宋礦偉，　賴　暉

上海電氣電站集團(tuán)　上?！?01199

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660MW超臨界直流鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)方案的優(yōu)化

宋礦偉，賴暉

上海電氣電站集團(tuán)上海201199

在進(jìn)一步追求安全和節(jié)能的要求下，綜合考慮超臨界直流鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)采用鍋爐啟動(dòng)循環(huán)泵、大氣式擴(kuò)容器、361閥和背包疏水?dāng)U容器等設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)典型鍋爐啟動(dòng)疏水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終方案得到了實(shí)施驗(yàn)證，節(jié)水節(jié)能效果非常明顯。

超臨界； 直流； 啟動(dòng)疏水系統(tǒng)； 鍋爐啟動(dòng)循環(huán)泵； 361閥； 節(jié)水

印度某6×660MW超臨界燃煤機(jī)組電站項(xiàng)目是印度目前最大的發(fā)電項(xiàng)目，業(yè)主是印度誠(chéng)信公司，其動(dòng)力島由上海某工程公司成套設(shè)計(jì)供貨。由于印度市場(chǎng)的特殊性和印度業(yè)主對(duì)安全性、便利性、節(jié)約用水等方面要求苛刻，在鍋爐啟動(dòng)疏水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，一方面滿足鍋爐啟動(dòng)的靈活性要求，另一方面盡可能滿足節(jié)約用水的要求，經(jīng)實(shí)際投運(yùn)后證明，效果明顯，最終得到了業(yè)主的認(rèn)可。

1　鍋爐啟動(dòng)疏水系統(tǒng)介紹

啟動(dòng)分離器系統(tǒng)根據(jù)疏水回收系統(tǒng)的不同，可分為擴(kuò)容器式、循環(huán)泵式和不帶循環(huán)泵式三種[1]。

1.1上海鍋爐廠常規(guī)鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)方案

上海鍋爐廠的設(shè)計(jì)方案中，大多采用有鍋爐啟動(dòng)循環(huán)泵和大氣式擴(kuò)容器的方案(如圖1所示)，滿足鍋爐清洗和啟動(dòng)的要求[2]。系統(tǒng)運(yùn)行的流程為： 給水系統(tǒng)來水到混合器，通過啟動(dòng)循環(huán)泵進(jìn)入省煤器；在省煤器和水冷壁加熱后，經(jīng)汽水分離器進(jìn)行汽水分離，蒸汽進(jìn)入過熱系統(tǒng)，水經(jīng)貯水箱(或連接球體)返回至混合器，與給水系統(tǒng)來水一起進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)；同時(shí)，從貯水箱出口引出一路至大氣式擴(kuò)容器，此路一方面配合啟動(dòng)循環(huán)泵、鍋爐給水泵等參與分離器貯水箱水位控制，另一方面滿足鍋爐清洗調(diào)節(jié)水質(zhì)要求；大氣式擴(kuò)容器降壓降溫之后，飽和水可以返回凝汽器回收工質(zhì)，也可以直接排至循環(huán)水系統(tǒng)。

這種帶啟動(dòng)循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)，在機(jī)組啟動(dòng)初期疏水不合格時(shí)，通過水沖洗管路將疏水排入鍋爐疏水?dāng)U容器，再通過疏水泵排入系統(tǒng)外的水處理裝置(工業(yè)廢水處理系統(tǒng))；在水質(zhì)基本合格后，用循環(huán)泵將疏水打入水冷壁進(jìn)行再循環(huán)，實(shí)現(xiàn)工質(zhì)和熱量的回收。啟動(dòng)流量通過鍋爐給水泵來調(diào)節(jié)。

在啟動(dòng)循環(huán)泵投入運(yùn)行時(shí)，貯水箱出口的飽和水主要通過循環(huán)泵直接進(jìn)入鍋爐循環(huán)加熱，這種運(yùn)行方式同時(shí)回收了工質(zhì)和熱量，從而使鍋爐啟動(dòng)時(shí)間縮短，同時(shí)也節(jié)約能源。另外，在鍋爐循環(huán)泵處在事故狀態(tài)時(shí)，貯水箱出口水通過大氣式擴(kuò)容器回收至凝汽器，機(jī)組也可以實(shí)現(xiàn)無啟動(dòng)循環(huán)泵的運(yùn)行模式。

大氣式擴(kuò)容器運(yùn)行時(shí)會(huì)有大量工質(zhì)直接排空，浪費(fèi)很大，并且調(diào)試期間會(huì)造成鍋爐區(qū)域有大量的霧氣生成，影響環(huán)境。

圖1　啟動(dòng)循環(huán)泵和大氣式擴(kuò)容器方案

1.2361閥無循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)方案

東方鍋爐廠大多采用361閥無循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)方案，即汽水分離器分離出來的水進(jìn)入貯水箱，貯水箱出口水通過2個(gè)并聯(lián)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，即361閥進(jìn)入啟動(dòng)疏水系統(tǒng)。由于該調(diào)節(jié)閥是有效控制貯水箱水位的主要手段，緊急情況下可實(shí)行快開快關(guān)，同時(shí)該閥門起到減壓的作用，因此對(duì)該閥門調(diào)節(jié)和快速反應(yīng)等特性的要求非常高。在361閥后，系統(tǒng)分2路疏水，當(dāng)水質(zhì)不合格時(shí)，排往鍋爐疏水?dāng)U容器；當(dāng)水質(zhì)合格時(shí)，排往凝汽器回收工質(zhì)。

361閥和疏水?dāng)U容器的方案能較好地解決回收工質(zhì)的問題，但是汽水分離器分離的水直接排至凝汽器，無法回收該工質(zhì)熱量，啟動(dòng)過程中熱損失較大[3]。同時(shí)，由于閥后存在氣液兩相流問題，存在管路振動(dòng)、噪聲增大等風(fēng)險(xiǎn)[4]。另外，工質(zhì)進(jìn)入凝汽器，會(huì)引起凝汽器背包式疏水?dāng)U容器超壓、凝結(jié)水溫升高等風(fēng)險(xiǎn)。

1.3系統(tǒng)方案分析及項(xiàng)目面臨的問題

該項(xiàng)目原則上采用上海鍋爐廠的建議方案[5]，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)主要是完成鍋爐啟動(dòng)清洗(水沖洗)和鍋爐運(yùn)行方式干濕態(tài)轉(zhuǎn)換的工作。對(duì)于上海鍋爐廠的典型方案，鍋爐啟動(dòng)清洗主要有冷態(tài)開式清洗、冷態(tài)閉式清洗、熱態(tài)開式清洗和熱態(tài)閉式清洗。推薦清洗流量為25%～30%BMCR(鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量)。開式清洗的流程是： 凝汽器→低加→除氧器→高加→啟動(dòng)循環(huán)泵→省煤器→水冷壁→分離器→貯水箱→大氣式擴(kuò)容器→地溝/循環(huán)水管。閉式清洗的流程是： 凝汽器→凝結(jié)水精處理→低加→除氧器→高加→啟動(dòng)循環(huán)泵→省煤器→水冷壁→分離器→貯水箱→大氣式擴(kuò)容器→凝汽器。

當(dāng)停爐長(zhǎng)于150h時(shí)，為了清理受熱面和給水管道系統(tǒng)中存在的雜物、沉積物和因腐蝕而生成的氧化鐵等，啟動(dòng)前必須對(duì)管道系統(tǒng)和鍋爐本體進(jìn)行冷態(tài)和熱態(tài)清洗。首先對(duì)鍋爐進(jìn)行冷態(tài)開式清洗，一般清洗1次，約3h。當(dāng)貯水箱出口水質(zhì)Fe含量小于500μg/L、SiO2含量小于100μg/L時(shí)，啟動(dòng)鍋爐疏水泵，投入凝結(jié)水精處理，改善水質(zhì)，鍋爐進(jìn)行冷態(tài)循環(huán)清洗。當(dāng)貯水箱出口水質(zhì)Fe含量小于100μg/L、SiO2含量小于50μg/L時(shí)，鍋爐冷態(tài)循環(huán)清洗結(jié)束。冷態(tài)循環(huán)清洗每天12h，共4～5d。然后鍋爐進(jìn)入熱態(tài)清洗階段。鍋爐點(diǎn)火后，當(dāng)水冷壁出口水溫達(dá)到150℃(或190℃)時(shí)，鍋爐開始進(jìn)行熱態(tài)開式清洗。熱態(tài)開式清洗1次，約5h。當(dāng)貯水箱出口水質(zhì)Fe含量小于100μg/L、SiO2含量小于50μg/L時(shí)，進(jìn)行熱態(tài)閉式循環(huán)清洗。熱態(tài)閉式循環(huán)清洗每天12h,共6～7d。

鍋爐沖洗過程中，在水質(zhì)合格的時(shí)候，飽和水經(jīng)大氣式擴(kuò)容器，部分蒸汽直接排入大氣，工質(zhì)有部分損失，按照120℃冷態(tài)清洗計(jì)算，損失約3.8%，在150℃熱態(tài)清洗時(shí)，損失約9.5%，而在190℃熱態(tài)清洗時(shí)，損失達(dá)到17.3%。根據(jù)鍋爐供貨商提供的沖洗要求及建議，一臺(tái)2000t/h的鍋爐在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)的沖洗水損失約7000t。

在鍋爐和汽輪機(jī)啟動(dòng)過程中，一般當(dāng)過熱器出口壓力達(dá)8.4～8.9MPa時(shí)才開始沖轉(zhuǎn)，并且一直維持在該壓力下達(dá)到30%BMCR流量負(fù)荷，然后逐漸提高負(fù)荷至35%～40%BMCR，完成濕態(tài)運(yùn)行模式向干態(tài)運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換。在此運(yùn)行過程中，貯水箱出口壓力約8.1MPa。啟動(dòng)循環(huán)泵投入運(yùn)行時(shí)，能夠很好地回收工質(zhì)和能量，這正是循環(huán)泵的優(yōu)勢(shì)所在。但是當(dāng)無泵啟動(dòng)時(shí)，8.1MPa的飽和水被大氣式疏水?dāng)U容器減壓到0.1MPa，蒸汽損失約40%。按照廠家推薦的啟動(dòng)要求，啟動(dòng)過程中水質(zhì)損失約1000t。

綜上分析，大氣式疏水?dāng)U容器對(duì)工質(zhì)的損失是巨大的，鍋爐補(bǔ)給水制水能力一直是鍋爐啟動(dòng)的一個(gè)瓶頸，同時(shí)這些蒸汽進(jìn)入大氣，造成鍋爐區(qū)域水霧現(xiàn)象非常嚴(yán)重。因此，如何在機(jī)組啟動(dòng)過程中降低水質(zhì)損失，已成為業(yè)主非常關(guān)注的一個(gè)問題。盡量滿足顧客需求也是上海電氣一直堅(jiān)持的原則，為此，上海電氣組織設(shè)計(jì)院、供貨商等技術(shù)人員對(duì)鍋爐啟動(dòng)疏水系統(tǒng)進(jìn)行研究，并借鑒其它先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)啟動(dòng)疏水系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，并取得了很好的效果。

2　優(yōu)化方案及分析

2.1優(yōu)化系統(tǒng)的目的及方向

通過對(duì)原系統(tǒng)的研究，確認(rèn)其工質(zhì)損失主要是由于大氣疏水?dāng)U容器的工作原理所導(dǎo)致的，并且工質(zhì)主要損失在熱態(tài)清洗過程中，因此方案優(yōu)化的主要目標(biāo)就是如何能夠盡量降低熱態(tài)清洗過程中的工質(zhì)損失，兼顧保證無泵運(yùn)行模式能夠安全運(yùn)行?；厥展べ|(zhì)的主要解決方案就是把蒸汽引入凝汽器進(jìn)行冷凝回收，因此，優(yōu)化方案主要是采用361閥、節(jié)流閥和三級(jí)減溫減壓器等進(jìn)行工質(zhì)回收，即在傳統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上對(duì)疏水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2優(yōu)化方案介紹

最終采用的優(yōu)化方案如圖2所示。貯水箱疏水通過兩個(gè)361閥進(jìn)行減溫減壓后進(jìn)入疏水系統(tǒng)，控制閥后壓力在0.6MPa。在361閥后，采用φ426mm×55mm的加厚管道，兩條管路合并至一條母管內(nèi)，該母管內(nèi)的疏水一路至凝汽器出口的循環(huán)水回水管上，另一路至凝汽器進(jìn)行工質(zhì)回收。

(1) 至循環(huán)水的支管路。該支路在冷態(tài)開式清洗和熱態(tài)開式清洗時(shí)投用，其它情況下該支路處于關(guān)閉狀態(tài)，該支路采用φ426mm×13mm的管道，為方便操作和防止循環(huán)水倒灌，支路上依次設(shè)置了電動(dòng)關(guān)斷閥、逆止閥和手動(dòng)關(guān)斷閥，然后通過節(jié)流孔板，節(jié)流面積約50%，壓力進(jìn)一步降低到0.2MPa左右，排入循環(huán)水管，同時(shí)對(duì)入口處循環(huán)水管采取了補(bǔ)強(qiáng)措施。

參照1.3中的介紹，清洗過程中最大工況為190℃下熱態(tài)清洗，清洗水量按640t/h考慮。此工況作為該支路的設(shè)計(jì)工況，在此工況下，疏水管路存在氣液兩相流，361閥后管道流速為15m/s，去循環(huán)水管前支路流速約30m/s，滿足規(guī)程要求。

(2) 至凝汽器支管路。另一路至凝汽器支管路上，采用兩個(gè)三級(jí)減溫減壓器排入凝汽器，在鍋爐冷態(tài)閉式清洗、熱態(tài)閉式清洗和不投用循環(huán)泵運(yùn)行等工況下此路投入使用。三級(jí)減溫器前采用φ426mm×13mm的管道，在三級(jí)減溫減壓器上設(shè)置噴水。

參照鍋爐和汽輪機(jī)的啟動(dòng)要求，鍋爐啟動(dòng)后逐步增大燃燒率，建立過熱蒸汽流量，通過旁路控制壓力，維持主蒸汽壓力為8.5MPa，然后維持并調(diào)節(jié)過熱蒸汽溫度等，并開始沖轉(zhuǎn)。根據(jù)分析，該系統(tǒng)在主蒸汽壓力達(dá)到8.5MPa時(shí)，進(jìn)入貯水箱的飽和水熱負(fù)荷達(dá)到最大，此時(shí)貯水箱出口壓力為8.1MPa，流量為514t/h。綜合熱態(tài)清洗工況和無泵啟動(dòng)工況，壓力8.1MPa、流量514t/h這個(gè)工況更加惡劣，可作為支管路的設(shè)計(jì)工況。根據(jù)計(jì)算，361閥后流速最大約90m/s，進(jìn)入三級(jí)減溫減壓器前管道流速約60m/s，滿足安全運(yùn)行的要求。為了保證凝汽器運(yùn)行，要求減溫減壓器出口蒸汽溫度低于80℃。減溫減壓器設(shè)計(jì)參數(shù)為： 汽側(cè)工作壓力0.6MPa，溫度158.8℃，流量2×257t/h；噴水工作壓力2.0MPa，設(shè)計(jì)溫度50℃，流量80t/h。

圖2　優(yōu)化后的節(jié)水方案

3　結(jié)論

根據(jù)優(yōu)化方案所建議的系統(tǒng)方案，啟動(dòng)初期水質(zhì)不合格排至循環(huán)水回水管路，水質(zhì)合格后通過減溫減壓器排至凝汽器，熱量和工質(zhì)全部回收，解決了大氣式擴(kuò)容器排放及熱量損失問題。這一系統(tǒng)方案在印度項(xiàng)目的多臺(tái)機(jī)組上已實(shí)施，機(jī)組在多次啟動(dòng)過程中安全平穩(wěn)，沒有發(fā)生異常現(xiàn)象，回收工質(zhì)節(jié)水效果非常明顯。另外，這一方案對(duì)熱量進(jìn)行回收，縮短了鍋爐啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)也節(jié)約啟動(dòng)期間的煤耗。這一優(yōu)化設(shè)計(jì)方案同時(shí)得到了鍋爐廠的認(rèn)同和印方業(yè)主的贊賞，可以在類似項(xiàng)目，特別是缺水地區(qū)機(jī)組中推廣。

[1] 朱全利.國(guó)產(chǎn)600MW超臨界火力發(fā)電機(jī)組技術(shù)叢書： 鍋爐設(shè)備及系統(tǒng)[M].北京： 中國(guó)電力出版社，2006.

[2] 劉剛，周忠濤，黃輝，等.蒲圻電廠1000MW超超臨界機(jī)組鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行實(shí)踐[J].上海電氣技術(shù)，2015，8(3)： 52-55，57.

[3] 王軍，李彥臻，王碩，等．超臨界直流鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性分析[J]．華北電力技術(shù)，2008(5)： 1-3.

[4] 曠仲和.600MW超臨界機(jī)組鍋爐汽水分離器啟動(dòng)疏水回收的解決方案[J].中國(guó)電力，2006，39(8)： 33-36.

[5] 上海鍋爐廠有限公司.SG-1910/25.4-M951型超臨界壓力直流鍋爐使用說明書[Z].

In the case of further pursuit of safety and energy, a design optimization for typical draining system for startup of the boilers was completed in comprehensive consideration of the pros and cons of the equipment such as the adoption of startup circulating pump in the startup system of supercritical monotube boiler, atmospheric flasher, 361 valve & backpack drainage etc. The final plan is implemented and the result shows significant water-saving & energy-saving performances.

Supercritical; Monotube; Startup Draining Sytem; Startup Circulating Pump for Boiler; 361 Valve; Water-saving

2015年11月

宋礦偉(1981—)，男，本科，工程師，主要從事電站項(xiàng)目開發(fā)的技術(shù)管理工作、電廠節(jié)能高效方向的研究工作，

E-mail: songkw@shanghai-electric.com

TK229.5+4

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1674-540X(2016)01-005-04