百萬機組鍋爐冷態啟動節能降耗優化

張健

摘 要：百萬機組鍋爐冷態啟動時間長、耗能高，通過深入分析影響機組啟動能耗的主要因素，對啟動前的準備和啟動過程進行優化，通過鍋爐上水前的給水溫度、提高冷態清洗標準、合理選擇汽輪機沖轉參數以及單側送、引風機運行等優化，顯著降低了鍋爐啟動油耗、煤耗和電耗，節省啟動費用，提高鍋爐啟動的經濟性，同時，縮短機組啟動時間，為百萬機組參與調峰運行創造有利條件。

關鍵詞：優化 啟動能耗 經濟性 啟動時間

中圖分類號：TK223.26 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（b）-0014-04

過去，我國電力工業高速發展，在裝機容量快速增長的同時，單機容量也轉向大型化，百萬機組已成為電網的主力機組。近年來，清潔能源裝機容量增幅較快，如某省截止2018年6月風電裝機581.89萬kW；光伏裝機容量729.5萬kW，總計1311.39萬kW，占省裝機總容量的12.29%，10年來年平均增長達50%以上。

現在，隨著經濟保持低速增長態勢，同時，外受電嚴重擠壓省內火電市場，發電平均利用小時降低，根據省調節能調度細則，百萬機組調停將常態化。如某省到2018年6月底，全省發電累計平均用時2039h，同比下降225h。2017年我公司2臺百萬機組參與調峰調停6次，不得不重視機組啟動成本，因此，實現機組快速啟動、降低啟動能耗、提高電廠經濟性具有重要意義。

1 機組概況

某公司2×1000MW機組的鍋爐為超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，一次再熱、單爐膛單切圓燃燒、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構塔式布置。鍋爐型號：SG3099/27.46-M545，蒸汽參數：27.46MPa（a）；605℃/603℃，由上海鍋爐廠有限公司引進Alstom-Power公司技術生產。

鍋爐配備6臺正壓直吹式中速磨煤機，機組滿負荷時5臺磨煤機運行，1臺備用。磨煤機出口的4根煤粉管道在燃燒器前通過一個1分2的分配器，分成8根煤粉管道，分別進入四角燃燒器相鄰的2層煤粉噴嘴中，在相鄰2層煤粉噴嘴之間的二次風內布置有1層油槍，每層4只，6層共24只，單只油槍設計出力2t/h。微油點火燃燒器安裝在鍋爐燃燒器由下至上的第二層磨對應的煤粉噴嘴中，8只/臺爐，單只微油槍出力0.25t/h。

鍋爐風煙系統采用雙側布置，每側各配備一臺軸流式動調風機。鍋爐主要技術參數如表1所示。

2 鍋爐冷態啟動中存在的主要問題

鍋爐冷態啟動中存在的主要問題是啟動時間長，油耗、煤耗和電耗高。

2.1 給水溫度偏低，啟動煤耗增加

根據物理學公式

Q=cm△t （1）

其中，Q為吸熱量，J；

C為比熱容，J/kg·℃，水的比熱容為4200J/kg·℃；

m為質量，kg，鍋爐啟動容積中水的質量為379000kg；

△t為變化的溫度，℃。

水升高1℃需吸收熱量：

Q=cm△t=4200×379000×1=1591800000（J）

增加標煤耗煤量：

m=Q/ψQnet.ar=1591800000/0.15×29310=362060g≈ 0.36（t）

其中，ψ為水冷壁熱有效系數，鍋爐啟動階段取0.15。

鍋爐冷態啟動至并網階段每小時約換水1次，給水溫度降低1℃，每小時標煤耗增加約0.36t。

2.2 冷態清洗標準低，延誤汽輪機沖轉，延長機組啟動時間，增加啟動能耗

超（超）臨界直流鍋爐在首次點火或停爐時間大于150h以上時，為了清理受熱面和給水管道系統均存在雜物、沉積物和因腐蝕生成的氧化鐵等，鍋爐點火前必須對管道系統和鍋爐本體進行冷態清洗。清洗范圍包括給水管路、省煤器、水冷壁、汽水分離器、啟動系統連接管路等。

鍋爐廠規定，啟動分離器儲水箱出口水質Fe含量小于100?g/L、SiO2含量小于50?g/L時，鍋爐冷態清洗結束。實踐經驗證明，若Fe含量略小于100?g/L或SiO2含量略小于50?g/L時就結束冷態清洗，可能因蒸汽品質不合格導致汽輪機沖轉不滿足要求而增加熱態清洗時間，延誤汽輪機沖轉，延長機組啟動時間，增加啟動能耗。

如2017年5月30日某廠鍋爐冷態啟動過程中，Fe含量95?g/L或SiO2含量略小于48?g/L時就結束冷態清洗，9：00蒸汽運行參數滿足沖轉要求，但SiO2含量大于30?g/L，熱態清洗被迫延長2.5h。

2.3 汽輪機沖轉和低速暖機蒸汽流量偏高，增加鍋爐啟動時間和能耗

機組冷態啟動，汽輪機沖轉參數為主蒸汽壓力8.5MPa，再熱蒸汽壓力2.5MPa，主蒸汽溫度約400℃，再熱蒸汽溫度約400℃。當蒸汽流量達到550t/h時，維持主、再熱蒸汽壓力和溫度不變，繼續增加煤量到120t/h，對應的蒸汽流量950t/h，汽輪機沖轉至360rpm，低速暖機，并維持參數直至低速暖機結束，時間長且煤量高，特別在低速暖機階段，始終保持120t/h的高煤量，大大增加鍋爐啟動能耗。

2.4 雙側風機運行，偏離高效區，電耗高

某廠百萬大型火力發電機組為了保證運行的可靠性及安全性，采用在機組點火前即投入風煙系統雙側風機運行，在設計期間，軸流式動調送、引風機的風量和壓力均留有一定的裕量，如表2所示，鍋爐點火至并網前，鍋爐需要風量較小，雙側風機都偏離了風機高效區運行（一般風機高效運行區在80%額定工況），風機運行效率降低，風機電耗高。

3 鍋爐啟動方案優化

3.1 合理選擇給水溫度，降低煤耗

鍋爐冷態啟動，上水溫度越高越節能，但考慮到鍋爐省煤器、水冷壁及其連接管道金屬應力，鍋爐上水與金屬溫度的溫差不許超過111℃，一般采取鍋爐上水溫度為105℃～120℃，所以，鍋爐進水前除氧器須加熱，提高給水溫度到120℃左右。鍋爐點火后，隨著熱負荷增加，金屬溫度逐步上升，可以逐漸提高除氧器水溫，進一步降低鍋爐啟動煤耗。

鍋爐冷態啟動至并網階段每小時補水量約400t/h，按照6h、給水溫度平均提高10℃計算，節約標煤約21.6t。

3.2 提高冷態清洗標準，保證蒸汽品質合格

汽機沖轉的蒸汽品質中[1]，氫導率和Fe含量較易達到要求（氫導率≤0.5μs/㎝，Fe含量≤50?g/L），SiO2含量較難達到要求，因此，鍋爐冷態清洗重點是降低SiO2含量，避免高溫蒸汽攜帶大量的硅在汽輪機內因溫度降低而析出，沉積于汽輪機中低壓缸部位的葉片上，增大軸向推力，危及汽輪機安全。

首先，嚴控鍋爐進水水質，加強除氧器清洗，保證除氧器出口水質即鍋爐上水含鐵量<50?g/L，SiO2含量小于30?g/L，為鍋爐冷態清洗創造有利條件。

鍋爐上水前，開啟水冷壁、省煤器、分離器各排氣門，以10%BMCR（304t/h）左右小流量上水，便于趕盡管道中存留的氣體，待水從水冷壁、省煤器、分離器各排氣門連續出水后關閉相應的排氣門，確保清洗系統完全充滿水，使鍋爐水系統得到完全清洗。

鍋爐上水過程中，給水管路、省煤器、水冷壁、汽水分離器、啟動系統連接管路等均存在雜物、沉積物和因腐蝕生成的氧化鐵等，鍋爐水系統的Fe和SiO2含量必然升高。

鍋爐冷態清洗標準按照遠遠低于廠家規定執行，當啟動分離器儲水箱出口水質Fe含量小于100?g/L、SiO2含量小于50?g/L，滿足鍋爐廠規定時，繼續進行冷態循環清洗，直至Fe含量小于50?g/L且SiO2含量小于20?g/L時再結束冷態清洗，這樣，進入熱態清洗前的水質中SiO2含量小，可以縮短熱態清洗時間。

熱態清洗時煤量約40～45t/h，熱態清洗時間縮短1h，可以節約煤量40～45t/h。某廠優化冷態清洗方案后，鍋爐熱態清洗時間約0.5h，比以前減少2h，節約煤量約85t，折合標煤約60t，同時，節約助燃油10t左右，不僅降低鍋爐啟動時間，而且降低鍋爐啟動能耗。

3.3 優化汽輪機沖轉參數

優化前機組冷態啟動，從鍋爐點火到過熱蒸汽流量950t/h，對應煤量120t/h，汽輪機開始沖轉至360rpm低速暖機，大約需要8h。優化后，蒸汽流量550～600t/h，對應的煤量約75t/h，通過高旁開度和主、再熱蒸汽減溫水量控制主蒸汽壓力8.5MPa，再熱蒸汽壓力2.5MPa，主蒸汽溫度400℃，再熱蒸汽溫度400℃，汽輪機沖轉至低速暖機360rpm，大約需要6.5h，節約1.5h。在汽輪機低速暖機期間，維持主、再熱蒸汽壓力和溫度不變，逐漸增加煤量到120t/h，蒸汽流量隨之增加到950t/h，以滿足汽輪機沖轉至3000rpm要求，因此，不僅縮短了鍋爐啟動時間，煤耗、油耗和電耗也相應降低。

3.3.1 節約煤量

按照汽輪機低速暖機4h計算，煤量從75t/h到汽輪機3000rpm，優化前需要5.5h，耗原煤量為（75+120）÷2× 1.5+120×4=626噸，優化后需要4h，耗原煤量為（75+120）÷ 2×4=390t，節約原煤236t，折合標煤168t（原煤低位發熱量Qnet.ar=20958kJ/kg）。

3.3.2 節約油量

投運微油助燃，出力為2t/h，1.5h共節約3t。

3.2.3 節約電量

鍋爐啟動初期，綜合考慮鍋爐最小風量和煤粉燃燒需求，總風量約1450t/h，引、送、一次風機每小時耗電量約3500kWh，1.5h共節約5250kWh。

3.4 單側風機啟動

當前的火電市場持續低迷，機組頻繁調停已成常態，6kV的送、引風機是電耗大戶，為了挖掘鍋爐啟動期間節能 潛力，降低輔機啟動電耗，開展了1000MW機組單側送、引風機運行可行性分析和對標，主要對比單、雙側風機運行的有關參數和耗電量，評估單側送、引風機運行時的經濟性[2，3]。

軸流式動調送、引風機性能曲線等效線類似于橢圓，鍋爐總風量1450～1500t/h時，雙側送、引風機運行效率分別約44%、55%，單側送、引風機運行效率分別約55%、60%，隨著風量升高，系統漏風量增加，單側風機運行時，風煙道仍需兩側運行，系統阻力增加，為維持穩定燃燒需求，風量高于兩側風機運行時的風量，單側通風量增加，造成單側風機運行時風機出力增大。

據統計，鍋爐風量1450t/h，單側風機運行比雙側風機運行，每小時節約電量300kWh；隨著鍋爐風量增加，小時節約電量逐漸減少；鍋爐風量1550t/h，小時節約電量趨于0；鍋爐風量1600t/h以上，小時節約電量為負數，不節能，因此，鍋爐風量1450t/h節電量最大（見圖3）。

根據以上分析和統計，鍋爐冷態啟動初期，從點火至并網前，采取單側送、引風機運行，鍋爐風量維持1450t/h，考慮并列風機風險較大，避免鍋爐MFT造成機組Ⅰ類障礙，在機組并網前1h并列風機，因此，鍋爐冷態啟動過程中，單側送、引風機運行節約電量6.5×300=1950kWh。

4 結語

實踐證明，優化方案十分可行，同時，具有可操作性，經過優化，縮短鍋爐冷態啟動時間1.5h，節約標煤249t、助燃油13t、電量7200kWh。

從百萬機組鍋爐冷態啟動優化結果來看，具有十分可觀的節能潛力，只要提前優化好鍋爐冷態啟動的每一個環節，按照優化方案執行就可以縮短機組啟動時間，降低鍋爐啟動能耗并實現機組快速啟動。

參考文獻

[1] 王金枝，程新華.電廠鍋爐原理[M].3版，北京：中國電力出版社，2014：309-334.

[2] 胡詳勇.鍋爐單側風機運行經濟性分析[J].江西電力職業技術學報，2012，25（4）：26-29.

[3] 葉濤.熱力發電廠[M].4版，北京：中國電力出版社，2016（1）： 224-257.