燃氣-蒸汽聯合循環余熱鍋爐吹管工藝優化

趙曉光，周若明，王天龍，張 波

(國網河北省電力有限公司電力科學研究院，石家莊 050021)

燃氣-蒸汽聯合循環熱電機組與常規燃煤熱電聯產機組相比較，具有發電熱效率高、灰渣/硫氧化物零排放、氮氧化物超低排放以及節水節能等優點[1-2]，因而獲得越來越多的關注。與燃氣輪機配套使用的余熱鍋爐在正式投用前需進行管路吹掃，然而目前行業內尚無統一的吹管方案，因此分享一種適合余熱鍋爐的安全高效的吹管工藝很有必要[3-4]。以下以2臺450 MW燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組的1臺余熱鍋爐為研究對象，探索穩壓法和降壓法相結合的吹管工藝。針對吹管過程中出現的冷態啟動時鍋爐高壓汽包上下壁溫差超限的問題、吹掃時間長、燃料消耗大等問題，通過降低燃機排氣溫度、優化余熱鍋爐升溫升壓速率，采取合理的控制高壓汽包壁溫差措施和及時提高蒸汽參數等措施，實現了吹管工作的安全高效。

1 設備及系統概況

某天然氣熱電聯產項目采用2臺F型燃機組成的2套“一拖一”多軸燃氣-蒸汽聯合循環發電供熱機組。與燃機配套的余熱鍋爐為封閉布置，無補燃、自然循環，臥式爐型，2臺鍋爐順列布置，微正壓運行。鍋爐由進口煙道、換熱室、出口煙道及煙囪組成，并設有脫硝裝置。鍋爐煙氣流程為燃氣輪機的排氣經進口煙道進入余熱鍋爐，與各級受熱面進行熱量交換后，經過脫硝模塊脫除煙氣中的氮氧化物，最后由出口煙道進入煙囪后排入大氣。

鍋爐汽水系統包括高壓、中壓和低壓系統。高壓過熱蒸汽進入汽輪機高壓缸做功。中壓過熱蒸汽與高壓缸排汽在冷再入口混合后進入再熱器冷端，再熱熱端出來的蒸汽進入中壓缸做功。低壓系統包含除氧器。低壓過熱蒸汽在低壓缸入口與中壓缸排汽混合后進入低壓缸做功(純凝方式)或送至供熱首站(供熱方式)。該余熱鍋爐主要設計參數見表1。

表1 鍋爐主要設計參數

2 鍋爐吹管的工藝及參數

2.1 吹管的范圍

余熱鍋爐吹管范圍包括：受熱面管束(蒸汽部分)及其聯絡管;高壓、中壓、低壓主蒸汽管道;冷段再熱管道和熱段再熱管道;過熱器和再熱器減溫水管路(不作靶板考核)。汽輪機高壓、中壓和低壓旁路系統管道均不參與吹掃，只做內部清理，各旁路進氣管道打堵板封閉。

2.2 吹管工藝的選擇

吹管過程中選擇高壓過熱器和再熱器采用一段吹(將過熱器、主蒸汽管道和再熱蒸汽冷段管道、再熱器、再熱蒸汽熱段管道串聯吹掃一步完成的蒸汽吹掃方式)，且穩壓和降壓相結合的吹管方法;中、低壓蒸汽系統采用一段吹，降壓的吹管方法;過熱器和再熱器減溫水管路利用鍋爐悶爐，給水泵停運后的給水系統的余壓進行吹管。

2.3 吹管的參數

根據DL/T 1269-2013《火力發電建設工程機組蒸汽吹管導則》[5]，為定量描述管道蒸汽吹掃效果，引入吹管系數作為評價指標。吹管參數保證在蒸汽吹管時所產生的動量大于額定負荷時的動量，即吹管參數保證被吹掃系統各處的吹管系數均大于1。

根據DL/T 1269—2013，吹管系數按下式計算：

式中：K為吹管系數;Db為吹管工況蒸汽流量，t/h;vb為吹管時工況蒸汽比體積，m3/kg;D0為鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)工況蒸汽流量，t/h;v0為鍋爐BMCR工況蒸汽比體積，m3/kg。

工程應用中，將蒸汽動量比簡化為管段壓降比，根據經驗降壓吹管時，吹管工況與鍋爐BMCR工況過熱器壓降比不小于1.4時能保證吹管系數不小于1，壓降比按下式計算：

式中：βΔp為壓降比;Δpb為吹管工況某區段流動壓降(阻力)，MPa;Δp0為鍋爐BMCR工況該區段流動壓降(阻力)，MPa。

根據鍋爐廠和設計院提供資料，通過計算選擇吹管參數：高壓蒸汽系統吹掃管路時汽包壓力不高于4.0 MPa，中壓蒸汽系統吹掃管路時汽包壓力不高于2.5 MPa，低壓蒸汽系統吹掃管路時汽包壓力不高于0.3 MPa。

2.4 吹管流程

本次蒸汽管路吹掃采用蓄能降壓法吹掃，鍋爐高壓蒸汽系統和再熱器系統一段吹;中壓蒸汽系統和再熱器系統一段吹;低壓蒸汽系統單獨進行吹掃。

2.4.1 高壓蒸汽系統吹掃管路流程

高壓蒸汽系統吹掃管路流程為：高壓汽包→高壓過熱器→高壓主蒸汽管道→高主門吹管套閥→臨時管(引出臨時排汽管去消音器，并裝設電動門)→高壓臨沖門(旁設旁路管道和旁路電動門，要求實現集控室遠端控制)→臨時管→集粒器→臨時管→冷再管路→再熱器→熱再管路→臨時管→靶板器→臨時管→消音器→排大氣

2.4.2 中壓蒸汽系統吹掃管路流程

中壓蒸汽系統吹掃管路流程為：中壓汽包→中壓過熱器→中主門吹管套閥→臨時管→集粒器→臨時管→冷再管路→再熱器→熱再管路→臨時管(引出臨時排汽管去消音器，并裝設電動門)→中壓臨沖門(旁設旁路管道和旁路電動門，要求實現集控室遠端控制)→臨時管→靶板器→臨時管→消音器→排大氣。

2.4.3 低壓蒸汽系統吹掃管路流程

低壓蒸汽系統吹掃管路流程為：低壓汽包→低壓過熱器→正式導汽管道→低壓進汽門旁短接臨時管(其上引出臨時排汽管去消音器，并裝設電動門)→低壓臨沖門(旁設旁路管道和旁路電動門，要求實現集控室遠端控制)→臨時管→靶板器→臨時管→消音器→排大氣。

3 吹管過程

燃氣汽輪機機組余熱鍋爐吹管期間，鍋爐運行方式為每天上午啟動，下午停機，每天機組運行時間約為6 h，因此本機組吹管期間正常停機13次，每次停機時間均超過12 h。余熱鍋爐吹管主要分2個階段：第1階段，2018年7月12—24日，鍋爐啟動運行以配合燃氣輪機燃燒調整和電氣試驗為主，在高壓、中壓和低壓臨時吹管門全開的情況下，鍋爐高壓系統和再熱系統吹管系數高于1.0，中壓系統和低壓系統吹管系數低于1.0，鍋爐高壓系統和再熱系統在此階段分別采用穩壓和降壓2種方式進行吹管;第2階段，在燃氣輪機燃燒調整和電氣試驗于7月24日結束后，2018年7月25—8月1日，鍋爐高壓、中壓和低壓系統進行降壓吹管。

3.1 高壓系統和再熱系統穩壓吹管

2018年7月12—23日，鍋爐高壓系統和再熱系統吹管系數大于1，為采用穩壓和降壓2種方式吹管階段。穩壓吹管階段，鍋爐進口煙氣溫度在380～420℃，全開高壓和中壓臨沖門，高壓汽包壓力維持在約1.8 MPa，高壓系統和再熱系統吹管壓降約為2.0 MPa，相應的吹管系數約為1.4。鍋爐高壓系統和中壓系統吹管過程中，再熱系統吹管最大壓降超過2.0 MPa，相應的最大吹管系數均超過1.4。

3.2 高壓系統和再熱系統降壓吹管

2018年7月16日，首次進行高壓系統和再熱系統降壓吹管。吹管過程中，全開高壓和中壓臨沖門，全關中壓電動門和低壓臨沖門。正式吹管時的高壓汽包壓力控制在2.8～3.6 MPa，停止吹管壓力控制在吹管系數接近1.0相對應下的汽包壓力，此時高壓汽包壓力約為1.4 MPa。

3.3 中壓系統降壓吹管

2018年7月24日，首次進行中壓系統降壓吹管。吹管過程中，全開中壓臨沖門和中壓電動門，全關高壓和低壓臨沖門。正式吹管時，中壓汽包壓力控制在1.3～1.9 MPa，停止吹管壓力控制在吹管系數接近1.0相對應下的汽包壓力，此時中壓汽包壓力約為0.8 MPa。

3.4 低壓系統降壓吹管

2018年7月15日，首次進行低壓系統降壓吹管。吹管過程中，全開低壓臨沖門，全關高壓、中壓臨沖門和中壓電動門。正式吹管時，低壓汽包壓力控制在0.2～0.29 MPa，停止吹管壓力控制在吹管系數接近1.0相對應下的汽包壓力，此時低壓汽包壓力約為0.15 MPa。

4 結果分析

4號余熱鍋爐吹管采用穩壓和降壓相結合的吹管方式，從2018年7月12日點火開始，至2018年8月1日吹管結束，從2018年7月24日開始計數，高壓、中壓和低壓吹管次數分別為81、58和68次，各處吹管系數均大于1，總共13次不少于12 h的大冷卻，吹管效果可以得到較好保證，經連續2次打靶，3個系統中每個系統連續2次降壓打靶，無0.4 mm以上斑點，0.4 mm以下肉眼可見斑點不超過2個，各項技術指標檢驗結果遠優于《火力發電建設工程調試質量驗收及評價規程》[6]和《火電機組啟動蒸汽吹管導則》的標準要求。吹管結束后經聯箱檢查孔檢查確認無任何雜物，證明吹管的效果非常優異，為機組整套啟動打下堅實基礎。

5 發現的問題及解決措施

5.1 冷態啟動時余熱鍋爐高壓汽包上下壁溫差大問題及措施

冷態啟動時由于蒸汽和爐水對汽包上下壁的放熱系數不同，使得汽包上下壁溫度升高的快慢不一樣，造成余熱鍋爐高壓汽包上下壁溫差大，同時汽包升壓速度越快，飽和溫度升高也越快，產生的壁溫差就越大。

為了解決這個問題采用了如下控制措施：提高低壓汽包水溫，投入高壓蒸發器底部加熱用來提高高壓汽包水溫;保持高壓汽包水位在較高位置，以利于初期水循環的建立，同時加強高壓蒸發器定排用來加強擾動，有利于減小汽包內各部位水溫偏差;降低高壓汽包升壓速率，有利于降低飽和溫度上升速率減小壁溫差。

5.2 靶板更換問題及措施

本次吹管采用的靶板器為最早期的插入式，螺栓法蘭連接固定，不可旋轉。裝拆靶板時，必須先隔絕所有汽源，再拆卸靶板器本體固定螺栓，由天車吊出后，將由螺栓固定的靶板拆除，再安裝新的靶板，擰緊螺栓固定后，再由天車吊入靶板器孔，再重新用螺栓固定靶板器法蘭。這種操作繁瑣且危險的靶板器造成了2個問題：

a.在裝拆靶板時，靶板器所在臨時管道前后的所有汽源必須完全隔絕，中壓、低壓臨時吹管門及其旁路必須關閉且停電，但是因為中壓臨沖門相當于是在高壓臨沖門后串接的，中壓臨沖門的關閉將大幅減少高壓系統的泄壓汽量，會大幅度提高高壓系統和再熱器系統的升壓速率，且高壓汽包壓力升速率必然會超出壓力升速率上限值。

b.單獨裝入或拆除一塊靶板用時在4 min左右，但是拆除舊靶板，再重新裝入新靶板的時間要超過7 min，因裝拆靶板需要節流高壓臨沖門并全關中壓臨沖門及其旁路門，高壓系統汽包壓力將在6 min內由全開高壓、低壓臨沖門泄壓工況時的1.8 MPa，在6 min時將上升并超過高壓汽包最高吹管壓力值4.0 MPa，吹管過程中拆除并安裝新靶板時，隨著每次更換時間的不同，高壓汽包壓力最高升至4.3～4.8 MPa，因高壓臨沖門前臨時管道是按8 MPa設計，正式管道設計壓力超過12 MPa，所以并不影響高壓系統安全性，只需要在每次吹管前將高壓汽包壓力泄壓至4 MPa后，即可開門吹管。

針對這個問題采取如下措施：更換靶板前，先全開高壓、中壓臨沖門，將高壓汽包壓力泄壓至2.0 MPa以下，全開高壓臨沖門旁路門，全開高壓和再熱啟動排汽電動門，全關中壓、低壓臨沖門及其旁路門并停電，然后通知電建開始裝拆靶板;待靶板裝拆完成后，中壓、低壓臨沖門送電，全開中壓臨沖門后，再微開高壓臨沖門泄壓至4.0 MPa以下時，再全開高壓臨沖門進行高壓和再熱器系統吹管。

6 結束語

以燃氣-蒸汽聯合循環余熱鍋爐為研究對象，提出并成功實踐了一種穩壓法和降壓法相結合的吹管工藝，針對吹管過程中出現的冷態啟動時余熱鍋爐高壓汽包上下壁溫差大問題，采取提高高壓汽包水溫，保持高壓汽包水位，加強高壓蒸發器定排，降低高壓汽包升壓速率等相應控制措施;針對吹管過程時使用螺栓法蘭連接固定的插入式靶板器造成的高壓汽包升壓超限的問題，采取先降壓再進行吹掃的措施，取得了較好的效果。實際靶板檢驗結果優良，相關經驗對后續同類機組具有很好的工程借鑒價值。