國產(chǎn)600 MW超臨界直流鍋爐濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)優(yōu)化控制

歐志良

(廣東珠海金灣發(fā)電有限公司，廣東 珠海 519060)

1 問題的提出

隨著我國電力事業(yè)的快速發(fā)展，600MW超臨界發(fā)電機(jī)組已成為我國電力行業(yè)的主要機(jī)型。不得不承認(rèn)我國超臨界和超超臨界發(fā)電機(jī)組的技術(shù)和大多數(shù)發(fā)達(dá)國家還存在很大差距，近年來，我國十分注重其發(fā)展進(jìn)程且超臨界機(jī)組已在我國得到廣泛應(yīng)用。2002年，國家發(fā)展計(jì)劃委員會(以下簡稱國家計(jì)委)已確定超臨界機(jī)組國產(chǎn)化依托工程的沁北電廠2臺600MW機(jī)組完成了招投標(biāo)，標(biāo)志著超臨界機(jī)組進(jìn)入了國產(chǎn)化研制階段。該項(xiàng)目于2004年10月投產(chǎn)發(fā)電，表明首臺國產(chǎn)超臨界機(jī)組研制成功。國家計(jì)委還提出，新建600 MW及以上機(jī)組原則上采用超臨界機(jī)組，因此，在此后的火電建設(shè)中，國產(chǎn)超臨界機(jī)組得到了較大的發(fā)展。由于我國國產(chǎn)化超臨界機(jī)組從研制到投產(chǎn)的時(shí)間較短，積累的成熟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)并不多。目前，超臨界直流鍋爐經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高、啟動(dòng)速度快、負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已得到廣泛認(rèn)可。由于超臨界直流鍋爐汽水特性的限定，鍋爐在啟、停過程中存在一個(gè)干態(tài)、濕態(tài)轉(zhuǎn)換過程，這個(gè)過程是超臨界直流鍋爐控制的關(guān)鍵點(diǎn)之一。啟、停機(jī)組時(shí)需要平穩(wěn)、順暢且快速過渡，否則易發(fā)生干、濕態(tài)頻繁交替。若調(diào)整不當(dāng)，會引起啟動(dòng)分離器出口蒸汽溫度、主(再)熱蒸汽溫度等重要參數(shù)的大幅波動(dòng)，造成鍋爐管壁超溫或由于關(guān)鍵閥門設(shè)備損壞，導(dǎo)致過熱器進(jìn)水，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行。

2 國產(chǎn)600MW超臨界直流鍋爐濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)優(yōu)化控制

2.1 在鍋爐啟動(dòng)過程中所遇到的問題

廣東珠海金灣發(fā)電有限公司2×600 MW超臨界鍋爐是采用上海鍋爐廠生產(chǎn)的超臨界參數(shù)、變壓運(yùn)行螺旋管圈直流鍋爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、П形露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。#4機(jī)組和#3機(jī)組自2007年1月相繼投產(chǎn)至今的多次啟、停操作中，超臨界直流鍋爐在干態(tài)、濕態(tài)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)以下4個(gè)方面的問題。

(1)由于直流鍋爐濕態(tài)時(shí)NWL閥、HWL－1閥、HWL－2閥在調(diào)節(jié)啟動(dòng)分離器水位過程中波動(dòng)較大，承受工質(zhì)的溫度、壓力也較大，造成閥門設(shè)備損壞或調(diào)節(jié)故障，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鍋爐主燃料跳閘(MFT)保護(hù)動(dòng)作停機(jī)。廣東珠海金灣發(fā)電有限公司的2臺機(jī)組在啟動(dòng)過程中都曾出現(xiàn)過啟動(dòng)系統(tǒng)的HWL閥失控而造成鍋爐MFT的故障，分析故障原因是HWL閥在小開度時(shí)閥門振動(dòng)大，閥門定位桿損壞造成閥門開度反饋故障而使調(diào)閥失調(diào)。

(2)在濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)過程中，水冷壁內(nèi)工質(zhì)膜態(tài)劇烈沸騰，對汽水系統(tǒng)擾動(dòng)非常大，造成相關(guān)閥門和管道的劇烈振動(dòng)。

(3)NWL閥的調(diào)節(jié)波動(dòng)直接影響除氧器的水位和水溫，除氧器若出現(xiàn)虛假水位，會造成除氧器防進(jìn)水保護(hù)動(dòng)作，進(jìn)而出現(xiàn)除氧器加熱汽源自動(dòng)退出和凝結(jié)水流量大幅度波動(dòng)的異常工況。

(4)若濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)時(shí)間過長，不僅增加了工質(zhì)和熱量的損失，造成燃料的大量浪費(fèi)，降低了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，而且還影響了機(jī)組的帶負(fù)荷率，造成電量損失。

值得關(guān)注的是，大型超臨界機(jī)組一般是在機(jī)組啟動(dòng)直至完成濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)并帶上一定負(fù)荷運(yùn)行之后，才開始投運(yùn)脫硫及脫硝系統(tǒng)。隨著國家環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格，在全社會大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的背景下，如何縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間、減少啟動(dòng)過程中SO2和NOx的排放量具有重大意義。

2.2 濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)過程中的優(yōu)化控制策略

如何能平穩(wěn)、順暢地進(jìn)行濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)，避免轉(zhuǎn)換過程中主汽溫度、主汽壓力等重要參數(shù)的大幅度波動(dòng)以及由于給水流量、分離器水位的大幅度變化而造成的機(jī)組跳閘或鍋爐因金屬溫度超溫導(dǎo)致爆管。采取有效的控制措施，減小機(jī)組啟動(dòng)過程中對NWL，HWL－1和HWL－2等關(guān)鍵閥門的沖擊，避免這些閥門因沖擊和振動(dòng)造成損壞或控制失靈使機(jī)組被迫停運(yùn)。在此提出了機(jī)組整個(gè)啟動(dòng)過程中NWL閥和HWL閥的優(yōu)化控制策略:NWL閥切手動(dòng)控制，控制除氧器壓力 ＜0.5 MPa，當(dāng) HWL閥開度＜20%時(shí)，關(guān)小NWL閥調(diào)節(jié)啟動(dòng)分離器水位，使HWL閥開度開大，開度盡量＞20%(通過分析可知，HWL－1閥、HWL－2閥開度＞20%時(shí)本體振動(dòng)相對偏小，不易損壞)，直至NWL閥門全關(guān)。在NWL閥關(guān)小的同時(shí)，通過開大輔汽供除氧器加熱汽源調(diào)節(jié)閥來維持除氧器水溫，最大限度地減小NWL閥和HWL閥因沖擊振動(dòng)造成的故障率。

應(yīng)盡量縮短濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)的過程，減少燃料量損失和發(fā)電量損失，最大限度地提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)盡量縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，最大限度地減少SO2及NOx等污染物的排放量。本文提出了采用單臺電動(dòng)給水泵運(yùn)行方式和加快提高給水溫度等一系列措施。優(yōu)化操作步驟:通過在低壓力低負(fù)荷工況下完成鍋爐濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)運(yùn)行(以往是1臺汽動(dòng)給水泵并入給水，即1臺汽動(dòng)給水泵和1臺電動(dòng)給水泵運(yùn)行，鍋爐啟動(dòng)分離器再轉(zhuǎn)干態(tài))的創(chuàng)新，解決直流鍋爐濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)過程中的諸多問題，縮短了濕態(tài)運(yùn)行時(shí)間，減少了濕態(tài)以及濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)過程中的故障發(fā)生率;同時(shí)，在鍋爐轉(zhuǎn)入干態(tài)運(yùn)行后，以安全、高效的方式升負(fù)荷并投入脫硫、脫硝系統(tǒng)運(yùn)行，減少大氣污染物排放量。

針對機(jī)組啟動(dòng)時(shí)濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)過程存在的問題，采取以下操作步驟對其進(jìn)行優(yōu)化。

(1)在鍋爐啟動(dòng)過程中，通過NWL閥開度參與調(diào)節(jié)啟動(dòng)分離器水位，盡量控制2個(gè)HWL調(diào)閥開度不要落在0～20%內(nèi)。

(2)盡早投入輔汽供除氧器加熱運(yùn)行，第一時(shí)間提高給水溫度。

(3)負(fù)荷約80 MW時(shí)可以投入低壓加熱器。盡快提高進(jìn)入除氧器的凝結(jié)水溫度。

(4)四段抽汽至除氧器加熱應(yīng)盡早投入，提高除氧器水溫，從而提高給水溫度。

(5)在濕態(tài)過程中，在保證HWL閥開度大于20%和除氧器壓力小于0.5 MPa的條件下，盡量開大NWL閥以提高工質(zhì)和熱量的回收，從而提高除氧器水溫。

(6)盡量降低主蒸汽壓力，蒸汽壓力宜在10～11 MPa進(jìn)行濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)過程，減少由于壓力較高造成對NWL，HWL－1和HWL－2等閥門的沖擊和損壞，同時(shí)可保證電動(dòng)給水泵電流在安全運(yùn)行范圍內(nèi)。

(7)在濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)的過程中，應(yīng)盡量維持給水流量相對穩(wěn)定(600 t/h左右)，同時(shí)可通過微量調(diào)整給水流量，改變鍋爐蒸發(fā)量、控制鍋爐垂直水冷壁管和末級過熱器金屬溫度，防止啟動(dòng)過程中鍋爐金屬璧溫超溫導(dǎo)致爆管事故的發(fā)生。

(8)提前對高壓加熱器抽汽管道進(jìn)行暖管、疏水，一方面可適當(dāng)提高給水溫度，另一方面可為機(jī)組盡快投運(yùn)高壓加熱器系統(tǒng)做好準(zhǔn)備。

(9)在干態(tài)、濕態(tài)轉(zhuǎn)換前，應(yīng)及時(shí)啟動(dòng)備用磨煤機(jī)，在轉(zhuǎn)換過程中，適當(dāng)提高燃料量的增加速度，加快鍋爐濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)運(yùn)行。

(10)在鍋爐轉(zhuǎn)干態(tài)后，應(yīng)盡快并入汽動(dòng)給水泵運(yùn)行，機(jī)組升負(fù)荷后，要及早投入脫硫、脫硝系統(tǒng)運(yùn)行。

2.3 改進(jìn)前、后的分析對比

2011－01－06，在#4機(jī)組啟動(dòng)操作過程中，保持HWL閥開度一直大于20%，使啟動(dòng)系統(tǒng)安全運(yùn)行;在濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)時(shí)，濕態(tài)時(shí)間縮短了，電動(dòng)給水泵電流在620 A左右，離額定電流858 A仍有較大裕度，減少了 NWL閥、HWL－1閥、HWL－2閥的波動(dòng)，防止這3個(gè)閥門在啟動(dòng)過程中發(fā)生故障;有效減少了濕態(tài)過程中容易出現(xiàn)的除氧器水位波動(dòng)、水冷壁膜態(tài)沸騰等異常情況的發(fā)生，效果良好。從發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開始到鍋爐完全轉(zhuǎn)干態(tài)，總共用了83 min，鍋爐轉(zhuǎn)入干態(tài)后，可較快地加負(fù)荷，使機(jī)組進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行工況。并網(wǎng)至鍋爐轉(zhuǎn)干態(tài)期間，除氧器水溫最高達(dá)146℃，高壓給水溫度最高146℃;鍋爐水冷壁螺旋管金屬溫度從280℃平緩上升至333℃(曲線2)，其結(jié)果如圖1所示。

與#4機(jī)組前一次啟動(dòng)情況對比看(啟動(dòng)時(shí)間:2010－09－09)，從發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開始到鍋爐完全轉(zhuǎn)干態(tài)，總共用時(shí)243 min，期間除氧器水溫最高為132℃，高壓給水溫度最高134℃，其結(jié)果如圖2所示。

3 經(jīng)濟(jì)效益評估和計(jì)算

從最近2次機(jī)組啟動(dòng)及以往的啟動(dòng)比較，通過直流鍋爐濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)優(yōu)化控制，在機(jī)組啟動(dòng)過程中，鍋爐由發(fā)電機(jī)并網(wǎng)濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)，節(jié)省了啟動(dòng)時(shí)間160 min，使機(jī)組可以較快地加負(fù)荷，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行工況，特別是在機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)前提下，爭取了機(jī)組多發(fā)電，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。該優(yōu)化控制方案可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益如下:

(1)每臺機(jī)組每天平均負(fù)荷為450 MW，干、濕態(tài)轉(zhuǎn)換過程基準(zhǔn)負(fù)荷為200 MW，參考電價(jià)為0.5元/(kW·h)，那么1臺機(jī)組可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為

2臺機(jī)組可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為33.3×2=66.6(萬元)。

(2)在#3，#4機(jī)組啟動(dòng)過程中，在直流鍋爐濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)前采用等離子與AB層小油槍(小油槍耗油量為4t/h)助燃方式，在轉(zhuǎn)干態(tài)后將停運(yùn)AB層小油槍，由于用低成本的燃煤代替燃油(燃油的發(fā)熱量約為燃煤的2倍)，意味著節(jié)省了160 min的啟動(dòng)時(shí)間，按目前煤價(jià)600元/t，燃油價(jià)7200元/t計(jì)算，160 min消耗的燃油成本為

2臺機(jī)組可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為6.4×2=12.8(萬元)。

(3)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間延長了160 min，電動(dòng)給水泵運(yùn)行的時(shí)間也延長了160 min，它的耗能成本為

2臺機(jī)組的耗能成本為

另一方面，根據(jù)機(jī)組歷次啟動(dòng)情況，采取該方案優(yōu)化了濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)過程，大大降低了 NWL閥及HWL閥的故障概率，避免了超臨界鍋爐普遍存在的啟動(dòng)初期過熱器璧溫容易超溫導(dǎo)致爆管的故障發(fā)生，每臺機(jī)組每年可避免因NWL閥和HWL閥故障而被迫停機(jī)。按照以往經(jīng)驗(yàn)，600 MW機(jī)組啟、停1次的費(fèi)用為300萬元，假如每年有2次因?yàn)榇斯收隙C(jī)的話，可為公司節(jié)省600萬元。

綜上所述，該方案每年為公司共節(jié)約的費(fèi)用及創(chuàng)造的利潤為:66.8+12.8+1+600=680.6(萬元)。

4 結(jié)束語

在直流鍋爐啟動(dòng)過程中，對國產(chǎn)600 MW超臨界直流鍋爐濕態(tài)轉(zhuǎn)干態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化控制，滿足了現(xiàn)代電廠所要求的安全、節(jié)能和環(huán)保的需要，在1年多的實(shí)際運(yùn)用中收到良好的效果。將這種控制理念和方案優(yōu)化方法推介給同行，期望能起到拋磚引玉的效果。