于英利，戴瑩瑩，韓 元，李壽軍，黃振軍

(1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2. 內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3.內(nèi)蒙古京能雙欣發(fā)電有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016100)

電站鍋爐基建安裝過程中，由于鍋爐過熱器、再熱器及其蒸汽管道等設(shè)備內(nèi)部，不可避免存有焊渣、銹垢和其他雜物。在鍋爐正式向汽輪機(jī)輸送蒸汽前，必須將這些雜物盡可能吹洗干凈，以確保機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，這就是機(jī)組基建過程中的一項重要節(jié)點(diǎn)工作——鍋爐蒸汽吹管。

關(guān)于蒸汽吹管技術(shù)，有大量的學(xué)者和工程科技人員從吹管綜合節(jié)能、吹管工藝、吹管參數(shù)控制、吹管方式選擇、吹管質(zhì)量保障等不同方面進(jìn)行了許多深入的研究。然而在吹管階段對吹管用水控制、用水消耗等方面，針對性開展吹管用水節(jié)能的系統(tǒng)性探索研究還相對較少[1]。

本文針對內(nèi)蒙古某發(fā)電廠新建350 MW等級超臨界循環(huán)流化床鍋爐基建蒸汽吹管調(diào)試工作為研究對象，結(jié)合大量200、300 MW等級鍋爐蒸汽吹管調(diào)試工作經(jīng)驗,開展鍋爐吹管用水的節(jié)能研究，并闡述實踐操作過程和效果，期望對相關(guān)人員起到借鑒參考作用。

1 概況介紹

1.1 鍋爐概況

內(nèi)蒙古某發(fā)電廠350 MW等級超臨界循環(huán)流化床鍋爐，為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐、循環(huán)流化床燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣，采用高溫汽冷式旋風(fēng)分離器進(jìn)行氣—固分離，水冷滾筒式冷渣器排渣方式，M型布置，鍋爐采用緊身封閉布置、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。

超臨界循環(huán)流化床鍋爐為東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司生產(chǎn)的DG1241/25.49-Ⅱ1型鍋爐，配有過熱器、再熱器等蒸汽管道系統(tǒng)和汽冷式旋風(fēng)分離器，汽水循環(huán)系統(tǒng)由啟動分離器、儲水罐、水冷壁上升管及汽水連接管等組成。

鍋爐主要性能參數(shù)與設(shè)計燃煤參數(shù)如表1和表2所示。

1.2 吹管方案的確定

研究對象350 MW等級超臨界循環(huán)流化床鍋爐，根據(jù)施工現(xiàn)場技術(shù)條件與建設(shè)方管理制度要求，確定采用“串聯(lián)吹掃+三階段穩(wěn)壓降壓聯(lián)合”的吹掃方案[2-3]。

具體方案為：將鍋爐一次汽系統(tǒng)和二次汽系統(tǒng)管道串聯(lián)連接，中間設(shè)置臨時吹掃控制閥門和靶板裝置。三階段穩(wěn)壓降壓聯(lián)合吹掃：第一吹掃階段采用降壓蒸汽吹管方法，計劃吹管不少于50次；停爐放水冷卻12 h后，第二吹掃階段采用穩(wěn)壓蒸汽吹管法且正式穩(wěn)壓有效吹掃時間計劃不少于4 h；再次冷卻間隔12 h后，進(jìn)入第三吹掃階段的降壓蒸汽吹管方式，直到吹管質(zhì)量驗收要求合格。推薦吹管管路連接示意圖如圖1所示。

1.3 總體節(jié)水思路

超臨界循環(huán)流化床鍋爐在蒸汽吹管階段，節(jié)水直接方式是減少水量消耗，節(jié)水間接方式是優(yōu)化吹管工期、加強(qiáng)設(shè)備管理與儲水充足。

2 吹管準(zhǔn)備工作的節(jié)水策略

2.1 吹管用水綜合評估

超臨界循環(huán)流化床鍋爐蒸汽吹管，涉及冷態(tài)沖洗、熱態(tài)沖洗以及穩(wěn)壓吹掃等大量消耗除鹽水的工作，因此合理籌劃吹管用水，評估各階段耗水情況與制水補(bǔ)充情況，是保證吹管工作有序開展的必備條件，也是吹管期間實現(xiàn)用水節(jié)能最為行之有效的手段。

2.1.1 盈余評估模型

對鍋爐的設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行儲水與制水能力評估，基于盈余法則采用“盈余模型”來進(jìn)行分析：

My=MC+t總·Qz-∑Mh

(1)

∑Mh=nMb+tLQL+twQw+…+tiQi

(2)

t總=tb+mtT+tL+tw+tR+…+ti

(3)

式中My，Mc，∑Mh，Mb——盈余水量、原始儲存水量、各工作階段消耗水量、鍋爐上水水量，t；Qz，QL，QW，Qi——化學(xué)實際制水出力、冷態(tài)開式?jīng)_洗流量、穩(wěn)壓吹管蒸汽流量、某吹管階段的耗水流量，t/h；t總，tb，tL，tR，tw，tT，ti——吹管總時間、鍋爐上水放水時間、冷態(tài)沖洗時間、熱態(tài)沖洗時間、穩(wěn)壓吹管時間、階段中間停爐時間、某吹管階段的工作時間，h；m——中間停爐次數(shù)；n——鍋爐上水次數(shù)。

模型計算結(jié)論為通過設(shè)定盈余水量來推算某一階段的有效工作時間，并進(jìn)而判斷這一階段有效工作時間是否滿足吹管工期與質(zhì)量要求。

經(jīng)驗顯示，通過盈余模型得出的盈余水量值，宜高于鍋爐設(shè)計工況下的單位小時30%鍋爐最大出力值。

2.1.2 儲水用水能力評估

針對研究對象分析：該廠設(shè)計2個除鹽水箱，可用于蒸汽吹管工作使用的有效總儲水量可達(dá)3 600 t；附加可使用的儲水設(shè)備諸如除氧器和凝汽器汽側(cè)容積等儲水約600 t；化學(xué)制水能力設(shè)計出力210 t/h，但受限原水輸送能力，導(dǎo)致吹管期間化學(xué)制水能力僅能達(dá)到150 t/h。冷態(tài)沖洗平均流量約380 t/h；熱態(tài)沖洗一般采用閉式循環(huán)方式，耗水相對較??；穩(wěn)壓吹管有效吹掃流量500 t/h，平均耗水流量約400 t/h；降壓吹管平均每小時吹4～5次，每次耗水15～25 t。

使用盈余模型分析可知，化學(xué)制水能力能夠滿足熱態(tài)沖洗和降壓吹管的單位小時耗水量，熱態(tài)沖洗與降壓吹管階段，用水盈余量均滿足要求。

僅需要使用盈余模型單獨(dú)分析兩階段冷態(tài)沖洗時間與穩(wěn)壓吹管時間的關(guān)系，即可判斷用水盈余情況。通過式(1)～式(3)，帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，可初步得到：

My=MC+t總Qz-∑Mh

(4)

(5)

t總=t0+tL1+tR1++tT+tb+tL2+tR2+tW

(6)

進(jìn)一步的得出：

(tL1+tL2)+1.09tw≤27.04

(7)

工程經(jīng)驗可知，穩(wěn)壓吹管工期總耗時至少需要8～10 h，如要滿足式(7)的條件，那么冷態(tài)沖洗時間需要控制在16～20 h，甚至更短。

這給出一個冷態(tài)沖洗和穩(wěn)壓吹掃的工作時間預(yù)判，超過這個時間，可能面臨斷水缺水的情況。雖然，可通過延長停爐冷卻時間、增加初期儲水能力等手段，提高冷態(tài)沖洗工作時間。這僅是一個初步估算，如果工作過程中水流量等因素出現(xiàn)變動，工作時間也會有所變化。

2.2 沖洗排水系統(tǒng)能力分析

鍋爐沖洗流量遠(yuǎn)高于鍋爐日常運(yùn)行排污水量，鍋爐運(yùn)行排水系統(tǒng)無法滿足吹管期間鍋爐沖洗排水要求，因此需要對鍋爐排污水系統(tǒng)進(jìn)行分析評估并提出應(yīng)對措施。

研究對象機(jī)組：排水槽容積500 m3，設(shè)計2臺排水泵出力均為200 t/h，化學(xué)工業(yè)廢水池1 500 m3，排污泵出力100 t/h。

排污系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

通過分析可知，排水泵全負(fù)荷運(yùn)行出力與冷態(tài)沖洗流量相當(dāng)，并且排水槽容量有限，運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)滿水問題；而化學(xué)工業(yè)廢水池經(jīng)排污泵排放到廠外沉水池，100 t/h的出力遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足鍋爐冷態(tài)沖洗與吹管要求。因此，應(yīng)準(zhǔn)備大容量水泵做臨時排水排污使用，且系統(tǒng)中每一段排水能力應(yīng)大于600 t/h。另外，廠外沉水池應(yīng)做擴(kuò)容處理，滿足儲水容積在8 000 m3以上。

2.3 吹管臨時管道工藝處理

鍋爐吹管工作不同于機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)，有一些設(shè)備系統(tǒng)需要做隔離，因此需要連接一些臨時管道和閥門，而這些臨時管道和閥門也會參與整個吹管工作。因此，臨時管道的初始清潔狀態(tài)、臨時閥門的工作穩(wěn)定性、吹管靶板裝置安裝位置等都將對吹管工作的有序推進(jìn)起著非常重要的作用，間接影響著耗水節(jié)能效果[4]。

為了實現(xiàn)良好的吹管節(jié)能控制、提高吹管工作效率和縮減吹管整體工作時間，宜使用高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的臨時管道閥門；靶板裝置應(yīng)在便于安裝更換和易操作且盡可能臨近正式管道的位置，這樣有利于吹管質(zhì)量驗收評價。另外，在吹管臨時管道安裝過程前，需要對臨時管道進(jìn)行清潔處理，保證臨時管道的原始清潔度。臨時管道與閥門的安裝工藝必須按照正式管道安裝工藝要求來進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)施工，這樣可以加速滿足吹管質(zhì)量驗收工作。

在系統(tǒng)功能設(shè)計上，也需要有針對性地提前考慮和部署。對于穩(wěn)壓吹管可能引起的再熱器出口蒸汽溫度超出管材許用溫度的情況，應(yīng)考慮在再熱器熱段出口管道上加裝臨時噴水減溫器。對于臨時吹掃門，在開關(guān)控制上可增加設(shè)置“中?！惫δ?。這些都是保障吹管工作有序推進(jìn)的措施，間接利于吹管用水節(jié)能[5]。

3 鍋爐沖洗與吹管階段的節(jié)水控制措施

鍋爐沖洗質(zhì)量評價參數(shù)非常嚴(yán)格，沖洗耗水量非常巨大，能否快速實現(xiàn)沖洗質(zhì)量要求，減少沖洗時間降低沖洗耗水是沖洗階段最為核心的節(jié)水宗旨。吹管階段的節(jié)能控制措施將結(jié)合實際工作情況與經(jīng)驗數(shù)據(jù)相結(jié)合的模式，實現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化控制。

3.1 鍋爐上水與冷態(tài)沖洗節(jié)能方法

鍋爐冷態(tài)沖洗有具體參數(shù)和條件要求，冷態(tài)沖洗流量不低于鍋爐BMCR出力的30%，冷態(tài)沖洗要實時檢測爐水品質(zhì)，尤其是總鐵離子含量低于500 μg/L，才允許投入凝給水系統(tǒng)進(jìn)入閉式循環(huán)沖洗方式；當(dāng)爐水總鐵離子濃度逐漸降低到100 μg/L以下且數(shù)值相對穩(wěn)定，冷態(tài)沖洗才算合格。鐵離子濃度隨沖洗時間變化趨勢如圖3所示。由工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)可知，超臨界循環(huán)流化床鍋爐冷態(tài)沖洗總鐵離子濃度變化速率在50～80 μg/(L·h)區(qū)間范圍。

對于冷態(tài)沖洗前的第一次鍋爐上水，爐水品質(zhì)都比較差，爐水初始鐵離子濃度居高不下，常規(guī)在10 000 μg/L，甚至有高于20 000 μg/L以上的情況。

為了更好實現(xiàn)水資源的利用，冷態(tài)沖洗的總鐵離子濃度初始值盡量控制在8 000～10 000 μg/L范圍區(qū)間。如果鍋爐上水初期檢測到鐵離子濃度高于這個區(qū)間段數(shù)值，應(yīng)采取整爐放水的洗爐方式，放掉爐水重新上水，這樣會大大降低爐內(nèi)鐵離子濃度。當(dāng)然，視鐵離子濃度值可適當(dāng)采用多次洗爐方式。一方面可以快速提高爐水品質(zhì)，另一方面利用上水放水的時間段給化學(xué)制水爭取更多制水時間，可謂一舉多得。

冷態(tài)開式?jīng)_洗，選擇持續(xù)大流量沖洗模式以提高沖洗效果，對于出現(xiàn)短期儲水量不足的情況，采用變流量沖洗方式也是一種非常好的沖洗方法。即沖洗初期采用標(biāo)準(zhǔn)大流量沖洗模式，2～4 h后，通過改變沖洗流量從200～400 t/h的流量變化區(qū)間變動的方法，以20 min變動一次沖洗流量50 t/h值的方式。這樣循環(huán)往復(fù)的增減流量，實現(xiàn)變流量沖洗，可以大大提高管道的沖洗效果[6]。

在冷態(tài)開式循環(huán)沖洗向冷態(tài)閉式循環(huán)沖洗的轉(zhuǎn)換期間，如果凝結(jié)水系統(tǒng)投入閉式循環(huán)沖洗的條件不完全具備的條件下，可以延長開式冷態(tài)沖洗，使?fàn)t水鐵離子濃度遠(yuǎn)低于500 μg/L以下，再投入閉式循環(huán)沖洗模式，可以避免嚴(yán)重污染凝結(jié)水和給水系統(tǒng)管道，加快達(dá)到良好沖洗質(zhì)量的效果。

從實際沖洗耗水看，本機(jī)組第一階段的冷態(tài)沖洗用時13 h，第二階段和第三階段分別用時8 h和10 h，與同等級機(jī)組沖洗水平相比，沖洗時間有效縮短，節(jié)水效果明顯。

3.2 鍋爐熱態(tài)沖洗

冷態(tài)沖洗合格后，鍋爐具備點(diǎn)火和熱態(tài)沖洗的條件。鑒于受熱面壁溫限制，熱態(tài)沖洗常常采用閉式循環(huán)沖洗方式，而這樣的沖洗方式，水質(zhì)指標(biāo)除鐵凈化工作幾乎全部落入凝結(jié)水系統(tǒng)的精處理裝置和其他一些凈化處理系統(tǒng)上，因此保持機(jī)組精處理設(shè)備與系統(tǒng)健康有效運(yùn)行是這個階段的首要節(jié)水策略。

精處理系統(tǒng)的設(shè)備性能、除鐵效率、工作出力等都是影響吹管節(jié)水節(jié)能效果的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.3 吹管階段的節(jié)能控制措施

吹管工作分三階段進(jìn)行，第一階段為降壓吹管，第二階段穩(wěn)壓吹管，第三階段繼續(xù)降壓吹管。對于吹掃過程，實現(xiàn)精細(xì)化參數(shù)控制，有效縮短吹管工期，這就是最好的節(jié)水方式。

為保持吹掃效果，降壓吹管參數(shù)應(yīng)采用高參數(shù)控制模式，吹掃開門壓力不低于6 MPa，蒸汽溫度不低于400 ℃。關(guān)門壓力根據(jù)對應(yīng)壓力下飽和溫度變化不高于40℃的原則來確定，一般選擇4.0～4.5 MPa。通過燃油與燃煤雙燃料投入方式，控制燃煤量25～30 t/h，兩個階段有效吹管次數(shù)105次，吹掃耗水量約1 500 t，耗煤量約900 t[7]。

穩(wěn)壓吹管節(jié)水更為重要，尤其在啟動、升壓、吹掃、降壓停爐等過程，都需要對穩(wěn)壓吹管參數(shù)實施精準(zhǔn)控制?？刂撇呗詾椋浩蛛x器出口壓力4.5～5.5 MPa，蒸汽溫度400～450 ℃，吹掃流量400～550 t/h，有效吹掃時間不少于5 h。采用燃油與燃煤雙燃料投入方式，控制燃煤量110～130 t/h，穩(wěn)壓吹管階段吹掃耗水量約4 100 t，耗煤量約1 400t。

穩(wěn)壓吹管的燃燒控制，有幾個關(guān)鍵點(diǎn)要明確：①點(diǎn)火期，應(yīng)合理控制床壓和風(fēng)室壓力不高于11 kPa；②控制爐膛中部床溫不高于600 ℃，否則會出現(xiàn)受熱面超溫問題；③給煤初期，應(yīng)控制給煤機(jī)投煤順序和煤量控制，堅持有中間向兩邊交錯對稱點(diǎn)動投運(yùn)方式，10臺給煤機(jī)(編號順序依次由1到10)推薦啟動順序為(4號、7號)——(2號、9號)——(3號、8號)——(1號、10號)——(5號、6號)；④合理調(diào)控下二次風(fēng)門，維持床溫左右平衡，調(diào)整好返料器的運(yùn)行性能，加強(qiáng)左右側(cè)爐膛負(fù)壓與氧量的監(jiān)測；⑤一、二次汽系統(tǒng)串聯(lián)+穩(wěn)壓吹管方式，減溫水必須投運(yùn)，且嚴(yán)格控制蒸汽出口溫度不超450℃。

4 結(jié)語

通過對350 MW等級超臨界循環(huán)流化床鍋爐蒸汽吹管工作的節(jié)水策略研究與操作實施，結(jié)果顯示，節(jié)水效果顯著。

(1)根據(jù)吹管盈余模型分析，基于盈余水量應(yīng)不少于單位小時鍋爐最大出力的30%的盈余法則進(jìn)行估算，穩(wěn)壓吹管總時間與冷態(tài)沖洗總時間存在關(guān)聯(lián)；由于穩(wěn)壓吹管總耗時需要8～10 h，因此冷態(tài)沖洗時間要控制在16～20 h以內(nèi)，機(jī)組設(shè)備儲水能力才能滿足吹管不缺水、不斷水的要求。

(2)對排水系統(tǒng)進(jìn)行評估，提出增加臨時大流量排水泵，以解決排水問題。

(3)吹管臨時管道要做清潔工藝處理，臨時吹掃門設(shè)置“中?！惫δ堋?/p>

(4)在吹掃階段的鍋爐上水期間，改善爐水品質(zhì)可采用多次整爐放水沖洗方式，快速降低爐水總鐵離子濃度。冷態(tài)沖洗可采用持續(xù)大流量沖洗模式和變流量沖洗模式相結(jié)合，提高了沖洗效果。

(5)對吹掃階段節(jié)水控制策略，建議優(yōu)化參數(shù)控制，落實好關(guān)鍵控制措施，精細(xì)化操作。

(6)吹管結(jié)束，經(jīng)過能源消耗統(tǒng)計計算，耗水量均低于同等級鍋爐耗水平均水平，節(jié)水效果顯著。