660MW超臨界直流鍋爐啟動系統方案的優化

宋礦偉，　賴　暉

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660MW超臨界直流鍋爐啟動系統方案的優化

宋礦偉，賴暉

上海電氣電站集團上海201199

在進一步追求安全和節能的要求下，綜合考慮超臨界直流鍋爐啟動系統采用鍋爐啟動循環泵、大氣式擴容器、361閥和背包疏水擴容器等設備的優缺點，對典型鍋爐啟動疏水系統進行設計優化，最終方案得到了實施驗證，節水節能效果非常明顯。

超臨界； 直流； 啟動疏水系統； 鍋爐啟動循環泵； 361閥； 節水

印度某6×660MW超臨界燃煤機組電站項目是印度目前最大的發電項目，業主是印度誠信公司，其動力島由上海某工程公司成套設計供貨。由于印度市場的特殊性和印度業主對安全性、便利性、節約用水等方面要求苛刻，在鍋爐啟動疏水系統設計過程中，通過優化設計，一方面滿足鍋爐啟動的靈活性要求，另一方面盡可能滿足節約用水的要求，經實際投運后證明，效果明顯，最終得到了業主的認可。

1　鍋爐啟動疏水系統介紹

啟動分離器系統根據疏水回收系統的不同，可分為擴容器式、循環泵式和不帶循環泵式三種[1]。

1.1上海鍋爐廠常規鍋爐啟動系統方案

上海鍋爐廠的設計方案中，大多采用有鍋爐啟動循環泵和大氣式擴容器的方案(如圖1所示)，滿足鍋爐清洗和啟動的要求[2]。系統運行的流程為： 給水系統來水到混合器，通過啟動循環泵進入省煤器；在省煤器和水冷壁加熱后，經汽水分離器進行汽水分離，蒸汽進入過熱系統，水經貯水箱(或連接球體)返回至混合器，與給水系統來水一起進入下一個循環；同時，從貯水箱出口引出一路至大氣式擴容器，此路一方面配合啟動循環泵、鍋爐給水泵等參與分離器貯水箱水位控制，另一方面滿足鍋爐清洗調節水質要求；大氣式擴容器降壓降溫之后，飽和水可以返回凝汽器回收工質，也可以直接排至循環水系統。

這種帶啟動循環泵的內置式啟動系統，在機組啟動初期疏水不合格時，通過水沖洗管路將疏水排入鍋爐疏水擴容器，再通過疏水泵排入系統外的水處理裝置(工業廢水處理系統)；在水質基本合格后，用循環泵將疏水打入水冷壁進行再循環，實現工質和熱量的回收。啟動流量通過鍋爐給水泵來調節。

在啟動循環泵投入運行時，貯水箱出口的飽和水主要通過循環泵直接進入鍋爐循環加熱，這種運行方式同時回收了工質和熱量，從而使鍋爐啟動時間縮短，同時也節約能源。另外，在鍋爐循環泵處在事故狀態時，貯水箱出口水通過大氣式擴容器回收至凝汽器，機組也可以實現無啟動循環泵的運行模式。

大氣式擴容器運行時會有大量工質直接排空，浪費很大，并且調試期間會造成鍋爐區域有大量的霧氣生成，影響環境。

圖1　啟動循環泵和大氣式擴容器方案

1.2361閥無循環泵的啟動系統方案

東方鍋爐廠大多采用361閥無循環泵啟動系統方案，即汽水分離器分離出來的水進入貯水箱，貯水箱出口水通過2個并聯的氣動調節閥，即361閥進入啟動疏水系統。由于該調節閥是有效控制貯水箱水位的主要手段，緊急情況下可實行快開快關，同時該閥門起到減壓的作用，因此對該閥門調節和快速反應等特性的要求非常高。在361閥后，系統分2路疏水，當水質不合格時，排往鍋爐疏水擴容器；當水質合格時，排往凝汽器回收工質。

361閥和疏水擴容器的方案能較好地解決回收工質的問題，但是汽水分離器分離的水直接排至凝汽器，無法回收該工質熱量，啟動過程中熱損失較大[3]。同時，由于閥后存在氣液兩相流問題，存在管路振動、噪聲增大等風險[4]。另外，工質進入凝汽器，會引起凝汽器背包式疏水擴容器超壓、凝結水溫升高等風險。

1.3系統方案分析及項目面臨的問題

該項目原則上采用上海鍋爐廠的建議方案[5]，在此基礎上進行進一步優化。鍋爐啟動系統主要是完成鍋爐啟動清洗(水沖洗)和鍋爐運行方式干濕態轉換的工作。對于上海鍋爐廠的典型方案，鍋爐啟動清洗主要有冷態開式清洗、冷態閉式清洗、熱態開式清洗和熱態閉式清洗。推薦清洗流量為25%～30%BMCR(鍋爐最大連續蒸發量)。開式清洗的流程是： 凝汽器→低加→除氧器→高加→啟動循環泵→省煤器→水冷壁→分離器→貯水箱→大氣式擴容器→地溝/循環水管。閉式清洗的流程是： 凝汽器→凝結水精處理→低加→除氧器→高加→啟動循環泵→省煤器→水冷壁→分離器→貯水箱→大氣式擴容器→凝汽器。

當停爐長于150h時，為了清理受熱面和給水管道系統中存在的雜物、沉積物和因腐蝕而生成的氧化鐵等，啟動前必須對管道系統和鍋爐本體進行冷態和熱態清洗。首先對鍋爐進行冷態開式清洗，一般清洗1次，約3h。當貯水箱出口水質Fe含量小于500μg/L、SiO2含量小于100μg/L時，啟動鍋爐疏水泵，投入凝結水精處理，改善水質，鍋爐進行冷態循環清洗。當貯水箱出口水質Fe含量小于100μg/L、SiO2含量小于50μg/L時，鍋爐冷態循環清洗結束。冷態循環清洗每天12h，共4～5d。然后鍋爐進入熱態清洗階段。鍋爐點火后，當水冷壁出口水溫達到150℃(或190℃)時，鍋爐開始進行熱態開式清洗。熱態開式清洗1次，約5h。當貯水箱出口水質Fe含量小于100μg/L、SiO2含量小于50μg/L時，進行熱態閉式循環清洗。熱態閉式循環清洗每天12h,共6～7d。

鍋爐沖洗過程中，在水質合格的時候，飽和水經大氣式擴容器，部分蒸汽直接排入大氣，工質有部分損失，按照120℃冷態清洗計算，損失約3.8%，在150℃熱態清洗時，損失約9.5%，而在190℃熱態清洗時，損失達到17.3%。根據鍋爐供貨商提供的沖洗要求及建議，一臺2000t/h的鍋爐在冷態啟動時的沖洗水損失約7000t。

在鍋爐和汽輪機啟動過程中，一般當過熱器出口壓力達8.4～8.9MPa時才開始沖轉，并且一直維持在該壓力下達到30%BMCR流量負荷，然后逐漸提高負荷至35%～40%BMCR，完成濕態運行模式向干態運行模式的轉換。在此運行過程中，貯水箱出口壓力約8.1MPa。啟動循環泵投入運行時，能夠很好地回收工質和能量，這正是循環泵的優勢所在。但是當無泵啟動時，8.1MPa的飽和水被大氣式疏水擴容器減壓到0.1MPa，蒸汽損失約40%。按照廠家推薦的啟動要求，啟動過程中水質損失約1000t。

綜上分析，大氣式疏水擴容器對工質的損失是巨大的，鍋爐補給水制水能力一直是鍋爐啟動的一個瓶頸，同時這些蒸汽進入大氣，造成鍋爐區域水霧現象非常嚴重。因此，如何在機組啟動過程中降低水質損失，已成為業主非常關注的一個問題。盡量滿足顧客需求也是上海電氣一直堅持的原則，為此，上海電氣組織設計院、供貨商等技術人員對鍋爐啟動疏水系統進行研究，并借鑒其它先進經驗，對啟動疏水系統進行了優化，并取得了很好的效果。

2　優化方案及分析

2.1優化系統的目的及方向

通過對原系統的研究，確認其工質損失主要是由于大氣疏水擴容器的工作原理所導致的，并且工質主要損失在熱態清洗過程中，因此方案優化的主要目標就是如何能夠盡量降低熱態清洗過程中的工質損失，兼顧保證無泵運行模式能夠安全運行。回收工質的主要解決方案就是把蒸汽引入凝汽器進行冷凝回收，因此，優化方案主要是采用361閥、節流閥和三級減溫減壓器等進行工質回收，即在傳統方案的基礎上對疏水系統進行優化。

2.2優化方案介紹

最終采用的優化方案如圖2所示。貯水箱疏水通過兩個361閥進行減溫減壓后進入疏水系統，控制閥后壓力在0.6MPa。在361閥后，采用φ426mm×55mm的加厚管道，兩條管路合并至一條母管內，該母管內的疏水一路至凝汽器出口的循環水回水管上，另一路至凝汽器進行工質回收。

(1) 至循環水的支管路。該支路在冷態開式清洗和熱態開式清洗時投用，其它情況下該支路處于關閉狀態，該支路采用φ426mm×13mm的管道，為方便操作和防止循環水倒灌，支路上依次設置了電動關斷閥、逆止閥和手動關斷閥，然后通過節流孔板，節流面積約50%，壓力進一步降低到0.2MPa左右，排入循環水管，同時對入口處循環水管采取了補強措施。

參照1.3中的介紹，清洗過程中最大工況為190℃下熱態清洗，清洗水量按640t/h考慮。此工況作為該支路的設計工況，在此工況下，疏水管路存在氣液兩相流，361閥后管道流速為15m/s，去循環水管前支路流速約30m/s，滿足規程要求。

(2) 至凝汽器支管路。另一路至凝汽器支管路上，采用兩個三級減溫減壓器排入凝汽器，在鍋爐冷態閉式清洗、熱態閉式清洗和不投用循環泵運行等工況下此路投入使用。三級減溫器前采用φ426mm×13mm的管道，在三級減溫減壓器上設置噴水。

參照鍋爐和汽輪機的啟動要求，鍋爐啟動后逐步增大燃燒率，建立過熱蒸汽流量，通過旁路控制壓力，維持主蒸汽壓力為8.5MPa，然后維持并調節過熱蒸汽溫度等，并開始沖轉。根據分析，該系統在主蒸汽壓力達到8.5MPa時，進入貯水箱的飽和水熱負荷達到最大，此時貯水箱出口壓力為8.1MPa，流量為514t/h。綜合熱態清洗工況和無泵啟動工況，壓力8.1MPa、流量514t/h這個工況更加惡劣，可作為支管路的設計工況。根據計算，361閥后流速最大約90m/s，進入三級減溫減壓器前管道流速約60m/s，滿足安全運行的要求。為了保證凝汽器運行，要求減溫減壓器出口蒸汽溫度低于80℃。減溫減壓器設計參數為： 汽側工作壓力0.6MPa，溫度158.8℃，流量2×257t/h；噴水工作壓力2.0MPa，設計溫度50℃，流量80t/h。

圖2　優化后的節水方案

3　結論

根據優化方案所建議的系統方案，啟動初期水質不合格排至循環水回水管路，水質合格后通過減溫減壓器排至凝汽器，熱量和工質全部回收，解決了大氣式擴容器排放及熱量損失問題。這一系統方案在印度項目的多臺機組上已實施，機組在多次啟動過程中安全平穩，沒有發生異?，F象，回收工質節水效果非常明顯。另外，這一方案對熱量進行回收，縮短了鍋爐啟動時間，同時也節約啟動期間的煤耗。這一優化設計方案同時得到了鍋爐廠的認同和印方業主的贊賞，可以在類似項目，特別是缺水地區機組中推廣。

[1] 朱全利.國產600MW超臨界火力發電機組技術叢書： 鍋爐設備及系統[M].北京： 中國電力出版社，2006.

[2] 劉剛，周忠濤，黃輝，等.蒲圻電廠1000MW超超臨界機組鍋爐啟動系統調試與運行實踐[J].上海電氣技術，2015，8(3)： 52-55，57.

[3] 王軍，李彥臻，王碩，等．超臨界直流鍋爐啟動系統特點及經濟性分析[J]．華北電力技術，2008(5)： 1-3.

[4] 曠仲和.600MW超臨界機組鍋爐汽水分離器啟動疏水回收的解決方案[J].中國電力，2006，39(8)： 33-36.

[5] 上海鍋爐廠有限公司.SG-1910/25.4-M951型超臨界壓力直流鍋爐使用說明書[Z].

In the case of further pursuit of safety and energy, a design optimization for typical draining system for startup of the boilers was completed in comprehensive consideration of the pros and cons of the equipment such as the adoption of startup circulating pump in the startup system of supercritical monotube boiler, atmospheric flasher, 361 valve & backpack drainage etc. The final plan is implemented and the result shows significant water-saving & energy-saving performances.

Supercritical; Monotube; Startup Draining Sytem; Startup Circulating Pump for Boiler; 361 Valve; Water-saving

2015年11月

宋礦偉(1981—)，男，本科，工程師，主要從事電站項目開發的技術管理工作、電廠節能高效方向的研究工作，

E-mail: songkw@shanghai-electric.com

TK229.5+4

A

1674-540X(2016)01-005-04