新疆某供熱機(jī)組鍋爐沖管節(jié)水節(jié)能措施分析

熊建國，韓高巖，楊利平，呂洪坤，李 劍，孫五一

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.浙能阿克蘇熱電有限公司， 新疆 阿克蘇 843000；3.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014）

0 引言

在我國新疆地區(qū)，水資源分布不均，南疆水資源匱乏，而燃煤發(fā)電廠在調(diào)試期間用水耗能較大[1]，據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，配有爐水循環(huán)泵的百萬機(jī)組在沖管期間所消耗除鹽水量高達(dá)約4萬t、耗煤量約2 000 t，而無爐水循環(huán)泵機(jī)組在沖管期間因無法回收大部分熱態(tài)工質(zhì)，造成大量工質(zhì)和能量的浪費(fèi)，使消耗的除鹽水及煤量更大[2-3]。在南疆缺水地區(qū)，除鹽水供應(yīng)不足已成為機(jī)組鍋爐沖管順利進(jìn)行的制約因素，而我國對于沖管的研究主要在于大容量機(jī)組沖管經(jīng)驗(yàn)介紹、不同沖管方式對比及沖管安全性等方面，對于鍋爐沖管節(jié)水節(jié)能方面的探討卻不多[4-6]。我國現(xiàn)階段對火電建設(shè)提出一系列限制政策，但《電力發(fā)展十三五規(guī)劃（2016—2020 年）》中指出“十三五”期間投產(chǎn)機(jī)組容量仍有約2億kW，新建機(jī)組鍋爐沖管節(jié)水節(jié)能仍有一定空間。

1 沖管原理及機(jī)組鍋爐簡介

1.1 沖管的基本原理

鍋爐沖管是通過高溫蒸汽的沖刷力，將蒸汽管道中的鐵銹、殘留垃圾、塵土等雜物帶出，從而保證后期進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽品質(zhì)合格。鍋爐在沖管過程中，當(dāng)沖管系數(shù)大于1時(shí)，沖管才有效果。在實(shí)際沖管過程中參考的是過熱器和再熱器的壓降比，當(dāng)壓降比大于1.4時(shí)，沖管是有效的。沖管系數(shù)和壓降比的定義如式（1）和（2）所示，沖管達(dá)一定次數(shù)后，在管道中放入靶板來檢驗(yàn)沖洗管道的潔凈度是否合格[7]。

式中：k為沖管系數(shù)；G為吹管工況蒸汽流量；v為吹管工況蒸汽比體積；G0為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量時(shí)的蒸汽流量；v0為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量時(shí)的比體積。

式中：β為壓降比；ΔP沖為吹管工況某區(qū)段流動壓降；ΔPBMCR為鍋爐最大出力工況下該區(qū)段流動壓降。

1.2 機(jī)組爐側(cè)簡介

新疆某發(fā)電廠供熱機(jī)組鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的350 MW等級超臨界變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，是單爐膛、一次再熱、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、緊身封閉、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐，型號為SG-1173/25.5-M4418。爐膛由下部的螺旋膜式水冷壁和上部的垂直膜式水冷壁構(gòu)成。該鍋爐配有不帶啟動循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動系統(tǒng)，啟動分離器及儲水箱均布置在爐前。鍋爐采用中速磨冷一次風(fēng)機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)，配有5臺ZGM95型中速磨煤機(jī)，在A/B層燃燒器處裝有2層微油槍。鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 沖管過程節(jié)水節(jié)能措施

2.1 加強(qiáng)水質(zhì)檢測，及時(shí)回收工質(zhì)

該發(fā)電廠機(jī)組汽水主要流程如圖1所示，沖管時(shí)期鍋爐首先進(jìn)行冷態(tài)沖洗，在集水箱水質(zhì)含鐵量較大時(shí)，給水經(jīng)由省煤器、水冷壁、汽水分離器、儲水箱及集水箱排污至廢水池中，水質(zhì)符合要求后通過啟動疏水泵回收至排氣裝置[8]。在新疆供熱機(jī)組沖管時(shí)期，為節(jié)約除鹽水，在冷態(tài)沖洗階段增加集水箱水質(zhì)檢測頻率，根據(jù)DL/T 1076-2017《火力發(fā)電廠化學(xué)調(diào)試導(dǎo)則》要求，當(dāng)水質(zhì)中含鐵量低于1 000 μg/L時(shí)立即通過疏水泵回收儲水箱排水，通過化學(xué)精處理來過濾水中含鐵，進(jìn)而減少除鹽水浪費(fèi)。

圖1 機(jī)組汽水主要流程

當(dāng)水質(zhì)中含鐵量小于100 μg/L時(shí)，鍋爐冷態(tài)沖洗結(jié)束，點(diǎn)火進(jìn)入熱態(tài)沖洗。鍋爐熱態(tài)沖洗時(shí)要求分離器出口溫度在150~190℃。由圖1可知，熱態(tài)沖洗時(shí)，該供熱機(jī)組由于無爐水循環(huán)泵，含熱工質(zhì)只能通過疏水泵向排氣裝置進(jìn)行回收。由于此時(shí)汽輪機(jī)還未進(jìn)入進(jìn)汽階段，并且化學(xué)精處理投運(yùn)要求凝結(jié)水溫度低于65℃，因此只能回收小部分熱態(tài)工質(zhì)，大部分工質(zhì)和熱量只能直接排至廢水池，造成了浪費(fèi)。為增大熱態(tài)外排工質(zhì)回收比例，該供熱機(jī)組在熱態(tài)沖洗階段控制分離器出口溫度在160℃，盡可能通過疏水泵回收熱態(tài)工質(zhì)，同時(shí)控制精處理進(jìn)口凝結(jié)水溫度低于60℃。為了盡量降低分離器出口溫度，首先應(yīng)減少大氣擴(kuò)容器中熱態(tài)工質(zhì)的對空排放，其次可增加外排熱態(tài)工質(zhì)的回收比例。經(jīng)調(diào)試工況對比，當(dāng)分離器出口和凝結(jié)水溫度分別為160℃和60℃時(shí)，較溫度為190℃和55℃時(shí)可多回收約25%的外排熱態(tài)工質(zhì)。

2.2 選擇沖管方式，優(yōu)化沖管參數(shù)

機(jī)組鍋爐穩(wěn)態(tài)沖管所需供水量較大，由于除鹽水供應(yīng)不足，無爐水循環(huán)泵的機(jī)組無法對熱態(tài)水質(zhì)全部回收，進(jìn)而造成除鹽水和熱量浪費(fèi)[9-11]。因此本機(jī)組采用主、再熱管道串聯(lián)一步法來降壓沖管，沖管流程如圖2所示。

圖2 機(jī)組的沖管流程

沖管分三步：第一步，降壓串沖主再熱蒸汽系統(tǒng)30次，停爐12 h以上；第二步，鍋爐重新點(diǎn)火升溫升壓，繼續(xù)對主再熱蒸汽系統(tǒng)串沖30次，安排停爐12 h以上；第三步，鍋爐再次點(diǎn)火升溫升壓，繼續(xù)串沖主再熱蒸汽管道至打靶合格。

為了減少沖管耗水耗能，剩余小段高旁管道采用人工清理方式，另外調(diào)整沖管參數(shù)，盡量減少鍋爐沖管次數(shù)。降壓沖管時(shí)，在保證管道一定安全余量下可適當(dāng)提高蓄能壓力。機(jī)組鍋爐沖管過程中，蓄能壓力和主再熱器最大壓降比關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，提高蓄能壓力可有效提高主再熱器最大壓降比，同時(shí)延長每次有效沖管時(shí)間。鍋爐沖管設(shè)施規(guī)格要求如表2所示，考慮到臨時(shí)管道規(guī)格及保有一定安全余量等要求，沖管期間將蓄能壓力提高至7.0 MPa，主再熱蒸汽壓降比也分別提高到1.67和2.14，增強(qiáng)了每次沖管效果，減少沖管次數(shù)。

圖3 最大壓降比與蓄能壓力關(guān)系

臨沖門的開關(guān)時(shí)間也影響每次沖管效果，沖管臨沖門1和2開到位時(shí)間分別為46 s和50 s，在蓄能壓力相等時(shí)，使用臨沖門1和臨沖門2沖管時(shí)的過熱器壓降比曲線對照如圖4所示，使用臨沖門1比使用臨沖門2的最大過熱器壓降比提高了約0.08，且有效沖管時(shí)間幾乎相同。因此，沖管過程中優(yōu)先選用開關(guān)時(shí)間短的臨沖門。

表2 沖管臨時(shí)設(shè)施的規(guī)格要求

圖4 不同臨沖門過熱器壓降比

綜上所述，在管道設(shè)備安全裕度內(nèi)，增大蓄能壓力、選用開關(guān)時(shí)間短的臨沖門等措施均可提高沖管系數(shù)，進(jìn)而減少沖管次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)能的目的。

2.3 調(diào)整機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

2.3.1 適當(dāng)降低給水流量

鍋爐在設(shè)計(jì)時(shí)，為了在低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，防止水動力不穩(wěn)定，規(guī)定其最小給水流量不低于最大給水流量的30%。在調(diào)試沖管期間，為節(jié)約除鹽水可適當(dāng)降低給水流量，但需同時(shí)注意監(jiān)視水冷壁溫度有無異常，進(jìn)而調(diào)整給水流量。由于水冷壁溫度是在水冷壁上等間距測定的，因此在監(jiān)視水冷壁溫度時(shí)，要較規(guī)定溫度報(bào)警值留有一定余量[12-13]。

該供熱鍋爐規(guī)定的最小給水流量為331 t/h，在沖管期間，為減少對除鹽水的消耗，降低了最小給水流量。在沖管蓄壓時(shí)流量降低為約150 t/h，垂直段水冷壁和螺旋水冷壁最大壁溫點(diǎn)最大值約為286℃和281℃，遠(yuǎn)低于水冷壁報(bào)警溫度493℃，末級過熱器和末級再熱器最大壁溫點(diǎn)最大值也遠(yuǎn)低于溫度報(bào)警值，主汽溫度和煙溫也都分別低于安全要求值420℃和520℃。沖管穩(wěn)定期間的給水流量、儲水箱下降管流量、各管壁區(qū)域最大溫度點(diǎn)及主蒸汽溫度變化如圖5所示。可見，在沖管過程中，降低給水流量時(shí)，運(yùn)行并無異常情況，而降低給水流量是減少除鹽水消耗的有效措施。

圖5 沖管時(shí)部分參數(shù)變化曲線

此外，給煤量一定而給水流量降低時(shí)，給水的蒸發(fā)量會增加，減少熱態(tài)工質(zhì)的外排，減少了工質(zhì)和熱量的浪費(fèi)。在新疆機(jī)組沖管時(shí)期，凝結(jié)水補(bǔ)水溫度為19℃，下降管水溫約為277℃，控制凝結(jié)水溫度約60℃，可回收熱態(tài)工質(zhì)約25 t/h，有小部分的熱態(tài)工質(zhì)排至廢水儲存池。

2.3.2 燃燒調(diào)整

在沖管期間，考慮到盡量產(chǎn)出更多的蒸汽，應(yīng)投用下層磨煤機(jī)，同時(shí)提高分離器轉(zhuǎn)速，適當(dāng)減少底部二次風(fēng)量，并且當(dāng)各金屬壁溫、主汽溫度和爐膛出口煙溫在安全范圍內(nèi)時(shí)可適當(dāng)增大給煤量。機(jī)組在沖管期間投用底層A磨煤機(jī)，煤量20 t/h、一次風(fēng)量約54 t/h、總風(fēng)量約460 t/h、分離器轉(zhuǎn)速頻率為28 Hz。投用下層磨煤機(jī)，同時(shí)適當(dāng)增大旋轉(zhuǎn)分離器轉(zhuǎn)速以及減少底部二次風(fēng)量時(shí)，可使火焰中心下移，同時(shí)提高火焰溫度，進(jìn)而水冷壁吸收較多熱量，產(chǎn)生更多的蒸汽，減少工質(zhì)的外排量。提高給煤量，可增大蒸發(fā)量，提高蒸汽溫度，也會一定程度提高沖管系數(shù)，但在增加給煤量時(shí)，為了防止再熱器干燒嚴(yán)重，應(yīng)控制爐膛出口煙溫低于520℃，并且考慮到?jīng)_管設(shè)施的規(guī)格要求，應(yīng)控制蒸汽溫度不超過420℃。

3 其他措施

針對新疆無爐水循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的機(jī)組，可在啟動疏水泵出口增加通往除氧器的管路。在沖管期間，當(dāng)外排熱態(tài)工質(zhì)含鐵量小于100 μg/L時(shí)，可通過此管路將熱態(tài)工質(zhì)直接全部回收至除氧器，減少工質(zhì)和熱量浪費(fèi)。

為了減少沖管期間的耗水耗能，在管道安裝施工階段，也要注意保持管內(nèi)的清潔，清理遺留在管道內(nèi)的泥沙、氧化皮等雜物。此外，還可采取在沖管第一、二階段中間時(shí)段加氧沖管，使氧氣充分發(fā)揮疏松管壁附著物作用，并在沖刷干凈的金屬壁上形成氧化保護(hù)膜，進(jìn)而減少沖管次數(shù)，達(dá)到節(jié)能節(jié)水效果[14-16]。

4 結(jié)論

綜上所述，針對新疆無爐水循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的機(jī)組，在鍋爐沖管階段，可采取以下措施，以達(dá)到節(jié)能節(jié)水的目的。

（1）在鍋爐冷態(tài)水沖洗階段，提高集水箱水質(zhì)檢測頻率，在集水箱水質(zhì)含鐵量小于1 000 μg/L后及時(shí)回收工質(zhì)。在熱態(tài)沖洗階段，在要求范圍內(nèi)，降低分離器出口溫度，提高凝結(jié)水溫度，盡量多回收熱態(tài)工質(zhì)。

（2）在沖管期間，在安全裕度內(nèi)可提高蓄能壓力，選用開關(guān)時(shí)間短的臨沖門。

（3）在沖管時(shí)，對于350 MW無爐水循環(huán)泵機(jī)組可通過減少鍋爐蓄能期間給水流量至約160 t/h，啟用下層磨煤機(jī)、增大分離器轉(zhuǎn)速、減少底部二次風(fēng)量等措施實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)能。

（4）對于無爐水循環(huán)泵啟動系統(tǒng)，建議增加啟動疏水泵出口去往除氧器管路，從而在熱態(tài)水沖洗水質(zhì)合格后直接全部回收外排熱態(tài)工質(zhì)。

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