超臨界鍋爐降壓吹管臨吹門(mén)設(shè)置位置探討

部俊鋒，江 紅

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

蒸汽吹管是新建超臨界機(jī)組預(yù)防發(fā)生汽輪機(jī)葉片固體顆粒侵蝕，保證汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)和安全運(yùn)行的重要措施［1］。根據(jù)DL／T 1269—2013《火力發(fā)電建設(shè)工程機(jī)組蒸汽吹管導(dǎo)則》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《導(dǎo)則》），蒸汽吹管有穩(wěn)壓法和降壓法［2］。由于穩(wěn)壓法吹管須投用的系統(tǒng)和設(shè)備較多，在基建階段較難滿(mǎn)足，絕大多數(shù)超臨界鍋爐采用降壓吹管。

超臨界鍋爐的降壓吹管仍沿用汽包鍋爐的吹管系統(tǒng)設(shè)計(jì)，臨吹門(mén)都是設(shè)置在過(guò)熱蒸汽管道出口。由于超臨界鍋爐少了汽包和下降管，主要依靠水冷壁和過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)的蓄熱，蓄熱能力僅為同容量汽包鍋爐的1／4～1／3［3］。而且，隨著機(jī)組參數(shù)的提高和二次再熱技術(shù)的應(yīng)用，超臨界鍋爐水冷壁和過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)的蓄熱進(jìn)一步降低，依賴(lài)于鍋爐蓄熱的降壓吹管的難度越來(lái)越大。實(shí)踐證明，在臨吹門(mén)可承受的范圍內(nèi)，靠提高吹管蒸汽的初參數(shù)來(lái)提高鍋爐的蓄熱量，每次吹管的有效時(shí)間難以達(dá)到期望值（1 min）。導(dǎo)致的結(jié)果是，大型超臨界鍋爐的降壓吹管次數(shù)越來(lái)越多，一次再熱鍋爐已達(dá)到200 次以上，二次再熱鍋爐已達(dá)到300 次以上［4］，大量的蒸汽消耗在臨吹門(mén)的頻繁開(kāi)啟和關(guān)閉階段，極不經(jīng)濟(jì)，對(duì)鍋爐和環(huán)境的損害越來(lái)越不可忽視。能否將再熱蒸汽系統(tǒng)作為蓄熱部件使用，以大幅增加超臨界鍋爐的蓄熱容量，是優(yōu)化超臨界鍋爐降壓吹管值得探討的技術(shù)途徑。

1 再熱蒸汽系統(tǒng)參與吹管蓄熱的可行性分析

再熱蒸汽系統(tǒng)是伴隨著再熱機(jī)組出現(xiàn)的，其本質(zhì)也是一種壓力降低了的過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)。在鍋爐的蒸汽壓力不超過(guò)再熱器安全閥動(dòng)作值、蒸汽溫度不超過(guò)再熱器冷段材質(zhì)允許值的運(yùn)行工況下，可將其與過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)直接相連，同視為鍋爐的過(guò)熱段。蒸汽吹管正是鍋爐低參數(shù)運(yùn)行工況，超臨界機(jī)組再熱蒸汽系統(tǒng)參數(shù)的提高，使其過(guò)熱和再熱蒸汽系統(tǒng)串聯(lián)成一體，共同作為吹管蓄熱部件成為可能。

由于蒸汽溫度可由減溫水系統(tǒng)控制，只需要判斷低于再熱器安全閥動(dòng)作值的蒸汽壓力能否達(dá)到降壓吹管的質(zhì)量要求，能達(dá)到則說(shuō)明再熱蒸汽系統(tǒng)參與吹管蓄熱是可行的。

某廠1 000 MW 超臨界一次再熱鍋爐的參數(shù)見(jiàn)表1。

1.1 計(jì)算分析

根據(jù)《導(dǎo)則》，降壓吹管的蒸汽初壓力可通過(guò)壓降比估算，壓降比定義為所吹系統(tǒng)吹管時(shí)的壓降與額定工況下的壓降比值。吹管時(shí)的壓降比要大于1.4。

以表1 超臨界1 000 MW 機(jī)組為例，在額定工況下，過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)的壓降為1.5 MPa，再熱蒸汽系統(tǒng)的壓降為0.19 MPa。吹管過(guò)程中，集粒器、消音器及其余管道的壓降按經(jīng)驗(yàn)取1.2 MPa，臨吹門(mén)從全關(guān)到全開(kāi)后蒸汽壓力下降約1 MPa。則降壓吹管的蒸汽初壓力應(yīng)不低于：1.4×（1.5+0.19）+1.2+1=4.566（MPa）。

1.2 與汽包鍋爐對(duì)照分析

從表1 也可以看出，再熱蒸汽系統(tǒng)的水容積是過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)的2 倍以上，若參與吹管蓄熱，超臨界鍋爐可達(dá)到汽包鍋爐的蓄熱容量，降壓吹管的蒸汽初壓力可參照汽包鍋爐確定。根據(jù)《導(dǎo)則》對(duì)亞臨界汽包鍋爐降壓吹管的蒸汽推薦值為： 臨吹門(mén)全開(kāi)后，蒸汽壓力應(yīng)不低于4.2 MPa。再加上臨吹門(mén)從全關(guān)到全開(kāi)后蒸汽壓力下降約1 MPa，則超臨界1 000 MW 鍋爐降壓吹管的蒸汽初壓力取5.2 MPa即可。

超臨界1 000 MW 鍋爐降壓吹管的蒸汽初壓力與表1 再熱器安全門(mén)的動(dòng)作值尚有1.5～2.0 MPa 的裕度，由此可以斷定：超臨界鍋爐再熱蒸汽系統(tǒng)參與吹管蓄熱是可行的。

2 臨吹門(mén)置于再熱蒸汽出口的吹管系統(tǒng)

超臨界鍋爐再熱蒸汽系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足降壓吹管蒸汽初參數(shù)的要求，在吹管系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可將過(guò)熱蒸汽出口直接與再熱蒸汽系統(tǒng)入口相連，將臨吹門(mén)設(shè)置在再熱蒸汽出口，形成蓄熱容積量大幅提高的新吹管方案（以下簡(jiǎn)稱(chēng)新方案）。這有別于臨吹門(mén)設(shè)置在過(guò)熱蒸汽出口的老方案 （以下簡(jiǎn)稱(chēng)老方案）。

新方案吹管的蒸汽流程如圖1 所示： 分離器來(lái)汽→過(guò)熱器系統(tǒng)→主蒸汽管道（含高壓旁路）→臨時(shí)管道（變徑）→冷再熱蒸汽管道→集粒器→再熱器系統(tǒng)→熱再熱蒸汽管道→臨吹門(mén)→臨時(shí)管道→靶板器→消音器→排大氣。

圖1 臨吹門(mén)置于再熱蒸汽出口的吹管系統(tǒng)

新方案依次串聯(lián)吹掃過(guò)熱器、高壓旁路、再熱器及其管道系統(tǒng)，直至靶板考核合格。屬于《導(dǎo)則》中啟停爐次數(shù)最少和被廣泛首選的降壓法 “一段吹管”。

運(yùn)用該方案需要注意以下事項(xiàng)。

1）在該方案的設(shè)計(jì)中，再熱器系統(tǒng)和高壓旁路系統(tǒng)的臨時(shí)管道、集粒器、汽機(jī)中壓主汽門(mén)堵板等的工作壓力和工作溫度，應(yīng)參照《導(dǎo)則》中對(duì)臨吹門(mén)前設(shè)備和材料的要求執(zhí)行。

2）減溫水系統(tǒng)、鄰機(jī)蒸汽加熱系統(tǒng)要具備投用條件，以防止冷再熱蒸汽管道超溫［5］；再熱器安全閥要投入，電磁壓力卸荷閥的定值臨時(shí)設(shè)定為再熱器安全閥的最低動(dòng)作值，以防止再熱器超壓。

表1 超臨界1 000 MW 一次再熱鍋爐額定工況參數(shù)

3）臨吹門(mén)須與再熱蒸汽管道口徑匹配，若沒(méi)有合適的大口徑臨吹門(mén)，可采用兩個(gè)小口徑的閥門(mén)并聯(lián)分流，總通流量應(yīng)等于再熱蒸汽管道流量。

3 新方案的優(yōu)點(diǎn)

3.1 可增長(zhǎng)每次吹管的有效時(shí)間

吹管的有效時(shí)間是指吹管壓降比大于1.4 或吹管系數(shù)大于1 的時(shí)間，每次吹管最好要超過(guò)1 min。

新方案利用了再熱蒸汽系統(tǒng)的蓄熱容量，必然能延長(zhǎng)每次吹管的有效時(shí)間。以表1 超臨界1 000 MW鍋爐為例，計(jì)算分析如下。

1 000 MW 鍋爐再熱器系統(tǒng)的水容積為650 m3；吹管的初始蒸汽參數(shù)若采用5 MPa／380 ℃，則蒸汽密度為18 kg／m3；吹管蓄能期間再熱器系統(tǒng)存蓄的蒸汽量為：650×18=11 700（kg）。

根據(jù)吹管經(jīng)驗(yàn)，吹管蒸汽流量大于45%的額定工況流量，即滿(mǎn)足有效吹管的要求。對(duì)表1 的鍋爐而言，有效吹管的蒸汽流量約為2 950×0.45=1 327.5（t／h）≈370（kg/s）。

這樣，再熱蒸汽系統(tǒng)的蓄熱可使吹管有效時(shí)間延長(zhǎng)約11 700÷370≈32（s），比老方案有了成倍的增長(zhǎng)。進(jìn)而，新方案有“一管頂兩管”的效果，可成倍減少吹管次數(shù)，減輕吹管對(duì)鍋爐壽命的損害。

3.2 有助于提高過(guò)熱器系統(tǒng)的吹管系數(shù)

設(shè)計(jì)參數(shù)較高的超臨界機(jī)組（如二次再熱機(jī)組）降壓吹管時(shí)，過(guò)熱器系統(tǒng)的吹管系數(shù)較難合格、或合格時(shí)間僅幾秒鐘［6］。有的項(xiàng)目采用了主臨吹門(mén)打開(kāi)的同時(shí)，打開(kāi)高壓旁路吹管臨時(shí)門(mén)的辦法，以加大過(guò)熱器系統(tǒng)出口的通流量，并減少吹管蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)高壓主汽門(mén)部位的阻力，確實(shí)能有效提高過(guò)熱器系統(tǒng)的吹管系數(shù)。

按新方案吹管，高壓旁路系統(tǒng)作為主蒸汽系統(tǒng)的分支同時(shí)參與吹管全過(guò)程，自然會(huì)有提高過(guò)熱器系統(tǒng)的吹管的效果。高壓旁路系統(tǒng)無(wú)需單獨(dú)吹管，也省了材料費(fèi)和安裝費(fèi)，還進(jìn)一步增加了吹管蓄熱。

3.3 有助于降壓吹管在國(guó)外項(xiàng)目應(yīng)用

我國(guó)的火電基建業(yè)務(wù)已全面走向國(guó)外，中東等地區(qū)的項(xiàng)目多采用德國(guó)VGB （Vereinigung der Grosskraftwerks Betreiber）標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)超臨界機(jī)組吹管，德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)主張用穩(wěn)壓法，有時(shí)限于現(xiàn)場(chǎng)條件和業(yè)主工期的要求難以采用此方法。VGB 標(biāo)準(zhǔn)要求在吹管系數(shù)合格的情況下，每塊靶板的打靶時(shí)間10 min 以上。此要求通過(guò)穩(wěn)壓法易于實(shí)現(xiàn)，但采用降壓吹管時(shí)，每塊靶板則要吹管8 次以上，極難過(guò)關(guān)，是國(guó)外項(xiàng)目產(chǎn)生糾紛的難點(diǎn)。

新方案有效吹管時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)成倍減少打靶吹管次數(shù)，若再選用高質(zhì)量、開(kāi)啟時(shí)間30 s 以下的臨吹門(mén)，就不難滿(mǎn)足VGB 標(biāo)準(zhǔn)的要求了。這對(duì)降壓吹管在國(guó)外的應(yīng)用非常有利。

3.4 新方案的其他優(yōu)點(diǎn)

1）新方案將再熱鍋爐全部的蒸汽系統(tǒng)連為一體，在吹管這一特殊工況下，再熱鍋爐可視為非再熱中（高）壓鍋爐，原理容易理解，也利于發(fā)揮鍋爐的整體能力。

2）利用新方案吹管，再熱器不干燒，升參數(shù)期間可微開(kāi)臨吹門(mén)，在保證再熱器不超溫的情況下，大幅增加鍋爐的負(fù)荷，有利于投煤穩(wěn)燃和脫硝系統(tǒng)的投入。該優(yōu)點(diǎn)在環(huán)保要求越來(lái)越高的背景下，尤為重要。鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行，也能延長(zhǎng)有效吹管時(shí)間。

3）新方案因鍋爐蓄熱量的增加，蒸汽初參數(shù)較低，對(duì)臨吹門(mén)和管道系統(tǒng)較為安全，也減少了臨吹門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中高品質(zhì)蒸汽的消耗。

4）在吹管階段，還可擇機(jī)進(jìn)行再熱器安全門(mén)校驗(yàn)、試投2 號(hào)高壓加熱器、冷再熱蒸汽試供輔汽等工作，為整套啟動(dòng)提供更好的條件。

5）新方案能大量減少吹管次數(shù)，可在物資消耗、工期和用工等方面為機(jī)組基建各方節(jié)省可觀的成本。

4 結(jié)語(yǔ)

超臨界機(jī)組再熱蒸汽系統(tǒng)參數(shù)高的特點(diǎn)，已使其具備作為降壓吹管蓄能部件的條件。將臨吹門(mén)設(shè)置在再熱蒸汽出口，可得到有別于臨吹門(mén)設(shè)置在過(guò)熱蒸汽出口的蓄熱容積大幅提高的吹管方案。

新方案對(duì)降壓吹管的革新類(lèi)似改變了其 “杠桿支點(diǎn)”，可充分發(fā)揮再熱鍋爐的整體功能，優(yōu)化超臨界鍋爐降壓法吹管的效率。對(duì)于應(yīng)對(duì)國(guó)外高標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)保高指標(biāo)以及二次再熱機(jī)組過(guò)熱器吹管系數(shù)難以達(dá)標(biāo)的困局，都是很有效的技術(shù)途徑。