半干法烟气脱硫系统中喷水调节阀的控制及选型

    0 引言

    循环流化床（CFB-FGD）半干法烟气脱硫技术在燃煤发电机组和垃圾焚烧等工程的烟气净化中已广泛应用，该技术具有工艺流程简单、占地面积小、一次投资少、脱硫效率高、运行费用低、控制简单、负荷适应性好、单塔处理能力大等诸多优点，更由于其耗水量低，不产生二次污染，特别适合于烟气含硫量低的中小机组和缺水地区。

    1 喷水量对脱硫系统的影响

    脱硫吸收塔内的烟气温度控制是CFB-FGD半干法工艺控制的三个主要回路之一。为了使消石灰和SO2处于最佳的反应状态，提高SO2的吸收反应效率，需要向吸收塔内喷入适量的工艺水，降低并稳定烟气温度。

    在其他条件一定的情况下，系统的脱硫率随喷水量的增加而提高。当喷水量较小时，工艺水很快被蒸发，来不及在吸收剂表面形成液膜，喷水对脱硫效率的影响不大。而随着喷水量增大，烟气温度进一步降低，工艺水蒸发时间延长，粘附在吸收剂表面形成一定厚度的稳定液膜，使消石灰和SO₂的反应成为快速的离子反应，从而提高脱硫效率。因此，烟气温度越接近其露点温度，消石灰和SO₂反应的效果越好。但若烟气温度过低，脱硫灰的流动性下降，容易造成系统粘壁阻塞和结露，同时也不利于除尘器清灰。另外，烟气温度过低，烟气抽吸力小，不易上升，不利于烟气排放。因此，需要精确控制进入吸收塔内的工艺水量，使吸收塔出口的烟气温度高于露点温度形成温差并保持稳定，这样既可保证脱硫效率，又可保证整个系统安全运行，防止下游设备被腐蚀。

    2 喷水调节阀的应用及控制

    工艺水系统包括水箱、高压水泵、供水气动开关阀、雾化水喷嘴、回水气动调节阀和气动开关阀、流量仪表等组成。工艺水系统如图1所示。

图1 工艺水系统示意

    工艺水喷水调节阀装在回水管路上，同时在工艺水泵出口母管和回水管路上设有流量检测信号，二者之差值即为进入吸收塔的实际喷水量。由于工艺水泵出口母管流量相对稳定，通过调节回流水量，即可调节进入吸收塔的喷水量，使吸收塔出口烟气温度保持稳定。

    喷水调节阀的开度主要受吸收塔出口温度的控制，吸收塔的出口设有三个温度测量信号，并进行三取二计算，选择最佳温度作为控制信号。当循环流化床已经建立，吸收塔床层压降达到一个稳定值时，即可启动工艺水系统，此时吸收塔出口烟气温度目标值设定为高于露点30℃左右，喷水调节阀打开至全开位，并切换至自动控制模式。随着喷水调节阀的开度逐渐减小，雾化水量逐渐增加，最终吸收塔出口烟气温度降至设定值附近。当系统稳定运行时，调节阀的开度最小，并根据吸收塔出口烟气温度的变化自动调节。吸收塔床层压降低于设定值或脱硫系统停止运行时，工艺水系统随之停止运行，调节阀关闭。

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    3 喷水调节阀的选择

    由于正常工况下，调节阀长时间在相对较小的开度下工作，因此，需要选择适当的阀门类型和口径，为系统提供一个比较线性的安装流量特性，减小阀门的增益，降低过程偏差度。

    常用控制阀的理想流量特性有线性流量特性、等百分比流量特性和快开流量特性。

    控制阀与管路串联安装后，其理想流量特性会发生畸变，畸变的程度与系统的压降比S有关。压降比S<0.25时，线性流量特性演变为近似快开流量特性，等百分比流量特性演变为近似线性流量特性。因此从压降比S对流量特性的选择可参照：S>0.25～1时，宜选用线性流量特性阀；S<0.25时，宜选用等百分比流量特性阀。

    等百分比流量特性是指控制阀单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，其增益与流量成正比。等百分比流量特性控制阀在不同的行程处，如果相对行程变化相同，其相对流量的变化百分比也相同。

    优先选用等百分比特性控制阀的场合为：

    1）实际可调范围大。

    2）开度变化，阀上差压变化相对较大。

    3）管道系统压力损失大。

    4）工艺系统负荷大幅度波动。

    5）调节阀经常在小开度下运行。

    按半干法脱硫工艺控制流程的要求，在工艺水系统启动时，要求调节阀开度大，流量变化也大，且调节较灵敏；稳定运行时，阀门开度小，流量变化小，调节较平缓。可见喷水调节阀的特性要求与上述理想流量特性为等百分比的调节阀相吻合，因此，工艺回水管路上适宜选用等百分比的调节阀。

    4 喷水调节阀口径的计算

    4.1 调节阀口径的计算和选择

    1）确定计算流量Q。调节阀口径计算的流量，应是系统管路工作的最大流量Qmax，就是调节阀最大开度时的流量Q100。由工艺的物料平衡计算结果，综合考虑后确定。

    2）按规范和工艺要求选择管内流速，确定管径。

    3）估算管路的阻损ΔP1。管路的阻损为除调节阀以外的所有直管段、弯头、变径、手动阀门、节流装置等的阻力压降之和。

    4）按管路系统的压降比S确定调节阀的压降ΔP_V：

    5）按调节阀的压降ΔPV和流量Q计算流量系数C_V：

    其中，G为流体的相对密度。

    6）根据CV值查阅厂家资料选择阀门口径。

    7）按所选阀门流量系数CV重新计算压降ΔP_V，验算压降比S和实际可调比R_S。

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    4.2 调节阀应用实例

    某电厂300MW机组循环流化床半干法烟气脱硫工程中，相关参数和基本条件如下：

    BMCR工况下降温水用量31m³/h，水泵供水量46m³/h，雾化水喷嘴最大流量36m³/h，最小流量3.6m³/h，调节阀选择具有等百分比特性的V型调节球阀。

    调节阀口径计算如下：

    1）回水管路最大流量为42.4m³/h，最小流量为10m³/h。

    2）选择管径DN65，管内最大流速为3.57m/s（11.71ft/s）。

    3）管路阻损。直管段长度为35.4m，压损为100.64kPa，阀门和管件当量长度为16.51m，压损为46.91kPa，总压损为147.55kPa。

    4）初步确定调节阀的压降。选取压降比S=0.3，计算调节阀的压降ΔP_V=63.23kPa（9.17psi）。

    5）计算流量系数C_V=61.65。

    6）查手册选用阀门口径DN40，开度90°时流量系数C_V=77.3。

    7）重新核算压降比S=0.21，实际可调比R_S=13.7。

    按照如上方法计算和选用的调节阀，在工程实际应用中，具有良好的控制效果，能满足不同烟气负荷下所需工艺水流量的调节要求。