1 000 MW超超臨界二次再熱鍋爐吹管方案比較與優(yōu)化

楊 博,王 林,劉 輝,牛 佩,高景輝

(西安熱工研究院有限公司,陜西 西安 710054)

近年來,大容量、高參數(shù)的超超臨界二次再熱機(jī)組逐漸成為我國(guó)電力供應(yīng)的主力機(jī)組[1-3]。二次再熱鍋爐受熱面眾多,蒸汽管路系統(tǒng)阻力大,在基建調(diào)試過程中,常常出現(xiàn)鍋爐蒸汽吹管系數(shù)不達(dá)標(biāo)、吹管過程偏低的問題[4-6],這極大地影響了機(jī)組的建設(shè)質(zhì)量與后期的運(yùn)行安全。

某電廠擴(kuò)建工程計(jì)劃建設(shè)2臺(tái)1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組。3號(hào)鍋爐采取降壓法吹掃,吹管過程中過熱器吹管系數(shù)1.1左右,且通過提高吹管壓力至9.2 MPa左右未得到明顯提高。經(jīng)分析后認(rèn)為,超高壓主氣門嚴(yán)重節(jié)流、臨吹門選用內(nèi)徑與上游管道內(nèi)徑相同以及臨吹門前存在直角彎頭是系統(tǒng)阻力增大、蒸汽泄放不暢的主要原因。4號(hào)鍋爐臨時(shí)吹管系統(tǒng)在分析結(jié)論基礎(chǔ)上,將超高壓主氣門排除在臨吹體系之外(后期以人工清理方式保證清潔度),并將母管上的單個(gè)臨吹門,改為兩支管上分別布置臨吹門,顯著提高了“臨吹門/主蒸汽管通流面積比”,并將支管與母管匯接的直角彎頭布置到了臨吹門后。上述措施極大地減少了臨吹門前的阻力,有效提高了過熱器的吹管壓降比值,保證了4號(hào)鍋爐蒸汽吹管過程安全高效,質(zhì)量合格。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供后續(xù)同類型機(jī)組參考。

1 機(jī)組概況

某電廠二期擴(kuò)建工程計(jì)劃建設(shè)2臺(tái)1 000 MW等級(jí)的超超臨界二次再熱機(jī)組,工程選用了上海鍋爐廠生產(chǎn)制造的SG-2983/32.14-M7054型超超臨界壓力直流鍋爐,其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

鍋爐外形為塔式爐,以角式切圓方式組織燃燒,共配置6套冷一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng),點(diǎn)火裝置選用等離子高能點(diǎn)火器。

1.1 鍋爐給水及蒸汽流程

給水系統(tǒng)水側(cè)流程:給水管路→分級(jí)省煤器→主省煤器(或經(jīng)水側(cè)旁路,不經(jīng)過兩級(jí)省煤器)→水冷壁進(jìn)口集箱→螺旋段水冷壁→水冷壁中間集箱→垂直段水冷壁→水冷壁出口集箱→啟動(dòng)分離器。分離出的水進(jìn)入貯水箱→疏水?dāng)U容器→冷凝水箱→凝汽器或排至機(jī)組排水槽。

過熱蒸汽系統(tǒng)蒸汽流程:汽水分離器→匯合集箱→過熱器一級(jí)減溫器→低溫過熱器→過熱器二級(jí)減溫器→高溫過熱器→汽輪機(jī)超高壓缸。

一次再熱蒸汽系統(tǒng)蒸汽流程:汽輪機(jī)超高壓缸排汽→低溫再熱器冷段管道→再熱器事故減溫器→低溫再熱器入口集箱→低溫再熱器→低溫再熱器出口集箱→微量噴水減溫器→高溫再熱器入口集箱→高溫再熱器→高溫再熱器出口集箱→熱段管道→汽輪機(jī)高壓缸。

二次再熱蒸汽系統(tǒng)蒸汽流程:汽輪機(jī)高壓缸排汽→低溫再熱器冷段管道→再熱器事故減溫器→低溫再熱器入口集箱→低溫再熱器→低溫再熱器出口集箱→微量噴水減溫器→高溫再熱器入口集箱→高溫再熱器→高溫再熱器出口集箱→熱段管道→汽輪機(jī)中壓缸→汽輪機(jī)低壓缸。

1.2 煙氣流程

爐膛上部沿著煙氣流動(dòng)方向依次分別布置有低溫過熱器、高溫過熱器、一、二次高溫再熱器、一二次低溫再熱器、主省煤器。鍋爐上部的爐內(nèi)受熱面全部為水平布置,具有自疏水特性[7-9]。受熱面在爐膛中的具體布置情況如圖1所示。

圖1 鍋爐受熱面布置

2 三號(hào)鍋爐吹管

2.1 吹掃方案

本次吹管分2個(gè)階段進(jìn)行,采用降壓吹管方式。超高壓主汽門、高壓主汽門、中壓主汽門均安裝了假閥芯,接入到臨吹系統(tǒng)中參與吹掃。臨吹門采用單個(gè)閥門-母管布置形式,規(guī)格為DN550mm。

第1階段單獨(dú)吹掃過熱器。過熱器出口至超高壓主汽門均為原有的正式管道。臨時(shí)管道從2個(gè)超高壓主汽門假閥芯處引出,以直角彎頭形式匯合成1路管,再經(jīng)臨吹門后接到排汽母管。第1階段的臨吹系統(tǒng)布置如圖2所示,各段臨時(shí)管的管徑在圖2中進(jìn)行了標(biāo)注。

圖2 3號(hào)鍋爐過熱器單獨(dú)吹掃系統(tǒng)

第2階段過熱器與一、二次再熱器串聯(lián)吹掃。過熱器吹掃合格后,從臨吹門后斷開管路,利用臨時(shí)管從汽輪機(jī)17 m平臺(tái)向下穿行連接至8 m平臺(tái)上的一次再熱器冷段管道。再利用臨時(shí)管路將高壓主汽門后管道與二次再熱器冷段管道相連。中壓主汽門后接臨時(shí)管路連接至排汽母管。臨吹系統(tǒng)具體布置形式如圖3所示,各段臨時(shí)管的管徑在圖3中作了標(biāo)注。

圖3 3號(hào)爐過熱器與再熱器串聯(lián)吹掃系統(tǒng)

2.2 吹掃結(jié)果

3號(hào)鍋爐第1階段吹管的典型參數(shù)如表2所示。

表2 過熱器單吹參數(shù)

第2階段過熱器與再熱器串聯(lián)吹掃的典型參數(shù)如表3所示。

表3 過熱器與再熱器串聯(lián)吹掃參數(shù)

2.3 質(zhì)量評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)鍋爐吹管有效性的指標(biāo)為吹管系數(shù),具體定義為:吹掃工況和BMCR(鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量)工況下蒸汽的動(dòng)量之比[10-12]。由于蒸汽的比容和流量難以測(cè)量,工程實(shí)踐中利用受熱面的壓降比近似代替吹管系數(shù),以快速評(píng)估吹掃效果。壓降比的計(jì)算公式如下:

K′=ΔPblow/ ΔPBMCR

式中:K′為壓降比值;ΔPblow為吹掃工況下的某一受熱面的進(jìn)出口壓差,MPa;ΔPBMCR為鍋爐最大蒸發(fā)量工況下的某一受熱面的進(jìn)出口壓差,MPa。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用壓降比簡(jiǎn)化公式時(shí),需滿足《DL/T 1269—2013火力發(fā)電建設(shè)工程機(jī)組蒸汽吹管導(dǎo)則》(簡(jiǎn)稱《吹管導(dǎo)則》)中的具體要求,即降壓吹管時(shí),過熱器的壓降比應(yīng)不小于1.4,才能保證吹掃的效果[13-15]。

從表2和表3來看,3號(hào)鍋爐2個(gè)階段的所有吹掃,過熱器壓降比在1.1左右。為了提高壓降比值,3號(hào)鍋爐將臨吹門開啟前的過熱器出口壓力,從7.2 MPa逐步提高至9.2 MPa,過熱器吹管壓降比從1.00提高到了1.21。繼續(xù)提高過熱器的出口壓力,雖然還能提高壓降比值,但面臨著極大的安全風(fēng)險(xiǎn)?！洞倒軐?dǎo)則》要求,主汽至臨吹門前臨時(shí)管道公稱壓力不小于10 MPa。為保留足夠的安全裕度,過熱器出口蒸汽壓力無法繼續(xù)提高。3號(hào)鍋爐第1階段臨吹門開啟前過熱器壓力達(dá)到9.2 MPa,第2階段臨吹門開啟前過熱器的壓力達(dá)到9.5 MPa,僅給臨時(shí)管道保留了0.5 MPa的安全裕度。即便如此,第2階段吹管過熱器的壓降比最大也僅有1.07。

3 總結(jié)與分析

3號(hào)鍋爐過熱器的壓降比值,不管是在過熱器單吹階段,還是在過熱器與一、二次再熱器串聯(lián)吹掃階段,吹管系數(shù)均偏低,由此斷定,臨吹系統(tǒng)的阻力偏大。在未接一二次再熱器時(shí),過熱器出口壓力提高至9.2 MPa,吹管系數(shù)為1.2左右,故分析得出系統(tǒng)阻力增大的管段,應(yīng)在臨吹門之前,而非臨吹門之后。從圖2及圖3可知,臨吹門前臨時(shí)管道有以下阻力增大點(diǎn):

(1)超高壓主汽門。本次吹管將超高壓主汽門安裝假閥芯,連入了吹管臨時(shí)系統(tǒng)中,這帶來了很大的管網(wǎng)阻力。超高壓主汽門與超高壓調(diào)閥及補(bǔ)氣閥共用一個(gè)閥殼(如圖4所示),閥殼內(nèi)裝有主蒸汽永久濾網(wǎng)。超高壓主汽門中濾網(wǎng)、腔室、直角彎三者緊密銜接,產(chǎn)生了疊加效應(yīng),對(duì)蒸汽的流動(dòng)造成了嚴(yán)重阻礙。

(2)臨吹門。主蒸汽管道規(guī)格為Φ579 mm×118 mm,兩根管道的通流面積為184 708.9 mm2;臨吹門的規(guī)格為DN550mm,假設(shè)其為圓形管道,計(jì)算通流面積為237 462.5 mm2。利用臨吹門與2根主蒸汽管的通流面積之比,來評(píng)估臨吹門通暢性:

圖4 超高壓主汽門內(nèi)部結(jié)構(gòu)

C=S/(S1×2)

式中:C為臨吹門/主蒸汽管通流面積比;S為臨吹門以公稱直徑計(jì)算的通流面積;S1為單根主蒸汽管的通流面積。

經(jīng)計(jì)算,3號(hào)鍋爐臨吹門/主蒸汽管通流面積比為C3=1.286。大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明,C值越大,臨吹門內(nèi)出現(xiàn)阻塞流的概率越低,吹管系數(shù)也更容易達(dá)到吹掃要求。

(3)臨吹門前直角彎。3號(hào)爐吹管方案中,臨吹門布置在母管上,上游2根支管以直角方式與該母管相連,蒸汽流經(jīng)2個(gè)直角彎頭時(shí),也會(huì)造成較大的動(dòng)量損失。

4 四號(hào)鍋爐吹管

基于3號(hào)鍋爐吹管阻力分析結(jié)論,對(duì)4號(hào)鍋爐的超高壓主汽門、臨吹門、直角彎頭等部分進(jìn)行了針對(duì)性的阻力優(yōu)化。

4.1 吹掃方案

本次吹管分2個(gè)階段,采用降壓方式。超高壓主汽門因阻力過大,被排除在吹管體系外(后期以人工清理方式保證清潔度),不參與吹管過程。高壓主汽門、中壓主汽門通過安裝假閥芯的方式,參與蒸汽吹掃。臨吹門采用2個(gè)閥門-支管布置形式,臨吹門規(guī)格為DN450 mm。

第1階段為過熱器單獨(dú)吹掃。臨時(shí)管道從汽機(jī)房8 m層主蒸汽管道(主蒸汽管與超高壓主汽門斷開連接)上引出,通過布置在8 m層的2個(gè)臨吹門控制,臨吹門后管道接入排汽母管的三通口處(8 m層),經(jīng)過Φ1 168 mm的臨時(shí)管路、靶板器、排汽母管、消音器后排大氣。汽機(jī)房17 m層的排汽母管用于過熱器與再熱器聯(lián)合吹掃,汽機(jī)房8 m層的排汽母管用于過熱器單吹,二者匯合至同一根立式排汽母管(在汽機(jī)房8 m層設(shè)有匯合用三通接頭)。第1階段吹掃時(shí)需把17 m 排汽母管利用臨時(shí)堵板封閉隔離,在第2階段則將8 m處排汽母管隔離。第1階段的臨吹系統(tǒng)布置如圖5所示。

圖5 4號(hào)爐過熱器單獨(dú)吹掃系統(tǒng)

第2階段為過熱器與一二次再熱器串聯(lián)吹掃。第1階段過熱器單獨(dú)吹掃合格后,將臨吹門后管路重連,從汽機(jī)房8 m層向下穿入5 m層處與一再冷段管道相連,蒸汽經(jīng)高壓再熱器后從高壓主汽門假閥芯后通過,經(jīng)過Φ820 mm的臨時(shí)管路、集粒器后與二再冷段管道相連。蒸汽經(jīng)二次再熱器后從中壓主汽門假閥芯后通過,經(jīng)過Φ1 168 mm臨時(shí)管路、靶板器、排汽母管、消音器后排大氣。第2階段的臨吹系統(tǒng)布置如圖6所示。

圖6 4號(hào)爐過熱器與再熱器串聯(lián)吹掃系統(tǒng)

4.2 吹掃結(jié)果

4號(hào)爐吹掃有效性仍然以受熱面壓降比來評(píng)估。第1階段吹掃的典型參數(shù)如表4所示。

表4 過熱器單吹參數(shù)

4號(hào)爐第2階段吹掃典型參數(shù)如表5所示。

4.3 質(zhì)量評(píng)價(jià)

由圖6和表5可知,4號(hào)鍋爐各受熱面的壓降比值較3號(hào)鍋爐改善明顯。第1階段吹管時(shí),臨吹門開啟前過熱器出口壓力4.0 MPa,過熱器的吹管壓降比就達(dá)到了1.00。繼續(xù)提高壓力至7.0 MPa,過熱器壓降比可達(dá)到1.45。

表5 過熱器再熱器串聯(lián)吹掃參數(shù)

第2階段過再熱器系統(tǒng)聯(lián)合吹掃時(shí),臨吹門開啟前過熱器出口壓力8.2 MPa,過熱器吹管的壓降比達(dá)到1.49,后續(xù)的吹掃采用過熱器出口壓力8.5 MPa進(jìn)行,此壓力下的過熱器吹管壓降比穩(wěn)定維持在1.50以上,一次再熱器壓降比超過4.0,二次再熱器壓降比超過2.6,臨吹系統(tǒng)各處的吹管系數(shù)均大于1.0,充分保證了4號(hào)鍋爐的吹掃質(zhì)量。

4號(hào)鍋爐臨吹系統(tǒng)直接將超高壓主汽門排除在外,顯著減少了臨吹門前的管路阻力。選用的2個(gè)DN450mm的臨吹門,計(jì)算得到其通流總面積為317 925 mm2,兩根管道的通流面積為184 708.9 mm2,故臨吹門/主蒸汽管通流面積比為1.721,是3號(hào)鍋爐臨吹門的1.34倍,明顯具有更低的通流阻力。此外,采用臨吹門支管布置形式,將母管匯接的直角彎頭設(shè)計(jì)到了臨吹門后,也有利于降低臨吹門前的管路阻力。經(jīng)過上述針對(duì)性優(yōu)化,4號(hào)鍋爐吹管系數(shù)改善明顯,實(shí)現(xiàn)了高效率高質(zhì)量吹掃。

5 結(jié) 語

近年來高參數(shù)大容量的超超臨界二次再熱機(jī)組逐漸成為我國(guó)新建火電工程的主力軍。在基建調(diào)試期間,出現(xiàn)了多臺(tái)機(jī)組鍋爐吹管系數(shù)偏低的問題。本文以某電廠2臺(tái)同型號(hào)的1 000 MW超超臨界二次再熱鍋爐為研究對(duì)象,對(duì)3號(hào)鍋爐吹管系數(shù)偏低問題進(jìn)行了原因分析,比較了2臺(tái)機(jī)組在采取超高壓主汽門假閥芯與不經(jīng)過超高壓主汽門、臨吹門采取單門與雙門不同布置形式與安裝位置等條件下,鍋爐吹管系數(shù)的變化情況。相關(guān)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)可為后續(xù)同類型機(jī)組制定吹管方案、優(yōu)化吹管工藝等提供參考。