啟動(dòng)鍋爐爐底推動(dòng)保壓技術(shù)

陸云峰，陸仁琪，張建中

(上海申能崇明發(fā)電有限公司，上海 202155)

0 引言

隨著國內(nèi)對清潔能源的需求越來越高，相對技術(shù)成熟和廉價(jià)的燃?xì)怆姀S如雨后春筍在各地開工建設(shè)。燃?xì)怆姀S與煤機(jī)相比有污染少、效率高和建設(shè)工期短的優(yōu)點(diǎn)，然而國內(nèi)燃?xì)怆姀S運(yùn)營模式不同于國外，主要起調(diào)電峰、氣峰的作用，做不到長期連續(xù)運(yùn)行。頻繁啟停成為燃?xì)怆姀S的新特點(diǎn)。

新建燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組周邊很少建有煤電機(jī)組，輔助蒸汽必須自產(chǎn)自銷。因而，啟動(dòng)鍋爐成為燃?xì)怆姀S的重要設(shè)備。

啟動(dòng)鍋爐在燃?xì)怆姀S的作用主要有兩點(diǎn):

(1)先于燃機(jī)啟動(dòng)，為聯(lián)合循環(huán)中的蒸汽機(jī)組提供必須的軸封用輔助蒸汽;

(2)燃機(jī)正常運(yùn)行后轉(zhuǎn)為熱備用狀態(tài)，以備機(jī)組在故障時(shí)以最快的響應(yīng)速度提供輔助蒸汽。啟動(dòng)鍋爐通常是通過程序設(shè)定，利用間歇性點(diǎn)火燒氣或燒油燃燒提供熱量給啟動(dòng)鍋爐本體，保證其本體金屬壁溫處于熱態(tài)(不低于某壓力下的飽和溫度)，實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間(常規(guī)為5 min)內(nèi)點(diǎn)火生成額定參數(shù)額定負(fù)荷的輔助蒸汽。

1 爐底推動(dòng)保壓技術(shù)

利用啟動(dòng)鍋爐自帶的間歇性點(diǎn)火方式其處于熱備用狀態(tài)最為簡單，不用改變原有系統(tǒng)和增加設(shè)備。這種固有運(yùn)行方式消耗大量天然氣等一次能源，給電廠增加生產(chǎn)成本的同時(shí)也縮短了啟動(dòng)鍋爐使用壽命，變相增加檢修維護(hù)成本。

受大型燃煤鍋爐利用鄰爐加熱方法［1］縮短鍋爐啟動(dòng)時(shí)間和減少燃油成本啟發(fā)，并聯(lián)系余熱鍋爐停爐保養(yǎng)方案［2］，設(shè)想從輔助蒸汽母管引一路至啟動(dòng)鍋爐下聯(lián)箱，通過余熱鍋爐產(chǎn)生的少量低品質(zhì)蒸汽推動(dòng)啟動(dòng)鍋爐內(nèi)的工質(zhì)流動(dòng)，在不點(diǎn)火耗能的情況下實(shí)現(xiàn)保溫保壓，降低運(yùn)行成本。

2 系統(tǒng)介紹

以某燃?xì)猓羝h(huán)電廠燃?xì)鈫?dòng)鍋爐為例，鍋爐額定出口蒸汽壓力0．8 MPa，額定出口蒸汽溫度300℃，出口蒸汽流量10 t/h，單臺鍋爐水容積約8．5 m3，額定出力時(shí)天然氣消耗量為822 Nm3/h，兩臺啟動(dòng)鍋爐滿足一用一備配置方式。

圖1 啟動(dòng)鍋爐爐底推動(dòng)保壓系統(tǒng)P＆ID 圖

如圖1 所示，從全廠輔助蒸汽母管接出一路作為啟動(dòng)鍋爐爐底加熱蒸汽母管，母管設(shè)有手動(dòng)截止閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、測溫、測壓元件，管路末端設(shè)疏水，疏水管路上安裝兩個(gè)手動(dòng)截止閥;母管上各引一路支管至#1、#2 啟動(dòng)鍋爐下聯(lián)箱，管路上設(shè)有止回閥、電動(dòng)截止閥和手動(dòng)截止閥。

爐底推動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，先打開疏水管路截止閥對管路進(jìn)行暖管，并通過母管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥加以調(diào)節(jié)流量以防止產(chǎn)生水擊，控制室通過遠(yuǎn)傳信號不間斷監(jiān)視溫度、壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)管壁溫接近暖管壓力下的飽和溫度或100℃時(shí)，疏水工作結(jié)束，關(guān)閉疏水閥門后打開對應(yīng)支管上的手動(dòng)截止閥，支管內(nèi)的介質(zhì)由水逐漸轉(zhuǎn)為蒸汽，當(dāng)熱蒸汽不斷充入啟動(dòng)鍋爐下聯(lián)箱推動(dòng)水循環(huán)，加熱啟動(dòng)鍋爐本體，使得啟動(dòng)鍋爐穩(wěn)定在熱備用狀態(tài)。

3 爐底推動(dòng)保壓技術(shù)可行性分析

3．1 爐底推動(dòng)加熱保壓方式時(shí)的輔汽耗量估算

設(shè)備廠家建議的啟動(dòng)鍋爐熱備用狀態(tài)參數(shù)為:壓力0．20 MPa，其爐本體金屬壁溫不低于其飽和壓力下的飽和溫度(120．23℃)。啟動(dòng)鍋爐以爐底推動(dòng)方式進(jìn)行保溫保壓，輔汽耗量可按熱平衡理論進(jìn)行估算。

3．1．1 鍋爐內(nèi)部冷卻過程的耗汽量估算

啟動(dòng)鍋爐停爐后，即使采取關(guān)閉疏放水系統(tǒng)進(jìn)行鍋側(cè)熱流封閉等隔離措施，由于煙氣系統(tǒng)存在自生通風(fēng)效應(yīng)，汽水系統(tǒng)閥門存在內(nèi)漏/外漏及爐膛熱量損失等原因，在停爐后達(dá)到一定時(shí)間后，汽包等受壓系統(tǒng)的壓力仍不可避免發(fā)生相繼下降，甚至出現(xiàn)真空狀態(tài)。一般來說，停爐后的壓力只能維持20 h［2］以內(nèi)，現(xiàn)保守以10 h 計(jì)算，則按熱平衡方程推算，鍋爐內(nèi)部冷卻過程的熱量變化率為

式中

VB——鍋爐受壓系統(tǒng)水容積/m2，VB=8． 5m3;

ps——爐水密度/kg·m－3，按0． 80 MPa 和0.20 MPa 飽和態(tài)的爐水密度平均值估算為919/kg/m3;

hp0——停爐開始時(shí)的爐水比焓/kJ·kg－1，按0． 80 MPa 飽 和 態(tài)(170． 42℃)計(jì) 算 為720.95/kJ/kg;

hp1——停爐后，壓力下降到須投入爐底加熱系統(tǒng)時(shí)的爐水比焓/kJ·kg－1，該壓力按p1=0．20 MPa 的 飽 和 態(tài)(120． 23℃)計(jì) 算 為504.68 kJ/kg;

βm——冷卻過程受熱部件金屬對冷卻程度的影響系數(shù)，取為1．3。

3．1．2 平衡鍋爐外部冷卻過程的耗汽量估算

在環(huán)境溫度一定時(shí)，外部冷卻過程熱量消耗只與啟動(dòng)鍋爐工作狀態(tài)有關(guān)，啟動(dòng)鍋爐生產(chǎn)蒸汽量越大，參數(shù)越高，與環(huán)境熱交換越激烈，消耗的熱量越大，即在啟動(dòng)鍋爐滿負(fù)荷工況下的熱量消耗最大，現(xiàn)保守按此工況下核算啟動(dòng)鍋爐平衡鍋爐外部冷卻過程的熱耗量為

式中 q5——鍋爐散熱損失率;

β5——露天鍋爐冬季散熱損失修正系數(shù);

B——鍋爐額定出力時(shí)的燃料耗量/Nm3·h－1，取822 Nm3/h;

Qnet．a(chǎn)r——天然氣低位發(fā)熱量/MJ·Nm－3，取

34．056 MJ/Nm3。

q5按制造廠數(shù)據(jù)為1． 6%，按工業(yè)鍋爐標(biāo)準(zhǔn)GB10180 －88 為1．7%，按前蘇聯(lián)鍋爐熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為1．8%，現(xiàn)保守按1．8%取用。但這些都是在室溫(一般為25℃)條件下用于鍋爐熱平衡計(jì)算的數(shù)據(jù)。若計(jì)及露天鍋爐冬季環(huán)境溫度較低條件的影響，尚需考慮修正系數(shù)β5

式中

tf——鍋爐保溫計(jì)算中的定性溫度/℃，按

150℃取用;

tw——冬季環(huán)境平均溫度(上海當(dāng)?shù)?/℃，按3．7℃。

3．1．3 爐底推動(dòng)方式進(jìn)行加熱保壓時(shí)的輔汽耗量估算

爐底推動(dòng)加熱保壓時(shí)所需平衡的冷卻過程熱量損耗為以上兩項(xiàng)冷卻熱量消耗之和

所需的輔汽量為

式中

hA．O——輔汽熱焓/kJ·kg－1，按余熱鍋爐低壓蒸汽 參 數(shù)(0． 374 MPa，240． 1℃)查 取 為

2941．8 kJ/kg;

hA．S——輔汽飽和水焓/kJ·kg－1，按0．2 MPa查取為504．68 kJ/kg;

φA——加熱管系散熱損失系數(shù)，取為0．96。

通過熱平衡理論推算，利用爐底推動(dòng)保壓方式所消耗的輔助蒸汽量僅為0．355 t/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常輔汽產(chǎn)量，因而不會影響其他熱力系統(tǒng)。

3．2 經(jīng)濟(jì)性比較

已知采用爐底推動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)爐本體熱備用狀態(tài)每小時(shí)消耗輔助蒸汽量為0．355 t;采用爐本體間歇點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)熱備用狀態(tài)每小時(shí)消耗天然氣為

式中 Qnet．a(chǎn)r——天然氣低位發(fā)熱量;

ηS——啟動(dòng)鍋爐燃燒熱效率。

3．2．1 啟動(dòng)鍋爐間斷微火保壓

假設(shè)電廠燃機(jī)年利用小時(shí)數(shù)為4000 h，即啟動(dòng)鍋爐熱備用時(shí)間按4000 h 計(jì)算，燃?xì)鈨r(jià)格為2． 3元/Nm3，已計(jì)算每小時(shí)耗氣量為28．74 Nm3，則年消耗天然氣成本為:28．74 ×4000 ×2．3 =264408 元。

3．2．2 爐底推動(dòng)保壓

啟動(dòng)鍋爐熱備用時(shí)間按4000 h 計(jì)算，低品位熱蒸汽價(jià)格約200 元/t［4］(參考燃煤供熱機(jī)組)，已計(jì)算每小時(shí)耗汽量為0．355 t，則年消耗輔助蒸汽成本為:0．355 ×4000 ×200 =284000 元。

3．2．3 設(shè)備及安裝調(diào)試費(fèi)用

爐底推動(dòng)系統(tǒng)需增加一路DN80 ～DN100 蒸汽管路及配套的閥門、疏水系統(tǒng)、保溫等，有一定的設(shè)備費(fèi)用、安裝費(fèi)用和調(diào)試費(fèi)用，全部費(fèi)用不超過10萬元。

微火保壓方式不需增加投資。

3．2．4 結(jié)論

啟用爐底推動(dòng)加熱保壓方式約18 個(gè)月后即可收回成本，經(jīng)濟(jì)性可觀。

3．3 安全性分析

爐底推動(dòng)保壓系統(tǒng)簡單，可靠性、穩(wěn)定性高。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中(見圖1)，為防單個(gè)閥門泄漏問題，采用雙閥門提高可靠性，系統(tǒng)停用閥門關(guān)閉時(shí)，當(dāng)啟動(dòng)鍋爐正常工作時(shí)，為防止閥門失靈時(shí)啟動(dòng)鍋爐高壓工質(zhì)反灌入輔助蒸汽母管，在管路上布置止回閥以加強(qiáng)保護(hù)。

同時(shí)，整個(gè)爐底推動(dòng)系統(tǒng)的工質(zhì)壓力不論在何種工況下都低于1．0 MPa，屬于低壓系統(tǒng)，在保證閥門質(zhì)量情況下，系統(tǒng)安全受控。

4 結(jié)語

啟動(dòng)鍋爐爐底推動(dòng)保壓方式系統(tǒng)簡單、可靠，所消耗的輔助蒸汽量少，經(jīng)濟(jì)性較間隙性點(diǎn)火保壓方式更好。到目前為止，此系統(tǒng)已完成藍(lán)圖設(shè)計(jì)，尚處于安裝階段，未進(jìn)行調(diào)試和相關(guān)性能試驗(yàn)，實(shí)際使用效果尚不清楚，需要在今后調(diào)試和投運(yùn)初期對系統(tǒng)和運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化和完善。

［1］馮偉忠．一種超(超)臨界機(jī)組的節(jié)能型快速啟動(dòng)方法:中國，2013107391548［P］．2013 －12 －27．

［2］周靜華，馬方磊． 燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)余熱鍋爐停爐保養(yǎng)方法探討［J］．發(fā)電設(shè)備，2011，25(3):183 －186．

［3］清華大學(xué)熱能工程系動(dòng)力機(jī)械與工程研究所．燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)裝置［M］．北京:中國電力出版社，2007．

［4］上海市物價(jià)局關(guān)于調(diào)整本市部分供熱企業(yè)蒸汽基準(zhǔn)價(jià)格的通知［R］．滬價(jià)管(2011)011 號．2011 －08 －26．