印度火電廠(chǎng)的主要熱力系統(tǒng)及主要設(shè)備

鄭赟

(廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州市，510663)

0 引言

目前，印度處于電力建設(shè)飛躍發(fā)展階段，在印度電力市場(chǎng)上中國(guó)設(shè)計(jì)和供貨的工程所占比例越來(lái)越大，因此充分了解印度電力工程建設(shè)環(huán)境以及印度規(guī)范與國(guó)內(nèi)規(guī)范的差別，對(duì)工程技術(shù)談判和設(shè)計(jì)具有重要的作用。由于印度電網(wǎng)建設(shè)滯后于火電廠(chǎng)，電網(wǎng)頻率經(jīng)常波動(dòng)甚至電網(wǎng)故障導(dǎo)致機(jī)組解列，再加上火電廠(chǎng)的施工安裝水平以及運(yùn)營(yíng)水平較為落后，主輔機(jī)的壽命往往受到影響，因此要求輔機(jī)選型留有較大裕量，或者系統(tǒng)設(shè)置要求多備用等［1-3］。

印度某火電廠(chǎng)為300MW亞臨界壓力、中間再熱、凝汽式燃煤機(jī)組，配置有最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continue rate，BMCR)為1 015 t/h 的自然循環(huán)汽包鍋爐，汽輪機(jī)調(diào)門(mén)全開(kāi)最大出力(valve wide open，VWO)為 966.825 t/h，并且裝配有 60%BMCR二級(jí)高低壓串聯(lián)旁路、3×50%電動(dòng)變速給水泵，給水回?zé)嵯到y(tǒng)采用“3高4低1除氧”。本文以印度某火電廠(chǎng)為例，分析印度火電廠(chǎng)的主要熱力系統(tǒng)及主要設(shè)備與國(guó)內(nèi)火電廠(chǎng)常規(guī)配置的差異。

1 熱力系統(tǒng)

1.1 主蒸汽及再熱蒸汽系統(tǒng)

印度某火電廠(chǎng)的主蒸汽及再熱蒸汽系統(tǒng)流程如圖1所示。

1.1.1 鍋爐最大出力特點(diǎn)

依據(jù)印度CEA設(shè)計(jì)導(dǎo)則要求，BMCR應(yīng)不小于1.02 VWO［4］。印方根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，要求本工程的BMCR為1.05 VWO。這是因?yàn)橛《然痣姀S(chǎng)的鍋爐，特別是小型機(jī)組鍋爐，除了對(duì)汽輪機(jī)發(fā)電提供蒸汽外，還在過(guò)熱器出口提供工業(yè)用蒸汽［5-6］。隨著機(jī)組容量的增加，以及發(fā)電成為燃煤機(jī)組的主要作用，鍋爐最大出力逐漸與汽機(jī)相匹配，因此2%以上的裕量不再經(jīng)濟(jì)也不合理。現(xiàn)在印度的600MW級(jí)以上燃煤火電機(jī)組的 BMCR已經(jīng)等于VWO，這在印度Seoni、Kawai和Duli等工程都得到印證。

1.1.2 汽輪機(jī)旁路

汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)配置有1臺(tái)高壓旁路閥和2臺(tái)低壓旁路閥，其容量為60%BMCR。這是因?yàn)橛《菴EA設(shè)計(jì)導(dǎo)則要求鍋爐的最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷為40%BMCR，并且要求機(jī)組設(shè)計(jì)具備機(jī)組快速甩負(fù)荷(fast cut back，F(xiàn)CB)的功能［7］。汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)除了滿(mǎn)足機(jī)組啟動(dòng)的功能外，在鍋爐過(guò)熱器出口2臺(tái)電磁泄放閥(排放量為23%BMCR)的協(xié)助下，機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)“帶廠(chǎng)用電”和“停機(jī)不停爐”這2種運(yùn)行工況。實(shí)際上，按照國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，30% ～45%BMCR(鍋爐最低穩(wěn)燃負(fù)荷再加上一定裕量)的汽輪機(jī)旁路即可滿(mǎn)足機(jī)組啟動(dòng)需求，由于我國(guó)電網(wǎng)穩(wěn)定性較印度高，因此國(guó)內(nèi)大部分的電站已經(jīng)不需要具備FCB功能［8］。

圖1 主蒸汽及再熱蒸汽系統(tǒng)流程Fig.1 Flow diagram of main and reheat steam system

1.1.3 鍋爐調(diào)試與啟動(dòng)

鍋爐過(guò)熱器出口設(shè)置1臺(tái)高溫高壓電動(dòng)關(guān)斷閥，其目的在于調(diào)試時(shí)用以作為鍋爐水壓試驗(yàn)隔離閥，并且在啟動(dòng)中用以實(shí)現(xiàn)“黑啟動(dòng)”方式。目前，印度電廠(chǎng)很多情況下并沒(méi)有設(shè)置啟動(dòng)鍋爐，導(dǎo)致沒(méi)有額外的輔助蒸汽源，只能通過(guò)鍋爐啟動(dòng)時(shí)候的緩慢“悶燒”，當(dāng)達(dá)到輔助蒸汽系統(tǒng)用戶(hù)端的參數(shù)時(shí)，隨即打開(kāi)此關(guān)斷閥，通過(guò)主蒸汽管道上接至輔助蒸汽的支路，向輔汽聯(lián)箱供汽。

1.1.4 再熱冷段和旁路閥出口管道材料

印方要求再熱冷段和低壓旁路出口管道采用無(wú)縫鋼管，并且選擇ASME A106鋼，由于制造工藝的原因，這種薄壁(低壓力等級(jí))大口徑管道成本較高，供貨周期也長(zhǎng)，并且剛度較差，在管道的運(yùn)輸和存放過(guò)程中需要增加內(nèi)撐桿，否則管道容易“塌陷”，管道橢圓度不能保證。經(jīng)過(guò)與印方多次談判，最終決定再熱冷段以及旁路閥出口管道采用國(guó)內(nèi)成熟的ASME A672B70CL32鋼。

1.2 給水系統(tǒng)

印度某電廠(chǎng)給水系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 給水系統(tǒng)流程Fig.2 Flow diagram of water supply system

1.2.1 除氧器、電動(dòng)給水泵和高壓加熱器

除氧器為有頭除氧器，運(yùn)轉(zhuǎn)層(12.6m)低位布置。合同要求水箱容量為從正常水位到最低水位，儲(chǔ)水量能滿(mǎn)足6 min的BMCR，同時(shí)定義正常水位不大于總水箱容量的2/3，最低水位不小于總水箱容量的1/4，按此要求水箱容量為297m3。而國(guó)內(nèi)規(guī)程要求從正常水位至出水口為5 min的BMCR，雖然大容量水箱可以防止機(jī)組FCB時(shí)水位降低過(guò)快，水容積快速減少而導(dǎo)致鍋爐給水泵汽蝕，但是在機(jī)組的變負(fù)荷滑壓運(yùn)行中，負(fù)荷調(diào)整速度過(guò)慢，影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)過(guò)多次談判協(xié)商，最終確定水箱容量為從正常水位至出水口6 min的BMCR，即265m3。實(shí)際上，因本工程考慮節(jié)省土建成本，除氧器運(yùn)轉(zhuǎn)層低位布置造成了印方對(duì)水箱容量的疑慮，因此在今后的印度工程中，參考國(guó)內(nèi)常規(guī)做法將除氧器布置在20m以上的除氧層，則大大增加了有效汽蝕裕量，此時(shí)可以按照國(guó)內(nèi)規(guī)程定義除氧器水箱容量。

電動(dòng)給水泵的設(shè)計(jì)壓力合同要求，按照1.03倍鍋爐最高安全閥整定壓力(等于鍋爐最高安全閥排放壓力)加上除氧器正常水位到鍋爐汽包正常水位的動(dòng)靜壓頭，此工況下的設(shè)計(jì)壓力為22.750 MPa。實(shí)際上，鍋爐汽包和過(guò)熱器配置了總排放量為107%BMCR的安全閥以及23%BMCR的電磁泄放閥，再加上60%BMCR的汽輪機(jī)旁路，鍋爐最高整定壓力的安全閥在機(jī)組FCB后并不可能起跳，因此此設(shè)計(jì)壓力依據(jù)并不合理，按照國(guó)內(nèi)規(guī)程［7］，選用BMCR工況下省煤器入口給水壓力計(jì)算設(shè)計(jì)壓力更為合理，其結(jié)果為20.752 MPa。

本工程合同還要求:給水泵出口的所有管道及加熱器設(shè)計(jì)壓力按照額定工況下給水泵關(guān)閉揚(yáng)程選擇，則設(shè)計(jì)壓力達(dá)到25.65 MPa。此外，合同還要求高壓加熱器換熱盤(pán)管采用無(wú)縫鋼管。對(duì)比國(guó)內(nèi)規(guī)程的要求，關(guān)斷閥后的管道和加熱器按泵在額定轉(zhuǎn)速及設(shè)計(jì)流量下泵提升壓力的1.1倍與泵進(jìn)水側(cè)壓力之和，此時(shí)的設(shè)計(jì)壓力僅約為23.12 MPa。因?yàn)殡x心泵采用閉泵起動(dòng)以防止電機(jī)過(guò)熱，而正常運(yùn)行切換時(shí)也是閉泵起動(dòng)，因此在任何情況下都不可能出現(xiàn)高壓加熱器處在零流量的給水泵關(guān)閉揚(yáng)程模式下運(yùn)行，因此在今后同類(lèi)型工程技術(shù)談判中應(yīng)堅(jiān)持按國(guó)內(nèi)工程執(zhí)行。由于電網(wǎng)頻率的不穩(wěn)定，印方還要求電動(dòng)給水泵滿(mǎn)足額定頻率(50 Hz)快速降至低頻率(47.5 Hz)運(yùn)行工況的要求［9］。

1.2.2 高壓加熱器小旁路系統(tǒng)

印方要求高壓加熱器采用小旁路給水系統(tǒng)，即每個(gè)加熱器前后及其各自旁路上共配置3臺(tái)高壓電動(dòng)隔離閥，而國(guó)內(nèi)常規(guī)工程給水系統(tǒng)采用高加大旁路，僅使用了1套高壓給水三通閥和1個(gè)高壓電動(dòng)隔離閥。相比之下，本工程雖然提高了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，但同時(shí)也提高了高壓閥門(mén)和管道的造價(jià)。實(shí)際上，印度的運(yùn)行情況較為惡劣，如印度某工程加熱器出現(xiàn)爆管等事故，因此高壓加熱器的小旁路給水系統(tǒng)設(shè)置還是合理的。

1.2.3 鍋爐水位調(diào)節(jié)閥站

印方要求配置2×100%+1×30%調(diào)節(jié)閥站對(duì)鍋爐水位進(jìn)行調(diào)節(jié)，還配套6臺(tái)高壓電動(dòng)隔離閥。實(shí)際運(yùn)行中，由于給水泵帶有液力耦合器，在30%負(fù)荷以上完全勝任變負(fù)荷滑壓運(yùn)行，并不需要調(diào)節(jié)閥站任何動(dòng)作，調(diào)節(jié)閥都為全開(kāi)，而在低負(fù)荷時(shí)，由于調(diào)節(jié)精度的原因，需要30%旁路調(diào)節(jié)閥協(xié)助調(diào)整負(fù)荷，因此2×100%的調(diào)節(jié)閥主路基本沒(méi)有作用，不僅大大增加了閥門(mén)投資，還增加了管路沿程阻力損失，提高了給水泵選型的設(shè)計(jì)揚(yáng)程和管路的設(shè)計(jì)壓力。由于種種原因，總包方最終同意按合同執(zhí)行。

1.2.4 高壓給水管道

由于高壓給水的設(shè)計(jì)壓力提高，管道壁厚選擇相應(yīng)增加。本工程選用進(jìn)口管材15NiCuMoNb5－6－4，其規(guī)格為φ355.6 mm×30 mm，而國(guó)內(nèi)常規(guī)同類(lèi)型工程選擇同樣材質(zhì)的φ355.6 mm×28 mm規(guī)格，相比之下印度工程增加了管道壁厚和質(zhì)量，這就大大增加了進(jìn)口管材投資。

此外，部分印度業(yè)主堅(jiān)持采用A106C材料，由于其許用應(yīng)力較低，管道壁厚將大大增加，這不利于高壓給水管道的應(yīng)力計(jì)算，甚至管材成本由于管道質(zhì)量的大幅度增加也高于進(jìn)口15NiCuMoNb5－6－4管道。例如印度某600MW亞臨界工程，主管道為A106C鋼φ559 mm×62.3 mm，而國(guó)內(nèi)同類(lèi)型工程則選擇15NiCuMoNb5－6－4鋼 φ457 mm×36 mm的管道。

2 主要設(shè)備

2.1 輔助蒸汽系統(tǒng)及二次風(fēng)機(jī)暖風(fēng)器

對(duì)比國(guó)內(nèi)輔助蒸汽系統(tǒng)，印度工程一般不設(shè)置啟動(dòng)鍋爐，因此沒(méi)有額外的輔助汽源，只能通過(guò)機(jī)組的“黑啟動(dòng)”提供。此外，印度CEA設(shè)計(jì)導(dǎo)則規(guī)定為了防止煙道中排煙溫度低于酸露點(diǎn)溫度，造成煙道腐蝕，建議設(shè)計(jì)提供暖風(fēng)器系統(tǒng)［4］，熱源為輔助蒸汽。這是因?yàn)殄仩t采用燃燒重油啟動(dòng)機(jī)組時(shí)含硫成分較高，容易產(chǎn)生酸腐蝕，或者二次冷風(fēng)因環(huán)境溫度較低時(shí)，當(dāng)其與煙氣換熱時(shí)容易使煙氣溫度低于酸露點(diǎn)，因此在這2種情況下都需要增加1套提高二次風(fēng)溫度的系統(tǒng)，但是以降低換熱效率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.2 凝汽器及真空泵

凝汽器及其抽真空系統(tǒng)是按HEI標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)［10］。對(duì)于凝汽器，其熱負(fù)荷除了滿(mǎn)足汽輪機(jī)最大出力工況總的排汽量外，還需要滿(mǎn)足汽輪機(jī)旁路在“廠(chǎng)用電”工況下的排汽量，同時(shí)保證在單邊(單側(cè)水箱)運(yùn)行時(shí)仍能維持60%汽機(jī)最大連續(xù)出力工況(turbine maximum continue rate，TMCR)出力。此外印方對(duì)盤(pán)管的選擇要求如表1所示。

表1 凝汽器的設(shè)計(jì)規(guī)范要求Tab.1 Design specification for condenser

真空泵為2×100%出力，在HEI標(biāo)準(zhǔn)的選型基礎(chǔ)上，要求保證2臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，25 min之內(nèi)達(dá)到額定真空。事實(shí)上，制造廠(chǎng)在理想狀況下是很難實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，而這個(gè)時(shí)間還關(guān)系到凝汽器的泄漏系數(shù)等因素。在HEI標(biāo)準(zhǔn)中僅要求凝汽器由1個(gè)大氣壓降至33.86 kPA的抽吸時(shí)間約為30 min，抽出所有的干空氣量［10］。

此外，印方堅(jiān)持真空泵的出力在滿(mǎn)足HEI標(biāo)準(zhǔn)和啟動(dòng)抽吸時(shí)間外留有10%裕量。而HEI標(biāo)準(zhǔn)選型列表中的干空氣量超過(guò)真空泵達(dá)到實(shí)際背壓時(shí)所抽吸的干空氣量的50%［3］，即HEI標(biāo)準(zhǔn)選型已經(jīng)考慮了100%額外裕量。按照印方的要求，真空泵的軸功率將加大，并不運(yùn)行在最高效率區(qū)中，同時(shí)背壓取決于循環(huán)水溫度，而不因真空泵出力的增加而降低背壓。由于電網(wǎng)頻率的不穩(wěn)定，印方還要求真空泵滿(mǎn)足額定頻率(50 Hz)快速降至低頻率(47.5 Hz)運(yùn)行工況的要求。

2.3 鍋爐5%啟動(dòng)旁路疏水

本工程鍋爐配置的鍋爐5%啟動(dòng)旁路疏水設(shè)計(jì)為疏至定排，這是因?yàn)槠啓C(jī)提供了不帶汽機(jī)旁路高壓缸啟動(dòng)、帶汽機(jī)旁路高中壓缸啟動(dòng)和帶汽機(jī)旁路中壓缸啟動(dòng)3種方式，而鍋爐5%旁路疏水系統(tǒng)用以加快高壓缸啟動(dòng)［1］。但從以往國(guó)內(nèi)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，高壓缸啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)并不經(jīng)濟(jì)，因此機(jī)組默認(rèn)選擇較經(jīng)濟(jì)并且操作較簡(jiǎn)單的高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)方式，此時(shí)鍋爐的5%旁路疏水運(yùn)行的機(jī)會(huì)不多，故其設(shè)計(jì)疏水至定排，不再設(shè)計(jì)去凝汽器的支路，從而節(jié)省了較長(zhǎng)的高壓管路設(shè)計(jì)。

2.4 管道應(yīng)力分析

由于印度大部分區(qū)域地處地震烈度較高的地方，因此本工程四大管道應(yīng)力分析時(shí)需要考慮地震偶然工況，計(jì)算時(shí)采用地震加速度法，地震分布按BIS1893－2005第4部分在3區(qū)，50年一遇超越概率10%的水平峰值加速度為0.16g。此外，印方還要求管道應(yīng)力考慮風(fēng)荷載偶然工況，計(jì)算時(shí)按印方提供的風(fēng)玫瑰概率圖和根據(jù)電站最高高度選取風(fēng)速值。

2.5 汽機(jī)房行車(chē)設(shè)計(jì)

印度CEA設(shè)計(jì)導(dǎo)則規(guī)定行車(chē)選型必須考慮起吊最重件額外增加10%裕量［4］，這里涉及到的最重件在印度工程中和國(guó)內(nèi)一樣都不指發(fā)電機(jī)定子。但對(duì)比國(guó)內(nèi)工程，其發(fā)電機(jī)定子安裝有2種方式，其中一種是通過(guò)汽機(jī)房行車(chē)采用臨時(shí)加固行車(chē)鋼梁進(jìn)行吊裝;而在印度，發(fā)電機(jī)定子是由專(zhuān)業(yè)安裝公司，在廠(chǎng)房A排外和汽輪機(jī)基礎(chǔ)上分別設(shè)置鋼柱，通過(guò)專(zhuān)用行車(chē)吊裝定子。因此印度工程中的行車(chē)設(shè)計(jì)僅考慮檢修最大起吊重量的部件即可，同時(shí)還需要土建專(zhuān)業(yè)對(duì)汽輪機(jī)基礎(chǔ)是否能承受臨時(shí)鋼柱的荷載進(jìn)行校核。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在汽水系統(tǒng)和主要設(shè)備選型設(shè)計(jì)方面對(duì)印度某工程與國(guó)內(nèi)做法進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析，找到印方技術(shù)要求的依據(jù)，結(jié)合國(guó)內(nèi)成熟的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，提出各系統(tǒng)選型更為合理的依據(jù)，為同類(lèi)型印度工程設(shè)計(jì)提供參考。

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