基于价值工程的火电厂烟囱防腐方案遴选

烟囱是火电等煤炭工业烟气排放设施中必不可少的组成部分, 然而随着国内环保政策的日益严格和近年来湿法脱硫 (FGD) 技术的广泛应用, 再加上各火电厂脱硫时间的延长, 湿法脱硫后烟囱的腐蚀问题日益突出, 严重时甚至影响到机组的安全运行。在这种背景之下, 烟囱的各种防腐技术得到迅速发展, 国内外已投入使用的就有近20种。不同防腐方案的材料、过程、工期、成本、质量和实践效果有巨大的差异。白学利等[1]介绍了各种防腐技术及其在湿烟囱中的应用效果, 针对新型湿式烟囱的防腐和旧烟囱的防腐改造, 提出了GD–APC (杂化聚合材料) 复合聚合物结构层防腐技术。刘俊峰等[2]提出烟囱的防腐设计应综合考虑材料、烟气腐蚀等级、温度、湿度、压力、流场等因素, 加强施工质量监管, 制定验收标准。王勇强等[3]介绍了湿法脱硫电厂烟囱防腐的一般方法, 如钢管+泡沫玻璃砖、钛钢复合面板和玻璃纤维增强塑料内筒。

然而无论哪种防腐方案都只考虑了短期效益, 对电厂因选材错误或质量控制不当而出现防腐层大面积失效, 进而危及烟囱本体结构安全的问题缺乏考虑, 以至于企业可能遭受巨大的经济损失, 甚至存在严重的安全隐患[4,5]。为了从现有的常用防腐方案中选出一种使火力发电站能够以最低的成本可靠地获得最佳功能要求的方案, 本文运用价值工程原理[6], 从功能和成本的角度进行分析, 不单纯地选择低成本或者高功能的方案, 致力于选择合理的成本与功能组合方案。

1 价值工程的基本原理
价值工程 (Value Engineering, VE) 在第二次世界大战时期由美国通用电气公司开发, 由于当时战争消耗增加导致制造业出现材料短缺的问题, 被分配到采购部门的电气工程师Lawrence D.Miles开始寻找解决方法。价值工程也称价值分析, 是一种旨在提高价值的创造性活动, 通过科学有效的手段将目标生命周期成本降至最低, 同时保持产品或服务所需的功能[7]。“价值” (V) 指的是产品或服务所需的功能 (F) 和实现该功能的资源数量 (即成本C) 的比值, 即V=F/C。价值工程主要用于方案的评价和比较, 可以从多个方案中选出价值较高的方案, 或者价值较低的方案以作为改进对象, 被认为是解决与建筑业相关项目的功能、质量和成本效益的优化决策方法。它有助于更好地控制工程造价, 降低产品寿命成本, 提升产品性能, 提高资源利用效率, 优化资源配置, 从而达到经济效益和社会效益的双重目标[8]。

烟囱防腐施工往往需要火电厂双机组停运, 有施工周期长, 任务量大, 安全风险大, 造价高等特点。如果防腐措施失败, 烟气的腐蚀将直接影响到烟囱的结构安全。因此, 科学合理地选择湿式烟囱防腐方案, 对材料、施工技术和施工质量进行有效的管理与控制, 是湿式烟囱在电厂整个使用寿命 (或剩余寿命) 中都有效的保证, 能增强烟囱和机组整体的可靠性[9]。火电厂烟囱防腐方案的选择就是在成本与所需功能之间进行权衡, 这符合价值工程的基本思想。

2 价值工程在烟囱防腐方案遴选中的应用
2.1 工程概况
某火电厂计划安装2台机组, 2座炉膛共用1个筒形烟囱, 采用钢筋混凝土结构, 内筒为等径自支撑结构, 高220 m, 烟囱口直径7.2 m, 计划施工面积约5 000 m2。该发电厂采用石灰石-石膏湿法脱硫, 不设GGH (烟气换热器) , 烟囱的设计寿命为50 a。

2.2 项目分析
功能分析是价值工程活动的关键步骤, 它决定了活动的有效性。在项目设计阶段, 通过功能分析来取消不必要和不合理的功能, 发现缺乏的功能, 并确定必要的功能和实现这些功能的最小成本[5,6]。对产品功能与成本进行定量分析, 确定两者的关系, 是方案评价和选择的依据。首先要对功能进行定义和评估, 赋予各功能适当的权重, 使产品的功能结构趋于合理。

2.2.1 功能定义
功能定义是指用简单明了的语言表明价值工程对象的功能或特性。通过功能定义, 能够准确把握用户的功能需求, 抓住问题的本质, 加深对功能的认识, 为功能评估和方案改进建立基础。然而功能定义只解决功能的定性问题, 为了实现对功能量化, 还需要进行评估分析。

在对火电站烟囱防腐材料进行广泛调查, 收集各种防腐材料的技术性能和有关经济资料后, 对防腐工程的功能要求进行分析[10,11], 并绘制成如图1所示的系统图, 其中F1~F10表示10项功能指标。从工艺流程、施工方法、适应能力等方面选取了4种防腐方案。需要注意的是, 所有方案均拆除了原烟囱体的砖砌体内衬、隔热层和灰沉积平台, 只保留了烟囱筒 (即基体, 包括钢基、混凝土基和砖基) 。

图1 防腐工程项目的功能要求Figure 1 Function requirements of the anticorrosion engineering project
图1 防腐工程项目的功能要求Figure 1 Function requirements of the anticorrosion engineering project   下载原图

方案A──钛钢复合板。在烟囱壁添加新的由多块钛钢复合板焊接成型的排气管系统。其优点是耐用性好, 使用寿命长, 金属材料的强度高, 高空施工作业较少;但缺点是施工工艺严格, 需要对焊缝进行处理。

方案B──钢内筒+宾高德泡沫玻璃砖。在烟囱筒内设置由钢质内筒和轻质泡沫隔热耐腐蚀玻璃砖保护层组成的排烟内管系统。该方案施工方便, 材料的隔热和防腐性能良好;然而其机械强度较低, 且需要施工和维护的防腐区域大, 有许多高空作业。

方案C──结构性玻璃钢复合材料。整体预制成玻璃纤维增强塑料管, 现场采用钛钢螺栓压接在筒壁上。该方案具有良好的防腐性能, 对施工环境的适应性强;但在结构负载下的风险较大, 由于其受力所需, 难免要增加材料的厚度和用量, 因此大幅提高了建设成本, 并且施工难度较大, 施工工艺复杂, 高温下老化快。

方案D──功能性玻璃钢复合材料。如图2所示, 该复合材料一般分为3层结构, 即底涂层 (合适的固化剂与无溶剂混合树脂) 、结构层 (短切纤维与无溶剂树脂) 和面涂层 (合适的固化剂与无溶剂混合树脂, 再加入微米或纳米材料、阻燃材料等) 。对筒壁进行喷砂后依次在其上喷涂涂层材料, 整体厚度不小于2.5 mm, 能完全保护烟囱内壁[12]。该方案造价低, 耐腐蚀性能强, 且将耐磨阻燃材料添加在面涂层后可进一步提高性能, 但是施工要求较高, 并且要注意材料配方的选择。

图2 功能性玻璃钢复合材料的结构示意图Figure 2 Structural diagram of the functional fiber-reinforced plastic composite material
图2 功能性玻璃钢复合材料的结构示意图Figure 2 Structural diagram of the functional fiber-reinforced plastic composite material   下载原图

2.2.2 各功能的权重系数
由于各功能指标的重要性不尽相同, 因此要确定它们对工程总功能指标影响的权重[13]。于是邀请专家、用户和承包商对各功能进行评价 (总分为100, 分值越低说明该功能越不重要) , 为4种方案赋予相应的权重, 三评价方的分数权重分别为50%、40%和10%, 最后加权求和, 计算出功能重要系数Wi (i=1, 2, …, 10) , 结果见表1。

表1 专家、用户和承包商对防腐工程各功能重要性的评分Table 1 Scores for evaluating the importance of all functions of the anticorrosion engineering project given by experts, customers, and contractors     下载原表

表1 专家、用户和承包商对防腐工程各功能重要性的评分Table 1 Scores for evaluating the importance of all functions of the anticorrosion engineering project given by experts, customers, and contractors
2.2.3 功能系数
根据施工方式及功能重要性, 采用百分制对4种方案进行评分Si, k (其中k=A、B、C或D) , 加权计算得到各方案的功能评价系数Fw, k, 结果见表2。全部方案的功能评价系数总分 (S) 合计35.25, 则功能系数Fk=Fw, k/S。经计算, 方案A、B、C和D的Fk依次为0.247 614、0.245 735、0.249 610和0.257 041。

2.3 方案优选
本文的成本系数 (Ck) 是指该方案的生命周期成本 (工程造价) 与所有方案成本总和之比。各方案的价值系数Vk=Fk/Ck, 计算结果见表3。可见在4种防腐方案中, D方案的价值系数最高, 即采用功能性玻璃钢复合材料作为火电厂烟囱防腐工程材料是最优解决方案。

表2 4种防腐方案的功能评价系数Table 2 Function evaluating coefficient of four anticorrosion schemes     下载原表

表2 4种防腐方案的功能评价系数Table 2 Function evaluating coefficient of four anticorrosion schemes
表3 4种防腐方案的成本系数与价值系数Table 3 Cost coefficients and value coefficients of four anticorrosion schemes    下载原表

表3 4种防腐方案的成本系数与价值系数Table 3 Cost coefficients and value coefficients of four anticorrosion schemes
3 结语
火电厂烟囱的防腐工程一方面能增强烟囱防渗漏、防腐蚀的能力, 确保烟囱安全、机组顺利运行, 降低生产维护成本, 提高电厂工作效率, 另一方面也存在巨大的安全隐患, 需要付出相当的成本。烟囱防腐方案是权衡预期功能与成本之间的利弊后作出的选择, 适合用价值工程的思想来进行分析。价值工程虽然在很大程度上避免了某些主观因素的干扰, 但仍需依靠专家科学、公正、客观地对各项指标进行评价, 并且要求收集的数据尽可能可靠, 才能得到较准确的分析结果。实际应用表明, 基于量化计算的价值工程方法与以往单纯地比较各方案优缺点的做法相比, 能够更好地区分和比较各方案的优劣, 更科学地选择出最优的解决方案。