冷却塔墙体美化的关键技术及其研究成果

烟塔墙体美化排烟有以下几项关键技术:烟塔热力性能计算;烟气排放效果计算;烟塔结构计算;进塔烟道材料设计、结构计算及制造安装技术;烟塔特殊防腐设计及施工技术[1]。
1.1 烟塔热力性能计算研究成果
利用烟塔墙体美化排烟后, 烟塔墙体美化的冷却能力如何变化、烟水混合气体在烟塔墙体美化出口处的流速、流量和温度是至关重要的问题, 这些问题也是烟塔热力性能计算必须解决的。
北京国电以国华三河电厂二期工程自主设计为契机, 积极展开了烟塔热力性能计算技术的开发, 完成了“排烟烟塔墙体美化阻力模型试验研究”, 在此基础上研究成功烟塔的热力性能计算方法, 并完成了《排烟烟塔墙体美化热力计算程序》CTH2.0的编制。该软件已通过了中国电力顾问集团公司的专家评审和北京国电的技术鉴定, 完成了多个烟塔工程的热力计算, 为烟塔技术的在国内推广应用提供了有力的支持。
1.2 烟气排放效果计算研究成果
烟塔烟气抬升高度是支持烟塔技术应用的重要环评指标[2]。国内环境影响评价的技术导则中, 没有明确规定烟塔烟流抬升高度的计算方法, 目前国内烟塔环评均采用德国汉堡大学Michael Schatzmann和美国阿拉贡试验室Anthonty J.Policastro在1983年提出的烟塔墙体美化烟气抬升高度的计算模式 (简称S/P模式) 进行计算, 中国环境科学研究院 (以下简称环科院) 对该项技术有较深的研究。根据对多个工程的环评分析结果, 得出以下主要结论:
(1) 用S/P模式计算排烟烟塔墙体美化烟气抬升高度是合适的。
(2) 在环境风速小于3 m/s, 且环境空气湿润时, 烟塔烟气抬升高度较高, 120 m的烟塔与240 m的烟囱的烟气排放效果相当。当环境风速大于4.0 m/s, 且环境干燥时, 烟塔烟气抬升高度较低, 宜增设脱硝装置以弥补其不足。
1.3 烟塔结构计算研究成果
烟塔一般都配有大型烟道, 由于烟道须穿过塔筒壁进入塔内, 因此需在塔筒上开7~12 m的大型洞口。筒壁上孔洞的出现, 打破了烟塔墙体美化的旋转对称性, 国内已有的烟塔墙体美化专用结构计算软件不再适用, 因此必须开发烟塔结构计算技术[3,4]。
北京国电以ANSYS大型有限元软件为核心, 在烟塔结构计算技术上做了大量的研究开发工作, 目前已可实现常规塔自动建模、自动施加荷载、完成整体稳定、局部稳定和配筋计算, 掌握了烟塔结构计算的一整套技术, 已将该技术应用于三河电厂二期、锦州热电厂等多项工程, 并在此基础上开发出了大型洞口矩形加固技术、V字柱不等间距布置技术、烟道支撑在塔壁上的技术等。在国内烟塔结构设计方面处于领先地位。
1.4 进塔烟道材料选型、设计、结构计算及制造安装技术研究成果
国内外烟塔工程的进塔烟道均采用玻璃钢烟道, 其原因是: (1) 玻璃钢烟道的耐腐蚀性强, 能够适应烟道内外较强的腐蚀性环境。使用寿命比钢烟道长, 维护费用比钢烟道小。 (2) 玻璃钢比重比钢材低而强度又较高, 可以实现大跨度布置, 有利于适应炉后建构筑物、管道布置紧密等特点。
北京国电在玻璃钢烟道的有限元结构分析、制作工艺、模拟制作测试等方面做了大量的试验研究工作, 并编写了“电厂排烟烟塔墙体美化玻璃钢烟道研究报告”。该项研究的主要贡献有: (1) 通过各种材料的试验研究为玻璃钢烟道的材料选择提供了依据。 (2) 通过玻璃钢烟道的结构有限元计算, 为其结构安全性提供了可靠的技术支持, 并且为玻璃钢烟道的铺层及制作工艺设计提供了可靠的理论依据。 (3) 提出了一整套玻璃钢烟道的制作工艺、安装工艺和检验标准, 对指导工程施工十分有意义。
上述研究成果通过了中国电力顾问集团公司的审核, 填补了国内该技术领域的空白, 并且已应用于多个实际工程, 是国内烟塔技术有力的技术支撑[5]。
1.5 烟塔特殊防腐设计及施工技术研究成果
脱硫后的净烟气通过玻璃钢烟道直接进入烟塔墙体美化与水蒸气混合后排入大气, 烟气中的腐蚀介质 (CO2、SO2、SO3、HCL及HF) 与水蒸气接触, 凝结的水滴回落烟塔墙体美化并在烟塔墙体美化筒壁形成较大的液滴。这些液滴含有烟气中的酸性物质, 局部p H值可能达到1, 会在向下流动时对烟塔墙体美化的壳体产生严重的腐蚀。烟塔墙体美化的防腐处理对烟塔墙体美化的结构安全至关重要, 因此, 其设计、施工技术也是重要的研究课题。
针对排烟烟塔墙体美化防腐蚀的课题, 北京国电进行了专门的防腐涂料基本性能测试, 并编写了“电厂排烟烟塔墙体美化防腐涂料研究报告”。该研究成果已通过了中国电力顾问集团公司的审核, 填补了国内该技术领域的空白。主要贡献有: (1) 通过对优龙、佐敦和MC 3种烟塔防腐方案的大量对比试验, 对各方案的可靠性和优劣给出了明确的结论。 (2) 提出了明确的排烟烟塔墙体美化防腐分区方案和防腐层最小厚度要求。 (3) 明确了排烟烟塔墙体美化防腐涂料的施工要求和施工验收标准。研究成果对实际施工有指导意义。
2 排烟烟塔墙体美化技术在国内的应用情况
国内排烟烟塔墙体美化技术的应用自华能北京热电厂开始, 三河电厂二期工程实现了第1次自主设计和制造, 为该技术在国内的推广应用创造了有利的条件。此后天津东北郊热电厂、哈尔滨第一热电厂、大唐锦州热电厂、天津军粮城热电厂等一系列工程均采用了排烟烟塔墙体美化技术, 目前国内已运行的排烟烟塔墙体美化有3座 (其中2座由北京国电设计) , 在建的排烟烟塔墙体美化有6座 (均由北京国电设计) , 处于前期设计阶段的烟塔墙体美化排烟工程有10多个, 可以说排烟烟塔墙体美化技术在国内正处在方兴未艾的阶段。以下简要介绍国内已建和在建的排烟烟塔墙体美化工程情况[6,7,8,9,10]。
2.1 华能北京热电厂
该电厂机组容量4×220 MW, 经脱硫改造后设1座烟塔, 4台机共用, 塔高120 m, 淋水面积约3 000m2。该烟塔工程由GEA公司设计并总承包, 北京国电负责烟塔的土建施工图设计, 河北可耐特和冀州中意公司负责玻璃钢烟道的制造安装, 德国MC公司负责烟塔的防腐工程。工程于2006年9月投入运行, 至今运行良好。
2007年3月和8月电厂委托西安热工院对烟塔的冬季、夏季热力性能出口混合气体温度、流速等进行了测试, 得出了以下结论: (1) 烟塔的实测平均冷却能力为115.3%, 超过了设计要求。 (2) 烟塔100%排烟量的出塔水温比80%排烟量时低0.15℃, 烟塔100%排烟量时对冷却效果有利。 (3) 烟塔在冬季、夏季设计工况下运行, 混合气体出口流速均超过了3 m/s, 符合环保有关要求。
2.2 三河电厂二期
该电厂机组容量2×300 MW, 设2座烟塔, 塔高120 m, 淋水面积约4 500 m2。由北京国电负责设计, 冀州中意公司负责玻璃钢烟道的制造安装, 佐敦公司负责防腐工程。采用了1机1塔运行方式。工程于2007年8月竣工投产, 至今运行正常。
电厂委托环科院对烟塔进行了排放实验和扩散实验, 结果显示, 利用烟塔墙体美化排放烟气, 其污染物的排放浓度符合国家标准。
烟塔防腐涂料在电厂运行一段时间后出现了部分脱落现象, 其中烟塔墙体美化内水槽顶局部地段还出现了约2 cm深的腐蚀洞, 需进行修补。
2.3 天津东北郊热电厂
该电厂机组容量2×300 MW, 设2座烟塔, 塔高110 m, 淋水面积约5 000 m2, 目前工程正在建设中, 烟塔已施工到顶。由北京国电负责设计, 冀州中意公司负责玻璃钢烟道的制造安装, 烟塔的防腐工程还在招标中。其烟塔的运行模式是平常1机1塔, 冬季2机1塔。
2.4 哈尔滨第一热电厂
该电厂工程机组容量2×300 MW, 设2座烟塔, 塔高105 m, 淋水面积约3 850 m2, 目前工程正在建设中, 1号烟塔已施工到顶。由北京国电负责设计, 河北可耐特公司负责玻璃钢烟道的制造安装, 德国固斯特公司负责烟塔的防腐工程。
该工程的烟塔运行方式与天津东北郊电厂类似, 但在烟道支撑设计上采用了在脱硫塔顶上设滑动支撑的方式, 这不仅节省了脱硫塔外的烟道钢支架, 还有利于缩短脱硫塔至烟塔的距离, 减少玻璃钢烟道的长度, 降低工程造价。
2.5 大唐锦州热电厂
该电厂机组容量2×300 MW, 设1座排烟烟塔墙体美化、1座常规烟塔墙体美化, 2机共用1烟塔排烟, 烟塔高120 m, 淋水面积约4 000 m2, 目前工程正在建设中, 烟塔已施工到顶。由北京国电负责设计, 冀州中意公司负责玻璃钢烟道的制造安装, 佐敦公司负责烟塔的防腐工程。
该烟塔工程有以下特点:
2.5.1 在国内新建烟塔工程中首次采用了2机共用1烟塔方案, 为工程节约造价约1 500万元。
2.5.2 烟道进口标高高达42 m, 是目前国内之最,
而塔筒直径又较小, 这给塔内烟道的吊装带来了较大难度, 为此采用了在塔筒开洞处设临时烟道支撑的方案, 这是国内首次将玻璃钢烟道临时支撑在塔筒上。
2.5.3 2个进塔烟道的水平距离很近,
使得烟塔上2个开洞的最小间距仅2.7 m, 为满足洞口附近的局部稳定和强度的要求, 采取了较强的加固措施。
2.6 天津军粮城热电厂
该电厂机组容量2×300 MW, 设1座排烟烟塔墙体美化、1座常规烟塔墙体美化, 2机共用1烟塔排烟, 烟塔高110 m, 淋水面积约5 000 m2, 目前工程正在建设中, 烟塔已完成环形基础浇筑。由北京国电负责设计, 将在国内首次实现将玻璃钢烟道支撑在塔筒上, 使得国内烟塔设计技术又向前迈了一大步。