350 MW等級超臨界循環流化床鍋爐蒸汽吹管用水節能研究

于英利，戴瑩瑩，韓 元，李壽軍，黃振軍

(1.內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020；2. 內蒙古化工職業學院,內蒙古 呼和浩特 010010；3.內蒙古京能雙欣發電有限公司,內蒙古 鄂爾多斯 016100)

電站鍋爐基建安裝過程中，由于鍋爐過熱器、再熱器及其蒸汽管道等設備內部，不可避免存有焊渣、銹垢和其他雜物。在鍋爐正式向汽輪機輸送蒸汽前，必須將這些雜物盡可能吹洗干凈，以確保機組的安全、經濟運行，這就是機組基建過程中的一項重要節點工作——鍋爐蒸汽吹管。

關于蒸汽吹管技術，有大量的學者和工程科技人員從吹管綜合節能、吹管工藝、吹管參數控制、吹管方式選擇、吹管質量保障等不同方面進行了許多深入的研究。然而在吹管階段對吹管用水控制、用水消耗等方面，針對性開展吹管用水節能的系統性探索研究還相對較少[1]。

本文針對內蒙古某發電廠新建350 MW等級超臨界循環流化床鍋爐基建蒸汽吹管調試工作為研究對象，結合大量200、300 MW等級鍋爐蒸汽吹管調試工作經驗,開展鍋爐吹管用水的節能研究，并闡述實踐操作過程和效果，期望對相關人員起到借鑒參考作用。

1 概況介紹

1.1 鍋爐概況

內蒙古某發電廠350 MW等級超臨界循環流化床鍋爐，為超臨界參數變壓運行直流爐、循環流化床燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣，采用高溫汽冷式旋風分離器進行氣—固分離，水冷滾筒式冷渣器排渣方式，M型布置，鍋爐采用緊身封閉布置、全鋼架懸吊結構。

超臨界循環流化床鍋爐為東方鍋爐(集團)股份有限公司生產的DG1241/25.49-Ⅱ1型鍋爐，配有過熱器、再熱器等蒸汽管道系統和汽冷式旋風分離器，汽水循環系統由啟動分離器、儲水罐、水冷壁上升管及汽水連接管等組成。

鍋爐主要性能參數與設計燃煤參數如表1和表2所示。

1.2 吹管方案的確定

研究對象350 MW等級超臨界循環流化床鍋爐，根據施工現場技術條件與建設方管理制度要求，確定采用“串聯吹掃+三階段穩壓降壓聯合”的吹掃方案[2-3]。

具體方案為：將鍋爐一次汽系統和二次汽系統管道串聯連接，中間設置臨時吹掃控制閥門和靶板裝置。三階段穩壓降壓聯合吹掃：第一吹掃階段采用降壓蒸汽吹管方法，計劃吹管不少于50次；停爐放水冷卻12 h后，第二吹掃階段采用穩壓蒸汽吹管法且正式穩壓有效吹掃時間計劃不少于4 h；再次冷卻間隔12 h后，進入第三吹掃階段的降壓蒸汽吹管方式，直到吹管質量驗收要求合格。推薦吹管管路連接示意圖如圖1所示。

1.3 總體節水思路

超臨界循環流化床鍋爐在蒸汽吹管階段，節水直接方式是減少水量消耗，節水間接方式是優化吹管工期、加強設備管理與儲水充足。

2 吹管準備工作的節水策略

2.1 吹管用水綜合評估

超臨界循環流化床鍋爐蒸汽吹管，涉及冷態沖洗、熱態沖洗以及穩壓吹掃等大量消耗除鹽水的工作，因此合理籌劃吹管用水，評估各階段耗水情況與制水補充情況，是保證吹管工作有序開展的必備條件，也是吹管期間實現用水節能最為行之有效的手段。

2.1.1 盈余評估模型

對鍋爐的設備和系統進行儲水與制水能力評估，基于盈余法則采用“盈余模型”來進行分析：

My=MC+t總·Qz-∑Mh

(1)

∑Mh=nMb+tLQL+twQw+…+tiQi

(2)

t總=tb+mtT+tL+tw+tR+…+ti

(3)

式中My，Mc，∑Mh，Mb——盈余水量、原始儲存水量、各工作階段消耗水量、鍋爐上水水量，t；Qz，QL，QW，Qi——化學實際制水出力、冷態開式沖洗流量、穩壓吹管蒸汽流量、某吹管階段的耗水流量，t/h；t總，tb，tL，tR，tw，tT，ti——吹管總時間、鍋爐上水放水時間、冷態沖洗時間、熱態沖洗時間、穩壓吹管時間、階段中間停爐時間、某吹管階段的工作時間，h；m——中間停爐次數；n——鍋爐上水次數。

模型計算結論為通過設定盈余水量來推算某一階段的有效工作時間，并進而判斷這一階段有效工作時間是否滿足吹管工期與質量要求。

經驗顯示，通過盈余模型得出的盈余水量值，宜高于鍋爐設計工況下的單位小時30%鍋爐最大出力值。

2.1.2 儲水用水能力評估

針對研究對象分析：該廠設計2個除鹽水箱，可用于蒸汽吹管工作使用的有效總儲水量可達3 600 t；附加可使用的儲水設備諸如除氧器和凝汽器汽側容積等儲水約600 t；化學制水能力設計出力210 t/h，但受限原水輸送能力，導致吹管期間化學制水能力僅能達到150 t/h。冷態沖洗平均流量約380 t/h；熱態沖洗一般采用閉式循環方式，耗水相對較小；穩壓吹管有效吹掃流量500 t/h，平均耗水流量約400 t/h；降壓吹管平均每小時吹4～5次，每次耗水15～25 t。

使用盈余模型分析可知，化學制水能力能夠滿足熱態沖洗和降壓吹管的單位小時耗水量，熱態沖洗與降壓吹管階段，用水盈余量均滿足要求。

僅需要使用盈余模型單獨分析兩階段冷態沖洗時間與穩壓吹管時間的關系，即可判斷用水盈余情況。通過式(1)～式(3)，帶入相關數據，可初步得到：

My=MC+t總Qz-∑Mh

(4)

(5)

t總=t0+tL1+tR1++tT+tb+tL2+tR2+tW

(6)

進一步的得出：

(tL1+tL2)+1.09tw≤27.04

(7)

工程經驗可知，穩壓吹管工期總耗時至少需要8～10 h，如要滿足式(7)的條件，那么冷態沖洗時間需要控制在16～20 h，甚至更短。

這給出一個冷態沖洗和穩壓吹掃的工作時間預判，超過這個時間，可能面臨斷水缺水的情況。雖然，可通過延長停爐冷卻時間、增加初期儲水能力等手段，提高冷態沖洗工作時間。這僅是一個初步估算，如果工作過程中水流量等因素出現變動，工作時間也會有所變化。

2.2 沖洗排水系統能力分析

鍋爐沖洗流量遠高于鍋爐日常運行排污水量，鍋爐運行排水系統無法滿足吹管期間鍋爐沖洗排水要求，因此需要對鍋爐排污水系統進行分析評估并提出應對措施。

研究對象機組：排水槽容積500 m3，設計2臺排水泵出力均為200 t/h，化學工業廢水池1 500 m3，排污泵出力100 t/h。

排污系統示意圖如圖2所示。

通過分析可知，排水泵全負荷運行出力與冷態沖洗流量相當，并且排水槽容量有限，運行過程中容易出現滿水問題；而化學工業廢水池經排污泵排放到廠外沉水池，100 t/h的出力遠遠無法滿足鍋爐冷態沖洗與吹管要求。因此，應準備大容量水泵做臨時排水排污使用，且系統中每一段排水能力應大于600 t/h。另外，廠外沉水池應做擴容處理，滿足儲水容積在8 000 m3以上。

2.3 吹管臨時管道工藝處理

鍋爐吹管工作不同于機組正常運行狀態，有一些設備系統需要做隔離，因此需要連接一些臨時管道和閥門，而這些臨時管道和閥門也會參與整個吹管工作。因此，臨時管道的初始清潔狀態、臨時閥門的工作穩定性、吹管靶板裝置安裝位置等都將對吹管工作的有序推進起著非常重要的作用，間接影響著耗水節能效果[4]。

為了實現良好的吹管節能控制、提高吹管工作效率和縮減吹管整體工作時間，宜使用高質量、高穩定性的臨時管道閥門；靶板裝置應在便于安裝更換和易操作且盡可能臨近正式管道的位置，這樣有利于吹管質量驗收評價。另外，在吹管臨時管道安裝過程前，需要對臨時管道進行清潔處理，保證臨時管道的原始清潔度。臨時管道與閥門的安裝工藝必須按照正式管道安裝工藝要求來進行高標準施工，這樣可以加速滿足吹管質量驗收工作。

在系統功能設計上，也需要有針對性地提前考慮和部署。對于穩壓吹管可能引起的再熱器出口蒸汽溫度超出管材許用溫度的情況，應考慮在再熱器熱段出口管道上加裝臨時噴水減溫器。對于臨時吹掃門，在開關控制上可增加設置“中停”功能。這些都是保障吹管工作有序推進的措施，間接利于吹管用水節能[5]。

3 鍋爐沖洗與吹管階段的節水控制措施

鍋爐沖洗質量評價參數非常嚴格，沖洗耗水量非常巨大，能否快速實現沖洗質量要求，減少沖洗時間降低沖洗耗水是沖洗階段最為核心的節水宗旨。吹管階段的節能控制措施將結合實際工作情況與經驗數據相結合的模式，實現節能優化控制。

3.1 鍋爐上水與冷態沖洗節能方法

鍋爐冷態沖洗有具體參數和條件要求，冷態沖洗流量不低于鍋爐BMCR出力的30%，冷態沖洗要實時檢測爐水品質，尤其是總鐵離子含量低于500 μg/L，才允許投入凝給水系統進入閉式循環沖洗方式；當爐水總鐵離子濃度逐漸降低到100 μg/L以下且數值相對穩定，冷態沖洗才算合格。鐵離子濃度隨沖洗時間變化趨勢如圖3所示。由工程經驗數據可知，超臨界循環流化床鍋爐冷態沖洗總鐵離子濃度變化速率在50～80 μg/(L·h)區間范圍。

對于冷態沖洗前的第一次鍋爐上水，爐水品質都比較差，爐水初始鐵離子濃度居高不下，常規在10 000 μg/L，甚至有高于20 000 μg/L以上的情況。

為了更好實現水資源的利用，冷態沖洗的總鐵離子濃度初始值盡量控制在8 000～10 000 μg/L范圍區間。如果鍋爐上水初期檢測到鐵離子濃度高于這個區間段數值，應采取整爐放水的洗爐方式，放掉爐水重新上水，這樣會大大降低爐內鐵離子濃度。當然，視鐵離子濃度值可適當采用多次洗爐方式。一方面可以快速提高爐水品質，另一方面利用上水放水的時間段給化學制水爭取更多制水時間，可謂一舉多得。

冷態開式沖洗，選擇持續大流量沖洗模式以提高沖洗效果，對于出現短期儲水量不足的情況，采用變流量沖洗方式也是一種非常好的沖洗方法。即沖洗初期采用標準大流量沖洗模式，2～4 h后，通過改變沖洗流量從200～400 t/h的流量變化區間變動的方法，以20 min變動一次沖洗流量50 t/h值的方式。這樣循環往復的增減流量，實現變流量沖洗，可以大大提高管道的沖洗效果[6]。

在冷態開式循環沖洗向冷態閉式循環沖洗的轉換期間，如果凝結水系統投入閉式循環沖洗的條件不完全具備的條件下，可以延長開式冷態沖洗，使爐水鐵離子濃度遠低于500 μg/L以下，再投入閉式循環沖洗模式，可以避免嚴重污染凝結水和給水系統管道，加快達到良好沖洗質量的效果。

從實際沖洗耗水看，本機組第一階段的冷態沖洗用時13 h，第二階段和第三階段分別用時8 h和10 h，與同等級機組沖洗水平相比，沖洗時間有效縮短，節水效果明顯。

3.2 鍋爐熱態沖洗

冷態沖洗合格后，鍋爐具備點火和熱態沖洗的條件。鑒于受熱面壁溫限制，熱態沖洗常常采用閉式循環沖洗方式，而這樣的沖洗方式，水質指標除鐵凈化工作幾乎全部落入凝結水系統的精處理裝置和其他一些凈化處理系統上，因此保持機組精處理設備與系統健康有效運行是這個階段的首要節水策略。

精處理系統的設備性能、除鐵效率、工作出力等都是影響吹管節水節能效果的關鍵點。

3.3 吹管階段的節能控制措施

吹管工作分三階段進行，第一階段為降壓吹管，第二階段穩壓吹管，第三階段繼續降壓吹管。對于吹掃過程，實現精細化參數控制，有效縮短吹管工期，這就是最好的節水方式。

為保持吹掃效果，降壓吹管參數應采用高參數控制模式，吹掃開門壓力不低于6 MPa，蒸汽溫度不低于400 ℃。關門壓力根據對應壓力下飽和溫度變化不高于40℃的原則來確定，一般選擇4.0～4.5 MPa。通過燃油與燃煤雙燃料投入方式，控制燃煤量25～30 t/h，兩個階段有效吹管次數105次，吹掃耗水量約1 500 t，耗煤量約900 t[7]。

穩壓吹管節水更為重要，尤其在啟動、升壓、吹掃、降壓停爐等過程，都需要對穩壓吹管參數實施精準控制。控制策略為：汽水分離器出口壓力4.5～5.5 MPa，蒸汽溫度400～450 ℃，吹掃流量400～550 t/h，有效吹掃時間不少于5 h。采用燃油與燃煤雙燃料投入方式，控制燃煤量110～130 t/h，穩壓吹管階段吹掃耗水量約4 100 t，耗煤量約1 400t。

穩壓吹管的燃燒控制，有幾個關鍵點要明確：①點火期，應合理控制床壓和風室壓力不高于11 kPa；②控制爐膛中部床溫不高于600 ℃，否則會出現受熱面超溫問題；③給煤初期，應控制給煤機投煤順序和煤量控制，堅持有中間向兩邊交錯對稱點動投運方式，10臺給煤機(編號順序依次由1到10)推薦啟動順序為(4號、7號)——(2號、9號)——(3號、8號)——(1號、10號)——(5號、6號)；④合理調控下二次風門，維持床溫左右平衡，調整好返料器的運行性能，加強左右側爐膛負壓與氧量的監測；⑤一、二次汽系統串聯+穩壓吹管方式，減溫水必須投運，且嚴格控制蒸汽出口溫度不超450℃。

4 結語

通過對350 MW等級超臨界循環流化床鍋爐蒸汽吹管工作的節水策略研究與操作實施，結果顯示，節水效果顯著。

(1)根據吹管盈余模型分析，基于盈余水量應不少于單位小時鍋爐最大出力的30%的盈余法則進行估算，穩壓吹管總時間與冷態沖洗總時間存在關聯；由于穩壓吹管總耗時需要8～10 h，因此冷態沖洗時間要控制在16～20 h以內，機組設備儲水能力才能滿足吹管不缺水、不斷水的要求。

(2)對排水系統進行評估，提出增加臨時大流量排水泵，以解決排水問題。

(3)吹管臨時管道要做清潔工藝處理，臨時吹掃門設置“中停”功能。

(4)在吹掃階段的鍋爐上水期間，改善爐水品質可采用多次整爐放水沖洗方式，快速降低爐水總鐵離子濃度。冷態沖洗可采用持續大流量沖洗模式和變流量沖洗模式相結合，提高了沖洗效果。

(5)對吹掃階段節水控制策略，建議優化參數控制，落實好關鍵控制措施，精細化操作。

(6)吹管結束，經過能源消耗統計計算，耗水量均低于同等級鍋爐耗水平均水平，節水效果顯著。