另外還存噪音大、能耗高、自動化程度低，夏季性能偏小等缺陷。北京京能于2010年對原羅茨鼓風機進行了改造，采用了節能環保型單級高速鼓風機D145-2.16，投產至今運行一直很穩定，節能效果也很明顯.京能熱電于2012年3月又簽訂了一臺單級高速鼓風機替代原先江蘇百事德生產的羅茨鼓風機。徐塘虎山兩項目相關設計參數與北京京能熱電的參數較相似，所以選羅茨鼓風機應不適合。

下表為對于江蘇徐塘發電公司#4、#5脫硫改造項目選用羅茨風機、多級離心風機、單級高速離心風機運行的經濟性比較（如表3）

項目脫硫系統單臺爐氧化風機的配置為一用一備，整個項目氧化風機實為兩用兩備

因此根據上表可計算出采用單級高速離心鼓風機方案比羅茨風機方案年節約電費為：

（3600000-2800000）×0.4×2=640000（元）

綜上所述認為，從技術較度講羅茨鼓風機在徐塘虎山兩項目上應用是不合適的，采用單級高速離心鼓風機更為理想可靠。單級高速鼓風機雖一次性投資較羅茨鼓風機大，但單級高速鼓風機后續維護成本較少，同時單級高速鼓風機節能效果明顯，兩年就可以收回比羅茨鼓風機多投入的錢，對于特許經營項目這種環保節能型的產品因綜合經濟效益明顯，應為首選產品。

參考文獻

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