火力發電機組脫硝供氨管道積水原因分析與防治措施研究

陳 雷，羅 洪，高小春，余 鵬

（國能粵電臺山發電有限公司，廣東 江門 529228）

引言

火力發電機組作為煤炭的使用大戶，對NOx的排放有著嚴格的要求，國家能源局印發的《關于印發＜煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020 年）＞的通知》中要求，新建燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放值（即在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50 mg/m3）[1]。

脫硝系統作為脫除煙氣中NOx的主要系統，其安全穩定的運行狀態對保證機組環保參數的正常具有重要意義。本課題以某火力發電廠脫硝系統供氨管道積水狀況為研究背景，通過對可能造成管道積水的相關因素進行系統分析，并通過試驗操作進一步驗證分析結論，進而給出治理這類問題的防范治理措施。

1 背景狀況

某火力發電廠SCR 脫硝系統布置于省煤器之后，空預器之前（見圖1），其工藝流程為：來自存儲罐的液氨靠自身的壓力進入蒸發器中，被熱源加熱蒸發成氨氣，氨氣經由稀釋風機來的空氣在混合器混合稀釋，被注入到SCR 前與煙氣充分混合均勻后通過噴氨層進入催化劑，進而產生化學反應，氮氧化物即被脫除。

圖1 SCR 脫硝系統的工藝流程

在某次機組啟動時，脫硝系統試投階段發現脫硝稀釋風機出口壓力較上周期上漲0.2 KPa，懷疑系統管路存在堵塞情況，隨即對系統閥門開關狀態進行排查，未發現異常。進而對噴氨管道進行檢查發現管道存在悶響，立即采取隔離措施解開分支法蘭螺栓，發現有大量水流出（見圖2）。

圖2 脫硝供氨管道積水

2 管道積水原因分析

2.1 液氨品質分析

該廠所用氨為外送液氨，由本廠化驗班負責對液氨品質進行抽檢，通過相關液氨標準（見表1）和化驗結果（見下頁表2）可知，所用液氨殘留物含量≤0.2，純度≥99.8%，符合使用標準要求，即液氨品質差、含水量高造成供氨管道積水的可能性被排除。

表1 液氨質量標準

表2 液氨化驗結果

2.2 供氨系統分析

供氨系統可能造成管路進水的源頭有兩處，一是液氨蒸發裝置盤管穿孔，二是機組化學加藥間配氨箱反吸，現針對這兩種原因進行分析。

2.2.1 液氨蒸發裝置分析

如圖1 所示，該廠液氨通過蒸汽氣化裝置加熱成氣態進行供氨，若密封盤管發生穿孔則可能造成蒸汽大量進入供氨管道冷凝成液態水阻塞管道。為判斷此論斷是否成立，先對運行中的裝置進行檢查，未發現管路有異音產生；進一步隔離氨氣蒸發系統，打開緩沖槽排污門底部未發現有積水（氨氣經蒸發槽蒸發后進入緩沖槽，若有水產生則會帶入緩沖槽），此種原因造成供氨管路進水的可能性被排除。

2.2.2 配氨箱倒吸分析

該廠機組化學加藥間配氨箱所用氨是由供氨管道分支管供給的，由于氨的特殊理化特性（氨溶于水的噴泉效應），在機組停機時會產生配氨箱內的水倒吸進入管道的現象。但配氨箱在機組0m，積水供氨管道在機組46 m，從力學原理上分析，在沒有其它外力的情況下水柱自然上吸的高度最多只能達到約10 m（標態下），不具備流入供氨母管的可能。

2.3 關聯系統分析

該機組脫硝系統采用的是蒸汽吹灰+聲波吹灰設計，其中稀釋風機出口管原設計一路分支管為吹灰器密封風管，當進入蒸汽吹灰器吹灰程序時，會造成部分蒸汽倒流進入稀釋風系統，存在在供氨管道內凝結成水的可能（見圖3）。但現場核實該密封風管路閥門在多年前已執行變更加裝堵板封閉，密封良好，此原因導致供氨管路積水的可能性被排除。

圖3 脫硝關聯系統介質流向圖

2.4 噴氨裝置本體分析

如前述所敘，該機組脫硝系統采用的是蒸汽吹灰+聲波吹灰設計，且鍋爐系統吹掃也采用蒸汽吹灰設計，當機組停運、吹灰程序持續執行時，極易造成煙道內聚集大量蒸汽。在常溫常壓下氨極易溶于水，1 體積的水可溶解700 體積的氨，可瞬間使密封氨系統形成真空負壓。在機組停機，同時稀釋風機停運的情況下，煙道內聚集的蒸汽會通過噴氨層噴嘴（獨特的錐形構造利于形成虹吸，見圖4）跟供氨管道內殘余氨氣混溶形成虹吸（即氨常見的噴泉效應），大量蒸汽被源源不斷地吸入到供氨管道內，經冷凝后形成積水堵塞管道，這與現場實際發生的狀況一致。

圖4 脫硝噴氨層

3 試驗論證

為驗證上述分析結果，特在該機組停機時段進行相關試驗：

1）機組停機后，投運吹灰輔汽程序，持續投運稀釋風機12 h 以上，觀察供氨管道是否存在積水。

2）停運稀釋風機，吹灰輔汽程序投運，模擬煙道內蒸汽聚集，噴氨層充滿蒸汽狀態，觀察供氨管道內積水情況。

如圖5 所示，該機組于當日時間12：57 停運，保持稀釋風機持續運行至次日14：55，期間聽取供氨管道內流介質聲音正常，無水流動聲；打開供氨管道濾網排污門觀察正常，無水流出；檢查脫硝附屬系統無異常現象。本試驗證明，機組停機后，在稀釋風機持續投運的情況下，由于噴氨層噴嘴保持正壓運行，破壞了虹吸條件，管道內的殘余氨氣不能與煙道內的蒸汽有效溶合，供氨管道內不會產生積水。

圖5 機組負荷與稀釋風機運行時間圖

稀釋風機停運后至當日夜間22：00 檢查脫硝系統發現，稀釋風機空氣濾網處有蒸汽冒出，用聽針聽取供氨管道有水流動聲音，打開供氨管道濾網排污門有水流出，解開最低點法蘭螺栓發現有大量水排出，而在恢復管路連接，切斷蒸汽供給后，供氨管道內再未發現有積水產生。本模擬試驗再次驗證，在機組停機噴氨層達到了虹吸條件時，供氨管道內會產生大量蒸汽冷凝積水。

4 防治措施

供氨管道積水原因分析清晰后，可從兩方面制定防治此類型脫硝機組供氨管道積水的技術措施：一是切斷介質來源；二是破壞虹吸條件。

4.1 介質源頭控制

此系統產生虹吸的兩種介質為管道內殘余氨氣和煙道內聚集的蒸汽，其中氨氣可通過執行停機操作后關閉供氨閥門，并進行管路吹掃得以清除；蒸汽則可以通過在停機后停止相關吹灰操作或關斷機組供輔汽閥切斷源頭。

4.2 虹吸條件控制

如本文試驗論證中所述，機組停機時，當脫硝稀釋風機持續投運時，噴氨層噴嘴處始終處于正壓輸出狀態，破壞了虹吸條件的發生，可有效阻止供氨管道積水現象的發生。

對比以上技術措施，對供氨管道進行吹掃的操作，執行相對復雜，每次停機需投入一定的人力資源；單純地停止機組吹灰操作，會同時停止如壓縮空氣吹掃、高壓水沖洗等程序，影響吹灰效果；持續投運稀釋風機，實行相對簡單，但投運時間長不利于機組的節能運行和設備檢修。考慮到技術措施執行的簡單性、安全性和經濟型，推薦在機組停機時，停止脫硝系統聯通煙道的蒸汽吹灰系統的輔汽供應，即關斷脫硝和空預器的蒸汽吹灰器的輔汽一次門。

5 結語

通過原理分析和試驗結果表明，導致該廠SCR系統供氨管道大量積水的原因為機組停機后噴氨層內聚集的蒸汽通過噴嘴與供氨管道內殘余的氨氣互溶形成了虹吸效應，使得蒸汽被大量吸入供氨管道內冷凝成積水。其中停機后蒸汽吹灰產生的噴氨層蒸汽聚集，供氨管道內有殘余氨氣，以及噴氨層噴嘴特有的錐形結構，構成了形成虹吸效應的必要條件。通過在機組停機時執行關斷脫硝和空預器的蒸汽吹灰器的輔汽一次門這種簡單、安全、經濟的操作即可解決該類型脫硝供氨管道積水的問題。

本研究為同類型火力發電機組供氨管道積水問題的解決提供了寶貴的經驗借鑒，也為由于氨的理化特性造成的類似虹吸效應啟發了相關思路，但仍有一些方面在今后需要深入探討和研究，如機組停機后持續運行脫硝稀釋風機多久能將供氨管道內殘余的氨氣稀釋排凈，達到為系統維護提供安全便利的條件等。