文_吳壽山 李兵 何甫 耿軍娜

1.中國電建甘肅能源投資有限公司 2.中電建甘肅能源崇信發(fā)電有限責(zé)任公司

在火電行業(yè)發(fā)展的嚴(yán)峻形勢下，某電廠積極響應(yīng)國家政策，積極適應(yīng)電力市場改革，深入研究“兩個(gè)細(xì)則”和《調(diào)峰輔助服務(wù)規(guī)則》等相關(guān)文件，以“新”思維帶動(dòng)“新”發(fā)展，從之前的“搶電量”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皳屟a(bǔ)償”，于2017 年3月主動(dòng)溝通協(xié)調(diào)西北電網(wǎng)公司660MW 超臨界直接空冷機(jī)組開始深度調(diào)峰，將負(fù)荷深調(diào)至300MW，成為西北電網(wǎng)第一家開展深度調(diào)峰的火電機(jī)組。該電廠通過寬負(fù)荷脫硝、爐水在線監(jiān)測、AGC 優(yōu)化等改造，逐步將機(jī)組深調(diào)負(fù)荷降至260MW、230MW、 198MW，2019 年成實(shí)現(xiàn)30%額定負(fù)荷深調(diào)能力。同年深調(diào)收益突破2 億元大關(guān)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。但是，經(jīng)過幾年的深度調(diào)峰、啟停調(diào)峰，該電廠出現(xiàn)了鍋爐“四管”泄漏、給水泵電機(jī)損壞等情況，給機(jī)組的安全性與經(jīng)濟(jì)性也帶來了一系列問題。

1 深度調(diào)峰對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行的影響

1.1 鍋爐“四管”泄漏分析

為確保鍋爐水循環(huán)回路的安全可靠，每根回路管都必須有一定的質(zhì)量流速ρω，以使回路管得到充分冷卻，每根受熱面管的流速都必須大于最小質(zhì)量流速。最小質(zhì)量流速要以最大局部熱負(fù)荷不發(fā)生DNB（偏離核態(tài)沸騰）為條件。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降至30%，則給水流量已接近保護(hù)動(dòng)作定值，勢必會(huì)造成鍋爐受熱面屏間流量分配不均，個(gè)別受熱面管流量下降，引起爐內(nèi)水動(dòng)力惡化，造成“四管”過熱爆管可能性急劇增大。另外，機(jī)組在深調(diào)時(shí)，由于給水流量低，在發(fā)生燃燒擾動(dòng)或水燃比不匹配時(shí)容易出現(xiàn)鍋爐水冷壁、屏過壁溫大面積超溫現(xiàn)象，給運(yùn)行調(diào)整帶來一定困難。

為此，某電廠進(jìn)行了爐水在線監(jiān)測改造，增加水冷壁、屏過、高過、高再壁溫測點(diǎn)1000 多個(gè)，運(yùn)行中采取加強(qiáng)壁溫監(jiān)視、及時(shí)調(diào)整控制、防止超溫爆管；嚴(yán)格控制機(jī)組變負(fù)荷速率、主汽壓力、主、再汽溫度變化速率；加強(qiáng)分離器過熱度控制，注意給水泵與磨煤機(jī)之間需協(xié)調(diào)密切，確保煤水比合理；加強(qiáng)燃燒調(diào)整，防止鍋爐熱偏差大，造成水冷壁超溫爆管等一系列措施，但是仍然出現(xiàn)了屏過長期超溫爆管、水冷壁泄漏停機(jī)的情況。

分析屏過長期超溫爆管主要原因是機(jī)組在深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)由于屏間流量分配不均，造成該根管子蒸汽流量偏小，引起管道長期超溫并產(chǎn)生氧化皮，在頻繁啟停調(diào)峰、深度調(diào)峰情況下，溫度、壓力頻繁變化，使得內(nèi)壁氧化皮大量脫落并在下部堆積，導(dǎo)致通流截面變小，蒸汽流量進(jìn)一步減小，使出口處管壁溫度大幅升高，在短期內(nèi)超溫幅度較大導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降引發(fā)爆管。

水冷壁泄漏停機(jī)主要原因是由于水冷壁穿爐膛頂棚密封板、水冷壁出口聯(lián)箱管座、鰭片焊接邊緣等結(jié)構(gòu)突變的應(yīng)力集中部位，在機(jī)組深度調(diào)峰、特別是啟停調(diào)峰情況下，溫度、壓力頻繁變化，造成各結(jié)構(gòu)性應(yīng)力集中部位在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，裂紋由外壁向內(nèi)壁疲勞擴(kuò)展，最終導(dǎo)致裂紋貫穿管壁引起泄漏。某電廠多次在停爐檢修和水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)水冷壁各聯(lián)箱部分管座、管道彎頭、焊縫等結(jié)構(gòu)性應(yīng)力集中部位有裂紋或泄漏情況。

1.2 給水泵運(yùn)行安全性分析

大多數(shù)電廠為提高可靠性，給水泵按照兩臺(tái)50%額定流量配置，在深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，如果采用兩臺(tái)給水泵并列運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷降低，給水流量也隨之降低；當(dāng)給水流量降低至接近給水泵再循環(huán)閥保護(hù)開啟值時(shí)，需打開給水泵再循環(huán)閥，否則極易發(fā)生兩臺(tái)給水泵搶水現(xiàn)象；而再循環(huán)閥的開啟會(huì)造成給水流量波動(dòng)，對(duì)給水流量的控制帶來較大影響，特別是給水流量接近鍋爐給水流量保護(hù)動(dòng)作值時(shí)，可能引起機(jī)組跳閘的事故。另外，給水泵再循環(huán)閥的頻繁開關(guān)，還會(huì)造成再循環(huán)閥閥芯的沖刷，引起再循環(huán)閥內(nèi)漏，嚴(yán)重影響機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性。如果是汽動(dòng)給水泵，則還需考慮小汽輪機(jī)汽源頻繁切換問題，運(yùn)行操作稍有不當(dāng)，就可能發(fā)生小汽輪機(jī)進(jìn)汽管路暖管不充分，進(jìn)汽溫度突降問題，甚至小汽輪機(jī)進(jìn)水等惡性事故。某電廠由于再循環(huán)閥的頻繁開關(guān)，多次造成給水泵再循環(huán)閥盤根泄漏的事件發(fā)生。

部分電廠采用停一臺(tái)給水泵方式來保證給水流量的穩(wěn)定，給水泵將頻繁啟停，給水泵停運(yùn)后，在泵體內(nèi)部產(chǎn)生一定的溫差，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲，特別是近年來許多給水泵未設(shè)置倒暖管路，該問題尤為突出，此時(shí)啟動(dòng)給水泵，可能會(huì)造成給水泵振動(dòng)大、機(jī)封漏水、動(dòng)靜碰磨等問題。某電廠因頻繁啟停給水泵，曾多次出現(xiàn)機(jī)封損壞漏水、振動(dòng)超標(biāo)等問題。因此，建議如給水泵未設(shè)置倒暖管路的機(jī)組，盡量兩臺(tái)給水泵并列運(yùn)行，定期檢查處理給水泵再循環(huán)閥；如采用停運(yùn)給水泵的機(jī)組也應(yīng)充分考慮深度調(diào)峰持續(xù)時(shí)間，短時(shí)間深度調(diào)峰的，可以采用給水泵旋轉(zhuǎn)備用運(yùn)行方式。

1.3 輔機(jī)頻繁啟停損壞問題

火力發(fā)電廠機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)為提高運(yùn)行的可靠性和靈活性，大多采用雙輔機(jī)設(shè)計(jì)，在機(jī)組負(fù)荷低于50% 額定負(fù)荷深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，為保證輔機(jī)的安全性，提高經(jīng)濟(jì)性，通常采用停運(yùn)一臺(tái)輔機(jī)的運(yùn)行方式。受所在省2018 年底清潔能源和新能源裝機(jī)量影響，由于新能源負(fù)荷的特殊性和不確定性，造成某電廠機(jī)組頻繁大幅度調(diào)整負(fù)荷，統(tǒng)計(jì)該電廠主要輔機(jī)如：給水泵、磨煤機(jī)每日次數(shù)達(dá)1.2 ～1.5 次/a，每月啟停達(dá)40余次。而這些輔機(jī)都是大功率電機(jī)，如給水泵達(dá)10000kW,且這些輔機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)為連續(xù)工作制，頻繁的工頻啟動(dòng)使電動(dòng)機(jī)承受大電流的沖擊，多重應(yīng)力疊加造成電機(jī)絕緣不斷劣化,在運(yùn)行中該電廠發(fā)生過輔機(jī)電機(jī)燒損問題，并且在檢修中多次發(fā)現(xiàn)頻繁啟動(dòng)電機(jī)線圈有放電現(xiàn)象。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)達(dá)1000 ～1300 次及以上時(shí)絕緣損壞等問題頻繁。因此，建議鍋爐六大風(fēng)機(jī)深度調(diào)峰期間并列運(yùn)行不停運(yùn)；給水泵盡量采用并列運(yùn)行或旋轉(zhuǎn)備用運(yùn)行方式；磨煤機(jī)應(yīng)盡量采用輪流停運(yùn)方式，或充分考慮深度調(diào)峰持續(xù)時(shí)間，短時(shí)間深度調(diào)峰的，可以采用旋轉(zhuǎn)備用運(yùn)行方式，盡量減少輔機(jī)啟動(dòng)次數(shù)，防止重要風(fēng)機(jī)電機(jī)燒損。

1.4 防止鍋爐空預(yù)器堵塞措施

鍋爐脫硝投運(yùn)后，勢必會(huì)有部分為未反應(yīng)的氨氣NH3逃逸，燃煤鍋爐爐膛燃燒過程中的SO2約有0.5%～1.0%被氧化成SO3。加裝SCR 系統(tǒng)后，催化劑在把NOx還原成N2的同時(shí)，將約1.0%的SO2氧化成SO3。SCR 反應(yīng)器出口煙氣中存在的未反應(yīng)的逃逸氨（NH3）、SO3及水蒸氣反應(yīng)生成硫酸氫氨或硫酸氨：

由于硫酸氫銨的分散凝聚溫度在140 ～290℃之間，因此脫硝后至空預(yù)器區(qū)域必然會(huì)有硫酸氫銨沉積。特別是在超低排放改造后，由于NOx 排放濃度要求更低，氨逃逸濃度會(huì)增加，這一現(xiàn)象會(huì)更加突出。

鍋爐深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，爐膛的空氣的過剩系數(shù)較大，易產(chǎn)生較多的SO3，加劇了硫酸氫銨的生成。同時(shí)，脫硝反應(yīng)器SCR煙氣溫度降低，脫硝反應(yīng)器效率下降，脫硝氨逃逸會(huì)增加，大量的逃逸氨（NH3）與SO3反應(yīng)，加劇硫酸氫氨生成。另外，深調(diào)時(shí)鍋爐排煙溫度會(huì)大大低于硫酸氫銨的露點(diǎn)溫度，會(huì)造成更多硫酸氫氨蒸汽在空預(yù)器冷端凝結(jié)，堵塞鍋爐空預(yù)器。某電廠超低排放改造后，在入爐煤平均硫份0.5%，鍋爐深度調(diào)峰運(yùn)行僅一年半時(shí)間就造成空預(yù)器嚴(yán)重堵塞，高負(fù)荷時(shí)空預(yù)器壓差達(dá)到2.6kPa 以上。

1.5 汽輪機(jī)末級(jí)葉片安全性

汽輪機(jī)低壓缸末級(jí)葉片在極高的離心力和濕蒸汽腐蝕的環(huán)境中工作，承受了很大的蒸汽作用力。機(jī)組在深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，由于汽輪機(jī)蒸汽量減小，當(dāng)其降低至某個(gè)數(shù)值，導(dǎo)致機(jī)組乏汽不能充滿整個(gè)流動(dòng)汽道時(shí)，濕蒸汽在動(dòng)葉根部和靜葉柵出口頂部出現(xiàn)汽流脫離，在葉片根部就會(huì)逆向流動(dòng)，形成回流，對(duì)葉片的出汽側(cè)形成水沖蝕。機(jī)組排汽容積流量越小，回流發(fā)生的范圍越大，在葉片出汽側(cè)的回流沖蝕就越嚴(yán)重，回流范圍甚至?xí)U(kuò)大到機(jī)組的次末級(jí)葉片。同時(shí)，還會(huì)引起動(dòng)葉負(fù)的反動(dòng)度，形成所謂的“卡門渦街”現(xiàn)象，造成末級(jí)葉片周期性顫振?；亓魉疀_蝕會(huì)造成葉柵的氣動(dòng)性能惡化，水沖蝕葉片留下的凹凸不平的邊緣易形成應(yīng)力集中，縮短葉片的使用壽命，降低汽輪機(jī)末級(jí)葉片效率，降低機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性；顫振會(huì)引起動(dòng)葉片產(chǎn)生交變壓力，長期運(yùn)行可能造成葉片開焊、裂紋，嚴(yán)重時(shí)甚至造成葉片斷裂、飛脫。

某電廠在深度調(diào)峰運(yùn)行2 年多停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)：汽輪機(jī)末級(jí)葉片在出汽側(cè)出現(xiàn)了大范圍的水沖蝕損傷，這通常是受到回流的濕蒸汽中水滴的沖刷及化學(xué)物質(zhì)的腐蝕共同作用所致；個(gè)別葉片根部出現(xiàn)了少部分開焊現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)葉片裂紋，說明末級(jí)葉片顫振不嚴(yán)重。水沖蝕損傷一般不會(huì)危及葉片本身安全，會(huì)適當(dāng)降低機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。因此，說明該廠汽輪機(jī)末級(jí)葉片自身強(qiáng)度滿足30%額定負(fù)荷深度調(diào)峰的要求。但還是建議機(jī)組在深度調(diào)峰運(yùn)行期間，應(yīng)該適當(dāng)提高機(jī)組背壓，減少排汽濕度，減小回流范圍，盡量縮短機(jī)組低、空負(fù)荷的運(yùn)行時(shí)間，減輕葉片顫振。

1.6 對(duì)汽輪機(jī)組壽命的影響

汽輪機(jī)壽命一般是指從首次投運(yùn)指轉(zhuǎn)子出現(xiàn)第一條宏觀裂紋期間的總工作時(shí)間。影響汽輪機(jī)壽命的因素主要可分為兩大類：一是轉(zhuǎn)子材料收到高溫和工作應(yīng)力產(chǎn)生的蠕變損耗；二是轉(zhuǎn)子材料受到交變應(yīng)力引起的低周疲勞損耗，有啟動(dòng)、停機(jī)、變負(fù)荷等不穩(wěn)定變工況引起。轉(zhuǎn)子總的壽命損耗為這兩類損耗之和。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在啟停機(jī)變負(fù)荷工況下運(yùn)行，內(nèi)部溫度場處于非穩(wěn)定狀態(tài)，是轉(zhuǎn)子內(nèi)部承受熱應(yīng)力、負(fù)荷波動(dòng)越頻繁，這種熱應(yīng)力沖擊次數(shù)就越多，對(duì)轉(zhuǎn)子壽命損耗就越大，這就是低周疲勞損傷。低周疲勞損傷約占轉(zhuǎn)子總壽命損傷的80%，是研究汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子壽命損傷的主要考慮對(duì)象。某電廠汽輪機(jī)廠家提供的壽命管理方案中，在各種啟動(dòng)方式和負(fù)荷變化下，機(jī)組的循環(huán)壽命消耗值見表1。

表1 各種啟動(dòng)方式下機(jī)組的循環(huán)壽命消耗值

該機(jī)組在30 年的壽命期內(nèi)的總循環(huán)壽命消耗為：

200×0.035+700×0.008+3000×0.004+300×0.002+12000×0.001×100%=37.2%(小于75%)。

按照每天機(jī)組負(fù)荷大幅波動(dòng)2 次，每年運(yùn)行300 天計(jì)算30年壽命損壞為：

2×300×30×0.001×100%=18%。

由此可見，深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)負(fù)荷頻繁波動(dòng)造成的汽輪機(jī)壽命損耗遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子保證壽命，說明深度調(diào)峰對(duì)汽輪機(jī)壽命影響有限，無需采取特別控制措施，可以保證機(jī)組在設(shè)計(jì)使用壽命期內(nèi)安全可靠運(yùn)行。

2 深度調(diào)峰對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響

機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)，機(jī)組和各個(gè)輔機(jī)的運(yùn)行工況均大幅度偏離設(shè)計(jì)值，供電煤耗率、廠用電率、汽輪機(jī)熱耗率、鍋爐效率等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)將會(huì)大幅度降低。某電廠由于給水泵和引風(fēng)機(jī)為變頻調(diào)節(jié)，變頻器在低負(fù)荷工況下節(jié)能效果明顯，造成機(jī)組廠用電率隨負(fù)荷降低而降低，可以彌補(bǔ)部分機(jī)組負(fù)荷降低而引起的效率下降問題，該廠有全天24h 深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)段，但實(shí)際計(jì)算機(jī)組供電煤耗還是隨著負(fù)荷降低而大幅增加。600MW 機(jī)組當(dāng)負(fù)荷在額定負(fù)荷的100%至50%之間變化時(shí)，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性緩慢變差，供電煤耗由306g/kWh上升到325 g/kWh，上升幅度為19g/kWh，廠用電率由8.9%下降到7.9%；但當(dāng)負(fù)荷從50%降低至30%時(shí)，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)變化速率突增，供電煤耗由325g/kW 迅速上升到373g/kWh，上升幅度為48g/kWh，廠用電率由7.9%上升到8.4%，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性明顯降低。

3 結(jié)論

大型火力發(fā)電機(jī)組參與電網(wǎng)深度調(diào)峰已成為常態(tài)，綜合考慮火電機(jī)組設(shè)備在深度調(diào)峰時(shí)的運(yùn)行特點(diǎn)，在大多數(shù)情況下，機(jī)組及輔助系統(tǒng)不存在限制機(jī)組降負(fù)荷的制約因素，短期內(nèi)也給火電廠帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但長期深度調(diào)峰、啟停調(diào)峰給機(jī)組帶來的四管泄漏、輔機(jī)損壞、空預(yù)器堵塞等安全性問題不容忽視。各電廠在靈活性改造路線上應(yīng)充分論證，采取相對(duì)穩(wěn)妥的技術(shù)路線；運(yùn)行中盡量減少機(jī)組啟停調(diào)峰次數(shù)，嚴(yán)格控制機(jī)組主汽壓力、溫度升降速率，盡量避免主要輔機(jī)頻繁啟停；加強(qiáng)檢修管理，做到逢停必檢、逢停必修，保障機(jī)組的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行期間，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況，供電煤耗率、汽輪機(jī)熱耗率、鍋爐效率等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)將會(huì)大幅度降低?；痣姀S應(yīng)充分考慮靈活性改造費(fèi)用、對(duì)機(jī)組安全性影響、檢修材料費(fèi)用增加以及供電煤耗大幅上升等因素，并以此為依據(jù)積極爭取電網(wǎng)調(diào)峰電價(jià)補(bǔ)償，避免惡性競爭。