新建二次再熱機組汽水系統(tǒng)綜合清潔措施

部俊鋒

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.山東中實易通集團有限公司，山東 濟南 250003）

0 引言

二次再熱發(fā)電技術(shù)是當今最先進的火電技術(shù)，最符合節(jié)能減排的發(fā)展方向，已在新建大容量機組中得到越來越多的應用。我國已投產(chǎn)的二次再熱機組都取得了預期的經(jīng)濟和社會效益，其中山東某1000MW超超臨界二次再熱機組發(fā)電效率為48.12%，發(fā)電煤耗為 255.29g／kWh，供電煤耗為 266.18g／kWh，3項指標均刷新了世界紀錄，并獲2018年度亞洲燃煤發(fā)電項目金獎。

為了提高機組效率，二次再熱機組均采用高參數(shù)超超臨界的設計思想，主蒸汽壓力達到33 MPa、蒸汽溫度達到620℃。而蒸汽溫度越高，管道內(nèi)表面生成的氧化鐵顆粒越多，金屬材料越易受損；蒸汽壓力越高，氧化鐵顆粒越易剝落，動能也越大。大量顆粒物隨蒸汽進入汽輪機后，會對通流部件造成磨削損傷，即產(chǎn)生固體顆粒侵蝕（Solid Particle Erosion，SPE）現(xiàn)象。SPE是二次再熱機組安全和經(jīng)濟性能的重大威脅，汽輪機沖轉(zhuǎn)前必須采取汽水系統(tǒng)清潔措施，防止SPE發(fā)生。

新建機組一般采用先化學清洗，再蒸汽吹管，并結(jié)合總啟動期間汽水品質(zhì)監(jiān)督等措施，保證汽水系統(tǒng)的清潔。但這些措施沿用的是一次再熱機組的相關標準，而二次再熱機組在結(jié)構(gòu)和參數(shù)方面都有很大不同，這些標準并沒有給出針對性的要求和方法。實踐表明，作為保證機組汽水系統(tǒng)潔凈度主要措施的蒸汽吹管，吹管的次數(shù)遠多于一次再熱機組，且過熱器系統(tǒng)的吹管系數(shù)偏低，對鍋爐壽命有較大損傷，并留下發(fā)生SPE的隱患［1］。因此，對新建二次再熱機組而言，改進各環(huán)節(jié)的技術(shù)措施，以綜合性的手段保證機組汽水系統(tǒng)潔凈很有必要。

1 現(xiàn)行汽水系統(tǒng)清潔措施及不足

1.1 化學清洗環(huán)節(jié)

根據(jù)DL/T 794—2012《火力發(fā)電廠鍋爐化學清洗導則》（以下簡稱 “《清洗導則》”），新建機組省煤器、水冷壁等高壓水系統(tǒng)必須化學清洗，過熱器和再熱器等汽系統(tǒng)酌情選用化學清洗［2］。我國已投產(chǎn)的二次再熱機組，只有個別塔式爐的機組對過熱器系統(tǒng)進行了化學清洗，主要是因為新建機組后續(xù)有蒸汽吹管工序，汽系統(tǒng)可通過吹管保證潔凈，化學清洗滿足鍋爐點火要求即可；另外有成本方面的考慮，汽系統(tǒng)參與化學清洗，受熱面水容積成倍增加，化學藥品、除鹽水、清洗設備都要更大的投入和消耗；也有安全性方面的考慮，國內(nèi)鍋爐較多采用 П型爐，受熱面采用U型布置，其底部容易積存酸液和氧化皮，有腐蝕和阻塞管道的不安全后果。

《清洗導則》還要求，化學清洗前后都要進行大流量水沖洗，沖洗水的流速控制在 0.5~1.5 m ／s［2］，以最大限度沖洗掉浮銹和沉積物。而實際執(zhí)行過程中，若U型布置的汽系統(tǒng)不參與化學清洗，沖洗水的流速大都取低限值。在大流量沖洗方面，新建機組的化學清洗沒有生產(chǎn)機組的化學清洗重視程度高。

化學清洗范圍小，使其在新建二次再熱機組汽水系統(tǒng)清潔上的作用較小，再加上大流量水沖洗的標準不高，給后續(xù)蒸汽吹管留下更多的工作量。

1.2 蒸汽吹管環(huán)節(jié)

蒸汽吹管是新建機組清潔過熱器、再熱器等汽系統(tǒng)的主要措施。根據(jù)DL/T 1269—2013《火力發(fā)電建設工程機組蒸汽吹管導則》（以下簡稱“《吹管導則》”），蒸汽吹管有穩(wěn)壓和降壓兩種基本吹管方法［3］。由于降壓法吹管需要的條件少，在基建階段容易滿足，全國已建成的二次再熱機組主要采用降壓吹管。

國內(nèi)首臺二次再熱機組采用的是“三段法”降壓吹管：先吹掃過熱器系統(tǒng)，再串聯(lián)吹掃過熱器、一次再熱器系統(tǒng)，最后串聯(lián)吹掃過熱器、一次再熱器、二次再熱器系統(tǒng)。鍋爐點火9次，共吹管304次，工期兩周。后續(xù)二次再熱項目的建設，為了減少降壓吹管次數(shù)和吹管工期，有的采用“兩段法”降壓吹管：先吹掃過熱器系統(tǒng)，再串聯(lián)吹掃過熱器、一次和二次再熱器系統(tǒng)。

降壓法吹管蒸汽初壓力高，為8.5~10 MPa，為同容量一次再熱機組吹管參數(shù)的1.3倍；吹管頻率達到每小時5次以上，控制在《吹管導則》要求的每小時4次以內(nèi)，鍋爐燃燒調(diào)整難度很大；臨吹門易卡澀，門兩側(cè)壓差大，且門桿來不及降溫，已達到國產(chǎn)電動閘閥承受的極限。

少數(shù)項目采用了“一段法”穩(wěn)壓吹管或穩(wěn)降結(jié)合吹管：直接將過熱器、一次再熱器、二次再熱器系統(tǒng)串聯(lián)起來，一起吹掃。但從穩(wěn)壓法的試用情況看，正式吹管時，二次再熱器入口汽溫高達500℃以上，遠高于430℃左右的設計值。雖然采取了投入減溫水降溫，并投入高壓加熱器鄰機加熱系統(tǒng)，把給水溫度加熱到120℃以上等措施［4］，仍難以避免。超溫嚴重且運行調(diào)整難度大，使后續(xù)項目很少單獨采用穩(wěn)壓法吹管。

從各種二次再熱機組的吹管情況看，過熱器系統(tǒng)的吹管系數(shù)偏低，很難滿足《吹管導則》的要求。吹管工藝固有的入口段動量不足的缺陷，再加上臨吹門和燃燒調(diào)整的限制，使得清潔度最重要的過熱器系統(tǒng)，難以通過蒸汽吹管得到徹底保證。

1.3 機組啟動環(huán)節(jié)

新建機組總啟動的一般過程是：鍋爐上水，冷態(tài)沖洗至水質(zhì)合格；鍋爐點火，熱態(tài)沖洗至水質(zhì)合格；鍋爐升負荷，通過旁路系統(tǒng)提升蒸汽參數(shù)，待蒸汽品質(zhì)合格后，沖轉(zhuǎn)汽輪機，此時的蒸汽流量為額定流量的8%左右；機組并網(wǎng)后，再依照汽水品質(zhì)監(jiān)督規(guī)程，邊洗硅、邊帶負荷。

新建機組雖經(jīng)過了吹管，但吹管后系統(tǒng)恢復期間的污染、銹蝕難以避免。鍋爐點火后，隨著溫度的持續(xù)上升，過（再）熱器管路內(nèi)的氧氣也會加速管內(nèi)壁的氧化。這些新產(chǎn)生的腐蝕物，在汽輪機沖轉(zhuǎn)前，靠額定流量8%左右的蒸汽流量是難以沖洗掉的，必然隨著機組負荷的提高、蒸汽流量的增大逐步帶入汽輪機。

2 改進的汽水系統(tǒng)綜合清潔措施

改進汽水系統(tǒng)的清潔措施，應充分考慮二次再熱機組結(jié)構(gòu)和參數(shù)的特點。表1為已投產(chǎn)的超臨界1000MW一次再熱機組和二次再熱機組參數(shù)比較［5］。

表1 一次再熱和二次再熱1 000 MW機組參數(shù)比較

從表1可以看出：二次再熱機組水冷壁和過熱器的水容積都比一次再熱機組減少了50%左右；二次再熱機組一次再熱蒸汽壓力為11 MPa，屬（超）高壓蒸汽，這不同于一次再熱機組再熱器參數(shù)是中壓蒸汽的情況，因此二次再熱機組一次再熱器也被稱作高壓再熱器。

二次再熱機組水冷壁和過熱器的水容積小，對蒸汽吹管是個不利因素。采用基于鍋爐蓄熱量的降壓法吹管時，水冷壁和過熱器是主要蓄熱部件，其水容積小意味著鍋爐的蓄熱容量小，吹管次數(shù)大幅增加；而且，過熱器容量減少，全部再熱器容量和阻力增大，也使吹掃蒸汽在過熱器內(nèi)的比容較小，造成不管降壓還是穩(wěn)壓吹管，過熱器系統(tǒng)的吹管系數(shù)偏低。

二次再熱機組水冷壁和過熱器的水容積小，對于化學請洗是個有利因素，可降低清洗介質(zhì)的消耗。

二次再熱機組一次再熱器工作壓力11 MPa，高于蒸汽吹管的蒸汽初壓力（8.5~10 MPa），使得在降壓法吹管系統(tǒng)設計時，可以將臨吹門設置在一次再熱器出口，使一次再熱器和過熱器系統(tǒng)一樣，起到蓄熱部件的作用，這必然會大幅提高吹管時鍋爐的蓄熱容量，對吹管產(chǎn)生有利影響［6］。

二次再熱機組一次再熱器參數(shù)也達到了 《清洗導則》中要求：蒸汽壓力大于9.8 MPa的管道，宜進行化學清洗。

二次再熱鍋爐相當于3個壓力等級的鍋爐串聯(lián)，再熱器本質(zhì)上也是過熱器，若不受設備命名上的限制，以一次再熱器出口為分界線，二次再熱鍋爐可以看作是（超）高壓一次再熱鍋爐：一次再熱器和過熱器一起視為鍋爐過熱器 （或?qū)⑦^熱器視為部分水冷壁，一次再熱器視為鍋爐過熱器），二次再熱器視為鍋爐再熱器。以這樣的方式區(qū)分二次再熱機組的汽系統(tǒng)，套用現(xiàn)行的《清洗導則》和《吹管導則》，可獲得汽水系統(tǒng)清洗措施的改進思路。

2.1 改進的化學清洗措施

2.1.1 擴大清洗范圍

二次再熱機組的過熱器應與處理水冷壁一樣，強制規(guī)定進行化學清洗，這是基于：1）二次再熱機組過熱器吹管系數(shù)難以達標，應采取“雙保險”的過熱器清潔措施；2）可減少后續(xù)蒸汽吹管的次數(shù)，降低吹管對鍋爐壽命的損害；3）過熱器的水容積小，化學清洗成本增加得的不大。

同樣，為了減少蒸汽吹管的次數(shù)，保護鍋爐壽命，二次再熱機組的一次再熱器，最好也要進行化學清洗。

2.1.2 加大水沖洗流量

二次再熱機組因參數(shù)高，汽水管路口徑較小，阻力更大；若是П型爐，過熱器和再熱器系統(tǒng)內(nèi)都是U型彎管布置，其底部容易積存酸液和氧化皮，也容易產(chǎn)生氣塞現(xiàn)象［7］。所以，過熱器和再熱器系統(tǒng)納入清洗范圍時，必須在化學清洗前后，用大流量、高揚程的臨時清洗泵或機組自身的凝結(jié)水泵、給水泵等，建立流速大于1.5 m／s的循環(huán)沖洗，以徹底保證系統(tǒng)的沖通和沉積物的清除［8］。

根據(jù)動量相當?shù)睦碚?，水沖洗產(chǎn)生的動量一樣能起到蒸汽吹管的除垢作用。因此，對噪聲控制嚴格的歐洲國家，傾向于用過熱器和再熱器系統(tǒng)全部進行化學清洗，結(jié)合大流量水沖洗的方式取代蒸汽吹管。某電廠二期新建機組的化學清洗就采用了德國ALSTOM的方案，將2臺凝結(jié)水泵臨時并聯(lián)運行，進行大流量水沖洗，流量達到鍋爐額定流量的2倍。

相比蒸汽吹管，化學清洗有諸多優(yōu)點：機組須投入的系統(tǒng)少，對全廠基建的開展影響??；人員和專業(yè)需求也少；沒有噪聲擾民，可日夜連續(xù)作業(yè)；可正、反雙向沖洗等。而且，已廣泛應用于超臨界機組的“鄰機加熱系統(tǒng)”技術(shù)，可在鍋爐不點火的情況下，大幅提升清洗介質(zhì)的溫度，進一步保證了化學清洗和沖洗質(zhì)量。因此，在機組汽水系統(tǒng)的清潔方面，應加大化學清洗的投入和占比，將其作為主要清潔方式，制定嚴謹?shù)姆桨覆栏衤鋵?，絕不能因為還有后續(xù)的吹管工序而降低要求。

2.2 改進的蒸汽吹管措施及優(yōu)點

2.2.1 改進措施

蒸汽吹管措施改進的主要技術(shù)策略是：改變現(xiàn)行吹管措施中臨吹門設置在過熱器出口的布置，將臨吹門設置在一次再熱器出口臨時管道上。該措施視一次再熱器為過熱器，套用《吹管導則》中一次再熱機組的吹管規(guī)則，可采用“兩段法”或“一段法”降壓吹管，也可采用“一段法”穩(wěn)壓吹管［9］。由于過熱器已化學清洗過，過熱器系統(tǒng)與一次再熱器系統(tǒng)間，不必加集粒器；若一次再熱器也化學清洗過，一次再熱器系統(tǒng)與二次再熱器系統(tǒng)間，也不必加集粒器。

“一段法”吹管蒸汽流向如下：分離器→過熱器系統(tǒng)→主蒸汽管道（含高壓旁路）→臨時管道→一次再熱器系統(tǒng)→臨吹門→臨時管道→集粒器→二次再熱器系統(tǒng)→臨時管道→靶板器→消音器→排大氣。

“兩段法”降壓吹管方案，第一階段吹管蒸汽流向如下：分離器→過熱器系統(tǒng)→主蒸汽管道（含高壓旁路）→臨時管道→一次再熱器系統(tǒng)→臨吹門→臨時管道→靶板器→消音器→排大氣；第二階段吹管蒸汽流向如下：分離器→過熱器系統(tǒng)→主蒸汽管道→臨時管道→一次再熱器系統(tǒng)→臨吹門→臨時管道→二次再熱器系統(tǒng)→臨時管道→靶板器→消音器→排大氣。二階段吹掃時滿足二次再熱器吹管系數(shù)即可，可采用較低的蒸汽參數(shù)。

諸方案中，以“一段法”降壓吹管為優(yōu)選方案。

2.2.2 措施優(yōu)點

在降壓吹管時提高了鍋爐蓄熱，可延長每次吹管的有效時間。從而有利于減少吹管頻次和總次數(shù)、降低物資消耗、縮短工期和減輕吹管對鍋爐壽命的損害。

從表1可以看出，1 000 MW二次再熱機組的一次再熱器系統(tǒng)容積440 m3；吹管的初始蒸汽參數(shù)若采用 9 MPa、400 ℃，則蒸汽密度為 33 kg／m3；吹管蓄能期間一次再熱器系統(tǒng)存蓄的蒸汽量為：440×33=14 520 （kg）。

根據(jù)吹管經(jīng)驗，吹管蒸汽流量大于50%的BMCR （Boiler Maximum Continuous Rating） 工況流量，即滿足有效吹管的要求。對于1 000 MW二次再熱機組，有效吹管蒸汽流量約為2 752×50%=1 376（t／h）=382（kg／s）。

這樣，一次再熱器系統(tǒng)的蓄能可使每次吹管的有效時間延長約 14 520÷382=38（s），比現(xiàn)行的吹管方案提高了2倍以上。

另外還有其他優(yōu)點：

1）避免了一次再熱器的干燒，保護了設備。

2）一次再熱器系統(tǒng)在鍋爐中的吸熱比占15%左右，吹管時參與蓄熱，可提高燃料利用率。

3）吹管時可適當增加鍋爐的負荷，減少低負荷燃燒不充分造成的損失和污染；也有利于脫硝系統(tǒng)的投入。

4）鍋爐蓄熱量增加了，吹管的蒸汽初參數(shù)可適當降低，有利于臨吹門的穩(wěn)定工作，使吹管過程更安全、連續(xù)。

5）新措施也有利于穩(wěn)壓吹管。因一次再熱器不干燒，臨吹門可在鍋爐帶更高負荷、蒸汽參數(shù)更高的工況下逐步開啟，使建立穩(wěn)壓吹管的過程更加快速和經(jīng)濟。

6）在吹管階段，還可進行一次再熱器安全門校驗工作，為總啟動提供更安全的條件。

蒸汽吹管是新建機組總啟動前最重要的里程碑項目，可提前考驗機組大部分設備和系統(tǒng)的質(zhì)量、鍛煉參建各方的協(xié)同工作能力，為總啟動做好技術(shù)和組織準備。但吹管也有諸多不良影響：介質(zhì)工況頻繁變動產(chǎn)生的交變應力對鍋爐的壽命損害較大，已有個別組織規(guī)定吹管次數(shù)要控制在120次以下；噪聲污染不可避免；采用降壓法吹管時鍋爐的負荷20%BMCR左右，脫硝系統(tǒng)難以正常投入，不能滿足環(huán)保政策要求的超低排放指標；二次再熱機組吹管的臨時系統(tǒng)更復雜等。因此，應減少蒸汽吹管在汽水系統(tǒng)清潔方面的占比，使其處于次要地位。

2.3 改進的啟動措施

為了彌補吹管的不足，清除吹管后系統(tǒng)恢復期間的污染、銹蝕，以及點火后新形成的氧化皮，在機組總啟動汽輪機沖轉(zhuǎn)前，有必要增加利用機組正式系統(tǒng)進行蒸汽吹掃環(huán)節(jié)。

蒸汽吹掃主要措施是：通過高、中、低壓旁路系統(tǒng)將過熱器、一次再熱器、二次再熱器、凝汽器系統(tǒng)組成蒸汽吹掃通道；機組抽真空，中、低壓旁路閥全開，以高壓旁路門為吹掃門；先采用降壓法對整個蒸汽通道進行吹掃，吹掃10次左右；再將鍋爐轉(zhuǎn)干態(tài)運行，穩(wěn)壓吹掃至汽水品質(zhì)合格。對于旁路容量為45%BMCR以下的系統(tǒng)，可在高壓旁路門打開的同時，打開全部電磁壓力卸荷閥 （Pressure Control Valve，PCV），以減小過熱器后的阻力，增大過熱器蒸汽流量，提高過熱器的吹管系數(shù)［10］。

汽輪機沖轉(zhuǎn)前，先經(jīng)過較長時間的帶旁路、大動量蒸汽沖洗，是德國機組啟動的必經(jīng)步驟。德國超臨界機組都配置100%BMCR容量的旁路系統(tǒng)，吹掃在機組額定參數(shù)下進行，以期杜絕高負荷下受熱面氧化皮的再次析出，確保機組的安全性和經(jīng)濟性。上海某電廠采用了上述工藝，其經(jīng)驗表明：經(jīng)過此階段的吹掃，從凝汽器內(nèi)能清理出約20 kg含鉻的氧化物；機組長時間運行后汽輪機葉片未見損傷，性能試驗的熱耗值低于合同保證值達1%以上。而且，上述通過旁路大動量蒸汽沖掃與全部蒸汽系統(tǒng)的化學清洗相結(jié)合，可省掉通過臨時系統(tǒng)的蒸汽吹管。因此，機組總啟動階段的吹掃不僅很重要，而且會帶來新建機組基建程序和技術(shù)的進步。

3 結(jié)語

現(xiàn)行二次再熱機組的清潔措施機械地套用了一次再熱機組的做法，已暴露出諸多不足。根據(jù)二次再熱機組結(jié)構(gòu)和參數(shù)的特點，并借鑒國外的技術(shù)，可對化學清洗、蒸汽吹管和總啟動等清潔措施做協(xié)同改進。

1）擴大化學清洗的范圍，過熱器系統(tǒng)必須清洗，一次再熱器推薦清洗；化學清洗前后的大流量水沖洗流速要大于1.5 m／s。

2）蒸汽吹管時，視一次再熱器為高壓過熱器，將臨吹門設置在一次再熱器出口。

3）總啟動汽輪機沖轉(zhuǎn)前，先通過旁路系統(tǒng)對過熱器、一次再熱器、二次再熱器系統(tǒng)進行大動量蒸汽沖洗。

新建二次再熱機組汽水系統(tǒng)的清潔工作是個系統(tǒng)工程，應做好各項措施的綜合策劃，以便商務和技術(shù)上的準備。在措施的制定上，應重視環(huán)保政策對蒸汽吹管的制約，將化學清洗作為主要的清潔手段。