崔超

(中國大唐集團科技工程有限公司，北京 100097)

0 引言

燃煤在發(fā)電過程中會排放大量的氮氧化物，燃燒1 t煤炭會產生5～30 kg的氮氧化物。氮氧化物是大氣的主要污染物，它與碳氫化物反應生成的光化學煙霧嚴重危害人類健康。另外，氮氧化物還是造成酸雨的一個主要原因，酸雨的頻繁發(fā)生給生態(tài)環(huán)境和國民經濟造成極大的影響。

為了達到“十二五”期間火電廠大氣污染物總量控制與達標排放的目標，滿足氮氧化物排放限值以及政府提出的限期開展煙氣脫硝改造的要求，各地火電企業(yè)都在積極進行煙氣脫硝改造。相關資料顯示，2013年全國超過700臺火電機組進行了脫硝改造。

對于國內的煙氣脫硝設計技術，目前國內尚處于消化吸收階段，創(chuàng)新明顯不足，個別技術細節(jié)仍停留在工程反饋后重新進行認識和矯正的階段。煙氣脫硝總承包(EPC)工程項目管理研究是一個系統(tǒng)工程，設計管理是總承包工程項目管理的一個重要組成部分，總結煙氣脫硝技術和設計管理的特點，有利于進一步加強精細化設計管理。

1 選擇性催化還原法煙氣脫硝技術特點

適用于燃煤電廠鍋爐的煙氣脫硝技術主要有低氮燃燒技術(LNB)、選擇性非催化還原脫硝技術(SNCR)、選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術等。在眾多的脫硝技術中，SCR是脫硝效率最高、最成熟的脫硝技術，SCR已成為目前國內外電廠脫硝的主流技術［1］。SCR煙氣脫硝技術具有如下特點。

1.1 與主機運行密切相關

煙氣脫硝的主要反應原理是:煙氣中的氮氧化物與噴入煙道的氨氣在高溫及催化劑作用下進行反應，生成氮氣和水蒸氣。煙氣脫硝系統(tǒng)主要包括還原劑儲存與制備系統(tǒng)和煙氣系統(tǒng)。煙氣脫硝系統(tǒng)與煙氣脫硫系統(tǒng)相類似，設備不多。煙氣脫硝系統(tǒng)屬于電廠的一個子系統(tǒng)，而煙氣脫硫系統(tǒng)則相對獨立，若個別設備短期故障或者停運，一般不會影響脫硫系統(tǒng)和主機的安全運行。煙氣脫硝系統(tǒng)的煙氣來自鍋爐省煤器出口的高溫煙氣，一旦脫硝系統(tǒng)設備發(fā)生故障，會直接影響主機的運行安全，甚至會造成停機。

1.2 安全要求高

還原劑的選擇是影響SCR脫硝效率的主要因素之一，它具有效率高、價格低、安全可靠、存儲方便、運行穩(wěn)定、占地面積小等特點。目前，常用的還原劑有液氨、尿素和氨水3種類型。由于液氨來源廣泛、價格便宜、投資及運行費用少，因而國內大多數(shù)SCR裝置都采用液氨作為SCR脫硝還原劑。液氨屬于危險品，對于存儲、卸車、制備、采購及運輸路線等均有較為嚴格的規(guī)定。

1.3 鋼結構設計復雜

SCR脫硝裝置通常采取高塵布置，即按煙氣流程布置在鍋爐省煤器和空氣預熱器之間。脫硝反應器是一個鋼架結構體，它包括反應器殼體、催化劑、氨噴射與導流裝置、反應器內部支撐與支撐鋼架，整體坐落在獨立的構架平臺上。此外部分SCR輔助設備(稀釋風機、混合器、吹灰器)也布置在反應器平臺上。因此，作為SCR脫硝裝置主要部件的反應器，其溫度高、三維變形大、荷載大，需要對其進行線性靜態(tài)分析及勁度矩陣計算，鋼結構設計十分復雜。

1.4 反應器及支架布置困難

大部分的改造項目爐后的空間狹小，一般沒有預留脫硝裝置空間，地上布置有風機、煙道及支架，地下設施和管線復雜。在這種條件下，反應器及支架布置困難，無論是加固原有煙道支架，還是插空新立鋼支架，施工難度都較大，工期不確定因素較多。

1.5 鍋爐改造難度大

煙氣一般從鍋爐省煤器出口引出，經反應器與氨氣反應后，再返回空氣預熱器入口。當引出和接入煙氣時，要對鍋爐尾部鋼架局部進行加固和改造。因鍋爐鋼結構比較復雜，加固核算需要非常專業(yè)的知識，還要熟悉原有鍋爐鋼架計算模型，所以，一般需要鍋爐廠專業(yè)技術人員才能完成這部分的設計工作。

1.6 流場要求高

不同類型的氨噴射混合技術都必須進行煙道及反應器流場計算和物理模型試驗，優(yōu)化調整反應器進、出口煙道的外形和布置方式、導流板的形狀和位置、噴氨格柵的布置位置等，使反應器入口煙氣流場達到一定的均勻程度。脫硝系統(tǒng)流場計算和物理流場模型優(yōu)化試驗范圍一般涵蓋從鍋爐省煤器出口到鍋爐空氣預熱器入口的全部煙氣系統(tǒng)，其中包含煙氣系統(tǒng)內的導流板、噴氨裝置、反應器入、出口煙道和反應器等。

1.7 涉及改造的系統(tǒng)多

1.7.1 低氮燃燒改造

國內切圓燃燒技術源自美國CE公司，從早期的集中送風高溫富氧燃燒到目前的多級空氣深度分級燃燒，在不同時期已發(fā)生了4次重大變化。目前國內采用了不同階段的低氮燃燒技術，雖然效果不同，但可以在一定程度上降低燃燒過程中NOx的生成量。排放質量濃度仍然較高的鍋爐(在名義工況下，通常大于600 mg/m3，下同)，如果不進行低氮燃燒改造而只進行選擇性催化還原法煙氣脫硝改造，相應改造投資與運行費用會大幅增加。經綜合考慮，無論是從機組達標排放要求還是從技術或工程實施角度、經濟性角度考慮，對鍋爐進行低氮燃燒改造是非常必要的。

1.7.2 省煤器除灰系統(tǒng)改造

目前，有些鍋爐未設置省煤器灰斗及省煤器輸灰系統(tǒng)，存在著輸灰不暢的問題，煙塵會在省煤器出口至反應器上升煙道水平段聚集，隨著煙氣流動，大量積灰會帶入后續(xù)反應器內，堵塞催化劑孔道。因此，在煙氣脫硝改造期間，需要增加省煤器灰斗或改造現(xiàn)有輸灰系統(tǒng)。若省煤器出口水平煙道較長，還需要在反應器入口煙道底部(即省煤器出口)增設小灰斗并設置輸灰系統(tǒng)，將SCR入口積灰及時排出。此外，還可在水平煙道上設置人孔，在水平煙道少量積灰的情況下，在機組小修期間，可通過人孔進行清除。

1.7.3 空氣預熱器改造

大多數(shù)機組空氣預熱器在設計初期并未考慮脫硝預留。因冷端元件高度預留不夠，脫硝系統(tǒng)投運后副反應生成的NH4HSO4沉積點會高于低溫段換熱元件高度，導致?lián)Q熱元件堵塞及腐蝕。若不采取改造措施，脫硝系統(tǒng)投運后會在下級換熱元件內產生NH4HSO4沉積，并在換熱元件內發(fā)生堵塞并出現(xiàn)腐蝕，影響空氣預熱器及整個機組的正常運行。考慮到上述情況，一般在脫硝改造的同時，需對空氣預熱器換熱元件進行更換，也對相關沖洗設備進行配套改造，以滿足機組穩(wěn)定運行的要求。

1.7.4 引風機改造

脫硝改造對引風機的影響主要是系統(tǒng)阻力的增加而使引風機出力也相應增加。在通常情況下，脫硝裝置增加阻力可按1000～1200 Pa考慮，對于引風機裕量不足的電廠，就需要對引風機進行改造。

2 SCR法煙氣脫硝設計管理特點

不同類別的工程都有其本身獨有的技術特點，隨之而來的設計管理也要對癥下藥，需要總結出一套行之有效的管理方法，才能達到事半功倍的效果。根據(jù)煙氣脫硝項目的特點和項目的實際執(zhí)行經驗，現(xiàn)將煙氣脫硝設計管理特點總結如下。

2.1 工期短

目前大多數(shù)電廠受煤價上揚和電價受限因素的影響，經濟效益不好，很多電廠負債率明顯偏高，職工收入多年沒有增長。加上脫硝電價尚未落實，即便落實后，根據(jù)目前政策也無法彌補脫硝運行成本。所以，大多數(shù)電廠對于脫硝改造并不積極，能拖則拖。可是，迫于全社會治理環(huán)境污染的壓力，脫硝項目又不得不上。這種矛盾的心理，造成了脫硝項目一旦開工，工期就會奇短;并且沒有拖延的余地，否則就會面臨停產。

一般來說，煙氣脫硝總承包單位介入半年至1年項目就要投運，而且項目進度要依賴于電廠停機檢修計劃及節(jié)點。需要在停機的半個月至2個月內完成煙氣系統(tǒng)的貫通、催化劑的安裝等重要工序。工期奇短，設備和鋼結構生產周期無法改變，安裝工期也無法進一步壓縮，給設計工期帶來了巨大的壓力。盡管相關部門一再強調禁止“三邊”(邊勘測、邊設計、邊施工)工程，但設計工期過短很容易成為“三邊”工程，如此局面會帶來很大的風險。一方面，設計人員在重壓和資料不全的情況下，其設計技術參數(shù)偏于保守;另一方面，由于圖紙未經校審和考慮不周，設計變更會比較多。在這種情況下，面臨著工期拖延和成本大幅增加的風險。

2.2 管理難度大

對于常規(guī)脫硝改造項目，設計管理人員一般會涉及眾多的相關單位、部門及個人:脫硝設備生產廠家(幾十家)、鋼結構設計單位、鋼結構制造單位、施工圖設計單位、初步設計審查單位、鍋爐廠、電廠、施工單位、現(xiàn)場項目部、公司內部各業(yè)務部門、設計院內部各專業(yè)人員、主管領導等。如果復雜一些的脫硝改造項目還要涉及低氮燃燒改造單位、空氣預熱器改造單位、引風機改造單位、除灰系統(tǒng)改造單位、空氣壓縮機系統(tǒng)改造單位等。短期內需要協(xié)調的單位和人員如此之多，管理工作量甚大。再加上脫硝項目很多，每個設計管理人員同時負責多個脫硝項目的設計管理工作，管理工作難度更大。

2.3 影響因素眾多

隨著脫硝項目管理幅度的增大，影響質量、進度和成本的因素也增多，稍有疏忽，就有可能出現(xiàn)問題，看似不是關鍵路線的工作也會變成制約項目執(zhí)行的關鍵環(huán)節(jié)。比如，在通常情況下，土建工作作為關鍵工作，啟動較早，若與設備廠家配合出現(xiàn)問題或遲遲定不了設備廠家，土建設計工作就受到制約，現(xiàn)場施工就會受到影響。又比如，鋼結構制造工期基本不變，如果前期鋼結構設計方案出現(xiàn)了問題或工藝方案出現(xiàn)較大調整，就會影響到后期的鋼結構交貨，進而影響到現(xiàn)場施工進度。再比如，鍋爐改造設計工期較難控制，因為這部分設計合同額較低，鍋爐廠不愿意做或對這部分改造設計工作不夠重視，假如工藝方案對鍋爐改動較大，就有可能被否決。若重新進行方案設計，又要耗費大量的精力和時間，工程整體進度就會受到較大影響。

2.4 行業(yè)跨度大

大多數(shù)脫硝工程的還原劑均為液氨，該產品屬于危險品。還原劑儲存及制備區(qū)域需要有化工行業(yè)設計資質的單位才能從事施工圖設計。脫硝又屬于電力工程項目，從事該項目的設計管理人員多為長期從事電力行業(yè)設計的相關人員，接觸的標準和規(guī)范也多為電力相關標準。若從事脫硝工程設計管理，又要跨行業(yè)對化工設計單位進行設計管理，在設計管理過程中，存在標準不一、習慣不同等差異，溝通起來較為困難。

2.5 相似度高

由于各個機組容量等級的爐后布置方式均有相似或相通之處，脫硝工藝基本一致，故脫硝裝置布置也可相互借鑒。在還原劑制備及儲存區(qū)域，工藝系統(tǒng)基本一致。一般來說，電廠可提供一塊空地作為還原劑制備及儲存區(qū)域。在通常情況下，該空間相對寬松，各項目之間也可相互參考并進行相應修改。

2.6 區(qū)域特點明顯

受各項目區(qū)域地址位置和氣候的影響，各項目需要考慮的工藝措施也不一樣。比如我國北方地區(qū)的項目，由于冬季氣溫偏低，液氨無法靠自身壓力流到蒸發(fā)器，就需要增加液氨輸送泵。北方冬季偏冷，管道就要考慮防凍保溫措施，反應器就要做緊身封閉。再比如，我國南方地區(qū)的項目，由于雨水較多，工藝設備露天布置很容易造成銹蝕，需增加相應的工藝罩棚，而在我國北方嚴寒地區(qū)就要把工藝設備放在室內。

3 SCR法煙氣脫硝設計管理建議

3.1 標準化模塊設計

由于煙氣脫硝工程大都類似，系統(tǒng)也不太復雜，可以根據(jù)執(zhí)行項目，總結經驗，將氨區(qū)和SCR法煙氣脫硝區(qū)分門別類做成標準模塊設計。對于提高工程設計質量、提高工作效率、縮短設計和采購工期都有很大的幫助。比如氨區(qū)布置圖，一般來說電廠提供氨區(qū)位置均為一片空地，場地基本不受太大限制，可以直接拿來就用，即便調整也是局部微調。還可以參考已執(zhí)行項目的氨區(qū)布置，挑選專業(yè)水平較高的設計人員進行標準化模塊設計，設備之間的相對位置基本固定，考慮到設備外形的差別不大，將設備間距適當放大，以滿足所有項目的需要。這樣就能避免設計人員花費很大精力對每個項目都要重新設計和布置一遍，節(jié)省了人力和物力。

3.2 借鑒以往工程的經驗

大部分常規(guī)脫硝項目的工藝流程與以往項目都類似。所以，在投標方案和工程量估算上，參考以往項目的布置和實際執(zhí)行工程量，有利于縮短設計時間，方案更加合理，工程量更加準確。在項目總結報告中要進行設計方面的工作總結，將項目設計的經驗與教訓反饋給相關部門及專業(yè)人員。在新項目執(zhí)行中，要注意學習借鑒其他項目的成功經驗，避免再次出現(xiàn)其他項目的失誤。要堅持學習同行的先進設計經驗，不斷改進設計方案，節(jié)約投資。

3.3 設計管理與采購、施工管理深度交叉

改進總承包設計流程，將各個階段的設計工作模糊化處理，采購與施工配合工作從項目啟動即著手配合，平行工作。比如，一旦中標或者項目正式啟動后，就一邊要開展設計工作，一邊進行設計、施工和鋼結構、流場計算等分包單位的招標工作，同時要進行催化劑、氨罐、進口設備等主要設備的采購工作。前期設計階段將設計過程作為關鍵路線，其他工作要圍繞著設計工作進行。一旦開工，就將施工作為關鍵路線，一切工作要根據(jù)施工進度進行調整。這樣的深度交叉，會大大縮短工期，在節(jié)省人力和成本的同時，也會創(chuàng)造更大的利潤。

3.4 項目團隊及早參與設計管理

團隊成員應盡早地參與工程項目的設計，從全局優(yōu)化的角度出發(fā)，及早考慮設計的可施工性、可操作性和可維護性。這樣，加強了方案優(yōu)化，減少了設計變更，從而達到節(jié)約成本、壓縮工期、提高質量之目的。

3.5 組建專家團隊

將個別有經驗的設計人員從繁瑣的低端事務中解放出來，讓他們從事與自身經驗和水平匹配的專業(yè)技術工作。優(yōu)化設計方案、處理設計問題、改進工藝流程，做好了這些工作以后，在解放設計人員的同時，也能創(chuàng)造更大的效益。

3.6 優(yōu)選設計單位

分包設計費用僅占項目總成本的一小部分，但是設計質量和進度卻對項目成本有很大影響。從“性價比”的角度來說，選好設計單位是非常重要的。推行全過程限額設計，將限額設計運用到項目設計的各個階段，在滿足質量和工期要求的前提下，最大限度地控制成本。

3.7 加強交流與培訓

許多設計人員脫硝工程設計經驗不足，對于個別技術細節(jié)把控不夠，很容易造成現(xiàn)場施工和調試運行出現(xiàn)問題?？偝邪鼏挝辉谠O計管理中應注重溝通，使總承包單位與電廠、設計院之間及總承包方內部各部門之間聯(lián)系通暢，使總承包工程各方之間溝通程序化、規(guī)范化，保證設計方案能在設計過程中及時得到反饋、優(yōu)化，從而有利于整個工程的順利實施及成本控制。

4 結論

分析了SCR法煙氣脫硝技術和設計管理特點，提出了幾點設計管理的建議，旨在通過開展設計管理研究，實現(xiàn)精細化設計管理，從而提高工程管理水平，向管理和創(chuàng)新要效益。

［1］西安熱工研究院.火電廠SCR煙氣脫硝技術［M］.北京:中國電力出版社，2013.