100%旁路系統用于350 MW超臨界機組鍋爐直接供熱可行性分析

徐 進

(大唐保定熱電廠，河北 保定 071051)

2017-02-27

徐 進(1988-)，男，工程師，主要從事火力發電廠汽輪機設備管理工作。

100%旁路系統用于350 MW超臨界機組鍋爐直接供熱可行性分析

徐 進

(大唐保定熱電廠，河北 保定 071051)

介紹 100%旁路系統進行鍋爐直接供熱的具體方案，從供熱量和系統布置上與傳統容量旁路進行比較，論證了100%旁路系統在鍋爐直接供熱中發揮的作用。從損失電量和增加供熱量2個方面對鍋爐直接供熱方案的經濟性進行了比較，認為100%流量旁路比傳統旁路能夠提供更大的供熱量，對保證供熱可靠性具有重大的意義。

旁路系統；超臨界機組；鍋爐直接供熱；可行性分析

1 概述

保障供熱安全是供熱工作的重中之重。因此，當機組發生非爐側系統故障時，如何利用鍋爐直接對外供熱成為供熱工作的重點研究方向。旁路系統作為汽輪機組的重要組成部分，可將鍋爐產生的蒸汽不經汽輪機而直接引入再熱器或凝汽器，從而較快的提高新蒸汽與再熱蒸汽的溫度，改善啟動條件，加快機組啟動速度。汽輪機旁路系統為實現鍋爐直接供熱提供了可能。

2 利用100%旁路系統進行鍋爐直接供熱的具體方案

供暖期發生一臺機組完全退出運行的情況時，另一臺機組按照停機不停爐方式繼續對外供熱。需對原有旁路進行擴容，增加高壓旁路出口至高壓除氧器管路及相應閥門作為高壓除氧器工作汽源，增加熱網疏水至低壓旁路減溫水管道，在低壓旁路出口增加低壓旁路至熱網聯通管道將蒸汽輸送給熱網加熱器，對外供熱，如圖1所示。

圖1 鍋爐直接供熱系統流程示意

運行期間，汽輪機組的高中壓主蒸汽門及調節汽門均關閉，高旁閥、低旁閥打開，低旁至凝汽器閥門關閉。被鍋爐加熱后的主蒸汽通過高壓旁路進入再熱器進行加熱，再熱蒸汽通過低壓旁路經過減溫減壓后達到供暖抽汽的參數，進入熱網加熱器換熱，熱網加熱器疏水通過除氧器后，經給水泵加壓，最后返回鍋爐加熱完成循環。通過這種方式可以在汽輪機停運的情況下直接使用鍋爐產生蒸汽對外供熱。

3 傳統旁路與100%旁路系統布置區別

3.1 給水泵配置

根據鍋爐直接供熱的運行條件，當機組發生故障時抽汽系統停運，蒸汽通過旁路系統直接向外部供熱，對于給水泵采用汽動形式的機組，小汽輪機將不能工作。為了維持給水系統運行，采用汽動給水泵的機組需增加電動給水泵作為鍋爐直接供熱時的主給水泵使用，且給水泵容量應與旁路容量相同。

由于鍋爐直接供熱期間凝結水系統停運，為保證供熱期間給水泵正常運行，電動給水泵應選擇機械密封形式。機械密封長時間工作會因為動靜摩擦產生高溫導致液體膜汽化，失去密封效果。所以采用機械密封的鍋爐給水泵必須同時配置輔助冷卻系統。

3.2 凝結水精處理及減溫裝置

目前350 MW超臨界機組鍋爐均采用直流爐，其對給水質量要求很高。由于鍋爐直接供熱情況下凝結水系統停運，蒸汽經過減溫減壓達到采暖抽汽參數0.4 MPa，250 ℃后直接通過熱網加熱器與熱網循環水換熱，使熱網循環水溫達到110 ℃，根據換熱熱量衡算式：

WkCpk(T1-T2)=WCCpc(t2-t1)

式中：Wk為熱流體流量，kg/h；WC為冷流體流量，kg/h；Cpk為熱流體比熱容，kJ/(kg·℃);Cpc為冷流體比熱容，kJ/(kg·℃);T1為采暖蒸汽入口溫度，℃；T2為熱網疏水溫度，℃；t1為熱網循環水回水溫度，℃；t2為熱網循環水供水溫度，℃。

以某350 MW超臨界機組為例，100%容量旁路下蒸汽流量Wk取1 100 t/h，入口溫度T1為250 ℃，熱網循環水流量WC取9 000 t/h，進出口溫度t1、t2分別為50 ℃,110 ℃，水和蒸汽的比熱容CpC，Cpk分別取4.2 kJ/(kg·℃)和2.1 kJ/(kg·℃)，帶入上式可得出熱網疏水溫度T2為150 ℃。陰陽離子交換樹脂所能承受的最高溫度為120 ℃，隨著溫度升高陰離子交換樹脂會發生降解反應，部分強堿基變為弱堿基團，部分脫落，因此交換容量和堿性往往同時降低[1]，最終導致交換容量相對損失率增加。

所以為保證直接供熱期間鍋爐的正常運行，在熱網疏水泵出口必須同步加裝精處理裝置和疏水減溫裝置。

3.3 旁路系統材質

鍋爐直接供熱情況下，旁路系統中蒸汽流量與參數接近主蒸汽，為保證安全穩定運行需提高旁路系統閥門和減溫減壓器等部件材質,旁路出口及再熱冷段管道材質應按照主蒸汽參數設計。

以某350 MW超臨界機組為例，其主蒸汽參數為24.6 MPa，569 ℃，再熱冷段蒸汽參數為3.8 MPa，310 ℃，高壓旁路入口管路材質為A335P91，高壓旁路出口及再熱蒸汽冷段管路材質為A672B70CL32。機組采取鍋爐直接供熱方式運行時高壓旁路及再熱冷段管路中蒸汽的參數接近主蒸汽，適用于427 ℃以下的A672B70CL32材質將不能使用[2]。

3.4 旁路后溫度測點與閥門提升力

現在設計中為實現節省空間的目的，在建設中普遍將旁路系統布置在汽輪機運轉層以下。運轉層以下空間比較狹小，加之100%容量旁路通流面積增大，導致旁路管道的長度受限，減溫水噴口與測溫點位置間距過短，減溫水與蒸汽不能充分混合，使得旁路后溫度測量出現誤差而不能準確控制蒸汽溫度，這樣不僅增長了機組啟動時間，而且會降低系統的自動化程度。實際表明，即使旁路后管道長度相對管徑達3～5倍也不能保證測溫的準確性。為提高溫度測量的準確性，有電廠采取加大減溫水噴口與測溫點的間距，使得管路長度增大，最終旁路系統不得不設置到運轉層以上[3]。

100%容量旁路相比40%容量旁路通流面積增大，所使用的閥門口徑也會相應增大。熱態運行時閥門部件受到熱膨脹的影響，開啟速度一般會比冷態調試狀態下緩慢，實際操作過程中甚至會發生旁路系統超壓的情況，影響機組安全運行。考慮鍋爐直接供熱的電廠應依據主蒸汽參數選擇旁路系統閥門，應考慮嚴密性以及熱態下的提升力，保證其與減溫水調整門的開度配合，防止旁路后超溫導致機組掉閘。

3.5 鍋爐運行穩定性

鍋爐正常運行在75%～85%負荷時為經濟負荷，在該負荷區域內鍋爐效率最高，超過經濟負荷時，鍋爐效率將隨著負荷的升高而降低。低負荷運行時，爐內熱流量峰值偏向爐膛底部，因為低負荷時只有底層燃燒器投入運行，且鍋爐需要的燃料量少，不足以維持爐膛溫度，產生的煙氣被快速冷卻[4]。

直接供熱期間鍋爐需投入上層燃燒器進行穩燃，必要時還需投油運行，使得流量峰值向爐膛上部移動。燃燒產生的大量熱量加劇了煙氣的擾動，加速了尾部煙道受熱面的磨損。高負荷運行時煙氣中夾雜的顆粒物攜帶了大量的動能，高速沖擊管壁也會加速鍋爐受熱面的磨損，增大了鍋爐爆管的風險。長時間高負荷運行會造成鍋爐效率低下，影響鍋爐的使用壽命。

4 2種旁路容量下的鍋爐供熱量對比

現有機組旁路系統容量多為30%～40%，在不進行擴容改造的基礎上也可滿足鍋爐直接供熱的要求，但與采用100%旁路系統不同的是，常規容量旁路系統只能滿足當機組發生汽輪機側故障時的鍋爐直供方式。

以350 MW超臨界機組為例，當機組發生機側故障導致汽輪機停運，鍋爐單獨運行時，全廠采取1臺機組正常運行、1臺機組鍋爐直接供熱，機組旁路容量按照40%考慮，額定采暖抽汽380 t/h，熱源點的熱化系數取0.75，此時全廠2臺機組可提供供熱量615 MW(見表1),占2臺機組同時正常運行供熱量的107%。

表1 不同運行方式下全廠供熱量對比

方案1方案2方案3方案4機組情況2臺機組額定抽汽工況運行2臺機組最大抽汽工況運行1臺機組額定抽汽運行,1臺機組40%容量旁路鍋爐直供1臺機組停運,另1臺機組100%旁路鍋爐直供運行供熱量/MW570645615825

采用40%容量旁路的機組進行鍋爐直接供熱改造存在的問題與100%容量機組類似，另外還應考慮增加除氧器汽源。由于蒸汽通過旁路對外供熱，抽汽系統停運，原本利用三段抽汽作為汽源的高壓除氧器將不能正常工作。為此需要從臨機輔汽引來一路蒸汽提供給高壓除氧器，以維持其除氧功能。

5 鍋爐直接供熱方案論證

5.1 供熱可靠性

根據表1所示，無論采取方案3和方案4均能保證供熱量,即使在機組按照最大抽汽工況下運行時最低也能滿足95%的供熱量，能夠完全滿足《大中型火力發電廠設計規范》中規定的當1臺容量最大的蒸汽鍋爐停用時，其余鍋爐應滿足冬季供暖、通風的生活用熱量的60%～75%的要求，采用鍋爐直接供熱方式運行可以保障供熱可靠性。

5.2 經濟性

由于機組采用鍋爐直接供熱方式運行時蒸汽將全部輸送給外部供熱，抽汽系統將停止運行，為此三段抽汽也將停止供給工業用汽。根據350 MW超臨界機組的設計工業抽汽量，每臺機組按照額定抽汽量120 t/h計算。當機組采取鍋爐直接供熱運行時，全廠工業抽汽流量為0，工業抽汽損失量較大，見表2。

表2 不同運行方式下工業抽汽與采暖抽汽總量對比

方案1方案2方案3方案4機組情況2臺機組額定抽汽工況運行2臺機組最大抽汽工況運行1臺機組額定抽汽運行,1臺機組40%容量旁路鍋爐直供1臺機組停運,另1臺機組100%旁路鍋爐直供運行工業抽汽量/(t·h-1)2403401200采暖抽汽量/(t·h-1)7608608201100

鍋爐直接供熱的經濟性應從供暖期發電量和供熱量2個方面去考慮，根據熱化發電量公式:

Wc=Qc×(i0-ic)/[(ic-tc)×3 600]

式中：Wc為抽汽供熱氣流的發電量，kWh；Qc為總供熱量，kJ;i0為新蒸汽焓，kJ/kg;ic為抽汽焓，kJ/kg;tc為供熱回水焓，kJ/kg。

以某350 MW超臨界機組為例，利用表2數據計算各個方案下的供熱經濟性。Qc按照2.5 GJ/(t·h-1)，分別以工業抽汽和采暖抽汽計算供熱量，新蒸汽焓3 398 kJ/kg，工業抽汽焓3 161 kJ/kg，采暖抽汽焓2 970 kJ/kg，50 ℃水的焓tc取209 kJ/kg，電價0.5元/kWh，熱價48元/GJ。代入上式得出各方案下的收益，見表3。

表3 不同運行方式下的經濟性對比

項目方案1方案2方案3方案4機組情況2臺機組額定抽汽工況運行2臺機組最大抽汽工況運行1臺機組額定抽汽運行,1臺機組40%容量旁路鍋爐直供1臺機組停運,另1臺機組100%旁路鍋爐直供運行發電收益/(萬元·h-1)30.229.415.10供熱收益/(萬元·h-1)1214.411.313.2總計/(萬元·h-1)42.243.826.313.2

從表3中可以看出鍋爐直供方式雖然能夠產生較多的采暖抽汽量，但綜合損失的電量考慮得出該方式運行下的經濟性比正常運行時低很多,另外直供運行方式下鍋爐需要投入多只油槍穩燃，消耗的燃油量使得鍋爐直供經濟性更低。同時看到100%容量旁路相比傳統旁路能夠產生更多的供熱量，若按熱化系數0.75、綜合熱指標45 W/m2計算，采用100%容量旁路可多增加供熱面積467 萬m2。

6 結論及建議

a. 鍋爐直接供熱方式在經濟性方面不如正常供熱，但可以用于當機組發生特殊情況時保證供熱量的應急措施。

b. 相比傳統旁路，采用100%容量旁路進行鍋爐直接供熱后機組增加的采暖抽汽量可觀，能保證很高的供熱量，對于嚴寒地區或對供暖要求嚴格的地區發生機組故障停運時是很好的解決辦法。

c. 鍋爐直接供熱雖然能帶來較大的采暖蒸汽收益，但也要充分認識到100%容量旁路系統存在的問題及不確定性。由于100%旁路應用業績很少，實際運行中的自動化程度、系統安全性及部件穩定性仍有待論證。

[1] 范云鴿,肖國林.耐高溫強堿陰離子交換樹脂研究進展[J].離子交換與吸附，2005,21(4);376-384.

[2] 謝尉揚.超超臨界汽輪機冷段再熱蒸汽管道材質選擇[J].中國電力,2011,44(6);26-30.

[3] 司派友.100%流量旁路系統在聯合循環機組中的作用[J].中國電力,2016,49(1);59-64.

[4] 劉福國,李建生,崔福興,等.鍋爐變負荷運行時的爐膛熱流量分布[J].燃燒科學與技術,2013,19(1);89-95.

Feasibility Study of 100% Capacity By-pass System in 350 MW Supercritical Unit with Heating Supply of Boiler

Xu Jin

(Datang Baoding Cogeneration Power Plant,Baoding 071051,China)

This paper makes a discussion for the application and practicability of 100% by-pass system in 350 MW supercritical unit,compares it with the traditional by-pass system in heating capacity and design,analyzes the effect of 100% by-pass system in heating supply,also the potential problems and solutions in practical level,compares the economical performance of the heating supply from the loss of electricity and the increase of heating,Through the analysis,finds that 100% by-pass system can bring a higher quantity of heat than traditional system,it shows that 100% by-pass system have a great significance to ensure the heating supply.

by-pass system;supercritical unit;heating supply of bolier;feasibility study

TK22

B

1001-9898(2017)05-0024-04

本文責任編輯：羅曉曉