吸收塔塔壁振动大的原因分析和处置方案
摘要：发电设备中吸收塔是环保的关键设施，塔壁振动过大将严重影响燃煤机组的安全稳定运行。某燃煤电厂烟气脱硫装置（吸收塔）在运行过程中发生振动，经查询检修记录，以及排查浆液循环泵、扰动泵、氧化风机等设备，研究分析得出故障原因：振动源于氧化风机支管的堵塞和断裂，以及吸收塔液位控制过低、管网清洗不到位、管网设计不合理等影响因素。提出针对性、阶段性的处置方案，运行中就解决了振动问题，避免了燃煤机组的非计划停运所诱发的不利影响。
关键词：吸收塔；振动；氧化风管；液位；断裂；堵塞
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按照大气污染治理的相关要求，我国燃煤电厂已经全部安装了烟气脱硫装置，以减少燃煤中SO2的排放总量。目前国内大部分燃煤电厂引进吸收塔，采用石灰石—石膏湿法脱硫，该技术应用广泛，对环保设施的运行可靠性起到了尤为重要的作用。吸收塔塔壁振动是导致燃煤机组发生故障的一个主要原因。本文以我厂#34吸收塔塔壁异常振动的一次判断和处置为例，围绕异常原因，找出振动根源，实施解决方案，以避免机组发生不必要的停运，从而提高企业竞争能力，有效降低运行成本。
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脱硫装置配备5台浆液循环泵、2台扰动泵和3台离心式氧化风机，氧化风管为管网式。
2018年7月初，燃煤机组启动，吸收塔塔壁振动正常。7月下旬，检查发现吸收塔塔壁振动较大，经排查得知氧化风管层振动偏大，塔顶除雾器层振动一般，塔底无明显振动，综合认为塔壁振动在接受范围内，需进一步监视观察。8月初，监测发现振动明显增大，在总共7根氧化风支管中，#3氧化风支管振动最大，塔壁晃动幅度达1.5 cm。该振动对塔内壁防腐鳞片有潜在影响，对焊缝和支撑钢梁可能造成较大的潜在损害，对吸收塔的安全运行产生了极大威胁。
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2.1 检修记录查询
开机前对系统例行检查，发现#1氧化风支管断裂（图1），其他支管正常，未发现明显结垢堵塞。通过检修，恢复备用。喷淋层正常，除雾器有部分区域有一定程度的堵塞。
图1 #1氧化风支管断裂情况
2.2 与吸收塔关联转机的排查
在排查中可以停运设备，如除雾器冲洗暂停、石膏排出泵停运、短时停止供浆等，以减少振动干扰源，提高判断准确性。
2.2.1 浆液循环泵
在该塔设置的5台浆液循环泵中，通过监测在运的浆液循环泵出口、入口管道振动情况和切换浆液循环泵的方式，发现#1浆液循环泵入口膨胀节前的管道偶有振动，判断入口可能存在异物或者入口管道滤网发生了堵塞。浆液循环泵存在气蚀现象，多次注水反冲后，现象消失，待停机后进一步检查。通过泵的组合运行，未发现吸收塔振动发生明显变化，故初步排除浆液循环泵的问题。
2.2.2 扰动泵
在该塔设置的2台扰动泵中，泵出口母管有膨胀节，管道与塔壁系碳钢硬性连接。检查中发现#1运行泵的出口管道振动较大，带动工艺水冲洗水管发生振动。通过泵的切换，管道振动没有明显改观。通过比对扰动母管于塔壁连接处的振动，该区域的振动不是最大影响因素。
2.2.3 氧化风机
在该塔设置的3台氧化风机中，氧化区底部的断面上均匀布置了7根支管，每根支管布置了若干喷气孔。在排查氧化风管区域时，发现风管进塔处振动明显较其他区域大，其中以#3支管为最，振幅达1.5 cm，并且带动整个平台振动。
查阅DCS历史趋势，分析发现同一边界条件下氧化风机电流上升，氧化风压下降。通过氧化风加湿水前后风温度的测量，发现#3氧化风支管温度偏高（60℃，正常45℃左右，下同），#6氧化风支管温度过高（72℃），其它支管温度正常。分析认为，#3支管可能存在断裂，#6支管区域震动较小，推断其加湿水后风温度偏高是由加湿水喷头堵塞引起的。
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2013年底，吸收塔两炉一塔结构改造为一炉一塔，投运后存在一些问题，主要是吸收塔本体振动大、多台次氧化风机气封损坏。
就吸收塔本体振动大的问题，设计单位认为设计方面存在瑕疵。如图2所示，通过工字钢梁和环形加强筋对吸收塔变径区域进行加固，振动有明显减小。
就多台次氧化风机气封损坏的问题，专业分析认为这是由氧化风机与吸收塔液位不匹配所致。最初考虑降低吸收塔液位，即设计最低液位为16.8 m，液位下降至14.5~15.0 m运行，但却导致吸收塔氧化效果差，吸收塔亚硫酸盐含量偏高。后期多次尝试提升液位，但因担忧氧化风机的运行状态而放弃，因此该问题一直未得到彻底解决。结合实际运行情况，初步分析氧化风管堵塞和断裂的原因有三。
3.1 吸收塔液位控制过低
氧化风管入塔处标高11.0 m，实际运行液位在14.5 m附近，故风管在液面下有3.5 m偏差，而两者液位最小设计偏差为5.8 m。强制氧化方式采用离心风机作为空气动力源，经由氧化空气分配管向吸收塔氧化区的浆液中强制鼓入空气，空气中气泡中的氧气先行通过气泡壁面（即气液界面），溶解于浆液溶液，再与HSO32-离子发生氧化反应。大量氧化风通过氧化风支管鼓入浆液，产生气泡，带有一定的强湍流力，加速了氧气在浆液中的溶解。一旦氧化风支管断裂，大量的气流从断面处直接进入浆液中，再加上吸收塔液位控制得较低，对气流压制作用较小，在断面附近形成不规则的“沸腾”，对周边设备管道产生冲击，引发振动。吸收塔液位波动在DCS数据中未得以表征，但就地的软管液位计的液位波动极大，通过观察发现吸收塔液位有近0.5 m波动幅度，且极不规则，该波动也印证了塔内的不规则振动。
图2 吸收塔加固情况
3.2 管网清洗不到位
氧化空气管减温水冲洗系统的作用是减温和冲洗氧化空气管中的液滴和粉尘，保持管道喷孔表面清洁，防止氧化空气管结垢和堵塞，以维持系统正常运行。氧化空气管网的冲洗周期一般为氧化风机停运开启至投运时停止，若氧化空气管网清洗不充分，将引起结垢，最终引发管道断裂。此次氧化风管冲洗水采用的是中水，水质较差，经常有杂物堵塞加湿水喷嘴，一旦喷嘴堵塞，就要求氧化风机全停处理，极易诱发管道堵塞情况的发生。
3.3 管网设计不合理
管网设计时的开孔率不适当、管网的布置不合理或者管架固定不牢固，均会导致压力分布不均。局部压力过低使得浆液很可能进入主管或者支管内，久而久之，相应管道会被堵塞。另外，若氧化空气管固定螺栓未拧紧或螺母未用树脂封死，则螺栓长期与浆液接触，引起腐蚀断裂，造成氧化空气管道固定不牢。
当氧化空气管出现堵塞断裂现象后，管道内介质流量波动大，发生水锤现象，引起管道振动。管道在长期振动状态下运行，引起氧化空气管断裂，将加剧浆液的不规则波动，对设备安全运行产生一系列的恶性影响，严重时可导致机组非计划停运。
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4.1 前期处置
由前文分析可知，吸收塔振动源来自氧化风管层，其中#3支管振动可能性最大，#6支管加湿水堵塞可能性最大。根据安排，采取以下方案：
（1）在检修人员、物资、工作票和操作票等前提事宜安排妥当后，短时全停氧化风机；
（2）为#3支管加装堵板进行封堵；
（3）在封堵#3支管的同时，安排对#6支管加湿水喷嘴进行检查；
（4）如果处置后吸收塔振动未消失，则申请安排切机，停塔检查。
4.2 中期处置
在处置过程中，氧化风机预计全停2~3 h，该过程中氧化风短时缺失，导致湿法脱硫过程的氧化环节中断。强制氧化有助于提高脱硫效率、降低液气比，对烟气处理量以及SO2浓度变化的负荷有较好的适应性。但是强制氧化中断后，脱硫副产品石膏品质下降，更严重的是，氧化风缺失将导致系统亚硫酸含量高，可能会使石灰石“封闭”而引发净烟气排放异常。为了避免上述问题，在全停氧化风机前后执行以下措施：
（1）控制进入入口的硫份，降低脱硫负荷，减少亚硫盐的生成；
（2）提高吸收塔p H；
（3）处理期间，加大石膏排出泵运行，进行浆液置换，维持较大的供浆量；
（4）提前添加适量的脱硫增效剂；
（5）氧化风支管封堵后，恢复系统运行，利用氧化支管的冲洗水对剩余6根支管进行间断和连续相结合的冲洗，减少乃至防止氧化支管发生沉积堵塞。
8月6日16时，全停氧化风机，通过1h的处置，#3氧化风支管堵板加装完毕，#6氧化风支管加湿水喷头检查完毕（喷嘴确实发生了堵塞）。氧化风机启动后，吸收塔振动大幅减少，达到了预期效果。
4.3 后期处置
在9月初停机前，进行吸收塔液位提升试验，发现液位在16.3 m时，吸收塔外置临时液位计液面稳定，氧化风机振动、温度和风压正常。机组再次启动后，将运行液位提升到该液位，观察得知关联数据的变化不存在异常。
机组调停后进塔检查，确认#3氧化风管确实断裂，其他风管完好。将断裂处按要求修复，焊接后进行探伤检测，防止焊接工艺诱发氧化风支管再次断裂。专家通过对异常振动的分析，认同上述专业分析结果，倾向于对氧化风支管进行加固。同时我厂也要求设计单位解决吸收塔液位偏低问题，避免因吸收塔液位过低而诱发诸多不利影响。
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本研究针对吸收塔塔壁振动过大的问题，提出处置方案，避免了机组的非计划停运，有效降低了运行成本。在环保要求愈发提高的当下，必须保证环保设计的严谨性和后期施工的完备性，减少后期监理和运维的隐患。同时，后期运维必须在相关规程的指导下进行，以提升工程设计的可靠性。
作者 |杨法华
四川广安发电有限责任公司