脱硫氧化风系统节能及智能化运行

冉思平,徐育伟

摘要：国内90%以上火电厂采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，是目前技术最成熟、应用最广泛的SO2脱除技术。本文提出的基于“氧化控制”的二炉二塔脱硫氧化风集中自动监控分塔调节安全与节能智能控制技术，填补了湿法脱硫氧化阶段无监控、氧化风自动节能运行和集中共享按需配风等技术空白，节能效果达50%以上，整体提高脱硫系统运行水平，实现系统安全、节能、环保、共享、自动运行等显著成效。

关键词：氧化指数；安全预警；集中控制分塔调节；节能减排；智能化

0引言

目前火力发电厂SO2脱除技术普遍采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺，脱硫过程分为吸收、中和、氧化和结晶四个阶段，只有氧化阶段没有测控手段，导致氧化阶段浆液氧化指数没有有效测量、氧化风量没有可靠的调节依据，整个氧化阶段的监控处于失控状态[1]。而氧化阶段的精准监控才是提高脱硫效率、保证运行安全、防止发生环保事故和节约风机能耗承上启下的关键核心环节。

脱硫氧化风系统节能及智能化运行系统，针对目前火电厂脱硫过程氧化阶段存在的技术空白，设计并研发的基于“氧化控制”的二炉二塔脱硫氧化风集中自动监控分塔调节安全与节能智能控制技术，实现了氧化阶段的实现监控、氧化风量集中控制分塔自动调整，整体提高了脱硫系统运行的智能化水平、安全高效节能。响应国家提出的数字化电厂建设、灵活性改造和“3060”的宏伟目标，增强企业核心竞争力。

1 系统设计

滨海发电公司一期1、2号机组（2×1000MW）采用石灰石—石膏湿法脱硫工艺、一炉一塔双循环的全烟气脱硫装置。每套烟气脱硫装置的出力在锅炉BMCR工况和设计煤种煤质含硫量1.0%的基础上设计的，近几年机组负荷率在70%左右，燃煤含硫量常年维持在0.5%左右，有极大的节能潜力被挖掘。氧化风系统由氧化风机和搅拌器与空气喷枪组合组成，每套FGD装置设二台氧化风机，一用一备，每台风机电机额定功率900kW,风机为多级离心式，运行方式为手动,系统无在线监测和自动控制功能。

针对原1、2号炉独立运行的脱硫氧化风系统，设计一套脱硫氧化风集中自动监控系统（如图1所示），通过母管联接二台炉四台氧化风机集中自动控制同时为两台吸收塔供风。每台吸收塔新增一台浆液氧化分析仪实时监测浆液氧化指数，为脱硫系统安全运行实时预警，防止环保事故发生，为氧化风系统节能运行提供控制依据。每台多级离心风机入口更换氧化风专用稳压旋流风量调节装置，进入各吸收塔氧化风管新增一套分塔流量调节装置，通过氧化风量控制系统及自动控制算法，精确控制氧化风总量和自动匹配进入各吸收塔的氧化风量。

图1脱硫氧化风集中自动监控分塔调节系统改造

2 核心技术

（1）浆液氧化分析仪的实时监控和安全预警

浆液氧化分析仪实时取样分析吸收塔内浆液氧化指数，防止氧化不足导致的浆液中毒和SO2排放超标等安全环保事件发生[2]，安全预警；并将测量信号转换成4-20mA控制信号传回DCS系统用于控制氧化风机入口阀门的开度，以实现氧化风量及系统的自动节能运行。

图2 浆液氧化分析仪

（2）氧化风专用稳压旋流风量调节装置

高效的稳压旋流风量调节装置是专为脱硫氧化风机设计的流量调节装置，其节流损失小，叶片结构具有增压作用、具有维持较高风机出口压力的特性，能进一步提高风机效率。同时可防止浆液倒流和风机喘振，克服变频压力骤降的不适应性。

（3）氧化风量控制系统及自动控制算法

氧化风机总风量根据机组负荷、入口烟气SO2浓度和浆液氧化指数实现多参数融合的最优控制。根据二台吸收塔浆液氧化分析仪指数总体控制范围，自动控制离心风机入口稳压旋流风量调节装置开度，满足两台吸收塔氧化风总量随机组负荷和燃煤含硫量变化的连续精确调整；各吸收塔根据自身氧化指数与设定值偏差自动调整风量大小，通过分塔流量调节装置实现各塔风量按需自动匹配。

3 控制原理

原两台脱硫吸收塔独立运行，每台吸收塔配置两台氧化风机，运行方式一用一备。现利用母管联接形成集中控制分塔调节方式下的氧化风系统，控制原理如下图所示，整套系统提高了脱硫运行品质[3]、数字化精准水平，真正实现总体安全、共享、节能、环保、经济和自动运行

图3 控制原理图

（1）氧化指数实时监测

浆液氧化分析仪实时监控浆液氧化程度，测量信号4-20mA，量程0-1000ppm，作为风机入口流量稳压旋流调节装置和分塔流量调节装置的输入信号。

（2）氧化风总量控制

风机入口稳压旋流风量调节装置根据机组负荷和入口烟气SO2浓度变化实现氧化风量快速调整，最大化节约风机能耗；根据两台吸收塔浆液氧化指数实现精确调整。最终使两台分析仪读数的平均值控制在50-200ppm范围内。

1）根据两台机组负荷和入口烟气SO2浓度，提示氧化风机投运台数；

当S≥800MW×2800mg/m3×2时，2台氧化风机运行
当S＜800MW×2600mg/m3×2，且氧化指数≤200时，1台氧化风机运行
入口阀总开度	S=#1机组负荷×入口烟气SO2浓度+#2机组负荷×入口烟气SO2浓度
110%	S≥1000MW×3000mg/m3×2
100%	1000MW×3000mg/m3×2＞S≥1000MW×2800mg/m3×2
90%	1000MW×2800mg/m3×2＞S≥800MW×2800mg/m3×2
80%	800MW×2800mg/m3×2＞S≥800MW×2600mg/m3×2
70%	800MW×2600mg/m3×2＞S≥800MW×2400mg/m3×2
60%	800MW×2400mg/m3×2＞S≥800MW×2200mg/m3×2
50%	800MW×2200mg/m3×2＞S≥800MW×2000mg/m3×2
40%	800MW×2000mg/m3×2＞S≥800MW×1800mg/m3×2
30%	800MW×1800mg/m3×2＞S

表1氧化指数、机组负荷、SO2浓度和阀门开度关系

如上表所示，当S≥800MW×2800mg/m3×2时，提示“吸收塔入口含硫总量偏高，需投入第二台氧化风机满足浆液氧化所需”；

当S＜800MW×2600mg/m3×2，且氧化指数≤200时，提示“吸收塔入口含硫总量偏低，投入一台氧化风机即可满足浆液氧化所需”。

2）负荷+SO2浓度前馈：氧化风机入口风量首先根据二炉的机组负荷与入口烟气SO2浓度乘积之和快速同步调整4台氧化风机入口阀门开度，最大程度节约风机能耗；

3）分析仪精调：二台吸收塔分析仪测量值取平均值作为4台风机入口阀门精确同步调节的控制目标，以满足分析仪浓度测量值在设定控制范围内（浆液氧化指数控制范围50-200ppm）：

计算#1机组分析仪浓度与#2机组分析仪浓度平均值；

每30min判断该平均值是否控制在设定值50-200ppm范围内，由此控制氧化风机入口阀门开度。

（3）分塔流量控制

分塔流量控制只在两台吸收塔同时运行时启用，自动控制进入各个吸收塔氧化风量、按需匹配。

1）分别计算#1和#2吸收塔各塔入口含硫总量；

2）分塔流量调节融合单台入口含硫总量、流量计示数和各塔氧化指数进行控制：

入口含硫总量高的吸收塔，对应的分塔流量调节装置维持35%开度；

如图2，入口含硫总量低的吸收塔，以入口含硫总量高的吸收塔的流量计作为控制基准，并乘上低含硫总量与高含硫总量的比值，作为对应分塔流量参考值。例如，#1吸收塔含硫总量低于#2，则

#1流量计参考值=#2流量计读数×；

当含硫量低的吸收塔流量计读数超过参考值10%时，减小开度5%；同理当低于参考值10%时，增大开度5%；范围之内，开度维持不变。

图4 流量计参考值计算原则

判断各塔氧化指数与控制范围（50～200ppm）的关系。每30min，当该塔氧化指数＜50ppm时，分塔流量调节装置开度每次调小3%；每30min，当该塔氧化指数＞200ppm时，分塔流量调节装置开度每次调大3%。

4 效益分析

根据上述研究思路，滨海发电公司一期1、2号机组（2×1000MW）脱硫氧化风系统节能及智能化运行系统，作为全国首台套百万机组脱硫氧化风系统集中自动监控分塔调节改造项目，自投运以来浆液运行品质稳定、节能效果显著。

（1）提供了一套集中自动监控分塔调节系统，增强脱硫安全预警能力，防止环保事件发生。将浆液氧化指数稳定控制在50-20ppm范围内，防止燃用高硫煤时氧化不足导致的浆液中毒和SO2排放超标等安全环保事件发生。

图5 DCS组态画面

（2）脱硫氧化风集中自动监控分塔调节系统随机组负荷和燃煤含硫量的变化自动节能运行，实现二炉二塔脱硫氧化风系统设备和风资源共享、最大程度挖掘系统节能潜力。

图6 自动控制品质

机组负荷（MW）		入口SO2浓度（mg/Nm3）		入口阀门开度		电机电流		分塔流量示数（Nm3/h）		氧化指数
1号	2号	1号	2号	1号	2号	1号	2号	1号	2号	1号	2号
796.1	869.9	2758.0	2403.2	45.5%	45.3%	46.7A	50.5A	20858.6	17914.8	69.8	90.3
803.1	738.4	2489.1	2494.3	32.5%	33.0%	38.4A	49.1A	17760.7	16101.7	74.2	91.9
608.6	493.5	2571.4	2876.0	30.9%	31.6%	37.8A	49.0A	17890.0	15127.0	72.8	106.9
577.9	499.5	2661.3	2770.8	30.9%	/	38.1A	/	6446.9	6833.5	83.8	104.7
629.3	573.1	2452.1	2792.6	38.2%	/	40.9A	/	8341.5	7901.6	73.5	106.5

表2 节能效益

分析说明：

“二炉二塔”脱硫氧化风系统并联运行投自动，氧化风机入口阀门根据机组负荷和吸收塔入口SO2浓度自动调整所需氧化风量、节能运行；

分塔调节阀根据机组负荷和吸收塔入口SO2浓度，按需自动匹配进入各塔氧化风量；

900MW负荷时，更换原入口蝶阀为氧化风专用稳压旋流风量调节装置后，两台氧化风机运行，每台节约5A左右；800MW负荷时，每台节约14A左右；低负荷（700MW及以下）运行时，一台氧化风机运行，运行的氧化风机至少节约电流12A；另一台氧化风机完全停运；

综合节能效率60%左右，按年运行小时7000h计，平均每年节约约700万度电。

（3）以每度电煤耗0.3kg标准煤、0.745kgCO2、0.025SO2、0.012kg氮氧化物（NOx）,风力发电年度等效利用小2000h、光伏发电1500h测算，每年社会和经济效益分析如下:

	节约标煤(吨)	CO2减排(吨)	SO2减排(吨)	NOx减排(吨)	当量风电(kW)	当量光伏(kW)
1000MW机组	2100	5215	175	84	3500	4700

表3 社会和经济效益

（4）两台机组4台氧化风机由原先二用二备，实现70%负荷下一台氧化风机运行，降低风机日常运行和维护费用。

（5）浆液维持在最佳氧化状态，脱硫效率高，石膏纯度高、含水率低于10%。

5 结语

国内90%以上火电厂采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，该技术针对不同机组负荷和燃煤含硫量有极强适应性，适用于火电厂各种脱硫氧化风系统和氧化风机类型改造，应用前景广泛，可为我国绿色生态文明建设做出重要贡献。响应我国“3060”碳达峰、碳中和目标对国际的承诺，顺应潮流大势，关乎民族未来。同时不断创新、提升火电厂智能化运行水平，实现24小时不间断信息积累和高精度数字化控制，符合中央提出的新基建要求，加速传统产业和数字经济相融合、推动产业经济数字化，促进国民经济更好的发展。

参考文献：

[1] 李琪. 湿法烟气脱硫氧化空气量不足的原因及处理 [J]. 低碳世界, 2017, (29).

[2] 钦柏豪. 湿法烟气脱硫氧化空气量不足的原因及处理方法分析 [J]. 智能城市, 2020, 6(19).

[3] 汪应林. 湿法烟气脱硫氧化风系统优化对脱硫效率的影响 [J]. 节能, 2016, 35(01).

作者简介：

1、冉思平（1975—），男，工程师，从事电力行业烟气脱硫、脱硝、除尘、新能源节能、储能的工程建设。

E-mail：[e-mail]

2、徐育伟（1983—），男，工程师，从事火力发电厂灰硫设备维护的工作。

E-mail：[e-mail]

1