超超臨界鍋爐大氣式擴容器節能改造研究

黃群 祝雷淵 盧健

上海上電漕涇發電有限公司

0 引言

上海上電漕涇發電有限公司現有2臺容量1 000MW超超臨界機組的鍋爐為上海鍋爐廠有限公司設計制造的超超臨界參數、變壓運行、螺旋管圈直流爐。鍋爐BMCR工況主蒸汽流量為2 956t/h，采用單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動噴嘴調溫、平衡通風、全鋼架懸吊結構、露天布置、機械刮板撈渣機固態排渣。鍋爐燃用神木煤。

1 設備概況

鍋爐配置大氣式擴容器和擴容器疏水箱回收鍋爐啟動及正常運行中的疏水，包括系統內蒸汽管道啟動疏水、經常疏水及設備的事故或正常放水等。通過大氣式擴容器和疏水箱進行工質與能量的回收[1]。大氣式擴容器設計壓力為1.6MPa，設計溫度180℃，擴容器口徑為ID3500×30，材料為16MnR，排汽管道尺寸為Φ1260×12，材料為20G，排汽管道出口裝有消音器以減弱大量排汽時的噪音。大氣式擴容器下部疏水箱尺寸為ID3500×30，材料為16MnR，直段長度15 320mm，總長度17 216mm。疏水系統管道、閥門、大氣式擴容器、擴容器疏水箱等均按100%啟動流量設計。鍋爐高溫疏水經管道匯集至大氣式擴容器經減溫減壓后汽水分離，疏水匯集至擴容器疏水箱后，根據水質情況通過地溝排放或經疏水泵排至凝汽器后回收使用，高溫蒸汽通過大氣式擴容器頂部排汽口排入大氣。蒸汽直排造成大量工質損失，增加電廠運行補水成本，降低企業經濟效益；同時排汽口大量冒汽，形成“白色煙羽”，影響電廠環保形象。以1 000MW超超臨界機組每天平均補水460t、年發電利用小時數5 500h計算，每年淡水消耗超過11.5萬t[2]。由此可見，盡力回收可用工質對發電企業具有重要意義，同時消除排汽口“白色煙羽”也有利于提高電廠環保形象。

2 節能改造方案

針對電廠大氣式擴容器蒸汽直排大氣造成工質損失的問題，可考慮對大氣式擴容器進行節能改造。改造方案，采用大氣式擴容器冷卻噴淋系統，如圖1所示。該系統包括依次連接在進水母管上的噴淋進水總閥1，噴淋進水隔離閥2，噴淋進水調節閥3以及流量計7。在流量計后噴淋冷卻水分為三個支路，通過噴管三的隔離閥4，噴管二的隔離閥5，噴管一的隔離閥6分別向噴管三、噴管二、噴管一供水。噴管三上部安裝有溫度測點8為自動控制邏輯提供輸入條件，優化系統的自動控制策略。三路噴淋進水與擴容器排汽管中噴管通過金屬軟管9連接以吸收系統膨脹及運行振動。考慮加裝噴淋系統后對工質回收，噴淋進水母管從除鹽水母管支管抽取一路除鹽水作為噴淋進水以保障回水品質，同時除鹽水母管正常運行時壓力可達到0.8MPa，使除鹽水泵的揚程完全滿足標高22m噴淋層流量及壓力需求，無需加裝升壓泵，有效簡化了系統改造工作量。噴淋進水母管口徑為Φ57×4，材質選用304不銹鋼管，管路排放充分利用現有橋架，沿現有管路支架布置，合理配置彎管及支吊架，以消除系統運行時管路振動及自然膨脹。噴淋進水母管與除鹽水母管通過噴淋進水總閥1及噴淋進水隔離閥2可有效隔絕，滿足系統檢修停役要求。通過噴淋進水調節閥3調節噴淋進水母管流量，控制回路接入電廠主控DCS畫面，滿足遠程操作需求，便于運行人員操作。噴淋進水母管流量計后通過變徑管分為三路噴淋支路，采用口徑Φ42×4，材質304不銹鋼管。每條支路安裝噴管隔離閥可與系統隔絕，滿足分層投用及檢修隔絕需求。三層噴管采用交叉布置，水平角度間隔60°，垂直間隔1m。噴管長度1 000mm，平均布置9個噴頭，配合安裝大角度錐形霧化噴嘴，確保排汽管內空間全覆蓋式噴淋，最大化提高綜合噴淋效果。

圖1 大氣式擴容器冷卻噴淋系統圖

3 改造方案工作方式

除鹽水母管進水通過噴淋進水總閥1，噴淋進水隔離閥2，噴淋進水調節閥3進入噴淋系統母管。母管除鹽水通過噴管一隔離閥6，噴管二隔離閥5，噴管三隔離閥4分為三條支路分別進入噴管一、噴管二和噴管三。在大氣式擴容器排汽管中，噴管噴出的霧化除鹽水和高溫蒸汽進行混合式噴淋，冷卻高溫蒸汽。冷熱介質直接進行熱量交換，蒸汽凝結換熱，無固體壁面參與傳熱，熱效率較高[3]。高溫蒸汽冷凝后匯至原擴容器疏水箱工質回收，消除排汽管蒸汽直排大氣。系統采用兩級三層流量控制，保證混合噴淋投用方式多樣性，充分回收可用工質。以溫度測點8實時溫度及鍋爐負荷作為輸入條件優化調節方式，噴淋進水調節閥3控制除鹽水母管流量；由噴管一隔離閥6、噴管二隔離閥5、噴管三隔離閥4合理控制各層噴管流量，有效降低蒸汽溫度。系統噴淋水流量通過流量計7采集分析，滿足運行數據統計需要。通過溫度測點8實時測量排汽管蒸汽溫度，結合鍋爐當前負荷疏水量實時自動調節噴淋進水調節閥3開度，優化噴淋系統自動控制，最大化回收可用工質，減少蒸汽直排。必要時運行人員可手動退出自動控制邏輯，根據實際運行情況人工控制噴淋水調節閥3開度及噴淋支路運行數量控制噴淋流量，以滿足生產需要。

4 改造實施效果

2018年10月，電廠對#2機組大氣式擴容器進行了上述改造，機組啟動后冷卻噴淋系統投用，運行良好。經過運行試驗，鍋爐正常吹灰，疏水方式自動，機組滿負荷運行時，噴淋進水調節閥開度80%，三層噴淋支路全部投入運行，溫度測點顯示排汽管內溫度75℃，排汽管口無“白色煙羽”現象，管路運行正常，無異常振動。在機組50%負荷時，噴淋進水調節閥開度50%，兩層噴淋支路開啟，一層關閉即可獲得較好的噴淋冷卻效果。噴淋系統運行流量仍具有一定調節余量，可滿足冬夏季各工況下噴淋流量需求。通過運行試驗，以溫度測點溫度及鍋爐負荷為輸入條件，合理優化噴淋進水調節閥3及支路投用數量，優化控制邏輯，噴淋系統改造效果良好，運行數據見表1。以表1為例，實際運行數據顯示，在冬季時，超超臨界百萬千瓦機組鍋爐平均負荷率以75%計算，鍋爐各疏水正常運行方式下，投用本系統后平均每周可回收除鹽水約350t，按除鹽水11元/t計算，全年節約除鹽水收益約18萬元。噴淋系統運行成本低，無需增設升壓泵，僅增加了原系統除鹽水泵功耗，電量消耗可以忽略。系統無消耗性材料，維護簡單方便，僅需常規檢查即可。以項目投資15萬元計算，一年內即可收回成本，具有良好的經濟效益。

表1 噴淋系統運行數據表

5 結束語

通過對1000MW超超臨界鍋爐大氣式擴容器的節能改造，在大氣式擴容器排汽管加裝噴淋系統，利用除鹽水對高溫蒸汽進行混合式噴淋，避免了蒸汽直排大氣的工質損失，有效節約電廠補水，降低了企業生產成本，提高經濟效益。噴淋系統投用后，消除排汽口熱污染及白色煙羽，提高電廠整體環保形象，具有良好的社會效益。

噴淋系統改造工作量可控，采用常規設備材料，系統整體投資較小，收益顯著，運行穩定。在設有大氣式擴容器的電廠等企業都可以通過加裝冷卻噴淋系統，實現節能環保的目標。