600MW超臨界直流鍋爐蒸汽吹管技術(shù)的分析

段 寶

（華北電力科學(xué)研究院(西安)有限公司，陜西 西安 710065）

600MW超臨界直流鍋爐蒸汽吹管技術(shù)的分析

段 寶

（華北電力科學(xué)研究院(西安)有限公司，陜西 西安 710065）

結(jié)合某電廠600MW超臨界直流鍋爐蒸汽吹管的工程實踐，比較了穩(wěn)壓吹管方式和降壓吹管方式的優(yōu)、缺點(diǎn)；對2種吹管方式實際應(yīng)用中遇到的問題進(jìn)行統(tǒng)計分析和說明，并提出相應(yīng)的解決措施。

超臨界直流鍋爐；穩(wěn)壓吹管；降壓吹管；解決措施

隨著電力事業(yè)的發(fā)展，600MW及以上的超臨界機(jī)組已逐步成為電廠的主力機(jī)型。在工程實踐中，穩(wěn)壓吹管和降壓吹管方式在超臨界直流鍋爐吹管中都有應(yīng)用，但是鑒于超臨界直流鍋爐的特點(diǎn)，穩(wěn)壓吹管方式和降壓吹管的應(yīng)用均有很多技術(shù)難點(diǎn)。結(jié)合某電廠600MW超臨界直流鍋爐蒸汽吹管的實例，對這2種吹管方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，統(tǒng)計分析在工程實踐中遇到的問題，并提出解決措施。

1 設(shè)備簡介

某電廠新建工程為2×600MW超臨界機(jī)組，鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓直流爐，為單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、干態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。鍋爐型號為：SG-2084/25.4-M979，其主要參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要參數(shù)

1.1 汽水啟動系統(tǒng)

每臺機(jī)組配備2臺50%BMCR容量的汽動給水泵和1臺30%BMCR容量的電動給水泵。鍋爐下輻射區(qū)水冷壁為螺旋管圈，上輻射區(qū)水冷壁為垂直管圈，過渡段采用中間混合集箱相連。主蒸汽溫度主要通過調(diào)節(jié)水煤比并配合兩級減溫水進(jìn)行調(diào)整；再熱蒸汽溫度通過燃燒器擺角和事故減溫水進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2 燃燒和制粉系統(tǒng)

鍋爐燃燒采用引進(jìn)的低NOx同軸燃燒系統(tǒng)(LNCFS）；煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動式燃燒器。制粉系統(tǒng)采用正壓冷一次風(fēng)直吹式系統(tǒng)；與燃燒器煤粉噴嘴配套，每爐配備6臺ZGM113N型中速輥式磨煤機(jī)(5用1備)。

2 吹管范圍和流程

2.1 吹管范圍

吹管范圍包括：從啟動分離器到末級過熱器出口集箱的過熱器系統(tǒng)；主蒸汽管道；冷段再熱蒸汽管道；從冷段再熱器入口集箱到熱段再熱器出口集箱；熱段再熱蒸汽管道及高壓旁路管道。

2.2 吹管流程

主系統(tǒng)吹管的具體流程為：啟動分離器→過熱器→主蒸汽管道→高壓主汽門→臨時管道→臨沖門→臨時管道→過熱器靶板→臨時管道→集粒器→冷段再熱蒸汽管道→再熱器→熱段再熱蒸汽管道→中壓主汽門→臨時管道→再熱器靶板→臨時管道→消音器。

3 穩(wěn)壓吹管

穩(wěn)壓吹管是指鍋爐升至吹管壓力，臨沖門全開，通過控制燃煤量和蒸汽消耗量平衡，維持一定的吹管壓力和溫度，在保證吹管系數(shù)大于1的情況下，利用大量的蒸汽流量來沖洗受熱面管道。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：每次吹管時間長，總吹管次數(shù)減少，且效果佳；鍋爐能達(dá)45%～60%的熱負(fù)荷，需投入制粉系統(tǒng)，燃油少；不用頻繁操作臨沖門，有利于給水調(diào)節(jié)和分離器水位的控制，保證爐水循環(huán)泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行；鍋爐水動力穩(wěn)定，減少對鍋爐厚壁元件的應(yīng)力沖擊。由于超臨界直流鍋爐沒有汽包，鍋爐蓄熱較小，國內(nèi)普遍認(rèn)為采用穩(wěn)壓吹管方式是最佳選擇。但是，穩(wěn)壓吹管要求至少有3臺制粉系統(tǒng)能投入，至少有1臺汽動給水泵能配合電動給水泵向鍋爐補(bǔ)水，在大流量吹管階段能有可靠水源補(bǔ)充等，對基建安裝進(jìn)度和生產(chǎn)準(zhǔn)備工作要求較高。

該電廠2臺600MW超臨界直流鍋爐在第1階段均采用穩(wěn)壓吹管方式。每次穩(wěn)壓吹管，分離器出口壓力維持在4.5MPa～5.7MPa，投入4臺制粉系統(tǒng)運(yùn)行，總煤量在98t/h～125t/h，省煤器入口流量達(dá)到950t/h，每次有效時間均在40min以上，過熱器吹管系數(shù)也在1.2以上。這極大提高了吹管效果和效率，也提前考驗了鍋爐本體及其輔機(jī)帶大負(fù)荷的能力，提高了運(yùn)行人員水平。但是，仍存在以下4個突出問題。

3.1 水源補(bǔ)充

一階段穩(wěn)壓吹管時間的長短主要取決于機(jī)側(cè)的補(bǔ)水能力，而一般在新建2臺600MW超臨界機(jī)組的基建工程中，化學(xué)最大除鹽水制水量僅為120t/h左右；在吹管過程中因輔助蒸汽用戶多，啟動鍋爐需消耗40t/h～60t/h除鹽水，供給至凝汽器的除鹽水僅為60t/h～80t/h，相比800t/h～1000t/h大流量穩(wěn)壓吹管，可靠的補(bǔ)水能力成為突出問題。

針對以上情況，電廠在進(jìn)行穩(wěn)壓吹管前，需將除鹽水罐、凝汽器及除氧器蓄至最高水位，并在除鹽水罐至凝汽器間增加1個Φ273的臨時管和出力約300t/h的給水泵，以直接向凝汽器補(bǔ)水，從而有效延長穩(wěn)壓吹管時間，使一次吹管持續(xù)時間達(dá)40min以上。同時，充足可靠的凝汽器補(bǔ)水對鍋爐本體的冷態(tài)、熱態(tài)大流量沖洗提供保證，加快了汽水品質(zhì)合格時間，也有利于縮短吹管工期。

3.2 防止超溫

因受臨時管材的限制，吹管過程中必須控制汽溫不超過管材的許用溫度，一般要求主蒸汽和再熱蒸汽溫度均在400℃～4 30℃，不得超過450℃。在穩(wěn)壓吹管過程中，投煤量可達(dá)90t/h～1 20t/h，且受補(bǔ)水能力限制，增加煤量速度較快。因此，防止汽溫或受熱面管壁溫度超限成為重點(diǎn)問題。尤其是再熱蒸汽及再熱器、再熱器出口的臨時管道更容易出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，這是因為吹管過程中過熱蒸汽未經(jīng)汽輪機(jī)做功，就直接進(jìn)入再熱器內(nèi)進(jìn)行二次受熱。同時，穩(wěn)壓吹管過程中，隨著給水流量的快速增加，而除氧器受輔助蒸汽限制，加熱能力有限，給水溫度會不斷降低，增加工質(zhì)的汽化潛熱，水冷壁的產(chǎn)汽率降低，也會造成汽溫和受熱面管壁溫度大幅上漲。表2給出了穩(wěn)壓吹管過程中主、再熱蒸汽溫度的變化。

表2 穩(wěn)壓吹管中主、再熱蒸汽溫度

所以，吹管前應(yīng)將過熱蒸汽和再熱蒸汽的減溫水管路沖洗干凈，以使其在吹管過程中可靠投入。因大流量穩(wěn)壓吹管常采用汽動給水泵補(bǔ)水，在泵的調(diào)整中應(yīng)密切監(jiān)視輔助蒸汽壓力，防止輔助蒸汽壓力低而影響汽動給水泵帶負(fù)荷，造成水煤比失調(diào)引起超溫事故。同時，必須通過有效的配風(fēng)、提高給水溫度在40℃以上、嚴(yán)格遵循鍋爐升溫升壓速度等方式控制汽溫在要求范圍內(nèi)。

3.3 切忌將給水由旁路切換至主路運(yùn)行

大流量穩(wěn)壓吹管過程中，給水流量已至40%以上，但切忌將給水由旁路切換至主路運(yùn)行。其原因，一是因為切換后主蒸汽減溫水差壓難以維持，會嚴(yán)重影響汽溫控制；二是因為吹管時機(jī)組背壓很低，如果切換至主路，易使給水泵偏離工作區(qū)，造成設(shè)備損壞。另外，在穩(wěn)壓吹管時分離器工作壓力為4.5 MPa～6 MPa，如切換至主路運(yùn)行，加上水冷壁、省煤器及給水管道的阻力，運(yùn)行的給水泵出口壓力可能僅為7MPa～8MPa，而在穩(wěn)壓管吹管過程中如此大的給水流量下，給水泵出口壓力至少應(yīng)在15 MPa以上。所以，在穩(wěn)壓吹管時，盡管給水流量很大，仍應(yīng)保持旁路運(yùn)行，利用給水調(diào)節(jié)門維持給水泵的出口壓力在工作區(qū)范圍內(nèi)。

3.4 是否應(yīng)轉(zhuǎn)入干態(tài)運(yùn)行

現(xiàn)在，超臨界直流鍋爐穩(wěn)壓吹管過程中常轉(zhuǎn)入干態(tài)運(yùn)行，并保持15℃～30℃的過熱度，這樣有利于增加蒸汽的比容和流速，進(jìn)而提高吹管系數(shù)。但也有超臨界直流鍋爐穩(wěn)壓吹管過程中未轉(zhuǎn)入干態(tài)，而一直在濕態(tài)工況下運(yùn)行的案例。這主要是考慮到在正常運(yùn)行中，分離器在工作壓力為9.5MPa～11.5 MPa進(jìn)行干、濕態(tài)切換，而在吹管過程中，分離器工作壓力僅為4.5MPa～6MPa，偏離設(shè)計曲線，工質(zhì)工作壓力過低，改變汽水特性，易造成受熱面管壁超溫，且轉(zhuǎn)入干態(tài)后，主(再熱)蒸汽溫度均有約10℃以上的上漲，不利于汽溫控制。因此，超臨界直流鍋爐穩(wěn)壓吹管過程中是否應(yīng)轉(zhuǎn)入干態(tài)運(yùn)行仍有待于研究。

此外，由于吹管是鍋爐首次帶負(fù)荷運(yùn)行，是否轉(zhuǎn)入干態(tài)運(yùn)行必須根據(jù)運(yùn)行人員的操作水平來決定。考慮到該電廠大部分運(yùn)行人員以前未接觸過同類型機(jī)組，所以在穩(wěn)壓吹管中未轉(zhuǎn)入干態(tài)運(yùn)行。

4 降壓吹管

降壓吹管是指鍋爐事先維持一個較高的吹管壓力，然后迅速全開臨沖門，利用降壓過程中鍋爐蓄熱閃蒸產(chǎn)生的大量蒸汽，實現(xiàn)對鍋爐受熱面短時間高速吹掃。

這種吹管方式的優(yōu)點(diǎn)在于：每次吹管過程中，吹管壓力溫度的急劇變化引起的熱沖擊和動力沖擊有利于受熱面管圈內(nèi)氧化皮的脫落，增加吹管效果；操作簡單，主要是開、閉臨沖門和保持鍋爐的分離器水位；每次吹管投煤量小、用水量少，不僅減少了運(yùn)行人員的操作范圍，也緩解了安裝單位的工作壓力。但降壓吹管過程中，不可避免地存在著壓力、溫度的劇烈變化，這會增大對鍋爐金屬的應(yīng)力沖擊，造成鍋爐壽命損耗；同時，因每次降壓吹管有效時間短，致使吹管總次數(shù)增多等。

電廠2臺600MW超臨界直流鍋爐在穩(wěn)壓吹管結(jié)束后，為給化學(xué)制水贏得時間，也采用了降壓吹管。這有利于受熱面管圈氧化皮的脫落，大大增加了吹管效果；但針對直流鍋爐的特點(diǎn)，在降壓吹管過程中維持省煤器入口流量和穩(wěn)定主(再熱)蒸汽溫度成為重點(diǎn)要關(guān)注的問題。

4.1 維持省煤器入口流量

在吹管過程中，為保證水冷壁有足夠的冷卻流量，省煤器入口流量必須超過600.2t/h(即本生流量)。這是因為：臨沖門開啟時，水冷壁內(nèi)的飽和水快速、大量汽化，鍋爐啟動系統(tǒng)的循環(huán)爐水亦隨著快速、大量減少；隨著臨沖門關(guān)閉、分離器工作壓力的快速上漲，對運(yùn)行的給水泵的出口流量瞬時有較大影響；直流鍋爐蓄熱小，每次降壓吹管維持時間僅不足3min，同時還要控制好分離器水位，避免頂棚過熱器進(jìn)水等原因造成省煤器入口流量波動劇烈，且操作量大、難度高。電廠2臺600MW超臨界直流鍋爐降壓吹管過程中多次發(fā)生省煤器入口流量低、鍋爐MFT和過熱器進(jìn)水造成的汽溫偏差事故。

因此，可在臨沖門開啟前，通過大氣擴(kuò)容器兩側(cè)的高水位調(diào)節(jié)閥控制分離器水位在4m左右，為水位調(diào)整帶來一定余量。當(dāng)臨沖門開啟后約75s，分離器工作壓力從5.5MPa降至4.0MPa，循環(huán)爐水流量快速下降，且分離器水位不斷上漲。此時一方面要迅速增加給水泵出力在350t/h～450t/h，確保省煤器入口流量在700t/h～780t/h，另一方面要迅速開啟高水位調(diào)節(jié)閥，盡量控制分離器水位可見。臨沖門關(guān)閉到位后約3s內(nèi)，分離器水位驟降，下降幅度在10m左右，也應(yīng)大量補(bǔ)水，維持省煤器入口流量穩(wěn)定，并迅速關(guān)小高水位調(diào)節(jié)閥，維持分離器水位。

4.2 穩(wěn)定主、再熱蒸汽溫度

相比穩(wěn)壓吹管，在降壓吹管過程中主、再熱蒸汽溫度均偏低，如表3所示。

表3 降壓吹管中主、再熱蒸汽溫度

分析原因主要是：(1) 直流鍋爐蓄熱小，不足以加熱降壓吹管中鍋爐產(chǎn)生的附加蒸汽量；(2) 分離器容積小，在補(bǔ)水時過熱器易進(jìn)水。尤其是在臨沖門開啟時，水冷壁內(nèi)工質(zhì)快速、大量汽化，而分離器不能充分進(jìn)行汽水分離，部分細(xì)小的水滴會進(jìn)入頂棚過熱器。

較低的主、再蒸汽溫度不僅降低蒸汽流速、大大減弱吹管效果，也需反復(fù)蒸干受熱面和臨時管道，進(jìn)而增加管材的應(yīng)力沖擊。而當(dāng)主、再蒸汽溫度過低時，受熱面和臨時管道內(nèi)積水增多，易發(fā)生水擊、振動等惡性事故。為穩(wěn)定蒸汽參數(shù)，必須關(guān)閉主、再熱蒸汽減溫水調(diào)節(jié)閥，同時控制好分離器水位，避免過熱器進(jìn)水。此外，選取合適的吹管時機(jī)也很重要：待分隔屏出口汽溫達(dá)到60℃以上的過熱度時，開啟臨沖門；而當(dāng)過熱器吹管系數(shù)已達(dá)至最大值并回落，且后屏出口汽溫開始降低時，關(guān)閉臨沖門，但是這樣會減少有效吹管時間。

每次降壓吹管有效時間很短，過熱器吹管系數(shù)在1.4以上時僅有7s～13s。隨著分離器工作壓力的快速下降，鍋爐循環(huán)爐水流量和爐水溫度也相應(yīng)降低，為保證爐水循環(huán)泵的凈吸入壓頭，必須大量補(bǔ)入溫度低的給水。所以每次降壓吹管時爐水循環(huán)泵出、入口管道管壁均有50℃以上溫差的急劇變化，管道振動較大。

5 結(jié)束語

目前，國內(nèi)超臨界直流鍋爐采用的蒸汽吹管方式不同，有穩(wěn)壓吹管、降壓吹管和穩(wěn)壓—降壓結(jié)合吹管。但無論采取哪種方式，都必須全面考慮可能出現(xiàn)的技術(shù)問題，選取合理的控制策略和操作方式，以確保鍋爐蒸汽吹管工作的安全、順利進(jìn)行。

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2009-12-26)