440 t/h循環(huán)流化床鍋爐滾筒冷渣器冷卻水系統(tǒng)改造

段景衛(wèi)，李建剛，陳傳平，劉俊峰

(1.洛陽陽光熱電有限公司，河南 洛陽 471000； 2.鄭州電力高等?？茖W(xué)校，鄭州 450000；3.西安熱工研究院有限公司，西安 710000)

0 引言

給城市用戶提供穩(wěn)定、清潔的熱源是熱電企業(yè)的重要責(zé)任，對設(shè)備不斷改進，使之節(jié)能、環(huán)保是熱電企業(yè)追求發(fā)展的目標(biāo)之一，也是社會可持續(xù)發(fā)展的必然要求。某熱電公司原鍋爐滾筒冷渣器冷卻水系統(tǒng)設(shè)計方案中使用工業(yè)水冷卻，引起2個問題：一是鍋爐排渣熱量沒有得到有效的回收利用，白白浪費，且對環(huán)境造成熱污染；二是流過冷渣器的工業(yè)水量大，水溫升高的幅度大，致使其他使用工業(yè)水冷卻的設(shè)備流量不足，設(shè)備運行存在安全隱患，所以需要對其進行改造，提升經(jīng)濟效益。

1 設(shè)備及系統(tǒng)概況

某熱電公司安裝2臺HG-440/13.7-LYM22型超高壓、一次中間再熱、單汽包自然循環(huán)、平衡通風(fēng)循環(huán)流化床鍋爐，該鍋爐設(shè)計工況參數(shù)見表1。每臺鍋爐配套CC110/N135-13.24/0.98/0.34/535/535型135 MW中間再熱雙抽凝汽式汽輪發(fā)電機組，給水系統(tǒng)共有7級回?zé)幔?臺低壓加熱器(以下簡稱低加)、1臺除氧器、2臺高壓加熱器，凝結(jié)水泵從熱井抽水后流經(jīng)軸封加熱器(以下簡稱軸加)、#7低加、#6低加、#5低加、#4低加、除氧器進水調(diào)整門后進入除氧器。工業(yè)額定抽汽壓力為0.98 MPa，抽汽流量為50 t/h，額定采暖抽汽壓力為0.34 MPa，抽汽流量為80 t/h，抽汽背壓為3.6 kPa(絕對壓力)；回?zé)嵯到y(tǒng)正常投運時，汽輪機在額定進汽參數(shù)、額定背壓、額定抽汽參數(shù)的情況下，凝汽器熱井補水量為50 t/h，最大抽汽工況下補水量為80 t/h。每臺鍋爐配置4臺滾筒冷渣器，均布置于爐前，冷卻后的渣通過二級鏈斗輸渣系統(tǒng)排入渣倉，再用汽車運送到綜合利用場地。

表1 鍋爐設(shè)計工況參數(shù)

原滾筒冷渣器參數(shù)見表2，全部冷渣器采用工業(yè)水冷卻，冷卻水母管進口連接電廠工業(yè)冷卻水進水母管，回水排到?jīng)鏊亍Ｃ颗_鍋爐冷渣器進水母管通徑為200 mm，回水母管通徑為250 mm；根據(jù)現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)，進渣溫度為920 ℃，排渣溫度為150 ℃，冷卻水進口溫度為28 ℃，進口壓力為0.3 MPa，冷卻水出口溫度為50 ℃，總耗水量為160 t/h；4臺冷渣器由工業(yè)水帶走的熱量折合標(biāo)準(zhǔn)煤為0.504 t/h，2臺鍋爐年運行時間按5 000 h計算，每年損失的熱量折合成標(biāo)準(zhǔn)煤為5 040 t。

表2 滾筒冷渣器參數(shù)

2 改造方案分析

2.1 改造方案系統(tǒng)概述

冷渣器冷卻水進水取自軸加出口凝結(jié)水，為保證軸加用水量，系統(tǒng)不再單獨設(shè)立管道升壓泵，冷卻水流經(jīng)手動閘閥和電動閘閥后進入鍋爐側(cè)冷渣器冷卻水母管，流經(jīng)并聯(lián)的4臺冷渣器，回水分別連接到#6低加水側(cè)進口管和出口管上，流經(jīng)#5，#4低加經(jīng)電動調(diào)節(jié)閥進入除氧器?？拷啓C側(cè)的冷卻水進、回水母管上各安裝1個溫度計，運行人員可以按照冷卻水回水溫度和#6低加水側(cè)進出口溫度匹配原則切換回水接入點。在回水母管上安裝1臺遠傳流量計，用于運行時監(jiān)視總冷卻水流量和熱工斷水保護，當(dāng)冷卻水系統(tǒng)由于某種原因(如金屬軟連接斷裂)發(fā)生大流量泄漏時，應(yīng)緊急關(guān)閉冷卻水系統(tǒng)母管上的進、回水電動門，解列冷渣器冷卻水系統(tǒng)，同時打開#7低加進口電動門，維持凝汽器熱井水位在正常值。冷渣器出力大小由轉(zhuǎn)速控制，最大出力應(yīng)根據(jù)冷渣器出口冷卻水溫度進行調(diào)整，每臺冷渣器冷卻水出口管上設(shè)置遠傳溫度測點和壓力測點，監(jiān)視調(diào)整冷卻水出口溫度不高于90 ℃，當(dāng)溫度超過90 ℃或壓力低于0.6 MPa時，跳閘該冷渣器。出口母管上布置1個安全閥，整定值為2.0 MPa，運行中管道內(nèi)發(fā)生超壓時動作泄壓，此種情況一般出現(xiàn)在冷卻水系統(tǒng)母管進、回水電動閥全關(guān)時，冷渣器超溫致使冷卻水沸騰而超壓，進而引發(fā)容器爆炸事故。將#7低加入口電動閘閥更換成電動調(diào)節(jié)閥并加裝1道手動閘閥，正常運行時通過調(diào)節(jié)#7低加入口電動調(diào)節(jié)閥開度改變冷卻水系統(tǒng)流量，手動閘閥的作用是檢修#7低加時能將其徹底隔離。

熱工連鎖保護邏輯：

(1)冷渣器允許啟動條件為冷卻水母管進水和回水電動門開，且母管流量大于10 t/h；

(2)當(dāng)冷卻水母管流量低于50 t/h時，延時30 s跳閘所有冷渣器；

(3)任意一冷渣器出口冷卻水回水溫度高于90 ℃時，延時10 s跳閘該冷渣器；

(4)冷渣器冷卻水母管進水或回水電動門全關(guān)時，聯(lián)開#7低加進口電動門；

(5)任意一臺冷渣器出口回水壓力高于1.8 MPa時，延時20 s跳閘該冷渣器；出口壓力低于0.6 MPa時，延時20 s關(guān)閉母管進、回水電動門，同時聯(lián)開#7低加進口電動門。

鍋爐冷渣器冷卻水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 冷渣器冷卻水系統(tǒng)

2.2 管道水力損失計算

冷卻水母管管徑的選取要滿足鍋爐最大排渣量工況且有一定裕量，同時要兼顧汽輪機負荷最大而凝汽器進汽量和補水量較少的工況，即采暖抽汽最大工況。假設(shè)進、排渣溫度分別為920 ℃和120 ℃，渣的比熱容c1為1.046 kJ/(kg·℃)，排渣量qm1為25.1 t/h，冷卻水從35 ℃升至50 ℃，水的比熱容c2為4.2 kJ/(kg·℃)，按公式c1qm1Δt1=c2qm2Δt2得冷渣器的冷卻水流量qm2=333.33 t/h，在汽輪機最大抽汽工況下凝結(jié)水和補水總量為195.68 t/h，綜合考慮選擇DN 200 mm的無縫鋼管作為進回水母管。

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備位置測量安裝的管道距離l=170 m，管道通徑D=200 mm，使用20個90°彎頭，流量為160 t/h，流速v=1.41 m/s，取30 ℃的水，黏度μ=0.798×10-3Pa·s，當(dāng)量粗糙度Δ=0.015 mm，得雷諾數(shù)

局部水力損失

式中：n為彎頭數(shù)量，20；根據(jù)90°彎頭D/R=0.66(R為彎頭中心線的曲率半徑)查表得局部損失系數(shù)ζ=0.172。

通過計算可得hj=0.349 m。

冷卻水管道總水力損失

hLT=∑hL+∑hj=hc+hj+hz+hk，

式中：hz為冷渣器的水力損失，10 m；hk為流量孔板的水力損失，10 m。

通過計算可得hLT=21.6 m。

在高負荷時，除氧器額定工作壓力為0.65 MPa，最高工作壓力為0.82 MPa，現(xiàn)場測試每個低加的水力損失為0.1 MPa，根據(jù)冷卻水管道總水力損失可計算出軸加出口壓力不得低于1.25 MPa，凝結(jié)水泵出口壓力不得低于1.40 MPa，為了保證高負荷凝結(jié)水流量滿足機組運行要求，凝結(jié)水泵出口的壓力應(yīng)高于1.40 MPa。凝結(jié)水泵型號為ZD12NLT-220，軸功率為276 kW，流量為426 t/h，轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，揚程為196 m，效率為82%，該泵經(jīng)過多年運行后效率有所下降，凝結(jié)水流量為390 t/h時，出口壓力只有1.30 MPa，凝結(jié)水無法進入除氧器，鍋爐負荷無法繼續(xù)提高。后來返廠進行維修更換葉輪之間的密封，修整葉型擴大流道，高負荷運行時泵的出口壓力達到1.70 MPa，滿足機組運行要求。

2.3 典型運行工況分析

在電力用煤緊張時期，電廠煤質(zhì)不受控制，當(dāng)鍋爐排渣量為40 t/h，冷渣器進渣溫度為950 ℃，排渣溫度為150 ℃，進水溫度為35 ℃，冷卻水進水量按照居民采暖最大工況時選取190 t/h(因為在此工況下居民采暖抽汽通過熱網(wǎng)凝結(jié)水泵回到#4低加進口，不流經(jīng)冷渣器)時，按公式計算得冷卻水回水溫度為77.1 ℃< 90.0 ℃，說明系統(tǒng)設(shè)計是安全的。

3 經(jīng)濟效益分析

3.1 鍋爐冷渣器節(jié)能效益分析

鍋爐燃燒變化對經(jīng)濟計算的影響較大，取負荷110 MW，主蒸汽流量395 t/h，鍋爐燃料量88 t/h，進渣溫度920 ℃，平均排渣溫度105 ℃，冷渣器水側(cè)進口溫度30 ℃，回水溫度59 ℃，冷卻水流量qm為140 t/h，機組年運行5 000 h進行計算。

有效吸熱量=cqmΔt=4.2×140×1 000×(59-30)=17 052 000 (kJ/h)，折算成標(biāo)準(zhǔn)煤量為581.84 kg/h。

年節(jié)約煤量581.84×5 000÷1 000=2 909.2(t)，按標(biāo)準(zhǔn)煤價格900元/t計算，年節(jié)省費用900×2 909.2÷10 000=261.83(萬元)。

3.2 汽輪機做功效益分析

運行工況接近額定工況，部分?jǐn)?shù)據(jù)采用汽輪機額定抽汽工況參數(shù)，汽機輪低加熱平衡圖如圖2所示。依照等效熱降法理論，該冷渣器余熱利用屬于外部熱量流出、進入凝結(jié)水系統(tǒng)，引起的做功變化用下式計算

圖2 汽輪機低加熱平衡圖

ΔW=αf[(hf-h2)η3+Δh1η1+Δh2η2] ，

式中：αf為冷渣器的抽水份額，αf=qm1/qm0；qm1為冷渣器的抽水量，140 t/h；qm0為主蒸汽流量，390 t/h；η1，η2，η3分別為#7，#6，#5低加抽汽效率，η1=4.30%，η2=12.21%，η3=21.10%；Δh1，Δh2分別為#7，#6低加凝結(jié)水焓升，Δh1=43.54 kJ/kg，Δh2=73.21 kJ/kg；hf為冷渣器出口比焓，247.99 kJ/kg；h2為#6低加出口凝結(jié)水比焓，243.81 kJ/kg。

計算得ΔW=4.197 kJ/kg，即引起的做功增量為4.197 kJ/kg，按該廠發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗0.34 kg/(kW·h)、每年運行5 000 h計，年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤772.95 t。按標(biāo)準(zhǔn)煤價格900元/t計，年節(jié)省費用69.6萬元。

2種計算方法結(jié)果相差較大，原因是一種計算方法是按冷渣器冷卻水吸收熱量直接換算成標(biāo)準(zhǔn)煤量，另一種計算方法是從汽輪機做功出發(fā)，利用發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗來折算，冷卻水吸收的一部分熱量排擠低加抽汽熱量，使主蒸汽進入凝汽器的量增加，熱損失增大，抵消冷卻水吸收熱量的做功能力，相當(dāng)于冷卻水吸收的部分熱量從凝汽器排掉，因此后一種算法更接近實際效益。

4 結(jié)論

(1)改造后機組的安全性得到進一步提高，鍋爐燃燒變化不再影響工業(yè)冷卻水系統(tǒng)，能夠保證其他輔機安全運行。

(2)改造后機組的經(jīng)濟效益顯著，依照等效熱降法理論計算得出的效益更接近實際情況。

(3)設(shè)計方案時，熱工保護邏輯和系統(tǒng)上閥門的設(shè)置以汽輪機穩(wěn)定運行和輔機在線檢修為考慮重點，然后考慮鍋爐側(cè)冷渣器本身的安全運行，兼顧運行安全和投資費用。

(4)冷渣器冷卻水母管通徑的選取應(yīng)按照鍋爐最大排渣量工況對應(yīng)的冷卻水量，不應(yīng)按照單臺冷渣器最大出力所需冷卻水量，并且要考慮采暖抽汽量最大而凝結(jié)水量較小的典型工況。

參考文獻：

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