660MW超臨界機組深度調(diào)峰安全性與經(jīng)濟性探索

文_吳壽山 李兵 何甫 耿軍娜

1.中國電建甘肅能源投資有限公司 2.中電建甘肅能源崇信發(fā)電有限責任公司

在火電行業(yè)發(fā)展的嚴峻形勢下，某電廠積極響應國家政策，積極適應電力市場改革，深入研究“兩個細則”和《調(diào)峰輔助服務規(guī)則》等相關文件，以“新”思維帶動“新”發(fā)展，從之前的“搶電量”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皳屟a償”，于2017 年3月主動溝通協(xié)調(diào)西北電網(wǎng)公司660MW 超臨界直接空冷機組開始深度調(diào)峰，將負荷深調(diào)至300MW，成為西北電網(wǎng)第一家開展深度調(diào)峰的火電機組。該電廠通過寬負荷脫硝、爐水在線監(jiān)測、AGC 優(yōu)化等改造，逐步將機組深調(diào)負荷降至260MW、230MW、 198MW，2019 年成實現(xiàn)30%額定負荷深調(diào)能力。同年深調(diào)收益突破2 億元大關，取得了良好的經(jīng)濟效益。但是，經(jīng)過幾年的深度調(diào)峰、啟停調(diào)峰，該電廠出現(xiàn)了鍋爐“四管”泄漏、給水泵電機損壞等情況，給機組的安全性與經(jīng)濟性也帶來了一系列問題。

1 深度調(diào)峰對機組安全運行的影響

1.1 鍋爐“四管”泄漏分析

為確保鍋爐水循環(huán)回路的安全可靠，每根回路管都必須有一定的質(zhì)量流速ρω，以使回路管得到充分冷卻，每根受熱面管的流速都必須大于最小質(zhì)量流速。最小質(zhì)量流速要以最大局部熱負荷不發(fā)生DNB（偏離核態(tài)沸騰）為條件。當機組負荷降至30%，則給水流量已接近保護動作定值，勢必會造成鍋爐受熱面屏間流量分配不均，個別受熱面管流量下降，引起爐內(nèi)水動力惡化，造成“四管”過熱爆管可能性急劇增大。另外，機組在深調(diào)時，由于給水流量低，在發(fā)生燃燒擾動或水燃比不匹配時容易出現(xiàn)鍋爐水冷壁、屏過壁溫大面積超溫現(xiàn)象，給運行調(diào)整帶來一定困難。

為此，某電廠進行了爐水在線監(jiān)測改造，增加水冷壁、屏過、高過、高再壁溫測點1000 多個，運行中采取加強壁溫監(jiān)視、及時調(diào)整控制、防止超溫爆管；嚴格控制機組變負荷速率、主汽壓力、主、再汽溫度變化速率；加強分離器過熱度控制，注意給水泵與磨煤機之間需協(xié)調(diào)密切，確保煤水比合理；加強燃燒調(diào)整，防止鍋爐熱偏差大，造成水冷壁超溫爆管等一系列措施，但是仍然出現(xiàn)了屏過長期超溫爆管、水冷壁泄漏停機的情況。

分析屏過長期超溫爆管主要原因是機組在深度調(diào)峰運行時由于屏間流量分配不均，造成該根管子蒸汽流量偏小，引起管道長期超溫并產(chǎn)生氧化皮，在頻繁啟停調(diào)峰、深度調(diào)峰情況下，溫度、壓力頻繁變化，使得內(nèi)壁氧化皮大量脫落并在下部堆積，導致通流截面變小，蒸汽流量進一步減小，使出口處管壁溫度大幅升高，在短期內(nèi)超溫幅度較大導致材料強度下降引發(fā)爆管。

水冷壁泄漏停機主要原因是由于水冷壁穿爐膛頂棚密封板、水冷壁出口聯(lián)箱管座、鰭片焊接邊緣等結構突變的應力集中部位，在機組深度調(diào)峰、特別是啟停調(diào)峰情況下，溫度、壓力頻繁變化，造成各結構性應力集中部位在交變應力作用下產(chǎn)生裂紋，裂紋由外壁向內(nèi)壁疲勞擴展，最終導致裂紋貫穿管壁引起泄漏。某電廠多次在停爐檢修和水壓試驗時發(fā)現(xiàn)水冷壁各聯(lián)箱部分管座、管道彎頭、焊縫等結構性應力集中部位有裂紋或泄漏情況。

1.2 給水泵運行安全性分析

大多數(shù)電廠為提高可靠性，給水泵按照兩臺50%額定流量配置，在深度調(diào)峰運行時，如果采用兩臺給水泵并列運行，機組負荷降低，給水流量也隨之降低；當給水流量降低至接近給水泵再循環(huán)閥保護開啟值時，需打開給水泵再循環(huán)閥，否則極易發(fā)生兩臺給水泵搶水現(xiàn)象；而再循環(huán)閥的開啟會造成給水流量波動，對給水流量的控制帶來較大影響，特別是給水流量接近鍋爐給水流量保護動作值時，可能引起機組跳閘的事故。另外，給水泵再循環(huán)閥的頻繁開關，還會造成再循環(huán)閥閥芯的沖刷，引起再循環(huán)閥內(nèi)漏，嚴重影響機組安全性和經(jīng)濟性。如果是汽動給水泵，則還需考慮小汽輪機汽源頻繁切換問題，運行操作稍有不當，就可能發(fā)生小汽輪機進汽管路暖管不充分，進汽溫度突降問題，甚至小汽輪機進水等惡性事故。某電廠由于再循環(huán)閥的頻繁開關，多次造成給水泵再循環(huán)閥盤根泄漏的事件發(fā)生。

部分電廠采用停一臺給水泵方式來保證給水流量的穩(wěn)定，給水泵將頻繁啟停，給水泵停運后，在泵體內(nèi)部產(chǎn)生一定的溫差，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲，特別是近年來許多給水泵未設置倒暖管路，該問題尤為突出，此時啟動給水泵，可能會造成給水泵振動大、機封漏水、動靜碰磨等問題。某電廠因頻繁啟停給水泵，曾多次出現(xiàn)機封損壞漏水、振動超標等問題。因此，建議如給水泵未設置倒暖管路的機組，盡量兩臺給水泵并列運行，定期檢查處理給水泵再循環(huán)閥；如采用停運給水泵的機組也應充分考慮深度調(diào)峰持續(xù)時間，短時間深度調(diào)峰的，可以采用給水泵旋轉(zhuǎn)備用運行方式。

1.3 輔機頻繁啟停損壞問題

火力發(fā)電廠機組在設計時為提高運行的可靠性和靈活性，大多采用雙輔機設計，在機組負荷低于50% 額定負荷深度調(diào)峰運行時，為保證輔機的安全性，提高經(jīng)濟性，通常采用停運一臺輔機的運行方式。受所在省2018 年底清潔能源和新能源裝機量影響，由于新能源負荷的特殊性和不確定性，造成某電廠機組頻繁大幅度調(diào)整負荷，統(tǒng)計該電廠主要輔機如：給水泵、磨煤機每日次數(shù)達1.2 ～1.5 次/a，每月啟停達40余次。而這些輔機都是大功率電機，如給水泵達10000kW,且這些輔機電機設計為連續(xù)工作制，頻繁的工頻啟動使電動機承受大電流的沖擊，多重應力疊加造成電機絕緣不斷劣化,在運行中該電廠發(fā)生過輔機電機燒損問題，并且在檢修中多次發(fā)現(xiàn)頻繁啟動電機線圈有放電現(xiàn)象。同時，發(fā)現(xiàn)電機啟動達1000 ～1300 次及以上時絕緣損壞等問題頻繁。因此，建議鍋爐六大風機深度調(diào)峰期間并列運行不停運；給水泵盡量采用并列運行或旋轉(zhuǎn)備用運行方式；磨煤機應盡量采用輪流停運方式，或充分考慮深度調(diào)峰持續(xù)時間，短時間深度調(diào)峰的，可以采用旋轉(zhuǎn)備用運行方式，盡量減少輔機啟動次數(shù)，防止重要風機電機燒損。

1.4 防止鍋爐空預器堵塞措施

鍋爐脫硝投運后，勢必會有部分為未反應的氨氣NH3逃逸，燃煤鍋爐爐膛燃燒過程中的SO2約有0.5%～1.0%被氧化成SO3。加裝SCR 系統(tǒng)后，催化劑在把NOx還原成N2的同時，將約1.0%的SO2氧化成SO3。SCR 反應器出口煙氣中存在的未反應的逃逸氨（NH3）、SO3及水蒸氣反應生成硫酸氫氨或硫酸氨：

由于硫酸氫銨的分散凝聚溫度在140 ～290℃之間，因此脫硝后至空預器區(qū)域必然會有硫酸氫銨沉積。特別是在超低排放改造后，由于NOx 排放濃度要求更低，氨逃逸濃度會增加，這一現(xiàn)象會更加突出。

鍋爐深度調(diào)峰運行時，爐膛的空氣的過剩系數(shù)較大，易產(chǎn)生較多的SO3，加劇了硫酸氫銨的生成。同時，脫硝反應器SCR煙氣溫度降低，脫硝反應器效率下降，脫硝氨逃逸會增加，大量的逃逸氨（NH3）與SO3反應，加劇硫酸氫氨生成。另外，深調(diào)時鍋爐排煙溫度會大大低于硫酸氫銨的露點溫度，會造成更多硫酸氫氨蒸汽在空預器冷端凝結，堵塞鍋爐空預器。某電廠超低排放改造后，在入爐煤平均硫份0.5%，鍋爐深度調(diào)峰運行僅一年半時間就造成空預器嚴重堵塞，高負荷時空預器壓差達到2.6kPa 以上。

1.5 汽輪機末級葉片安全性

汽輪機低壓缸末級葉片在極高的離心力和濕蒸汽腐蝕的環(huán)境中工作，承受了很大的蒸汽作用力。機組在深度調(diào)峰運行時，由于汽輪機蒸汽量減小，當其降低至某個數(shù)值，導致機組乏汽不能充滿整個流動汽道時，濕蒸汽在動葉根部和靜葉柵出口頂部出現(xiàn)汽流脫離，在葉片根部就會逆向流動，形成回流，對葉片的出汽側(cè)形成水沖蝕。機組排汽容積流量越小，回流發(fā)生的范圍越大，在葉片出汽側(cè)的回流沖蝕就越嚴重，回流范圍甚至會擴大到機組的次末級葉片。同時，還會引起動葉負的反動度，形成所謂的“卡門渦街”現(xiàn)象，造成末級葉片周期性顫振。回流水沖蝕會造成葉柵的氣動性能惡化，水沖蝕葉片留下的凹凸不平的邊緣易形成應力集中，縮短葉片的使用壽命，降低汽輪機末級葉片效率，降低機組的經(jīng)濟性；顫振會引起動葉片產(chǎn)生交變壓力，長期運行可能造成葉片開焊、裂紋，嚴重時甚至造成葉片斷裂、飛脫。

某電廠在深度調(diào)峰運行2 年多停機檢查發(fā)現(xiàn)：汽輪機末級葉片在出汽側(cè)出現(xiàn)了大范圍的水沖蝕損傷，這通常是受到回流的濕蒸汽中水滴的沖刷及化學物質(zhì)的腐蝕共同作用所致；個別葉片根部出現(xiàn)了少部分開焊現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)葉片裂紋，說明末級葉片顫振不嚴重。水沖蝕損傷一般不會危及葉片本身安全，會適當降低機組經(jīng)濟性。因此，說明該廠汽輪機末級葉片自身強度滿足30%額定負荷深度調(diào)峰的要求。但還是建議機組在深度調(diào)峰運行期間，應該適當提高機組背壓，減少排汽濕度，減小回流范圍，盡量縮短機組低、空負荷的運行時間，減輕葉片顫振。

1.6 對汽輪機組壽命的影響

汽輪機壽命一般是指從首次投運指轉(zhuǎn)子出現(xiàn)第一條宏觀裂紋期間的總工作時間。影響汽輪機壽命的因素主要可分為兩大類：一是轉(zhuǎn)子材料收到高溫和工作應力產(chǎn)生的蠕變損耗；二是轉(zhuǎn)子材料受到交變應力引起的低周疲勞損耗，有啟動、停機、變負荷等不穩(wěn)定變工況引起。轉(zhuǎn)子總的壽命損耗為這兩類損耗之和。汽輪機轉(zhuǎn)子在啟停機變負荷工況下運行，內(nèi)部溫度場處于非穩(wěn)定狀態(tài)，是轉(zhuǎn)子內(nèi)部承受熱應力、負荷波動越頻繁，這種熱應力沖擊次數(shù)就越多，對轉(zhuǎn)子壽命損耗就越大，這就是低周疲勞損傷。低周疲勞損傷約占轉(zhuǎn)子總壽命損傷的80%，是研究汽輪機轉(zhuǎn)子壽命損傷的主要考慮對象。某電廠汽輪機廠家提供的壽命管理方案中，在各種啟動方式和負荷變化下，機組的循環(huán)壽命消耗值見表1。

表1 各種啟動方式下機組的循環(huán)壽命消耗值

該機組在30 年的壽命期內(nèi)的總循環(huán)壽命消耗為：

200×0.035+700×0.008+3000×0.004+300×0.002+12000×0.001×100%=37.2%(小于75%)。

按照每天機組負荷大幅波動2 次，每年運行300 天計算30年壽命損壞為：

2×300×30×0.001×100%=18%。

由此可見，深度調(diào)峰運行時負荷頻繁波動造成的汽輪機壽命損耗遠小于汽輪機轉(zhuǎn)子保證壽命，說明深度調(diào)峰對汽輪機壽命影響有限，無需采取特別控制措施，可以保證機組在設計使用壽命期內(nèi)安全可靠運行。

2 深度調(diào)峰對機組經(jīng)濟性影響

機組深度調(diào)峰時，機組和各個輔機的運行工況均大幅度偏離設計值，供電煤耗率、廠用電率、汽輪機熱耗率、鍋爐效率等經(jīng)濟性指標將會大幅度降低。某電廠由于給水泵和引風機為變頻調(diào)節(jié)，變頻器在低負荷工況下節(jié)能效果明顯，造成機組廠用電率隨負荷降低而降低，可以彌補部分機組負荷降低而引起的效率下降問題，該廠有全天24h 深度調(diào)峰運行時段，但實際計算機組供電煤耗還是隨著負荷降低而大幅增加。600MW 機組當負荷在額定負荷的100%至50%之間變化時，機組經(jīng)濟性緩慢變差，供電煤耗由306g/kWh上升到325 g/kWh，上升幅度為19g/kWh，廠用電率由8.9%下降到7.9%；但當負荷從50%降低至30%時，各項經(jīng)濟性指標變化速率突增，供電煤耗由325g/kW 迅速上升到373g/kWh，上升幅度為48g/kWh，廠用電率由7.9%上升到8.4%，機組經(jīng)濟性明顯降低。

3 結論

大型火力發(fā)電機組參與電網(wǎng)深度調(diào)峰已成為常態(tài)，綜合考慮火電機組設備在深度調(diào)峰時的運行特點，在大多數(shù)情況下，機組及輔助系統(tǒng)不存在限制機組降負荷的制約因素，短期內(nèi)也給火電廠帶來了巨大的經(jīng)濟效益，但長期深度調(diào)峰、啟停調(diào)峰給機組帶來的四管泄漏、輔機損壞、空預器堵塞等安全性問題不容忽視。各電廠在靈活性改造路線上應充分論證，采取相對穩(wěn)妥的技術路線；運行中盡量減少機組啟停調(diào)峰次數(shù)，嚴格控制機組主汽壓力、溫度升降速率，盡量避免主要輔機頻繁啟停；加強檢修管理，做到逢停必檢、逢停必修，保障機組的長周期安全穩(wěn)定運行。

機組深度調(diào)峰運行期間，機組實際運行工況嚴重偏離設計工況，供電煤耗率、汽輪機熱耗率、鍋爐效率等經(jīng)濟性指標將會大幅度降低?；痣姀S應充分考慮靈活性改造費用、對機組安全性影響、檢修材料費用增加以及供電煤耗大幅上升等因素，并以此為依據(jù)積極爭取電網(wǎng)調(diào)峰電價補償，避免惡性競爭。