AFT Arrow在电厂抑制硫化物排放中的应用

热电厂中SOx 的排放对于运营商来说仍然是个令人头疼的问题,但是一家波兰电厂在烟气脱硫装置的改造项目中采用了更好的方法。
这家波兰电厂始建于1960s ,直到1980s 也没有设置烟气处理系统(除了除尘系统以外),由于当时的法规并没有强制要求。多年以后, 环保要求发生了改变 ,电厂必须要满足环保要求,减少SOx和Nox的排放。
针对Nox的排放, 问题并不是很难解决,通过空气分级系统和低排放燃烧器的使用就可以满足环保要求。然后SOx 的排放问题就比较复杂,为此必须增加脱硫装置 (FGD) ,这样就大大增加了项目成本。并且, 电厂的布局通常不利于FGD装置的布置,因此在多数情况下烟气系统就变得更复杂。
烟气系统是传统燃煤电厂的基本组成部分之一。 此系统主要包括风机(推动烟气流动);烟风管道,此管道上安装有一些必需的元件,例如切断器,膨胀节,测量系统和导流装置;以及将烟气排放到大气的装置。
最近几年,烟风管道变得更急复杂,上面增加许多附件,例如弯头,切断器和膨胀节等。这种改变就需要了解烟气系统在新的设计条件下是如何运行的。烟气压降如何变化?系统关键部位的压力是多少?是否需要使用新的风机?所有的这些问题,只有对整个系统进行全面的流体力学分析才能解决。
烟风系统
我们讨论的烟风系统是来源于波兰西南部维斯瓦河畔的某一电厂。
此电厂有八台电力机组, 每台225 MW。在1998 年,增加了FGD装置。需要增加风机来克服流体流动阻力。第一阶段已增加了一套带有新烟风管道的设备。 但是第二阶段就更加复杂,需要将机组单元与FGD装置关联。需要进行水力学分析来判断系统能否正常运行以及是否需要做些修改。
第二阶段的主要目的是保障所有关联到FGD装置的机组能够正常运行。FGD装置仅用于四台机组,但是试验证明它能够处理高达6个机组的烟气, 这对此项目来说是有利的。
该发电厂的年平均负荷相当于六个运行中的发电机组, 有必要在安装过程中增加泄压管道,将烟道内的烟气直接排放到新烟道内,以防烟道内的压力过大。 如果超过六台机组运行,那么此管道相当于一个稳压器。 在计算模型中也可以预见这一点。
此项目涉及的烟气管道范围起始于每台机组风机的出口,终止于现有的与FGD相连的烟气管道。 除此之外,还建造了一个新的三向烟道, 包括从引风机到新烟囱的烟气管道。新的烟气管道最大直径达到13m ,这是设计的关键,尤其是水力学计算。
此装置已经正常运行两年多,每台机组的烟气脱硫都能满足的环保要求。目前为止,没有发生过任何严重的运行问题。
所有新烟气管道的设计工作都由 Energoprojekt Katowice SA完成, 这其中包括基本的工程设计, 土木工程包括3D模型的创建 (见图 1) 以及具体的施工安装, 还有就是水力学分析。监督了整个项目的实施过程直至所有工作完成,装置正常运行 。

图 1: 烟风系统的3D模型,红色为新烟风管道

流体流动
3D模型中分析的流体介质为烟气,默认按照可压缩流体考虑。已选择的计算工具能够处理烟气在三个维度的流动,因为只有这样的工具才能精确分析流体在非常大的烟气管道中的流动现象。
唯一的问题就是:是否这个方法总是合理有效的,是否只有这个方法才能获得可靠和精确的结果。当我们做调研时,经常会测试新的技术,并进行更详细的分析。但是在实际的工程计算中,由于耗时太多,这是不太现实的。
除此之外,需要提到的是:低速流体(达到0.3马赫)通常在计算中可以当做不可压缩流体来分析。在多数情况下,流体的密度变化是很小的。流动的流体没有足够的能量来克服气体膨胀的力。换句话说,气压不能导致气体密度发生很大的变化,从而可以当做不可压缩流体来处理。
通常来说,水力学计算可以通过手工计算,首先需要一个经验丰富的工程师,最开始能够意识到水力学上的问题,其次拥有一定的水力学计算的理论基础,能够解释计算结果。
然而,在计算机时代,人们可以使用特定的分析软件来进行水力学计算。目前进行此种类型计算的商业化软件更能够直接有效的解决水力学计算问题,其中包括AFT Arrow, 由AFT公司开发。 在此我们将上
述GDF烟气系统的数值分析结果呈现给大家,并将其与实际的电厂运营数据进行比较。
AFT Arrow 使用马赫数步进法针对每段管道同时求解5个方程:
− 质量守恒方程
− 动量守恒方程
− 能量守恒方程
− 气体状态方程
− 马赫数方程
每段管道分割成多段,每一段都要满足上述5个控制方程。与手工计算方法相比,这更进一步增加了计算的精度。

计算模型
基于烟气系统的3D模型在ARROW中创建了水力学计算模型。计算多个工况来验证系统在不同工况下的运行状况 。
计算模型考虑了每台机组对应的锅炉炉顶出来的烟气到新烟囱的所有管道,包括新建的、现有的、FGD装置内的、旁通管路和泄压管路。计算模型包含了烟气系统中的所有元件,包括弯头,补偿器,切断器和其他阻力元件。并且模型反映了每个元件在系统中的真实方位。
烟风系统中每个元件(如弯头,三通等)的局部阻力系数均由AFT Arrow 的通用数据库获得。烟风管道的粗糙度系数基于工程惯例取值。然后,直烟气管道的压降并不重要。
锅炉和静电除尘器处的压降通过一个元件来模拟。其阻力曲线来源于电厂提供的测量数据。FGD通过两个单元来模拟。第一个元件用来模拟压降,第二个元件用来模拟烟气量的增加。 通过对电厂实测数据的分析,确定了烟气脱硫过程中的流动阻力和截流流量。
推动流体在系统中流动的单元是每台机组处的风机(每台机组两台风机),它控制着燃烧室的真空度。转动元件(通常是进口叶片)维持着所需的真空度。
烟气系统也配有引风机(第一阶段建造), 用于克服经过FGD装置时的流动阻力和 FGD 相邻的烟气管道 (见图2)。引风机负责克服绿色区域的流动阻力,增压风机负责克服蓝色区的流动阻力。P-1压力测量位于FGD前的烟气管道上P-2位于增压风机后的烟气管道上。模型反映出风机运行状况相同。此处分析的目的是为了确定电机的容量,保证鼓风机能够使烟气顺利通过FGD装置。

图 2: FGD系统中风机的配置

实际测量
为了比较计算机模型得出的水力学计算结果和测量数据,选取了以下参数来比较:
a) 每个机组切断器之前的烟气压力
b) FGD收集器处的烟气压力
c) 通过FGD(两个单元C和D)的烟气流量
d) 通过泄压管道的烟气流量
e) 鼓风机电机额定功率
把上述的实际运行参数和计算结果比较。
结果比较
在比较结果之前,模拟的模型和实际的运行条件保持一致是非常重要的。这涉及到来自每台机组的烟气量和外界环境对烟囱自然通风的影响。由于缺少对每台机组烟气量的直接测量,我们需要根据每台机组的发电量来估计烟气流量和所有机组的总烟气量信息。
为了更好的比较,选取以下运行工况:
 所有机组均在运行 –工况I (发电量: 1758 MWe; 总烟气量: 7 389 920 Nm3/h)
 7台机组运行- 工况II (发电量: 1430 MWe; 总烟气量: 6 066 970 Nm3/h,机组5不运行)
 6台机组运行- 工况III (发电量: 1187 MWe; 总烟气量: 5 215 490 Nm3/h, 机组7和8不运行)
根据上述所述,最极端额工况在烟气流量最大时发生, 此时电厂负荷达到最大。为了稳定FGD收集器的正常压力,避免增压风机的破坏,
泄压管必须足够大,以便能够使烟气排到烟囱。当八台机组全部运行时,极端工况会长时间存在,除此之外,如果七台机组运行负荷非常大,也是可能出现上述极端工况的。于是前两种工况,我们均要考虑周全,保证机组正常运行。
为了比较现场数据和计算结果,闭式(或者接近闭式)泄放管作为第三个工况考虑。
已选择的运行工况代表运行的可能性大小取决于模拟的计算机模型是否准确以及软件对如此大烟气管道的分析能否满足设计流程。增压风机最大可能的电机负荷为6.4 MW,此负荷表明了风机所克服的流动阻力大小和系统压损大小。
结论
计算结果和系统的测量数据显示了很大的关联性。在每个工况下,每台机组切断器前的压力和FGD收集器处的压力和实际测量值仅有微小的偏差(计算机结果稍微偏高一些) ,主要由于以下因素导致:
 缺少每台机组的实际烟气量,只能依靠其他测量数据进行估算。
 每台机组的烟气管道内部均设有导流片。由于计算机模型没有考虑到导流片的影响,局部阻力系数通过软件自动获得,最终导致局部阻力系数取值偏大。导流片的增加,会降低局部阻力,能达到50%(取决于具体导流片的设置)。
 锅炉的阻力通过一个单元模拟,其阻力曲线基于每台机组的测量数据。然而,即使这些机组设计上完全相同,其阻力曲线在实际运行中也是会有差异的。
FGD系统的阻力主要取决于FGD的阻力,它是产生压损的最主要单元。这部分的阻力可以通过风机负荷来表达。结果在此区域显示出很大的匹配性,于是可以断定计算机模型准确反映出此部分的流动阻力 。
增压风机负荷的准确定义和通过FGD的烟气量,这对于分析是非常关键的环节。烟气量的微小偏差会使计算结果有些偏离,这可能是由于吸收器内水吸收量的不同导致。
在比较计算结果和测量数据的差异时,一个很重要的因素是测量仪表的精度。正如所述,测量数据都是通过普通的操作型测量手段实现,因此这些方法的精度不够高,也会产生一些偏差。
还有外界环境因素会影响烟囱的自然通风,这也会导致结果产生差异。外界环境的温度和压力是动态变化的,因此很难找到一个在特定参数下的环境与计算机模型匹配。这种影响是很明显的,测量的压差可达到几十到几百帕斯卡。
但是这里需要强调的是,计算机分析模拟是能够相对很好的反映系统的真实运行状况的,并且这种反映是可靠的。因此在这种类型的分析中默认情况下是把烟气当做可压缩流体来处理的。这样的计算工具与三
维流体分析相比更简单容易。创建这样的计算模型进行水力学分析可实现:
 确定烟气管道直径, 连接方式(三通)
 确定整个管网中各点的压力分布,判断是否会超压或汽化
 校核备用风机能否满足后续新系统增加或者对其他改造方案的校核
 可以分析系统在不同运行工况下的水力工况
此项目已经成功运行,每台机组的烟气经过脱硫装置后,其排放均满足环保要求。
GDF Suez Energy波兰的这家公司已实现目标生产模式,并正在完成新发电机组的建设, 被称为绿色机组,用于代替现有的8台机组, 这8台机组已经在2011年11月份关闭。新机组必须严格满足排放标准 (SO2 和 Nox均需 <150 mg/Nm3 粉尘<20 mg/Nm3 ) ,不需要增加额外的脱硫除硝装置。
并且, 对已有的机组1和7进行改造以提高效率,满足将来NOx的排放标准。目前机组1在2014年已经满足当时的工业放排标准和相关法律要求。
Adam Klepacki是Energoprojekt Katowice SA公司热力与动力工程部的工艺工程师,Trey Walters是AFT公司的总裁兼首席技术官。

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