冷卻塔墻體美化的關鍵技術及其研究成果

煙塔墻體美化排煙有以下幾項關鍵技術:煙塔熱力性能計算;煙氣排放效果計算;煙塔結構計算;進塔煙道材料設計、結構計算及制造安裝技術;煙塔特殊防腐設計及施工技術[1]。
1.1 煙塔熱力性能計算研究成果
利用煙塔墻體美化排煙后, 煙塔墻體美化的冷卻能力如何變化、煙水混合氣體在煙塔墻體美化出口處的流速、流量和溫度是至關重要的問題, 這些問題也是煙塔熱力性能計算必須解決的。
北京國電以國華三河電廠二期工程自主設計為契機, 積極展開了煙塔熱力性能計算技術的開發, 完成了“排煙煙塔墻體美化阻力模型試驗研究”, 在此基礎上研究成功煙塔的熱力性能計算方法, 并完成了《排煙煙塔墻體美化熱力計算程序》CTH2.0的編制。該軟件已通過了中國電力顧問集團公司的專家評審和北京國電的技術鑒定, 完成了多個煙塔工程的熱力計算, 為煙塔技術的在國內推廣應用提供了有力的支持。
1.2 煙氣排放效果計算研究成果
煙塔煙氣抬升高度是支持煙塔技術應用的重要環評指標[2]。國內環境影響評價的技術導則中, 沒有明確規定煙塔煙流抬升高度的計算方法, 目前國內煙塔環評均采用德國漢堡大學Michael Schatzmann和美國阿拉貢試驗室Anthonty J.Policastro在1983年提出的煙塔墻體美化煙氣抬升高度的計算模式 (簡稱S/P模式) 進行計算, 中國環境科學研究院 (以下簡稱環科院) 對該項技術有較深的研究。根據對多個工程的環評分析結果, 得出以下主要結論:
(1) 用S/P模式計算排煙煙塔墻體美化煙氣抬升高度是合適的。
(2) 在環境風速小于3 m/s, 且環境空氣濕潤時, 煙塔煙氣抬升高度較高, 120 m的煙塔與240 m的煙囪的煙氣排放效果相當。當環境風速大于4.0 m/s, 且環境干燥時, 煙塔煙氣抬升高度較低, 宜增設脫硝裝置以彌補其不足。
1.3 煙塔結構計算研究成果
煙塔一般都配有大型煙道, 由于煙道須穿過塔筒壁進入塔內, 因此需在塔筒上開7~12 m的大型洞口。筒壁上孔洞的出現, 打破了煙塔墻體美化的旋轉對稱性, 國內已有的煙塔墻體美化專用結構計算軟件不再適用, 因此必須開發煙塔結構計算技術[3,4]。
北京國電以ANSYS大型有限元軟件為核心, 在煙塔結構計算技術上做了大量的研究開發工作, 目前已可實現常規塔自動建模、自動施加荷載、完成整體穩定、局部穩定和配筋計算, 掌握了煙塔結構計算的一整套技術, 已將該技術應用于三河電廠二期、錦州熱電廠等多項工程, 并在此基礎上開發出了大型洞口矩形加固技術、V字柱不等間距布置技術、煙道支撐在塔壁上的技術等。在國內煙塔結構設計方面處于領先地位。
1.4 進塔煙道材料選型、設計、結構計算及制造安裝技術研究成果
國內外煙塔工程的進塔煙道均采用玻璃鋼煙道, 其原因是: (1) 玻璃鋼煙道的耐腐蝕性強, 能夠適應煙道內外較強的腐蝕性環境。使用壽命比鋼煙道長, 維護費用比鋼煙道小。 (2) 玻璃鋼比重比鋼材低而強度又較高, 可以實現大跨度布置, 有利于適應爐后建構筑物、管道布置緊密等特點。
北京國電在玻璃鋼煙道的有限元結構分析、制作工藝、模擬制作測試等方面做了大量的試驗研究工作, 并編寫了“電廠排煙煙塔墻體美化玻璃鋼煙道研究報告”。該項研究的主要貢獻有: (1) 通過各種材料的試驗研究為玻璃鋼煙道的材料選擇提供了依據。 (2) 通過玻璃鋼煙道的結構有限元計算, 為其結構安全性提供了可靠的技術支持, 并且為玻璃鋼煙道的鋪層及制作工藝設計提供了可靠的理論依據。 (3) 提出了一整套玻璃鋼煙道的制作工藝、安裝工藝和檢驗標準, 對指導工程施工十分有意義。
上述研究成果通過了中國電力顧問集團公司的審核, 填補了國內該技術領域的空白, 并且已應用于多個實際工程, 是國內煙塔技術有力的技術支撐[5]。
1.5 煙塔特殊防腐設計及施工技術研究成果
脫硫后的凈煙氣通過玻璃鋼煙道直接進入煙塔墻體美化與水蒸氣混合后排入大氣, 煙氣中的腐蝕介質 (CO2、SO2、SO3、HCL及HF) 與水蒸氣接觸, 凝結的水滴回落煙塔墻體美化并在煙塔墻體美化筒壁形成較大的液滴。這些液滴含有煙氣中的酸性物質, 局部p H值可能達到1, 會在向下流動時對煙塔墻體美化的殼體產生嚴重的腐蝕。煙塔墻體美化的防腐處理對煙塔墻體美化的結構安全至關重要, 因此, 其設計、施工技術也是重要的研究課題。
針對排煙煙塔墻體美化防腐蝕的課題, 北京國電進行了專門的防腐涂料基本性能測試, 并編寫了“電廠排煙煙塔墻體美化防腐涂料研究報告”。該研究成果已通過了中國電力顧問集團公司的審核, 填補了國內該技術領域的空白。主要貢獻有: (1) 通過對優龍、佐敦和MC 3種煙塔防腐方案的大量對比試驗, 對各方案的可靠性和優劣給出了明確的結論。 (2) 提出了明確的排煙煙塔墻體美化防腐分區方案和防腐層最小厚度要求。 (3) 明確了排煙煙塔墻體美化防腐涂料的施工要求和施工驗收標準。研究成果對實際施工有指導意義。
2 排煙煙塔墻體美化技術在國內的應用情況
國內排煙煙塔墻體美化技術的應用自華能北京熱電廠開始, 三河電廠二期工程實現了第1次自主設計和制造, 為該技術在國內的推廣應用創造了有利的條件。此后天津東北郊熱電廠、哈爾濱第一熱電廠、大唐錦州熱電廠、天津軍糧城熱電廠等一系列工程均采用了排煙煙塔墻體美化技術, 目前國內已運行的排煙煙塔墻體美化有3座 (其中2座由北京國電設計) , 在建的排煙煙塔墻體美化有6座 (均由北京國電設計) , 處于前期設計階段的煙塔墻體美化排煙工程有10多個, 可以說排煙煙塔墻體美化技術在國內正處在方興未艾的階段。以下簡要介紹國內已建和在建的排煙煙塔墻體美化工程情況[6,7,8,9,10]。
2.1 華能北京熱電廠
該電廠機組容量4×220 MW, 經脫硫改造后設1座煙塔, 4臺機共用, 塔高120 m, 淋水面積約3 000m2。該煙塔工程由GEA公司設計并總承包, 北京國電負責煙塔的土建施工圖設計, 河北可耐特和冀州中意公司負責玻璃鋼煙道的制造安裝, 德國MC公司負責煙塔的防腐工程。工程于2006年9月投入運行, 至今運行良好。
2007年3月和8月電廠委托西安熱工院對煙塔的冬季、夏季熱力性能出口混合氣體溫度、流速等進行了測試, 得出了以下結論: (1) 煙塔的實測平均冷卻能力為115.3%, 超過了設計要求。 (2) 煙塔100%排煙量的出塔水溫比80%排煙量時低0.15℃, 煙塔100%排煙量時對冷卻效果有利。 (3) 煙塔在冬季、夏季設計工況下運行, 混合氣體出口流速均超過了3 m/s, 符合環保有關要求。
2.2 三河電廠二期
該電廠機組容量2×300 MW, 設2座煙塔, 塔高120 m, 淋水面積約4 500 m2。由北京國電負責設計, 冀州中意公司負責玻璃鋼煙道的制造安裝, 佐敦公司負責防腐工程。采用了1機1塔運行方式。工程于2007年8月竣工投產, 至今運行正常。
電廠委托環科院對煙塔進行了排放實驗和擴散實驗, 結果顯示, 利用煙塔墻體美化排放煙氣, 其污染物的排放濃度符合國家標準。
煙塔防腐涂料在電廠運行一段時間后出現了部分脫落現象, 其中煙塔墻體美化內水槽頂局部地段還出現了約2 cm深的腐蝕洞, 需進行修補。
2.3 天津東北郊熱電廠
該電廠機組容量2×300 MW, 設2座煙塔, 塔高110 m, 淋水面積約5 000 m2, 目前工程正在建設中, 煙塔已施工到頂。由北京國電負責設計, 冀州中意公司負責玻璃鋼煙道的制造安裝, 煙塔的防腐工程還在招標中。其煙塔的運行模式是平常1機1塔, 冬季2機1塔。
2.4 哈爾濱第一熱電廠
該電廠工程機組容量2×300 MW, 設2座煙塔, 塔高105 m, 淋水面積約3 850 m2, 目前工程正在建設中, 1號煙塔已施工到頂。由北京國電負責設計, 河北可耐特公司負責玻璃鋼煙道的制造安裝, 德國固斯特公司負責煙塔的防腐工程。
該工程的煙塔運行方式與天津東北郊電廠類似, 但在煙道支撐設計上采用了在脫硫塔頂上設滑動支撐的方式, 這不僅節省了脫硫塔外的煙道鋼支架, 還有利于縮短脫硫塔至煙塔的距離, 減少玻璃鋼煙道的長度, 降低工程造價。
2.5 大唐錦州熱電廠
該電廠機組容量2×300 MW, 設1座排煙煙塔墻體美化、1座常規煙塔墻體美化, 2機共用1煙塔排煙, 煙塔高120 m, 淋水面積約4 000 m2, 目前工程正在建設中, 煙塔已施工到頂。由北京國電負責設計, 冀州中意公司負責玻璃鋼煙道的制造安裝, 佐敦公司負責煙塔的防腐工程。
該煙塔工程有以下特點:
2.5.1 在國內新建煙塔工程中首次采用了2機共用1煙塔方案, 為工程節約造價約1 500萬元。
2.5.2 煙道進口標高高達42 m, 是目前國內之最,
而塔筒直徑又較小, 這給塔內煙道的吊裝帶來了較大難度, 為此采用了在塔筒開洞處設臨時煙道支撐的方案, 這是國內首次將玻璃鋼煙道臨時支撐在塔筒上。
2.5.3 2個進塔煙道的水平距離很近,
使得煙塔上2個開洞的最小間距僅2.7 m, 為滿足洞口附近的局部穩定和強度的要求, 采取了較強的加固措施。
2.6 天津軍糧城熱電廠
該電廠機組容量2×300 MW, 設1座排煙煙塔墻體美化、1座常規煙塔墻體美化, 2機共用1煙塔排煙, 煙塔高110 m, 淋水面積約5 000 m2, 目前工程正在建設中, 煙塔已完成環形基礎澆筑。由北京國電負責設計, 將在國內首次實現將玻璃鋼煙道支撐在塔筒上, 使得國內煙塔設計技術又向前邁了一大步。