超臨界直流鍋爐啟動疏水系統(tǒng)改造技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

蔡 牧 昌小朋

（中國能源建設(shè)集團華中電力試驗研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

新疆地區(qū)有大量煤礦，隨著國內(nèi)西部大開發(fā)的進展，電力行業(yè)得到了很大發(fā)展。由于水資源較少，為了節(jié)省水資源，新疆地區(qū)興建了很多大型超直流空冷機組。該文主要內(nèi)容是研究一種超臨界直接空冷機組帶大氣擴容式的啟動系統(tǒng)疏水系統(tǒng)改造方案，通過對改造前后機組運行方式上的參數(shù)變化、燃料以及工質(zhì)消耗量、汽輪機沖車所需蒸汽參數(shù)控制難易程度進行對比分析和總結(jié)，希望可以為同類型機組疏水改造提高參考和借鑒。

1 疏水系統(tǒng)的改造方法

1.1 改造項目主要設(shè)備參數(shù)

新疆某350MW超臨界機組鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，超臨界，一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、∏型布置、固態(tài)排渣。最大連續(xù)蒸發(fā)量1191t/h，額定壓力25.5MPa，額定溫度571℃。再熱蒸汽/蒸汽流量991.44t/h～940.89t/h，額定進/出口壓力4.187MPa～4.007MPa，額定進/出口溫度311℃～569℃，保證熱效率≥93.8%。

汽輪機為超臨界、單軸、雙缸雙排汽、一次中間再熱、直接空冷抽汽凝汽式汽輪機，額定功率350MW，設(shè)計背壓12.0kPa，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，主汽溫度566℃，主汽壓力24.2MPa。

1.2 鍋爐啟動疏水系統(tǒng)的特點

直流鍋爐啟動系統(tǒng)主要有兩大類型，即帶爐水循環(huán)泵的啟動系統(tǒng)和不帶爐水循環(huán)泵的啟動系統(tǒng)。本次參與改造的機組鍋爐啟動系統(tǒng)設(shè)計為大氣擴容式疏水系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計一臺大氣式疏水?dāng)U容器，有兩臺啟動疏水泵。在機組啟動初期疏水不合格時，汽水混合物經(jīng)汽水分離器分離后，其蒸汽進入對流換熱系統(tǒng)，分離出的爐水經(jīng)大氣式擴容器擴容，二次汽排入大氣，剩余的疏水經(jīng)集水箱排至系統(tǒng)外的水處理裝置（機組排水槽或循環(huán)水回水排水管）。水質(zhì)合格時，通過疏水泵排至熱井裝置，實現(xiàn)工質(zhì)的回收。該系統(tǒng)的主要特點是系統(tǒng)相對簡單、投資較少、運行操作較方便，但燃料耗量相對較大，鍋爐蒸汽溫度控制難度較大。

1.3 改造后的疏水系統(tǒng)

原始系統(tǒng)如圖1（a）所示，改造后的系統(tǒng)如圖1（b）所示，整個改造無須復(fù)雜的設(shè)計，施工難度也較低。如果是新建機組在設(shè)計初期即可采用此種疏水回收方式。主要的改造思路是在鍋爐啟動疏水泵至熱井裝置管道截止門前增加一路管道引至除氧器，同時增加相應(yīng)的附屬設(shè)備，如逆止閥、流量計等，在啟動期間可以選擇將鍋爐的高溫啟動疏水回收至除氧器。

圖1 鍋爐大氣擴容式啟動系統(tǒng)改造前后對比圖

改造過后的疏水回收標(biāo)準(zhǔn)主要根據(jù)分離器水質(zhì)情況。Fe離子＞1000μg/L時，進行外排；Fe離子＜1000μg/L，可以排放至熱井裝置；Fe離子＜200μg/L，可以回收到除氧器。由于除氧器水箱容積大，可以接受的疏水量非常大，啟動疏水參數(shù)也在除氧器的設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)。為防止機組啟動過程中除氧器本體產(chǎn)生較大的振動及噪聲，啟動疏水應(yīng)該采用大直徑接管母管伸入除氧器液面以下，在母管前、后方位對稱布置兩排開了小孔的支管。支管的布置盡量均勻，保證介質(zhì)的平穩(wěn)流動，能夠有較好的熱交換效果，有效防止振動和消除、降低噪聲[1]。

2 改造后對高寒地區(qū)空冷機組運行的影響

2.1 高寒地區(qū)冬季極寒情況下空冷機組正常的啟動流程

在環(huán)境溫度＞5℃時，機組啟動時可以不采用冬季工況；在環(huán)境溫度＜5℃時，機組啟動時可以采用冬季工況。啟動階段，空冷島要保證排汽裝置進汽量在規(guī)定的范圍內(nèi)，防止空冷島內(nèi)散熱翅片結(jié)冰或冷凝回水管道結(jié)凍損壞設(shè)備。在機組啟動初期流量較低的情況下，汽機通過高低旁減溫水以及排汽裝置三級減溫水來冷卻啟動過程中的蒸汽，一般要求控制凝結(jié)水溫度在50℃左右。此時鍋爐是濕態(tài)運行，經(jīng)過分離器分離出來的啟動疏水經(jīng)過大氣擴容器后，如果水質(zhì)不合格就直接通過排放系統(tǒng)進行排放，合格后會根據(jù)運行情況部分或者全部回收到熱井裝置中。在疏水系統(tǒng)未改造之前，機組運行存在以下隱患：1）在機組啟動初期，鍋爐蒸汽量不滿足空冷島投運要求。此階段鍋爐產(chǎn)出的蒸汽沒有經(jīng)過空冷島冷凝，通過高低旁的蒸汽依靠高低旁冷卻水，排汽裝置三級冷卻水冷卻，冷凝后會導(dǎo)致凝結(jié)水溫快速上升至60℃左右。同時經(jīng)過大氣擴容器擴容后的疏水溫度在100℃，如果此時疏水水質(zhì)合格，直接將疏水回收至熱井，會加劇凝結(jié)水溫度的上升。凝結(jié)水溫如果過高，超過了凝結(jié)水精處理裝置投運的溫度要求，就會導(dǎo)致凝結(jié)水精處理裝置無法投運，不利于機組啟動期間提高汽水品質(zhì)，并增加汽水品質(zhì)合格所需時間。凝結(jié)水溫度過高也會為凝泵的安全穩(wěn)定運行埋下隱患，有凝結(jié)水泵汽蝕的風(fēng)險。一般啟動初期會采取將大量的除鹽水置換熱井內(nèi)凝結(jié)水的方式來調(diào)節(jié)凝結(jié)水溫度，可保護設(shè)備安全，但會造成大量的除鹽水浪費。2）該文結(jié)合北方極寒地區(qū)常規(guī)直接空冷機組設(shè)計調(diào)研，將350MW超臨界直接空冷機組進汽管道布置為6列，在兩側(cè)4列管道上，每列均會布置一個防凍蝶閥，中間2列作為啟動列，不設(shè)計防凍蝶閥。真空與飽和溫度對照圖如圖2所示。結(jié)合機組常規(guī)設(shè)計，在機組啟動初期，在-70kPa真空環(huán)境下，當(dāng)排汽溫度高于70℃時，排汽裝置中就會有部分蒸汽進入空冷島；在-80kPa真空環(huán)境下，當(dāng)排汽溫度高于61℃時，排汽裝置中就會有部分蒸汽進入空冷島[2]。在極寒地區(qū)冬季環(huán)境下，機組啟動初期蒸汽流量一般不滿足空冷島最小啟動流量，此時如果凝結(jié)水溫過高，會降低高低旁冷卻水以及排汽裝置三級冷卻器的冷卻效果。同時過高的溫度也容易產(chǎn)生蒸汽，會增加蒸汽進入機組空冷島，引起空冷島翅片和回水管結(jié)凍的風(fēng)險。

圖2 真空與飽和溫度對照圖

基于以上兩點原因，啟動期間應(yīng)及時疏水達到回收標(biāo)準(zhǔn)，而一般也不會將疏水全部回收，而是根據(jù)情況選擇排放掉一部分或者全部排放掉可以回收的疏水，造成工質(zhì)和燃料浪費。

2.2 疏水系統(tǒng)改造后機組啟動運行變化和帶來的好處

直流鍋爐啟動流量直接影響啟動的安全性和經(jīng)濟性，啟動流量越大，工質(zhì)流經(jīng)受熱面的質(zhì)量流速也大，對受熱面進行冷卻，對改善水動力特性有利，但工質(zhì)損失和熱量損失也相應(yīng)增加，同時啟動旁路系統(tǒng)的設(shè)計容量也要加大。但啟動流量過小，受熱面冷卻和水動力穩(wěn)定就得不到保證。因此，選用啟動流量的原則是在保證受熱面得到可靠冷卻和工質(zhì)流動穩(wěn)定的條件下，啟動流量盡可能選擇得小些，這需要制造廠核算提供鍋爐啟動過全程中最小給水流量，流量隨著鍋爐熱負(fù)荷不同而變化，運行控制高于最小給水流量且留有裕度[3]。疏水系統(tǒng)經(jīng)過改造后的啟動初期，水質(zhì)達到回收標(biāo)準(zhǔn)后通過疏水泵進行回收，根據(jù)排汽裝置的溫度真空、熱井水溫等參數(shù)情況來調(diào)整疏水進入熱井和除氧器的比例，可為機組運行安全性和經(jīng)濟性帶來以下幾點好處。

首先，在鍋爐啟動初期濕態(tài)運行工況下，經(jīng)過分離器的疏水經(jīng)大氣擴容器擴容后的疏水溫度一般接近100℃。350MW機組啟動初期，每小時經(jīng)過大氣擴容器降溫后的疏水在100t/h以上，直接排放會造成大量熱量和工質(zhì)的浪費。這部分疏水如果回收至除氧器可以提高除氧器水溫，水溫提高后可以提高鍋爐產(chǎn)汽率，進而節(jié)省燃料。除氧器的水溫提高也會降低啟動初期除氧器的輔助蒸汽使用量，有利于節(jié)約成本。

其次，機組冷態(tài)啟動曲線如圖3所示，根據(jù)圖3可知，機組沖車前需要控制汽壓在8.73MPa，汽溫在380℃以下。由于啟動系統(tǒng)是大氣擴容式，在保證最小流量的情況下，大量工質(zhì)會排放掉，造成熱量損失，鍋爐產(chǎn)汽量比帶有爐水循環(huán)泵的機組更少，過熱器沒有足夠的蒸汽量來進行冷卻，在同等蒸汽壓力情況下需要消耗更多燃料來維持蒸汽壓力。因為隨著燃料量的增加，煙氣量也同步增加，蒸汽溫度難以控制在汽輪機啟動所需范圍。對此，一般的措施是在保障水冷壁安全的前提下，解除最小給水量保護，降低給水量，減少通過疏水系統(tǒng)損失的熱量，讓更多的水在水冷壁直接吸熱轉(zhuǎn)化成蒸汽，增加產(chǎn)汽量，冷卻過熱器。同時通過調(diào)整風(fēng)量和火焰中心高度，讓鍋爐輻射吸熱和對流吸熱保持合理的比例，共同控制蒸汽溫度。解除保護、減少給水屬于違背廠家技術(shù)要求，有一定的水冷壁超溫風(fēng)險。疏水系統(tǒng)改造之后，因為疏水回收至除氧器會提高鍋爐給水溫度，鍋爐產(chǎn)汽量會增加，達到?jīng)_車所需的蒸汽參數(shù)，鍋爐所用燃料量會減少，煙氣量下降，所以鍋爐蒸汽溫度會更容易控制，便于機組啟動。給水流量也可控制在相對安全的范圍內(nèi)，降低水冷壁超溫風(fēng)險。

最后，對高寒地區(qū)的空冷機組而言，在冬季工況下，在機組啟動初期流量較低的情況下，汽機通過高低旁減溫水以及排汽裝置三級減溫水來冷卻啟動過程中的蒸汽。因為疏水系統(tǒng)改造后可以將水質(zhì)合格的疏水部分回收至除氧器，提高給水溫度，減少燃料用量，所以鍋爐可以更好地控制啟動初期的蒸汽參數(shù)，主蒸汽溫度比改造之前更容易控制，可以保證新蒸汽溫度在380℃以下，達到圖3中要求的啟動溫度。由于蒸汽溫度降低，高低旁減溫水以及三級減溫水可以控制熱井凝結(jié)水溫度不超過50℃，因此可以保護凝結(jié)水泵，維持精處理裝置連續(xù)投運，減少因凝結(jié)水溫度高，熱井用除鹽水進行置換所造成的工質(zhì)浪費。因為熱井溫度低，同時高溫疏水回收至熱井水量少，排汽裝置內(nèi)蒸汽量少，在極寒天氣環(huán)境下，可以降低機組冷態(tài)啟動階段空冷島翅片和回水管結(jié)凍的風(fēng)險。

圖3 機組冷態(tài)啟動曲線

3 結(jié)語

超臨界直流空冷機組帶大氣擴容式的啟動系統(tǒng)疏水經(jīng)過改造后，在機組啟動期間能夠明顯減少燃料消耗，提高經(jīng)濟性，降低機組啟動過程中蒸汽參數(shù)控制的難度，在極寒地區(qū)能夠降低空冷機組空冷島凍結(jié)風(fēng)險，利于機組在寒冷天氣啟動。除氧器運行壓力較高，為防止除氧器內(nèi)蒸汽泄露到啟動系統(tǒng)，改造中應(yīng)當(dāng)選擇高質(zhì)量的手動及電動截止閥、逆止閥。啟動疏水量比較大，回收至除氧器容易發(fā)生熱沖擊，產(chǎn)生振動和噪聲，在改造過程中考慮除氧器的安全運行，改造要增加啟動疏水和除氧器內(nèi)部原有工質(zhì)的熱交換設(shè)計，以保證疏水平緩進入除氧器。