基于盈余模型的超臨界電站鍋爐蒸汽吹管用水節(jié)能研究

于英利，戴瑩瑩，韓 元，付旭晨，榮 俊

(1. 內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2. 內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；3. 內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

超臨界電站鍋爐基建安裝工序中，有一道非常重要的工序——鍋爐蒸汽吹管。這是因?yàn)樵陔娬惧仩t安裝過程中，過熱器、再熱器及其蒸汽管道等一些受熱面設(shè)備內(nèi)部，會(huì)殘存有焊渣、銹垢和其他雜物。為了能給汽輪機(jī)輸送合格品質(zhì)的蒸汽，保障機(jī)組的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須在汽輪機(jī)通入蒸汽前將這些雜物盡可能吹洗干凈。對于超臨界電站鍋爐，由于采用不同的蒸汽吹管方案，會(huì)引起不同的吹管用水消耗。目前，專家學(xué)者與技術(shù)人員在蒸汽吹管節(jié)能用水方面的研究較少[1]。

本文總結(jié)不同容量等級(jí)的超臨界電站鍋爐蒸汽吹管用水狀況，建立盈余法則用水預(yù)估模型，并進(jìn)行節(jié)能分析研究，同時(shí)與電站鍋爐蒸汽吹管實(shí)際用水情況進(jìn)行對比分析，提出超臨界電站鍋爐蒸汽吹管節(jié)能用水的控制策略，結(jié)論顯示節(jié)能效果顯著。

1 典型鍋爐概況

本文選擇3種類別的典型超臨界電站鍋爐，A類型為350 MW等級(jí)超臨界循環(huán)流化床鍋爐，B類型為350 MW等級(jí)超臨界煤粉對沖燃燒鍋爐，C類型為600 MW等級(jí)超臨界煤粉墻式切圓燃燒鍋爐。

3種類型鍋爐均為變壓運(yùn)行直流爐、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣，緊身封閉布置，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。

3種類型超臨界參數(shù)電站鍋爐主要性能如表1所示。

表1 3種類型超臨界電站鍋爐主要性能參數(shù)

超臨界電站鍋爐蒸汽吹管，按照蒸汽工質(zhì)工作方式分為穩(wěn)壓蒸汽吹管法和降壓蒸汽吹管法兩種；根據(jù)受熱面連接方式，又分為受熱面單獨(dú)吹掃和受熱面串聯(lián)吹掃；根據(jù)吹管期間鍋爐受熱面冷卻次數(shù)，吹管階段又常常有“兩階段”、“三階段”、“四階段”等不同的劃分階段。

本文列舉A、B、C這3種類型的超臨界電站鍋爐，吹管方案如表2所示。蒸汽吹管方式有單獨(dú)吹掃與串聯(lián)吹掃相結(jié)合的方式，也有穩(wěn)壓吹管方式和降壓吹管方式都使用的情況，同時(shí)也有不同階段的吹管過程。

表2 鍋爐吹管方案

對于超臨界電站鍋爐，推薦的蒸汽吹管管路連接示意圖如圖1所示。

圖1 典型超臨界電站鍋爐蒸汽吹管管路連接示意圖

2 基于盈余法則的吹管用水評(píng)估模型

超臨界電站鍋爐蒸汽吹管，根據(jù)不同的吹管方案會(huì)有不同的吹管用水量。

超臨界電站鍋爐都具有一個(gè)共性，即在冷態(tài)沖洗、熱態(tài)沖洗以及穩(wěn)壓吹掃工作階段，都需要消耗大量除鹽水，這也是決定蒸汽吹管工作節(jié)能效果的重要組成部分。因此，在吹管工作前期，需要對鍋爐的設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)水與制水能力評(píng)估，并基于盈余法則進(jìn)行能力計(jì)算，以便有科學(xué)的判斷和應(yīng)對措施。

評(píng)價(jià)分析鍋爐吹管用水盈余量、沖洗時(shí)間、階段吹掃時(shí)間等指標(biāo)，可使用盈余計(jì)算模型來進(jìn)行分析。模型計(jì)算結(jié)果為通過設(shè)定盈余水量來推算某一工作階段的計(jì)劃工作時(shí)間、耗水量等指標(biāo)，由此評(píng)價(jià)分析某吹管階段的工作推進(jìn)情況[1]。

工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到，全過程吹管盈余水量至少不應(yīng)少于單位小時(shí)鍋爐最大出力的30%。

My=MC+t總Qz-∑Mh

(1)

∑Mh=nMb+tLQL+twQw+…+tiQi

(2)

t總=tb+mtd+tL+tw+…+ti

(3)

式中My,MC,∑Mh,Mb——盈余水量、原始儲(chǔ)存水量、各工作階段消耗水量、鍋爐上水水量，t；Qz，QL，QW，Qi——化學(xué)實(shí)際制水出力、冷態(tài)開式?jīng)_洗流量、穩(wěn)壓吹管蒸汽流量、某吹管階段的耗水流量，t/h；t總，tb，tL，tw，td，ti——吹管總時(shí)間、鍋爐上水放水時(shí)間、冷態(tài)沖洗時(shí)間、穩(wěn)壓吹管時(shí)間、階段中間停爐時(shí)間、某吹管階段的工作時(shí)間，h；m——中間停爐次數(shù)；n——鍋爐上水次數(shù)。

3 蒸汽吹管用水評(píng)估

由模型分析與工程經(jīng)驗(yàn)綜合可知，吹管前期工作對鍋爐蒸汽吹管用水量與用水能力的綜合評(píng)估至關(guān)重要。不同機(jī)組設(shè)備系統(tǒng)，不同的吹管方案，鍋爐蒸汽吹管的用水量與用水能力都存在差異。

A類型鍋爐機(jī)組共設(shè)計(jì)2個(gè)除鹽水箱，用于蒸汽吹管工作使用的有效總儲(chǔ)水量達(dá)3 600 t；附加設(shè)備儲(chǔ)水能力約600 t；化學(xué)有效制水能力150 t/h。估算冷態(tài)沖洗平均流量約380 t/h；穩(wěn)壓吹管有效吹掃流量500 t/h，平均耗水流量約400 t/h；一個(gè)停爐時(shí)間12 h可連續(xù)化學(xué)制水。

通過使用式(1)至式(3)，帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，可初步得到：

(4)

進(jìn)一步得出：

tL+1.09tw≤27.04

(5)

從式(5)可知，如果穩(wěn)壓吹管總耗時(shí)控制在8～10 h，滿足式(5)的條件，那么冷態(tài)沖洗時(shí)間需要控制在16～20 h，甚至更短。

B類型鍋爐機(jī)組，設(shè)計(jì)2個(gè)除鹽水箱，儲(chǔ)水量可達(dá)3 700 t、其他附加設(shè)備儲(chǔ)水能力約400 t；化學(xué)制水能力180 t/h。降壓吹管平均每小時(shí)吹4～5次，每次耗水15～25 t，由此可知化學(xué)制水能力能夠滿足吹掃過程耗水量。

對于冷態(tài)沖洗，平均流量400 t/h，通過使用式(1)至式(3)，帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，可初步得到：

(6)

進(jìn)一步得出：

tL≤16.8

(7)

由此可知，冷態(tài)沖洗時(shí)間需要控制在16 h以內(nèi)，否則面臨缺水風(fēng)險(xiǎn)。

C類型鍋爐機(jī)組，設(shè)計(jì)2個(gè)除鹽水箱，受水箱進(jìn)出水位標(biāo)高限制，蒸汽吹管工作使用的有效總儲(chǔ)水量達(dá)5 800 t，汽機(jī)側(cè)排汽裝置及除氧器等輔助設(shè)備可使用儲(chǔ)水量約1 300 t；受限于化學(xué)生水輸入能力，導(dǎo)致化學(xué)制水補(bǔ)水能力400 t/h；鍋爐冷態(tài)沖洗平均流量約600 t/h；穩(wěn)壓吹管有效吹掃流量900 t/h，全程平均耗水流量約700 t/h；

第二階段穩(wěn)壓吹掃過程，使用盈余模型，可得到：

Qz(td+tw)-700tw≥My

(8)

進(jìn)一步得出，在兩階段中間停爐12 h的情況下，第二階段穩(wěn)壓吹掃時(shí)間可控制在14 h以內(nèi)，這說明第二階段穩(wěn)壓吹管盈余量較為充足。

表3 基于盈余法則的吹管用水與工期時(shí)間

而對于沖洗和第一階段穩(wěn)壓吹掃，使用盈余模型，可得到：

Mc+Qc(tL+tw)-700tw-600tL≥My

(9)

進(jìn)一步得出：

tL+1.5tw≤33.1

(10)

從式(5)可知，如果第一階段穩(wěn)壓吹管總耗時(shí)控制在8～10 h，在滿足式(10)的條件，那么冷態(tài)沖洗時(shí)間需要控制在18～21 h。

通過對比評(píng)價(jià)可知，每種類型鍋爐蒸汽吹管的不同階段可使用工作時(shí)間是非常有限的。對比數(shù)據(jù)如表3所示。

由分析可知，對于蒸汽吹管工作的鍋爐上水、冷態(tài)沖洗、熱態(tài)沖洗、降壓吹掃、穩(wěn)壓吹掃等階段，鍋爐上水耗水量相對固定；熱態(tài)沖洗一般采用閉式循環(huán)，耗水相對較??；如果單位小時(shí)的降壓吹管用水量與化學(xué)制水出力相對持平，補(bǔ)沖能力相對滿足，那么耗水量最大的工作主要集中在鍋爐冷態(tài)沖洗和穩(wěn)壓吹掃用水上。

4 蒸汽吹管用水節(jié)能措施

4.1 蒸汽吹管整體統(tǒng)籌與節(jié)能宗旨

無論采用哪一種吹管方案，對于蒸汽吹管工作，統(tǒng)籌安排與科學(xué)實(shí)施都是保障吹管工作正常有序進(jìn)行的必備條件。任何一次設(shè)備的故障、調(diào)試工作的不完善，都會(huì)導(dǎo)致吹管工作半途中停、甚至失敗而重新工作。

在慢代謝組22例中，有8例換用替格瑞洛，其中有1例再發(fā)心絞痛并再次靶血管重建；在14例繼續(xù)口服氯吡格雷的患者中，7例再發(fā)心絞痛，其中4例再次靶血管重建，另有2例再發(fā)急性心梗。3種代謝型患者心血管缺血事件發(fā)生情況見表4。

經(jīng)驗(yàn)表明：伴隨不穩(wěn)定不可控因素的影響，蒸汽吹管工程時(shí)間往往會(huì)在正常工期上延長到1.0～1.5倍。由此，做好蒸汽吹管整體統(tǒng)籌工作，規(guī)劃好吹管用水管理，就是蒸汽吹管期間最好的節(jié)能策略[2]。

蒸汽吹管調(diào)試專業(yè)人員要遵循蒸汽吹管領(lǐng)導(dǎo)小組統(tǒng)一安排，按照基建工期啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)要求，梳理調(diào)試進(jìn)度，確保各調(diào)試專業(yè)承擔(dān)的有關(guān)設(shè)備與系統(tǒng)能夠正常投運(yùn)。蒸汽吹管領(lǐng)導(dǎo)小組要將吹管技術(shù)保障措施、節(jié)能控制方案、事故預(yù)案與應(yīng)對措施等預(yù)案性文件貫徹落實(shí)，明確職責(zé)。

因此，鍋爐機(jī)組總體蒸汽吹管用水節(jié)能的思路是保持有效吹管時(shí)間、縮短整體吹管工期；節(jié)能的途徑是科學(xué)有效規(guī)劃、保障設(shè)備與系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常、吹管工作介質(zhì)與燃料齊備、輔助外圍管理同步協(xié)作。

4.2 吹管系統(tǒng)設(shè)備能力升級(jí)

在鍋爐蒸汽吹管工作期間，涉及冷態(tài)沖洗的大流量排水的問題，對于一般的超臨界參數(shù)電站鍋爐機(jī)組，存在鍋爐吹管沖洗流量遠(yuǎn)高于鍋爐日常運(yùn)行排污水量的情況，鍋爐運(yùn)行排水系統(tǒng)往往無法滿足沖洗排水要求，需要對鍋爐排污水系統(tǒng)進(jìn)行分析評(píng)估并提出臨時(shí)升級(jí)措施。

鍋爐排水能力受限，往往出現(xiàn)在排污水泵出力不足和排水槽容量不足這兩個(gè)方面。因此，需要對鍋爐排水系統(tǒng)進(jìn)行臨時(shí)性改造處理。例如，準(zhǔn)備大容量水泵做臨時(shí)排水排污使用，排水槽和廠外沉水池等排水設(shè)備應(yīng)做擴(kuò)容處理，滿足儲(chǔ)水容積在機(jī)組除鹽水箱容積的2倍以上[3-4]。

鍋爐吹管系統(tǒng)參與系統(tǒng)隔離的臨時(shí)管道與閥門，應(yīng)保持原始清潔狀態(tài)、閥門工作穩(wěn)定。為了能夠在吹管期間，實(shí)現(xiàn)良好的吹管節(jié)水節(jié)能控制，也為了提高吹管工作效率，縮減吹管整體工期，應(yīng)采用開關(guān)線性質(zhì)量較高、開關(guān)工作穩(wěn)定性較高、具有“中?！惫δ艿呐R時(shí)管道閥門；對于穩(wěn)壓吹管可能引起的再熱器出口蒸汽溫度超出管材許用溫度的情況，應(yīng)考慮在再熱器熱段出口管道上加裝臨時(shí)噴水減溫器；吹管臨時(shí)管道應(yīng)進(jìn)行清潔工藝處理，保證臨時(shí)管道的原始清潔度，吹管靶板前盡可能少有臨時(shí)管道、臨近正式管道為宜，靶板應(yīng)考慮安裝更換快捷方便且易操作的位置。

4.3 鍋爐沖洗的節(jié)水節(jié)能方法

超臨界參數(shù)電站鍋爐在啟動(dòng)之前，都需要對鍋爐受熱面管內(nèi)清潔問題進(jìn)行水量沖洗，使得受熱面管內(nèi)爐水品質(zhì)滿足鍋爐啟動(dòng)要求。

鍋爐沖洗質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)非常嚴(yán)格，沖洗耗水量非常巨大，能否快速實(shí)現(xiàn)沖洗質(zhì)量要求，減少?zèng)_洗時(shí)間降低沖洗耗水是沖洗階段最為核心的節(jié)水宗旨。

冷態(tài)開式?jīng)_洗，一般會(huì)選擇持續(xù)大流量沖洗模式以提高沖洗效果，如果出現(xiàn)短期儲(chǔ)水量不足的情況，采用變流量沖洗方式也會(huì)是一種非常好的沖洗方法。即沖洗初期采用標(biāo)準(zhǔn)大流量沖洗模式，在2～4 h后，可采用改變沖洗流量的方式，循環(huán)往復(fù)的增減流量，可以極大地提高管道沖洗效果。

從沖洗時(shí)間和沖洗效果上看，A類型機(jī)組第一階段的冷態(tài)沖洗用時(shí)13 h，第二階段和第三階段分別用時(shí)8 h和10 h，C類型機(jī)組的沖洗時(shí)間與效果與A類型機(jī)組接近，它們與同等級(jí)機(jī)組沖洗水平相比，沖洗時(shí)間有效縮短，節(jié)水效果明顯。

4.4 吹管參數(shù)控制的節(jié)水節(jié)能要點(diǎn)

吹管階段的節(jié)能控制措施將結(jié)合實(shí)際工作情況與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的模式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化控制。無論采用穩(wěn)壓吹管，還是選擇降壓吹管，實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)能的最優(yōu)方法，就是對吹管工作實(shí)施精細(xì)化參數(shù)控制。

對于B類別鍋爐以及A類別鍋爐吹管的第一和第三階段，均采用蓄熱降壓吹管方式，為保持吹掃效果，采用高參數(shù)控制模式，吹掃開門壓力不低于6.0 MPa，蒸汽溫度不低于400℃。關(guān)門壓力根據(jù)對應(yīng)壓力下飽和溫度變化不高于40℃的原則來確定，一般選擇4.0～4.5 MPa。吹管頻率控制在4～6次/h[5]。

對于C類別鍋爐以及A類別鍋爐吹管的第二階段，使用穩(wěn)壓吹管方式。穩(wěn)壓吹管節(jié)水節(jié)能更主要體現(xiàn)在啟動(dòng)、升壓、吹掃、降壓停爐等過程，需要對穩(wěn)壓吹管參數(shù)實(shí)施精準(zhǔn)控制，穩(wěn)壓吹管參數(shù)控制：汽水分離器出口壓力4.5～5.5 MPa，蒸汽溫度400～450℃，吹掃流量為45～55%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)的流量范圍，有效吹掃時(shí)間不少于4 h，可使整階段啟動(dòng)時(shí)間控制在10 h以內(nèi)。

B類別鍋爐是對沖燃燒煤粉鍋爐，燃料控制采用單臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行+輔助燃料控制方式；C類別鍋爐為切圓燃燒煤粉鍋爐，且容量等級(jí)大，采用穩(wěn)壓吹管，燃燒控制采用雙磨運(yùn)行，這兩類鍋爐吹管參數(shù)控制有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)要精細(xì)化完成：鍋爐燃燒冷態(tài)實(shí)驗(yàn)必須完成，磨煤機(jī)粉管流量配平完成；對MFT主保護(hù)、磨煤機(jī)跳閘保護(hù)等熱控邏輯需要進(jìn)行臨時(shí)性處理；降壓吹管要控制好水煤比和過熱度；穩(wěn)壓吹管要精細(xì)控制濕態(tài)與干態(tài)的轉(zhuǎn)換，必要時(shí)留小油槍輔助穩(wěn)燃；嚴(yán)格控制蒸汽出口溫度不超450℃[6]。

對于A類循環(huán)流化床燃燒方式鍋爐，穩(wěn)壓吹管的燃燒控制有幾點(diǎn)要重視：點(diǎn)火期，應(yīng)合理控制床壓和風(fēng)室壓力不高于11 kPa；控制爐膛中部床溫不高于600℃，否則會(huì)出現(xiàn)受熱面超溫問題；給煤初期，應(yīng)控制給煤機(jī)投煤順序和煤量控制，堅(jiān)持由中間向兩邊交錯(cuò)對稱點(diǎn)動(dòng)投運(yùn)方式；合理調(diào)控下二次風(fēng)門，維持床溫左右平衡，調(diào)整好返料器的運(yùn)行性能，加強(qiáng)左右側(cè)爐膛負(fù)壓與氧量的監(jiān)測；嚴(yán)格控制蒸汽出口溫度不超450℃。對于C類別煤粉燃燒方式鍋爐穩(wěn)壓吹管，則綜合了A類和B類的一些控制要求，即可完成。

4.5 節(jié)水節(jié)能效果分析

A類機(jī)組，循環(huán)流化床燃燒方式，穩(wěn)壓+降壓+三階段吹管方式：全周期吹管工期7天，吹管頻率為降壓105次、穩(wěn)壓有效吹掃時(shí)間300 min，耗煤約2 500 t，耗水約5 500 t。B類機(jī)組，對沖燃燒煤粉鍋爐，降壓+三階段吹管方式：全周期吹管工期9天，吹管頻率為降壓195次，耗煤約2 800 t，耗水約6 700 t。C類機(jī)組，切圓燃燒煤粉鍋爐，穩(wěn)壓+兩階段吹管方式：全周期吹管工期7天，吹管穩(wěn)壓有效吹掃時(shí)間280 min，耗煤約1 700 t，耗油約190 t，耗水約25 000 t。

從吹管節(jié)能節(jié)水效果看，盡管節(jié)水效果受機(jī)組安裝技術(shù)水平、機(jī)組容量、燃燒方式、吹管系統(tǒng)設(shè)備與工藝等客觀因素影響，但從主觀操作上，使用盈余模型進(jìn)行前期評(píng)價(jià)，吹管期間采取有效措施，精細(xì)化參數(shù)控制，考慮機(jī)組設(shè)計(jì)性能并與同等級(jí)容量機(jī)組吹管效果等對比可知，吹管節(jié)能節(jié)水效果顯著。

5 結(jié)語

通過對超臨界電站鍋爐蒸汽吹管用水節(jié)能問題進(jìn)行研究分析，基于盈余法則對用水量與工作時(shí)間進(jìn)行評(píng)估分析，對蒸汽吹管不同工作實(shí)施節(jié)水節(jié)能優(yōu)化操作，形成超臨界電站鍋爐蒸汽吹管用水節(jié)能綜合策略，節(jié)能效果顯著。

(1)超臨界電站鍋爐蒸汽吹管工作的節(jié)水節(jié)能，主要集中體現(xiàn)在冷態(tài)沖洗、穩(wěn)壓吹管、縮短吹管工期等方面。

(2)基于盈余法則的吹管用水評(píng)估模型，可有效分析不同階段吹管儲(chǔ)水能力、制水能力與耗水能力之間的關(guān)系，并估算出不同階段最大可工作時(shí)間。

(3)需要對排水系統(tǒng)要進(jìn)行評(píng)估并提出臨時(shí)性解決措施。

(4)吹管臨時(shí)管道要做清潔工藝處理。

(5)鍋爐首次上水，可采用多次整爐放水沖洗方式，快速降低爐水總鐵離子濃度。冷態(tài)沖洗可采用持續(xù)大流量沖洗模式和變流量沖洗模式，提高沖洗效果。

(6)吹管參數(shù)控制，要落實(shí)好幾個(gè)關(guān)鍵控制措施，精細(xì)化操作，是最好的節(jié)能實(shí)現(xiàn)方式。