基于臨機(jī)加熱系統(tǒng)的鍋爐變溫沖洗方式

許朋江，王煜偉，任麗君

基于臨機(jī)加熱系統(tǒng)的鍋爐變溫沖洗方式

許朋江1，王煜偉2，任麗君1

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.國家能源集團(tuán)諫壁發(fā)電廠，江蘇 鎮(zhèn)江 212006）

通過臨機(jī)加熱系統(tǒng)進(jìn)行變溫沖洗可以改變電廠鍋爐原有的啟動沖洗模式。本文以某超超臨界660 MW機(jī)組實際應(yīng)用為例，詳細(xì)分析了通過臨機(jī)加熱系統(tǒng)實現(xiàn)鍋爐變溫沖洗的運行方式和技術(shù)要點；給出了沖洗水溫升速率、沖洗水最高溫度限制以及鍋爐水動力安全性控制的要點；提出了通過取消疏水系統(tǒng)簡化臨機(jī)加熱系統(tǒng)的方法。本文示例機(jī)組的實際應(yīng)用情況分析表明，以臨機(jī)加熱系統(tǒng)進(jìn)行變溫沖洗，消除了冷態(tài)沖洗與熱態(tài)沖洗間明顯的溫度界限，實現(xiàn)了鍋爐的柔性啟動，對于減小鍋爐啟動熱應(yīng)力、改善鍋爐點火特性均有一定的好處。

臨機(jī)加熱；變溫沖洗；柔性啟動；660 MW機(jī)組；鍋爐沖洗；節(jié)能

臨機(jī)加熱系統(tǒng)使用臨機(jī)二段抽汽加熱鍋爐沖洗水以代替本機(jī)鍋爐點火加熱[1-2]，用于超（超）臨界鍋爐[3-4]，可以大幅度縮短機(jī)組啟停時間，減少啟動能耗[5-9]，是當(dāng)前火電機(jī)組靈活性改造中“快速啟?！辈糠值年P(guān)鍵內(nèi)容。臨機(jī)加熱系統(tǒng)可實現(xiàn)鍋爐的變溫沖洗，具有改變現(xiàn)有鍋爐啟動模式的潛力，目前已在國內(nèi)部分超（超）臨界機(jī)組上進(jìn)行了應(yīng)用，例如華潤溫州蒼南電廠、華能威海電廠、國家能源集團(tuán)諫壁電廠等。

但是，臨機(jī)加熱系統(tǒng)在實際應(yīng)用中普遍存在熱態(tài)沖洗溫度不理想、系統(tǒng)建設(shè)難度較大等問題，且如果僅將該系統(tǒng)用于鍋爐定溫?zé)釕B(tài)沖洗，實際上是限制了其應(yīng)用效果。本文以上汽西門子超超臨界660 MW汽輪機(jī)配合哈爾濱鍋爐廠（哈鍋）超超臨界鍋爐的臨機(jī)加熱系統(tǒng)的實際應(yīng)用為例，詳細(xì)分析了臨機(jī)加熱系統(tǒng)用于鍋爐變溫沖洗的全過程，并對投運中的關(guān)鍵問題和系統(tǒng)改進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 臨機(jī)加熱系統(tǒng)及變溫沖洗原理

傳統(tǒng)鍋爐在冷態(tài)啟動過程中需要經(jīng)歷上水、冷態(tài)沖洗、熱態(tài)沖洗等階段[10-11]。冷態(tài)沖洗水溫設(shè)計為80 ℃，實際運行中一般在40~80 ℃。熱態(tài)沖洗之前，鍋爐點火，將爐內(nèi)沖洗水溫升至170 ℃（該溫度下鐵離子溶解度最高），大部分機(jī)組實際運行一般在140~170 ℃。冷態(tài)沖洗與熱態(tài)沖洗有明顯的溫度界限。鍋爐在啟動階段點火進(jìn)行熱態(tài)沖洗，維持爐內(nèi)穩(wěn)燃，需要投入等離子點火系統(tǒng)或燃油，能源消耗成本較高。由于在此階段鍋爐燃燒效率較低，獲得單位熱量的燃料消耗量遠(yuǎn)高于正常穩(wěn)定燃燒工況，因此許多電廠考慮增設(shè)臨機(jī)加熱系統(tǒng)，通過臨機(jī)蒸汽加熱鍋爐沖洗水以代替本機(jī)鍋爐點火加熱完成熱態(tài)沖洗。

臨機(jī)加熱系統(tǒng)以臨機(jī)二段抽汽加熱本機(jī)鍋爐沖洗水，需要增設(shè)臨機(jī)二段抽汽至本機(jī)2號高壓加熱器（高加）的進(jìn)汽管路。在啟機(jī)階段，除氧器投運但3號高加不投運，2號高加的疏水無法進(jìn)入3號高加，一般需要增設(shè)2號高加至除氧器的疏水管路。閥門一般都有關(guān)斷流向限制，因此由臨機(jī)二段抽汽至本機(jī)2號高加的管路系統(tǒng)很難反向用于臨機(jī)。這意味著，如果臨機(jī)進(jìn)行這一改造，所有系統(tǒng)還需再增設(shè)1套。因為閥門密封性問題，為避免正常運行時互相干擾，一般并不建議為減少投資，在2臺2號高加之間使用雙向閥門建設(shè)聯(lián)絡(luò)。臨機(jī)加熱系統(tǒng)方案見圖1。

臨機(jī)加熱系統(tǒng)代替鍋爐點火進(jìn)行沖洗，其進(jìn)汽參數(shù)和進(jìn)汽量均可調(diào)節(jié)，繼而可以使得沖洗水溫得到較為精確的控制[12-13]。因此可以考慮在鍋爐冷態(tài)沖洗開始階段即投入臨機(jī)加熱系統(tǒng)，緩慢提高爐內(nèi)沖洗水溫，始終保持鐵離子在水中的高溶解度，有利于縮短沖洗時間，提高啟爐速度。這種沖洗方式消除了冷態(tài)沖洗與熱態(tài)沖洗之間明顯的溫度界限，是一種全新的變溫沖洗方式。同時，相比于原先明顯的溫度分界沖洗方式，緩慢升溫過程可以減小鍋爐熱應(yīng)力的變化速度，更有利于鍋爐運行的安全性。相比于點火熱態(tài)沖洗方式，減少了投入送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)的電耗，以及維持鍋爐穩(wěn)燃所投入的燃油能耗或等離子能耗。另外，采用臨機(jī)蒸汽加熱系統(tǒng)進(jìn)行沖洗之后，爐膛內(nèi)處于熱爐熱風(fēng)狀態(tài)，更有利于鍋爐點火。

圖1 臨機(jī)加熱系統(tǒng)

2 鍋爐變溫沖洗過程分析

鍋爐變溫沖洗總體流程為：在冷態(tài)沖洗開始階段即投入臨機(jī)加熱系統(tǒng)，通過調(diào)整臨機(jī)蒸汽壓力和流量，緩慢提高本機(jī)鍋爐沖洗水溫；當(dāng)水溫升至170 ℃后，停止升溫，維持沖洗；在沖洗達(dá)到水質(zhì)合格條件后，停運臨機(jī)加熱系統(tǒng)，再進(jìn)行鍋爐點火。

本文示例機(jī)組于2016年完成改造后，2017年3月第1次投運，詳細(xì)投運數(shù)據(jù)見圖2。經(jīng)臨機(jī)加熱系統(tǒng)加熱后的沖洗水與鍋爐本身循環(huán)沖洗的沖洗水在省煤器入口處混合，此時鍋爐未點火，省煤器出口處的水基本混合均勻，此處水溫可以代表鍋爐沖洗水溫。

由圖2a)、圖2b)看出，大約在21:40后，臨機(jī)加熱系統(tǒng)投入運行，到次日4:50左右，逐漸退出運行，系統(tǒng)投入使用時間為7.17 h。整個投運過程中，2號高加出口水溫比鍋爐沖洗水溫高約30 ℃。經(jīng)2號高加出口的沖洗水流量由250 t/h最大增至接近500 t/h，鍋爐總沖洗水流量由近570 t/h增至1 040 t/h。2號高加出口水流量約為總沖洗水流量的43%。

總沖洗水量到后期遠(yuǎn)大于500 t/h，這是因為沖洗后期為閉式循環(huán)，基本不再外排，增大水量不會造成水源浪費，另一方面緩慢增大水量，是為下一階段鍋爐點火后升溫升壓產(chǎn)生蒸汽做好準(zhǔn)備。實現(xiàn)鍋爐的柔性緩慢啟動。

在整個過程中，最高沖洗水溫達(dá)到約163 ℃，在鍋爐點火后，再進(jìn)行短暫沖洗，鍋爐升溫升壓，產(chǎn)生蒸汽。

整個沖洗過程基本是緩慢升溫的一個變溫沖洗過程，有利于緩解點火帶來的熱應(yīng)力突變，同時也有利于縮短啟動時間。

圖2 臨機(jī)加熱系統(tǒng)投運后各部分溫度、流量、液位和壓力

由圖2c)可以看出，在整個沖洗過程中，除氧器水位和凝汽器水位均保持在較為穩(wěn)定的狀態(tài)，系統(tǒng)中始終有水量外排，說明在沖洗階段后期有一定程度的凝結(jié)水浪費。良好的運行方式應(yīng)盡量減少在沖洗后期水質(zhì)合格時的外排，將沖洗水儲存在除氧器或凝汽器熱井。

3 變溫沖洗關(guān)鍵問題分析

3.1 鍋爐沖洗水溫升速率

以臨機(jī)加熱系統(tǒng)進(jìn)行鍋爐變溫沖洗的最主要目標(biāo)有2個：縮短啟動時間和減少啟動能耗。縮短啟動時間主要在于縮短沖洗時間，這取決于可溶解鐵離子含量能否快速被沖洗干凈。在啟爐之前，爐內(nèi)的可溶解鐵離子以及其他固態(tài)雜質(zhì)含量是一定的。因此，始終保持沖洗水中鐵離子的高溶解度是實現(xiàn)快速沖洗的關(guān)鍵。

大型火電機(jī)組每次停機(jī)時間、氣候條件以及停機(jī)前的運行狀態(tài)均不盡相同，導(dǎo)致啟爐狀態(tài)均不一樣，很難有統(tǒng)一的鐵離子溶解度作為變溫沖洗溫升速率的判斷標(biāo)準(zhǔn)。因此，在進(jìn)行變溫沖洗時，應(yīng)盡量快速升溫至170 ℃附近，維持沖洗水中鐵離子的最高溶解度，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)恒溫沖洗。升溫速率受加熱器許用熱應(yīng)力變化、鍋爐熱應(yīng)力變化、聯(lián)絡(luò)管道允許蒸汽流速變化等諸多因素限制。而這些限制最直接的表現(xiàn)就是鍋爐沖洗緩慢升溫的柔性啟動過程。根據(jù)本文所列示例機(jī)組啟動過程，從沖洗開始大約3.5 h（21:40至次日1:12），鍋爐沖洗水溫基本升高到160 ℃，并在這一溫度維持沖洗。

在所有限制條件中，由于鍋爐本身設(shè)計可以點火進(jìn)行沖洗水加熱升溫，其所能承受的熱應(yīng)力變化較大，因此并不構(gòu)成主要限制條件。而2號高加熱應(yīng)力以及所選管道規(guī)格允許流速是本機(jī)2號高加溫升速率的主要限制因素。本文示例機(jī)組2號高加溫升限制速率為3 ℃/min。由臨機(jī)至本機(jī)，在經(jīng)過減壓閥減壓之后，管道擴(kuò)徑較大，管道蒸汽比容擴(kuò)大，流速升高，所選管道最大流通能力為50 t/h，受管道規(guī)格和沖洗水量限制，整個變溫沖洗過程中，沖洗水升溫速率為0.35 ℃/min（21:40至次日1:12）。

3.2 鍋爐沖洗水最高溫度限制

本文示例機(jī)組在整個變溫沖洗過程中，沖洗水溫最高達(dá)到163 ℃，而鐵離子溶解度在170 ℃附近達(dá)到最大值，最高沖洗水溫不理想。這也是目前國內(nèi)臨機(jī)加熱系統(tǒng)投運的普遍性問題。造成這一問題的根本原因在于2號高加加熱不足，即高加的最大溫升限制，例如哈鍋配套的上汽西門子超超臨界660 MW機(jī)組2號高加最大允許溫升為120 ℃。此外，考慮鍋爐本身的散熱作用以及2號高加出口沖洗水量在整個爐水循環(huán)總量的占比（一般為20%~ 50%），沖洗水溫很難達(dá)到170 ℃。

對于這一問題的處理，可以考慮再補增臨機(jī)三段抽汽至本機(jī)3號高加的管路系統(tǒng)，使得鍋爐沖洗水先在3號高加被加熱，再在2號高加被加熱。將原本由2號高加承擔(dān)的沖洗水溫升分?jǐn)傄徊糠值?號高加。此時3號高加投運，臨機(jī)加熱系統(tǒng)管路中2號高加至除氧器的正常疏水管路可取消，依靠系統(tǒng)原本自有的正常逐級疏水管路即可完成疏水。系統(tǒng)總體改造范圍并沒有擴(kuò)大。

另一種處理辦法是考慮適當(dāng)放寬臨機(jī)加熱投運的要求，在鍋爐點火升溫后再進(jìn)行短暫沖洗。而此時爐內(nèi)沖洗水溫本身已經(jīng)較高，沖洗水溫的小幅升高并不會產(chǎn)生太大的影響。這種方式也是最簡單的實現(xiàn)方式。本文示例機(jī)組就是在沖洗階段末期，鍋爐點火，臨機(jī)加熱系統(tǒng)緩慢退出運行，此時鍋爐維持短暫沖洗之后開始升溫升壓。臨機(jī)加熱系統(tǒng)退出速率（2號高加出口溫度降低值）受鍋爐水動力安全性影響。

3.3 鍋爐水動力安全性分析

本文示例機(jī)組在沖洗階段末期鍋爐點火后，省煤器發(fā)生振動。分析原因，發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)沖洗水壓力較低（約2 MPa），水溫較高（約160 ℃），在鍋爐點火后，省煤器投入運行，沖洗水在省煤器末段大量汽化，導(dǎo)致省煤器發(fā)生振動。降低2號高加出口水溫后，情況緩解（圖2a)末段部分，水溫降低，即為緩解省煤器汽化情況）。這提示在沖洗階段末期，在鍋爐點火之前，應(yīng)降低臨機(jī)二段抽汽進(jìn)入本機(jī)2號高加的蒸汽壓力，以降低2號高加出口的沖洗水溫度，保證省煤器出口水溫的過冷度滿足一定要求，以確保鍋爐水動力安全。經(jīng)過鍋爐水動力測算，并根據(jù)現(xiàn)場檢驗，在鍋爐點火后，省煤器出口水過冷度滿足以下基本要求即可保證鍋爐水動力安全：

s,s–s>30 ℃ (1)

式中，s,ps表示鍋爐省煤器出口壓力對應(yīng)的飽和溫度，s表示省煤器出口溫度。

4 疏水運行方式及系統(tǒng)簡化分析

臨機(jī)加熱系統(tǒng)啟動投運時，先進(jìn)行蒸汽管道暖管，之后蒸汽進(jìn)入本機(jī)2號高加。2號高加開始投運階段，通向除氧器的正常疏水管路關(guān)閉，危急疏水開啟，疏水直接進(jìn)入凝汽器。在整個系統(tǒng)中，2號高加通往除氧器的正常疏水管路并非系統(tǒng)必備，如果不設(shè)置這一系統(tǒng)，疏水通過2號高加危急疏水管路進(jìn)入凝汽器，會造成一定程度的熱量浪費，但除氧器整體水質(zhì)條件能得到一定改善，且系統(tǒng)可大幅度簡化。

圖3為2號高加疏水溫度與除氧器進(jìn)口水溫。對于本文示例機(jī)組，根據(jù)圖2a)、圖2b)、圖3所列的溫度、流量以及圖2d)所列的壓力對整個系統(tǒng)進(jìn)汽流量和疏水造成的能源浪費進(jìn)行估算：

式中：g為進(jìn)入2號高加的沖洗水流量，2為進(jìn)入2號高加的沖洗水溫度，cc為除氧器出口水焓值，2j為進(jìn)入2號高加的蒸汽焓值，2s為2號高加疏水焓值，2j為進(jìn)入2號高加的蒸汽流量，cj為凝汽器除氧器入口水焓值，ca為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值，b為臨機(jī)鍋爐效率，p為管道效率，c為標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量。

根據(jù)式(2)、式(3)計算得到的臨機(jī)二段抽汽流量與采用危急疏水燃煤多消耗量如圖4所示。

根據(jù)本文示例機(jī)組，如果采用簡化系統(tǒng)，2號高加疏水直接進(jìn)入凝汽器，在整個投運過程中，臨機(jī)平均燃煤消耗量增加0.406 t/h，整個投運過程持續(xù)7.17 h，整體標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量增加2.91 t。

圖3 2號高加疏水溫度與除氧器進(jìn)口水溫

圖4 臨機(jī)蒸汽消耗量與簡化系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)煤多消耗量

5 結(jié) 論

臨機(jī)加熱系統(tǒng)具有實現(xiàn)鍋爐變溫沖洗的能力，這種變溫沖洗消除了原本冷態(tài)沖洗與熱態(tài)沖洗之間的明顯溫度界限，可以實現(xiàn)鍋爐的柔性啟動，對于減小鍋爐啟動熱應(yīng)力、改善鍋爐點火特性均有一定的好處。但現(xiàn)有臨機(jī)加熱系統(tǒng)仍然存在一些固有問題，通過改變運行方式或增加臨機(jī)三段抽汽聯(lián)絡(luò)管或取消二段抽汽至除氧器的正常疏水管路系統(tǒng)，可以進(jìn)一步簡化系統(tǒng)。

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Variable temperature flushing method for boilers based on adjacent heating system

XU Pengjiang1, WANG Yuwei2, REN Lijun1

(1. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China; 2 Jianbi Power Plant, CHN Energy, Zhenjiang 212006, China)

Variable temperature flushing process becomes possible by adjacent heating system, and the flushing mode of utility boilers can be changed. Taking the practical application of a 660 MW ultra-supercritical unit as an example, this paper analyzes the operation mode and technical essentials of variable temperature flushing by adjacent heating system. The temperature rise rate of flushing water, the maximum temperature limit of flushing water and the key points of boiler hydrodynamic safety are given. A method of simplifying the heating system by means of canceling the drainage system is also presented. Through analysis of the practical application of the example unit, the temperature boundary between cold flushing and hot flushing is eliminated by variable temperature flushing with the adjacent heating system. The flexible start-up of the boiler is realized, which is beneficial to reducing the thermal stress of the boiler start-up and improving the ignition characteristics of the boiler.

adjacent heating, variable temperature flushing, flexible startup, 660 MW unit, boiler flushing, energy conservation

TK227.7

B

10.19666/j.rlfd.201808146

許朋江, 王煜偉, 任麗君. 基于臨機(jī)加熱系統(tǒng)的鍋爐變溫沖洗方式[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(5): 121-125. XU Pengjiang, WANG Yuwei, REN Lijun. Variable temperature flushing method for boilers based on adjacent heating system[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 121-125.

2018-08-28

許朋江(1986—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為熱能動力工程，xupengjiang@tpri.com.cn。

（責(zé)任編輯 李園）