关键词：石灰石—石膏湿法烟气脱硫 浆液循环泵 变频 喷嘴
1 引言
超低排放改造完成后，浆液循环泵的数量、耗电量大幅度增加，脱硫厂用电率久居不下，对此国内许多专家针对浆液液位、密度及浆液PH等条件进行了分析研究，但前人研究均未涉及到浆液循环泵变频改造。
本文主要从理论方面分析了浆液循环泵变频改造的可行性，并结合现场试验，重点研究了变频改造后喷嘴喷浆量、脱硫出口硫含量、烟道阻力及浆液循环泵耗电量的变化情况。得到了浆液循环泵变频改造的可行性方案，对燃煤电厂进行变频改造具有实际指导意义。
2 研究背景
国电榆次热电有限公司现有两台330燃煤热电联产机组，采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺。脱硫超低排放改造前，一炉一塔（单塔单循环，三层喷淋，循环浆液量23700m3/h），设计硫份2.3%，脱硫效率95.3%，脱硫系统入口二氧化硫浓度不高于5000mg/Nm3，出口二氧化硫排放浓度在60-150mg/Nm3之间。工艺流程图如图1所示。
图1 超低排放改造前脱硫工艺流程图
国电榆次热电有限公司分别于2015年7月、10月先后完成了1号、2号机组超低排放改造。本次改造中将原单塔单循环烟气脱硫装置技改为单塔双循环烟气脱硫装置，增设AFT塔及两层喷淋（增加4号、5号浆液循环泵，其中5号浆液循环泵浆液喷淋高度最高，为35.5m）。工艺流程图如图2所示。
图2 超低排放改造后脱硫工艺流程图
超低排放改造完成后，烟气依次经过SCR（选择性催化还原法）脱硝反应器、空预器、电除尘，由引风机增压后进入脱硫系统脱硫，然后到达湿式除尘器进一步除尘，最后经烟囱排入大气。
增设AFT塔及两层喷淋后，烟气中二氧化硫的排放浓度经常会维持在3-6mg/Nm3，与超低排放要求35mg/Nm3相差较多。但停一台浆液循环泵又会导致出口二氧化硫达不到超低排放标准。此外由于机组ACE运行方式及配煤掺烧影响，负荷及出入口浓SO2度变化较大，需要长期保持4台及以上浆液循环泵运行，脱硫系统厂用电率从1.2%增加至1.7%。如何在满足超低排放要求的前提下降低脱硫厂用电率成为了火电企业亟需解决的问题。
3 变频改造理论分析
由于浆液循环泵的出力无法随机组负荷及出入口SO2浓度变化进行合理调节，因此本文主要考虑将一台浆液循环泵进行变频改造，用于调节出口烟气二氧化硫排放浓度，从而在超低排放标准内尽可能地降低厂用电率。由于超低排放改造后5号浆液循环泵功率最大，为800kW，扬程为35.5m，故本文将5号浆液循环泵作为研究对象。
3.1 系统
对于5号浆液循环泵而言，工作流程简图如图3所示：
图3 浆液循环泵工作流程简图
浆液循环泵将石灰石浆液从液面高度为21.9m的浆液池中抽出，打至35.5m高的喷淋层进行喷淋，从而吸收烟气中的SO2，降低SO2排放浓度。
（2-1）
（2-2）
（2-3）
（2-4）
（2-5）
（2-6）
（2-7）
3.2 变频改造对浆液循环泵运行环境的影响
国电榆次热电有限公司采用的浆液循环泵为离心式，其出口速度三角形为：
图4 浆液循环泵出口速度三角形
图中：
u2——泵出口圆周速度；
v2——泵出口径向速度；
w2——浆液与泵的相对速度；
浆液循环泵流量qv为：
（2-1）
其中：
A2——浆液循环泵出口面积；
v2m——浆液循环泵出口径向流速；
ηv——容积效率比，对于同一台泵基本不变；
（2-2）
其中：
D2——叶轮出口直径；
n——叶轮转速；
浆液循环泵扬程H为：
（2-3）
对于同一台泵变频前后有：
（2-4）
浆液循环泵功率P为：
（2-5）
其中：
ηm——浆液循环泵机械效率，对于同一台泵机械效率基本不变；
ηh——浆液循环泵流动效率，对于同一台泵流动效率基本不变；
联立（2-2）、（2-3）、（2-4）及（2-5）可知，浆液循环泵变频过程中，功率变化满足：
（2-6）
即，浆液循环泵功率之比与转速的三次方成正比，即可以通过变频方式改变浆液循环泵功率，从而降低脱硫耗电率。
3.3 变频改造对喷淋层喷嘴工作环境的影响
在浆液循环泵工作流程中有：
（2-7）
即降低浆液循环泵功率P，喷嘴入口浆液动压PB将会随之降低。当喷嘴一定时，射程会随着压力的降低而降低，而且喷嘴工作压力和喷嘴直径的比值在一定程度上反应了喷嘴的雾化程度。对于喷嘴，喷嘴工作压力和喷嘴直径的比值越小，液滴直径越大，雾化效果越差，浆液脱硫效果越差。
但是只要PB＞0（即P-ρg（HB-HA）＞0），也就是浆液循环泵功率大于浆液池液面和喷淋层之间的静压差时，浆液均能到达喷淋层进行喷淋，从而降低烟气中SO2含量。
4 现场实验
4.1 实验方案
一、在试验期间，要求负荷基本稳定为250MW（偏差不超过10MW），脱硫运行方式不变（1号、2号、3号、5号浆液循环泵同时运行）、供浆量不变；5号浆液循环泵频率不低于35Hz（经现场试验得，浆液循环泵频率为32.5Hz时，浆液无法达到喷淋层）。
二、试验方法：
1、确定负荷（250MW）及入口二氧化硫浓度（5000mg/Nm3）基本保持不变；
2、通知脱硫试验开始并尽量减少锅炉燃烧调整；
3、争取在整点后开始试验，以避免小时浓度均值超标；
4、降浆液循环泵频率至25Hz，待出口二氧化硫稳定后（此时段二氧化硫将超标）记录脱硫出口二氧化硫浓度值，该值为5号浆液循环泵投运前浓度；
5、然后分别调整浆液循环泵频率至35Hz、37.5Hz、40Hz、42.5Hz、45Hz、47.5Hz、50Hz，时间间隔为5分钟，并做好相应记录。
4.2 实验结果
（一）喷嘴浆液压力及喷淋变化情况
当浆液循环泵频率从27.5Hz增加至50Hz时，喷嘴入口浆液的压力如图5所示：
图5 不同浆液循环泵频率下喷嘴入口浆液压力
由图5可知，5号浆液循环泵在35Hz下浆液才能够到达喷淋层进行喷淋，因此在实际运行过程中需要严格控制5号浆液循环泵频率在35Hz以上。
现场试验过程中，浆液喷淋情况分别如图6、图7、图8所示：
图6 浆液循环泵频率为35时浆液喷淋图
图7 浆液循环泵频率为42.5时浆液喷淋图
图8 浆液循环泵频率为47.5时浆液喷淋图
由图6-8可以看出，浆液循环泵频率为35Hz时，浆液喷淋量很少，雾化效果差。随着浆液循环泵频率的增大，浆液喷淋量逐渐增大，雾化效果不断加强，脱硫效果也随之不断增强。
（二）脱硫烟气出口排放浓度变化情况
在250MW负荷情况下，保持入口硫（5000mg/Nm3）与脱硫运行方式（1号、2号、3号、5号浆液循环泵同时运行）基本保持不变，进行连续试验。试验结果如图9所示：
图9 出口硫均值随浆液循环泵频率变化
由图9知当浆液循环泵频率由25Hz增加至35Hz时，出口硫均值由99.7mg/Nm3迅速降至32.2mg/Nm3，此后出口硫浓度随浆液循环泵频率的增大而逐步降低，即浆液循环泵频率为25Hz时，浆液无法到达喷淋层喷淋，而浆液循环泵频率为35Hz时，浆液可以喷淋，从而大幅度降低了出口硫浓度，随着变频开度逐步增大，浆液喷淋效果越来越好，出口硫浓度也就越来越低。由此可知，5号浆液循环泵频率可调整范围为35Hz-50Hz，具备变频改造的条件。
（三）烟道阻力变化情况
图10 实验期间烟道阻力变化图
由试验期间截图可以看出，当负荷基本保持250MW不变时5号浆液循环泵频率若降至25Hz，则烟道阻力降低至1.1kPa，即浆液无法到达喷淋层，净烟气中的SO2浓度急速升高，超标排放。浆液循环泵频率由35Hz（烟道阻力为1.2kPa）逐步增加时，烟道阻力随之逐渐增加，即浆液可以到达喷淋层进行喷淋，且随着变频器的出力增加，喷淋效果逐渐变好，净烟气中SO2浓度随之降低。当5号浆液循环泵频率增至50Hz时，烟道阻力为1.7，增加了0.5kPa。
（四）耗电量分析
浆液循环泵电流随浆液循环泵频率变化关系如图11所示：
图11 浆液循环泵电流随频率关系图
浆液循环泵耗电量随频率关系如图12所示：
图12 浆液循环泵耗电量随变频器开度关系图
由图11、图12可知，浆液循环泵频率由35Hz增大至50Hz时，浆液循环泵的电流增加了38.37A，浆液循环泵耗电量增加了393.52kWh。由泵的相似性原理知浆液循环泵的功率与泵的转速三次方成正比，因此在保证出口SO2满足超低排放标准（即低于35mg/Nm3）情况下可以通过变频改造来降低浆液循环泵的转速，从而达到浆液循环泵节能的目的。图12中阴影部分就是浆液循环泵变频改造完成后的节能空间。根据机组负荷的变化，5号浆液循环泵最多可节能393.52kWh。
5 综合效益分析
5号浆液循环泵变频改造，会产生两部分节能收益：
一部分来自烟道阻力降低后，引风机出力降低，从而减少引风机厂用电率。5号浆液循环泵变频改造后，烟道阻力最多可降低0.5kPa，相应降低引风机厂用电率0.083%，即引风机年均最多可节约1666.23MWh，年均节能收益54.15万元。
另一部分来自5号浆液循环泵变频节约的电能。5号浆液循环泵变频改造后年均最多可节能3447.24mwH，年均节能收益112.04万元。
综上所述，5号浆液循环泵变频改造后年均最多可节能166.19万元。
6 结论
通过现场实验可以发现，浆液循环泵进行变频改造后，随着浆液循环泵频率的不断增加，泵的运行电流逐渐增加，同时喷淋层的浆液喷淋流量、喷淋效果随之提高。在不同入口硫、不同运行负荷工况下，变频调节能够在满足超低排放要求的前提下合理调节烟气出口硫含量，从而有效降低脱硫耗电率。
作者简介
范永，男，国电榆次热电有限公司，安健环部主任，高级工程师，从事火电厂运行、节能、环保、安全管理。
张晓东，男，国电榆次热电有限公司，副总经理，工程师，从事火电厂生产管理。
李松，男，国电榆次热电有限公司，集控运行值班员，助理工程师，从事火电厂集控运行。
本文来自于“2017年电力行业节能环保创新论坛”论文集，有删减
