百萬機(jī)組鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)節(jié)能降耗優(yōu)化

張健

摘 要：百萬機(jī)組鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、耗能高，通過深入分析影響機(jī)組啟動(dòng)能耗的主要因素，對(duì)啟動(dòng)前的準(zhǔn)備和啟動(dòng)過程進(jìn)行優(yōu)化，通過鍋爐上水前的給水溫度、提高冷態(tài)清洗標(biāo)準(zhǔn)、合理選擇汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù)以及單側(cè)送、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行等優(yōu)化，顯著降低了鍋爐啟動(dòng)油耗、煤耗和電耗，節(jié)省啟動(dòng)費(fèi)用，提高鍋爐啟動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)，縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，為百萬機(jī)組參與調(diào)峰運(yùn)行創(chuàng)造有利條件。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化 啟動(dòng)能耗 經(jīng)濟(jì)性 啟動(dòng)時(shí)間

中圖分類號(hào)：TK223.26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）10（b）-0014-04

過去，我國(guó)電力工業(yè)高速發(fā)展，在裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)的同時(shí)，單機(jī)容量也轉(zhuǎn)向大型化，百萬機(jī)組已成為電網(wǎng)的主力機(jī)組。近年來，清潔能源裝機(jī)容量增幅較快，如某省截止2018年6月風(fēng)電裝機(jī)581.89萬kW；光伏裝機(jī)容量729.5萬kW，總計(jì)1311.39萬kW，占省裝機(jī)總?cè)萘康?2.29%，10年來年平均增長(zhǎng)達(dá)50%以上。

現(xiàn)在，隨著經(jīng)濟(jì)保持低速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，同時(shí)，外受電嚴(yán)重?cái)D壓省內(nèi)火電市場(chǎng)，發(fā)電平均利用小時(shí)降低，根據(jù)省調(diào)節(jié)能調(diào)度細(xì)則，百萬機(jī)組調(diào)停將常態(tài)化。如某省到2018年6月底，全省發(fā)電累計(jì)平均用時(shí)2039h，同比下降225h。2017年我公司2臺(tái)百萬機(jī)組參與調(diào)峰調(diào)停6次，不得不重視機(jī)組啟動(dòng)成本，因此，實(shí)現(xiàn)機(jī)組快速啟動(dòng)、降低啟動(dòng)能耗、提高電廠經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

1 機(jī)組概況

某公司2×1000MW機(jī)組的鍋爐為超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，一次再熱、單爐膛單切圓燃燒、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)塔式布置。鍋爐型號(hào)：SG3099/27.46-M545，蒸汽參數(shù)：27.46MPa（a）；605℃/603℃，由上海鍋爐廠有限公司引進(jìn)Alstom-Power公司技術(shù)生產(chǎn)。

鍋爐配備6臺(tái)正壓直吹式中速磨煤機(jī)，機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，1臺(tái)備用。磨煤機(jī)出口的4根煤粉管道在燃燒器前通過一個(gè)1分2的分配器，分成8根煤粉管道，分別進(jìn)入四角燃燒器相鄰的2層煤粉噴嘴中，在相鄰2層煤粉噴嘴之間的二次風(fēng)內(nèi)布置有1層油槍，每層4只，6層共24只，單只油槍設(shè)計(jì)出力2t/h。微油點(diǎn)火燃燒器安裝在鍋爐燃燒器由下至上的第二層磨對(duì)應(yīng)的煤粉噴嘴中，8只/臺(tái)爐，單只微油槍出力0.25t/h。

鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)采用雙側(cè)布置，每側(cè)各配備一臺(tái)軸流式動(dòng)調(diào)風(fēng)機(jī)。鍋爐主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)中存在的主要問題

鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)中存在的主要問題是啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，油耗、煤耗和電耗高。

2.1 給水溫度偏低，啟動(dòng)煤耗增加

根據(jù)物理學(xué)公式

Q=cm△t （1）

其中，Q為吸熱量，J；

C為比熱容，J/kg·℃，水的比熱容為4200J/kg·℃；

m為質(zhì)量，kg，鍋爐啟動(dòng)容積中水的質(zhì)量為379000kg；

△t為變化的溫度，℃。

水升高1℃需吸收熱量：

Q=cm△t=4200×379000×1=1591800000（J）

增加標(biāo)煤耗煤量：

m=Q/ψQnet.ar=1591800000/0.15×29310=362060g≈ 0.36（t）

其中，ψ為水冷壁熱有效系數(shù)，鍋爐啟動(dòng)階段取0.15。

鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)至并網(wǎng)階段每小時(shí)約換水1次，給水溫度降低1℃，每小時(shí)標(biāo)煤耗增加約0.36t。

2.2 冷態(tài)清洗標(biāo)準(zhǔn)低，延誤汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，增加啟動(dòng)能耗

超（超）臨界直流鍋爐在首次點(diǎn)火或停爐時(shí)間大于150h以上時(shí)，為了清理受熱面和給水管道系統(tǒng)均存在雜物、沉積物和因腐蝕生成的氧化鐵等，鍋爐點(diǎn)火前必須對(duì)管道系統(tǒng)和鍋爐本體進(jìn)行冷態(tài)清洗。清洗范圍包括給水管路、省煤器、水冷壁、汽水分離器、啟動(dòng)系統(tǒng)連接管路等。

鍋爐廠規(guī)定，啟動(dòng)分離器儲(chǔ)水箱出口水質(zhì)Fe含量小于100?g/L、SiO2含量小于50?g/L時(shí)，鍋爐冷態(tài)清洗結(jié)束。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，若Fe含量略小于100?g/L或SiO2含量略小于50?g/L時(shí)就結(jié)束冷態(tài)清洗，可能因蒸汽品質(zhì)不合格導(dǎo)致汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)不滿足要求而增加熱態(tài)清洗時(shí)間，延誤汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，增加啟動(dòng)能耗。

如2017年5月30日某廠鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)過程中，F(xiàn)e含量95?g/L或SiO2含量略小于48?g/L時(shí)就結(jié)束冷態(tài)清洗，9：00蒸汽運(yùn)行參數(shù)滿足沖轉(zhuǎn)要求，但SiO2含量大于30?g/L，熱態(tài)清洗被迫延長(zhǎng)2.5h。

2.3 汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)和低速暖機(jī)蒸汽流量偏高，增加鍋爐啟動(dòng)時(shí)間和能耗

機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù)為主蒸汽壓力8.5MPa，再熱蒸汽壓力2.5MPa，主蒸汽溫度約400℃，再熱蒸汽溫度約400℃。當(dāng)蒸汽流量達(dá)到550t/h時(shí)，維持主、再熱蒸汽壓力和溫度不變，繼續(xù)增加煤量到120t/h，對(duì)應(yīng)的蒸汽流量950t/h，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)至360rpm，低速暖機(jī)，并維持參數(shù)直至低速暖機(jī)結(jié)束，時(shí)間長(zhǎng)且煤量高，特別在低速暖機(jī)階段，始終保持120t/h的高煤量，大大增加鍋爐啟動(dòng)能耗。

2.4 雙側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，偏離高效區(qū)，電耗高

某廠百萬大型火力發(fā)電機(jī)組為了保證運(yùn)行的可靠性及安全性，采用在機(jī)組點(diǎn)火前即投入風(fēng)煙系統(tǒng)雙側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，在設(shè)計(jì)期間，軸流式動(dòng)調(diào)送、引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和壓力均留有一定的裕量，如表2所示，鍋爐點(diǎn)火至并網(wǎng)前，鍋爐需要風(fēng)量較小，雙側(cè)風(fēng)機(jī)都偏離了風(fēng)機(jī)高效區(qū)運(yùn)行（一般風(fēng)機(jī)高效運(yùn)行區(qū)在80%額定工況），風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率降低，風(fēng)機(jī)電耗高。

3 鍋爐啟動(dòng)方案優(yōu)化

3.1 合理選擇給水溫度，降低煤耗

鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)，上水溫度越高越節(jié)能，但考慮到鍋爐省煤器、水冷壁及其連接管道金屬應(yīng)力，鍋爐上水與金屬溫度的溫差不許超過111℃，一般采取鍋爐上水溫度為105℃～120℃，所以，鍋爐進(jìn)水前除氧器須加熱，提高給水溫度到120℃左右。鍋爐點(diǎn)火后，隨著熱負(fù)荷增加，金屬溫度逐步上升，可以逐漸提高除氧器水溫，進(jìn)一步降低鍋爐啟動(dòng)煤耗。

鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)至并網(wǎng)階段每小時(shí)補(bǔ)水量約400t/h，按照6h、給水溫度平均提高10℃計(jì)算，節(jié)約標(biāo)煤約21.6t。

3.2 提高冷態(tài)清洗標(biāo)準(zhǔn)，保證蒸汽品質(zhì)合格

汽機(jī)沖轉(zhuǎn)的蒸汽品質(zhì)中[1]，氫導(dǎo)率和Fe含量較易達(dá)到要求（氫導(dǎo)率≤0.5μs/㎝，F(xiàn)e含量≤50?g/L），SiO2含量較難達(dá)到要求，因此，鍋爐冷態(tài)清洗重點(diǎn)是降低SiO2含量，避免高溫蒸汽攜帶大量的硅在汽輪機(jī)內(nèi)因溫度降低而析出，沉積于汽輪機(jī)中低壓缸部位的葉片上，增大軸向推力，危及汽輪機(jī)安全。

首先，嚴(yán)控鍋爐進(jìn)水水質(zhì)，加強(qiáng)除氧器清洗，保證除氧器出口水質(zhì)即鍋爐上水含鐵量<50?g/L，SiO2含量小于30?g/L，為鍋爐冷態(tài)清洗創(chuàng)造有利條件。

鍋爐上水前，開啟水冷壁、省煤器、分離器各排氣門，以10%BMCR（304t/h）左右小流量上水，便于趕盡管道中存留的氣體，待水從水冷壁、省煤器、分離器各排氣門連續(xù)出水后關(guān)閉相應(yīng)的排氣門，確保清洗系統(tǒng)完全充滿水，使鍋爐水系統(tǒng)得到完全清洗。

鍋爐上水過程中，給水管路、省煤器、水冷壁、汽水分離器、啟動(dòng)系統(tǒng)連接管路等均存在雜物、沉積物和因腐蝕生成的氧化鐵等，鍋爐水系統(tǒng)的Fe和SiO2含量必然升高。

鍋爐冷態(tài)清洗標(biāo)準(zhǔn)按照遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于廠家規(guī)定執(zhí)行，當(dāng)啟動(dòng)分離器儲(chǔ)水箱出口水質(zhì)Fe含量小于100?g/L、SiO2含量小于50?g/L，滿足鍋爐廠規(guī)定時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行冷態(tài)循環(huán)清洗，直至Fe含量小于50?g/L且SiO2含量小于20?g/L時(shí)再結(jié)束冷態(tài)清洗，這樣，進(jìn)入熱態(tài)清洗前的水質(zhì)中SiO2含量小，可以縮短熱態(tài)清洗時(shí)間。

熱態(tài)清洗時(shí)煤量約40～45t/h，熱態(tài)清洗時(shí)間縮短1h，可以節(jié)約煤量40～45t/h。某廠優(yōu)化冷態(tài)清洗方案后，鍋爐熱態(tài)清洗時(shí)間約0.5h，比以前減少2h，節(jié)約煤量約85t，折合標(biāo)煤約60t，同時(shí)，節(jié)約助燃油10t左右，不僅降低鍋爐啟動(dòng)時(shí)間，而且降低鍋爐啟動(dòng)能耗。

3.3 優(yōu)化汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù)

優(yōu)化前機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)，從鍋爐點(diǎn)火到過熱蒸汽流量950t/h，對(duì)應(yīng)煤量120t/h，汽輪機(jī)開始沖轉(zhuǎn)至360rpm低速暖機(jī)，大約需要8h。優(yōu)化后，蒸汽流量550～600t/h，對(duì)應(yīng)的煤量約75t/h，通過高旁開度和主、再熱蒸汽減溫水量控制主蒸汽壓力8.5MPa，再熱蒸汽壓力2.5MPa，主蒸汽溫度400℃，再熱蒸汽溫度400℃，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)至低速暖機(jī)360rpm，大約需要6.5h，節(jié)約1.5h。在汽輪機(jī)低速暖機(jī)期間，維持主、再熱蒸汽壓力和溫度不變，逐漸增加煤量到120t/h，蒸汽流量隨之增加到950t/h，以滿足汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)至3000rpm要求，因此，不僅縮短了鍋爐啟動(dòng)時(shí)間，煤耗、油耗和電耗也相應(yīng)降低。

3.3.1 節(jié)約煤量

按照汽輪機(jī)低速暖機(jī)4h計(jì)算，煤量從75t/h到汽輪機(jī)3000rpm，優(yōu)化前需要5.5h，耗原煤量為（75+120）÷2× 1.5+120×4=626噸，優(yōu)化后需要4h，耗原煤量為（75+120）÷ 2×4=390t，節(jié)約原煤236t，折合標(biāo)煤168t（原煤低位發(fā)熱量Qnet.ar=20958kJ/kg）。

3.3.2 節(jié)約油量

投運(yùn)微油助燃，出力為2t/h，1.5h共節(jié)約3t。

3.2.3 節(jié)約電量

鍋爐啟動(dòng)初期，綜合考慮鍋爐最小風(fēng)量和煤粉燃燒需求，總風(fēng)量約1450t/h，引、送、一次風(fēng)機(jī)每小時(shí)耗電量約3500kWh，1.5h共節(jié)約5250kWh。

3.4 單側(cè)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)

當(dāng)前的火電市場(chǎng)持續(xù)低迷，機(jī)組頻繁調(diào)停已成常態(tài)，6kV的送、引風(fēng)機(jī)是電耗大戶，為了挖掘鍋爐啟動(dòng)期間節(jié)能 潛力，降低輔機(jī)啟動(dòng)電耗，開展了1000MW機(jī)組單側(cè)送、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行可行性分析和對(duì)標(biāo)，主要對(duì)比單、雙側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的有關(guān)參數(shù)和耗電量，評(píng)估單側(cè)送、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性[2，3]。

軸流式動(dòng)調(diào)送、引風(fēng)機(jī)性能曲線等效線類似于橢圓，鍋爐總風(fēng)量1450～1500t/h時(shí)，雙側(cè)送、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率分別約44%、55%，單側(cè)送、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率分別約55%、60%，隨著風(fēng)量升高，系統(tǒng)漏風(fēng)量增加，單側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)煙道仍需兩側(cè)運(yùn)行，系統(tǒng)阻力增加，為維持穩(wěn)定燃燒需求，風(fēng)量高于兩側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)量，單側(cè)通風(fēng)量增加，造成單側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)出力增大。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，鍋爐風(fēng)量1450t/h，單側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行比雙側(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，每小時(shí)節(jié)約電量300kWh；隨著鍋爐風(fēng)量增加，小時(shí)節(jié)約電量逐漸減少；鍋爐風(fēng)量1550t/h，小時(shí)節(jié)約電量趨于0；鍋爐風(fēng)量1600t/h以上，小時(shí)節(jié)約電量為負(fù)數(shù)，不節(jié)能，因此，鍋爐風(fēng)量1450t/h節(jié)電量最大（見圖3）。

根據(jù)以上分析和統(tǒng)計(jì)，鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)初期，從點(diǎn)火至并網(wǎng)前，采取單側(cè)送、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行，鍋爐風(fēng)量維持1450t/h，考慮并列風(fēng)機(jī)風(fēng)險(xiǎn)較大，避免鍋爐MFT造成機(jī)組Ⅰ類障礙，在機(jī)組并網(wǎng)前1h并列風(fēng)機(jī)，因此，鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)過程中，單側(cè)送、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行節(jié)約電量6.5×300=1950kWh。

4 結(jié)語

實(shí)踐證明，優(yōu)化方案十分可行，同時(shí)，具有可操作性，經(jīng)過優(yōu)化，縮短鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間1.5h，節(jié)約標(biāo)煤249t、助燃油13t、電量7200kWh。

從百萬機(jī)組鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)優(yōu)化結(jié)果來看，具有十分可觀的節(jié)能潛力，只要提前優(yōu)化好鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，按照優(yōu)化方案執(zhí)行就可以縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間，降低鍋爐啟動(dòng)能耗并實(shí)現(xiàn)機(jī)組快速啟動(dòng)。

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