5 MW超臨界二氧化碳機(jī)組鍋爐閉式循環(huán)吹管工藝研究

王林

（西安熱工研究院有限公司，陜西省 西安市 710054）

0 引言

電站鍋爐在基建過程中，需要對(duì)安裝好的受熱面汽水管道進(jìn)行蒸汽吹掃，清理污物，以免雜質(zhì)顆粒進(jìn)入汽輪機(jī)中損傷葉片[1-2]。國家能源局2013 年發(fā)布的DL/T 1269—2013《火力發(fā)電建設(shè)工程機(jī)組蒸汽吹管》(以下簡稱《吹管導(dǎo)則》)為現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3]，提出了針對(duì)水蒸氣鍋爐的開放式吹管方案，利用高溫高壓的蒸汽，將管道系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)污物吹出并排向大氣。與水蒸氣相比，二氧化碳制備成本較高，作為典型的溫室氣體不宜大量排放[4]，直接排放會(huì)危害地表植被與生物健康。因此，新型二氧化碳鍋爐不能簡單套用水蒸氣鍋爐的吹管方案。

超臨界二氧化碳(簡稱S-CO2)具有黏度小、能量密度大、換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，基于布雷頓循環(huán)構(gòu)建的S-CO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其理論發(fā)電效率可超過50%[5]，因而被視為未來最具潛力的新型發(fā)電技術(shù)之一。

某地區(qū)為推動(dòng)超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，建立了世界首臺(tái)5 MW S-CO2循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)平臺(tái)。由于目前兆瓦級(jí)S-CO2鍋爐尚無工程投產(chǎn)的先例，與之相匹配的鍋爐蒸氣吹管工藝還處于行業(yè)空白狀態(tài)，新型二氧化碳鍋爐的吹管方案亟待探索和研究。

本文基于5 MW 超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)平臺(tái)的主輔機(jī)設(shè)備特性，提出并成功應(yīng)用了閉式循環(huán)吹管方案，取得了較好的吹掃效果。針對(duì)吹掃過程中出現(xiàn)的濾網(wǎng)堵塞導(dǎo)致停機(jī)次數(shù)增加的問題，研發(fā)并投用了可在線切換、在線清灰的雙路過濾器，極大地提高了超臨界二氧化碳機(jī)組的吹管效率，降低了吹管成本。經(jīng)本工程改進(jìn)優(yōu)化后的閉式循環(huán)吹管方案，有望成為未來大型商業(yè)化超臨界二氧化碳鍋爐的主流吹管工藝。工程業(yè)績填補(bǔ)了行業(yè)空白，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)同類型機(jī)組的基建調(diào)試具有重要的參考價(jià)值。

1 機(jī)組概況

本工程5 MW S-CO2循環(huán)發(fā)電綜合試驗(yàn)平臺(tái)主要由S-CO2鍋爐、壓縮機(jī)、預(yù)冷器、高壓透平發(fā)電機(jī)組、低壓透平發(fā)電機(jī)組以及高、低溫回?zé)崞鞯冉M成。

1.1 工質(zhì)流程

試驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行過程為：穩(wěn)壓罐內(nèi)的CO2工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)后，被升壓至21.5 MPa 左右，依次進(jìn)入低溫回?zé)崞?、高溫回?zé)崞鳎c低壓透平的排氣進(jìn)行換熱；換熱后的CO2進(jìn)入鍋爐氣冷壁、過熱器中被加熱到600 ℃，然后進(jìn)入高壓透平中做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電；做功后的CO2進(jìn)入鍋爐再熱器中，重新被加熱到600 ℃，隨后進(jìn)入低壓透平中做功發(fā)電；低壓透平的排氣依次進(jìn)入高溫回?zé)崞?、低溫回?zé)崞鳎ゼ訜釅嚎s機(jī)供往鍋爐的進(jìn)氣；低溫回?zé)崞鞒隹诘腃O2進(jìn)入預(yù)冷器被冷卻到35 ℃后，重新回到穩(wěn)壓罐，完成一個(gè)循環(huán)。整個(gè)試驗(yàn)機(jī)組的工質(zhì)流程如圖1所示。

圖1 工質(zhì)流程示意圖Fig. 1 Working fluid flow diagram

1.2 鍋爐簡介

試驗(yàn)機(jī)組選用了型號(hào)為HG-CO2-290/20-Q1的新型鍋爐。該鍋爐采用全鋼構(gòu)架、懸吊式單爐膛、一次中間再熱、水平雙煙道設(shè)計(jì)，整體呈L 形布置。燃燒器為頂置、單只、低NOx燃燒器，以下沖方式組織燃燒，設(shè)計(jì)燃料為天然氣。鍋爐受熱面系統(tǒng)包括垂直下降膜式氣冷壁，高、低溫過熱器，高、低溫再熱器及分流省煤器等。鍋爐總體布局如圖2所示。

圖2 鍋爐整體布局Fig. 2 Overall layout of the boiler

本工程S-CO2鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)[6]如表1所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 1 Main design parameters of the boiler

機(jī)側(cè)的供氣自上而下進(jìn)入鍋爐。分流省煤器與高溫回?zé)崞魉诘闹髀凡⒙?lián)，其流量約為主路流量的10%。CO2經(jīng)分流省煤器加熱后再進(jìn)入氣冷壁進(jìn)口集箱前與主路流量混合。混合后的工質(zhì)從氣冷壁進(jìn)口集箱引入到垂直管圈氣冷壁，從氣冷壁出口集箱引出的工質(zhì)進(jìn)入過熱器中加熱，達(dá)到額定參數(shù)的過熱CO2被送入高壓透平做功。高壓透平的排氣進(jìn)入再熱器中加熱，合格的再熱CO2再進(jìn)入低壓透平做功。高低壓透平分別設(shè)計(jì)有各自的旁路系統(tǒng)。工質(zhì)流動(dòng)的動(dòng)力來自壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)采用單缸單段結(jié)構(gòu)，由一臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)增速器，通過膜片式聯(lián)軸節(jié)與之連接。壓縮機(jī)的主要參數(shù)如表2所示。

表2 壓縮機(jī)主要參數(shù)Tab. 2 Main design parameters of the compresser

2 閉式循環(huán)吹管方案

電站鍋爐正式投用前，必須對(duì)其各級(jí)受熱面、進(jìn)出口集箱及聯(lián)通管道進(jìn)行蒸氣吹掃，以免雜質(zhì)進(jìn)入透平，損傷葉片[7-8]?！洞倒軐?dǎo)則》提出了適用于水蒸氣鍋爐的降壓法和穩(wěn)壓法吹掃方案，2 種方案均采用開放式吹掃，系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)被蒸氣沖刷攜帶，經(jīng)對(duì)空排放口最終排入大氣。

2.1 方案提出

因?yàn)槌}水價(jià)格低廉，水蒸氣無毒無害，大量排放也不會(huì)對(duì)環(huán)境及生物造成威脅，所以水蒸氣鍋爐采用開放式方案是合理的。

二氧化碳的成本高、密度大，若簡單套用水蒸氣鍋爐開放式的吹掃方案，一是吹管消耗的工質(zhì)量大，引起吹管成本的上升；二是向大氣中大量排放二氧化碳，與“碳達(dá)峰”的目標(biāo)相違背，環(huán)保意義差[9-11]；三是高濃度的二氧化碳沉降后，對(duì)排放點(diǎn)處地表的植被、生物具有較大危害。因此，超臨界二氧化碳鍋爐不適合采用外排開放式的吹管方案。

某5 MW 試驗(yàn)機(jī)組系統(tǒng)構(gòu)成簡單，高低壓透平容易隔離，借助透平旁路管道即可實(shí)現(xiàn)待吹系統(tǒng)的完全封閉，因此實(shí)施閉式循環(huán)吹掃具有成本低、操作簡便、安全經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，只要濾網(wǎng)設(shè)置合理，一樣可以獲得優(yōu)良的吹掃效果。為保證壓縮機(jī)設(shè)備的正常平穩(wěn)運(yùn)行，采用穩(wěn)壓法對(duì)試驗(yàn)臺(tái)閉式管道系統(tǒng)進(jìn)行吹掃。

2.2 方案詳情

2.2.1 吹掃范圍

吹掃的范圍主要包括：氣冷壁、分流省煤器、過熱器、主氣管道、高旁閥前后管道、再熱冷段管道、再熱器、再熱蒸氣管道、低旁閥前后管道、高溫回?zé)崞?、低溫回?zé)崞?、預(yù)冷器前后管道、壓縮機(jī)進(jìn)出口管路、穩(wěn)壓罐進(jìn)出口管路等。吹管臨時(shí)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 閉式二氧化碳循環(huán)吹掃系統(tǒng)圖Fig. 3 Carbon dioxide closed cycle purging system diagram

2.2.2 吹掃流程

本鍋爐過熱器、再熱器及相關(guān)管道采用一步法串聯(lián)閉式吹掃。通過設(shè)置吹管臨時(shí)管路及措施，實(shí)現(xiàn)過熱器、再熱器的串聯(lián)吹掃。

吹掃主要流程如下：氣冷壁→過熱器→主氣管道→高旁閥前管道→集粒器→高旁臨時(shí)閥→高旁閥后管道→再熱器冷段管→再熱器→再熱器熱段管→低旁閥前管道→臨時(shí)濾網(wǎng)→低旁臨時(shí)閥→低旁閥后管道→高溫回?zé)崞鞯蛪簜?cè)→低溫回?zé)崞鞯蛪簜?cè)→預(yù)冷器→臨時(shí)手動(dòng)門及管路→靶板器→單路過濾器→CO2穩(wěn)壓罐→壓縮機(jī)→低溫回?zé)崞鞲邏簜?cè)→高溫回?zé)崞鞲邏簜?cè)→氣冷壁出口。另外，自低溫回?zé)崞髦粮邷鼗責(zé)崞鞲邏簜?cè)管路引出一路工質(zhì)至分流省煤器，與高溫回?zé)崞鞲邏簜?cè)出口工質(zhì)在氣冷壁入口匯合，一并進(jìn)入氣冷壁中。

本次吹掃過程分為冷態(tài)及熱態(tài)兩階段，兩階段的吹掃系統(tǒng)布置完全相同。

冷態(tài)吹掃階段，系統(tǒng)建立二氧化碳工質(zhì)循環(huán)后，逐步增大系統(tǒng)流量，對(duì)管路進(jìn)行大流量連續(xù)吹掃，清理出較大的顆粒雜質(zhì)。

熱態(tài)吹掃階段，鍋爐點(diǎn)火，工質(zhì)升溫升壓，根據(jù)初步測(cè)算，工質(zhì)流量達(dá)到300 t/h，過熱器出口氣體參數(shù)10 MPa/450 ℃時(shí)，可滿足系統(tǒng)吹管系數(shù)>1的要求。具體參數(shù)將根據(jù)分布式控制系統(tǒng)畫面實(shí)時(shí)顯示的吹管系數(shù)，進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整。

2.2.3 臨時(shí)措施

為滿足鍋爐及相關(guān)管道的吹掃要求，隔離不參與吹掃的部分設(shè)備，保證吹掃效果及設(shè)備安全[12]，需采取如下的臨時(shí)措施：

1）在高低壓透平進(jìn)氣閥前、排氣閥后斷開，分別加堵板，防止吹掃合格前工質(zhì)進(jìn)入透平。

2）高旁閥后正式管路接臨時(shí)管引出，布置吹掃用集粒器及高旁臨時(shí)控制閥，閥后接臨時(shí)管至高旁閥后正式管路。

3）低旁閥后正式管路接臨時(shí)管引出，布置吹掃用濾網(wǎng)、低旁臨時(shí)控制閥，閥后接臨時(shí)管至低旁閥后正式管路。

4）高旁臨時(shí)控制閥和低旁臨時(shí)控制閥使用正式高旁、低旁閥體及執(zhí)行器，閥芯采用臨時(shí)吹掃用閥芯，吹管完成后更換為正式閥芯。

5）預(yù)冷器出口至穩(wěn)壓罐間布置臨時(shí)管道替換原設(shè)計(jì)正式管路，依次布置臨時(shí)手動(dòng)門、靶板器及過濾器，完成吹管打靶檢驗(yàn)工作。其中過濾器前后設(shè)置遠(yuǎn)傳差壓變送器，并布置臨時(shí)泄壓管路，供清理濾網(wǎng)及拆裝靶板時(shí)泄放工質(zhì)使用。吹管完成后，預(yù)冷器出口至穩(wěn)壓罐間恢復(fù)正式管路。

6）穩(wěn)壓罐至壓縮機(jī)入口間管道臨時(shí)布置手動(dòng)門2個(gè)、濾網(wǎng)2個(gè)，同時(shí)濾網(wǎng)前后設(shè)置遠(yuǎn)傳差壓變送器及臨時(shí)泄壓管路，供清理濾網(wǎng)時(shí)泄放工質(zhì)使用。

7）吹掃所用臨時(shí)管道內(nèi)部應(yīng)做噴砂處理，采用氬弧焊打底施焊。

8）吹掃臨時(shí)管應(yīng)安裝牢固可靠的支吊架，充分考慮管道的徑向、軸向熱膨脹和吹掃時(shí)的反作用力，其強(qiáng)度應(yīng)按大于4 倍的吹管反作用力進(jìn)行計(jì)算，臨時(shí)系統(tǒng)應(yīng)由具有資質(zhì)的單位進(jìn)行受力校核計(jì)算。

9）吹管臨時(shí)系統(tǒng)管路使用前須經(jīng)光譜檢查或其他工藝檢查，確保材質(zhì)符合設(shè)計(jì)要求。

10）吹掃的臨時(shí)管道需進(jìn)行保溫。

11）臨時(shí)管道宜采用Y 型的匯通三通，兩管之間夾角宜選擇30°~60°的銳角。

12）臨時(shí)管選擇內(nèi)徑大于或等于原正式管道內(nèi)徑的管子。高低壓旁路按14.5 MPa、不小于450 ℃的使用要求選取管材。穩(wěn)壓罐入口段臨時(shí)管路采用與正式管路相同材質(zhì)的鋼材。

13）靶板器的制作按照《火吹管導(dǎo)則》中的要求進(jìn)行。靶板采用鋁板制作，其寬度為排汽管內(nèi)徑的8%且≥25 mm，厚度≥5 mm，長度縱貫管子內(nèi)徑，表面應(yīng)進(jìn)行拋光處理，無肉眼可見斑痕。

14）吹管結(jié)束后恢復(fù)管道時(shí)，須采取可靠措施，避免雜質(zhì)污物再次進(jìn)入吹掃過的管路。

2.2.4 方案實(shí)施

鍋爐點(diǎn)火后，逐步升溫升壓，熱工專業(yè)投入主、再熱器吹管系數(shù)計(jì)算模塊，實(shí)時(shí)顯示吹管系數(shù)。

機(jī)組吹管系數(shù)參考現(xiàn)行行業(yè)導(dǎo)則，定義為吹掃工況和鍋爐額定出力(boiler rated load，BRL)工況下氣體動(dòng)量之比，表達(dá)式為

式中：K為吹管系數(shù)；G、Gm分別為吹掃工況和BRL 工況下管路內(nèi)二氧化碳?xì)怏w的流量；C、Cm分別為2種工況下氣體的比熱容。

鍋爐逐步增加燃?xì)饬恐? 139 m3/h，主蒸氣參數(shù)達(dá)到399.5 ℃/10.5 MPa，再熱蒸氣參數(shù)達(dá)到400 ℃/9.2 MPa，此時(shí)鍋爐進(jìn)口工質(zhì)流量為230 t/h，排煙溫度為71 ℃，過熱器吹管系數(shù)達(dá)到0.99，再熱器吹管系數(shù)達(dá)到0.84。

繼續(xù)增加壓縮機(jī)出力，提高工質(zhì)流量，過熱器吹管系數(shù)達(dá)到1.01，再熱器吹管系數(shù)達(dá)到1.00，系統(tǒng)進(jìn)入正式吹掃階段。

吹掃2 h后，因?yàn)V網(wǎng)差壓大，系統(tǒng)報(bào)警，工質(zhì)流量出現(xiàn)下降趨勢(shì)，判斷濾網(wǎng)嚴(yán)重堵塞，鍋爐停爐。停機(jī)后，拆下的濾網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重變形(如圖4所示)，需更換新的濾網(wǎng)。

圖4 堵塞的濾網(wǎng)Fig. 4 Clogged screen

鍋爐再次點(diǎn)火后，繼續(xù)升溫升壓，對(duì)系統(tǒng)實(shí)施大流量吹掃，因管內(nèi)雜質(zhì)較多，濾網(wǎng)又發(fā)生多次堵塞，導(dǎo)致停機(jī)。拆卸濾網(wǎng)管道時(shí)不得不將工質(zhì)二氧化碳全部排空，這造成了極大的浪費(fèi)，同時(shí)因?yàn)V網(wǎng)反復(fù)更換，也延長了吹管工期，使得現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)成本大大增加。

2.2.5 雙路過濾器投用

為解決因?yàn)V網(wǎng)堵塞而導(dǎo)致停機(jī)次數(shù)增多的問題，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)了可在線切換、在線清灰的雙路過濾器，布置在預(yù)冷器出口、穩(wěn)壓罐前端，該雙路過濾器構(gòu)造如圖5所示。

圖5 雙路過濾器Fig. 5 Two-way filter

上述過濾器專用于超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電機(jī)組閉式循環(huán)吹管。裝置采用雙路布置，當(dāng)1 號(hào)濾網(wǎng)差壓增大到報(bào)警值時(shí)，即判斷為該濾網(wǎng)堵塞，在不停機(jī)的情況下，直接啟用2 號(hào)濾網(wǎng)，完成濾網(wǎng)的在線切換，吹管過程不中斷。已堵塞的1 號(hào)濾網(wǎng)則執(zhí)行清灰操作：關(guān)閉進(jìn)口閥，打開出口閥，再打開排渣閥，實(shí)現(xiàn)濾網(wǎng)逆向進(jìn)氣，反吹清污。反吹一定時(shí)間后，即可關(guān)閉進(jìn)出口閥門，2 號(hào)濾網(wǎng)恢復(fù)備用。啟用雙路過濾器，既避免了濾網(wǎng)過早變形報(bào)廢，延長了濾網(wǎng)使用壽命，又實(shí)現(xiàn)了不停機(jī)的濾網(wǎng)復(fù)原，這大大提高了閉式循環(huán)吹管的吹掃效率，縮短了工期，降低了成本。

2.2.6 打靶驗(yàn)收

啟用雙路過濾器后，機(jī)組穩(wěn)壓閉式吹管有效吹掃時(shí)間顯著提升，濾網(wǎng)差壓增大至某一值后基本維持穩(wěn)定，則可判斷系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)已沖刷干凈。為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)阻力，提高吹管系數(shù)，集粒器在此階段全部拆除。

停爐冷卻20 h 后，靶板器加裝1 號(hào)靶板，鍋爐點(diǎn)火，重新升溫升壓。

逐步增加燃?xì)饬恐? 105 m3/h，工質(zhì)流量達(dá)到253 t/h，主氣參數(shù)達(dá)到12.3 MPa/450 ℃，再熱氣參數(shù)達(dá)到10.7 MPa/448 ℃，此時(shí)過熱器吹管系數(shù)達(dá)到1.26，再熱器吹管系數(shù)達(dá)到1.14。

吹掃2 h 后，鍋爐停爐，壓縮機(jī)停機(jī)，取出1號(hào)靶板，并換裝2號(hào)靶板。

鍋爐重新點(diǎn)火，達(dá)到穩(wěn)壓吹管參數(shù)后繼續(xù)吹掃1 h。吹掃完成后，鍋爐停爐，取出2號(hào)靶板。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)各方聯(lián)合確認(rèn)，2 塊靶板表面均無直徑大于0.8 mm的斑痕，直徑0.2~0.8 mm的斑痕數(shù)4個(gè)，靶板合格，試驗(yàn)機(jī)組吹管工作順利完成。

本次吹管工期共計(jì)10天，由于園區(qū)天然氣供應(yīng)采取每日定額方式，因此試驗(yàn)臺(tái)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間有限，故采取了早上點(diǎn)火、下午停爐的工作安排。吹管期間，平均每天正式穩(wěn)壓吹掃時(shí)間為3~4 h，初期濾網(wǎng)頻繁堵塞，增加了停機(jī)次數(shù)，后期使用雙路過濾器，有效縮短了吹管工期。

3 結(jié)論

1）新型鍋爐不能套用水蒸氣鍋爐的開放式吹掃方案。開放式的二氧化碳吹掃方案物料成本高、環(huán)保意義差、安全隱患大，不具備實(shí)際的可行性。

2）封閉式的二氧化碳吹掃方案施工簡單，吹掃范圍廣泛，啟用雙路過濾器后，有效延長了濾網(wǎng)使用壽命，減少了停機(jī)次數(shù)，提高了吹管效率。

3）新型鍋爐的吹管驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可以參考現(xiàn)有水蒸氣鍋爐相關(guān)規(guī)范。試驗(yàn)機(jī)組吹管期間停爐大于3次，每次時(shí)間均超過12 h，最后按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收合格。后續(xù)整套啟動(dòng)及滿負(fù)荷試運(yùn)行期間，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良，表明現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)具有較好的適應(yīng)性。