超臨界鍋爐降壓吹管臨吹門設置位置探討

部俊鋒，江 紅

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.山東中實易通集團有限公司，山東 濟南 250003）

0 引言

蒸汽吹管是新建超臨界機組預防發生汽輪機葉片固體顆粒侵蝕，保證汽輪機經濟和安全運行的重要措施［1］。根據DL／T 1269—2013《火力發電建設工程機組蒸汽吹管導則》（以下簡稱《導則》），蒸汽吹管有穩壓法和降壓法［2］。由于穩壓法吹管須投用的系統和設備較多，在基建階段較難滿足，絕大多數超臨界鍋爐采用降壓吹管。

超臨界鍋爐的降壓吹管仍沿用汽包鍋爐的吹管系統設計，臨吹門都是設置在過熱蒸汽管道出口。由于超臨界鍋爐少了汽包和下降管，主要依靠水冷壁和過熱蒸汽系統的蓄熱，蓄熱能力僅為同容量汽包鍋爐的1／4～1／3［3］。而且，隨著機組參數的提高和二次再熱技術的應用，超臨界鍋爐水冷壁和過熱蒸汽系統的蓄熱進一步降低，依賴于鍋爐蓄熱的降壓吹管的難度越來越大。實踐證明，在臨吹門可承受的范圍內，靠提高吹管蒸汽的初參數來提高鍋爐的蓄熱量，每次吹管的有效時間難以達到期望值（1 min）。導致的結果是，大型超臨界鍋爐的降壓吹管次數越來越多，一次再熱鍋爐已達到200 次以上，二次再熱鍋爐已達到300 次以上［4］，大量的蒸汽消耗在臨吹門的頻繁開啟和關閉階段，極不經濟，對鍋爐和環境的損害越來越不可忽視。能否將再熱蒸汽系統作為蓄熱部件使用，以大幅增加超臨界鍋爐的蓄熱容量，是優化超臨界鍋爐降壓吹管值得探討的技術途徑。

1 再熱蒸汽系統參與吹管蓄熱的可行性分析

再熱蒸汽系統是伴隨著再熱機組出現的，其本質也是一種壓力降低了的過熱蒸汽系統。在鍋爐的蒸汽壓力不超過再熱器安全閥動作值、蒸汽溫度不超過再熱器冷段材質允許值的運行工況下，可將其與過熱蒸汽系統直接相連，同視為鍋爐的過熱段。蒸汽吹管正是鍋爐低參數運行工況，超臨界機組再熱蒸汽系統參數的提高，使其過熱和再熱蒸汽系統串聯成一體，共同作為吹管蓄熱部件成為可能。

由于蒸汽溫度可由減溫水系統控制，只需要判斷低于再熱器安全閥動作值的蒸汽壓力能否達到降壓吹管的質量要求，能達到則說明再熱蒸汽系統參與吹管蓄熱是可行的。

某廠1 000 MW 超臨界一次再熱鍋爐的參數見表1。

1.1 計算分析

根據《導則》，降壓吹管的蒸汽初壓力可通過壓降比估算，壓降比定義為所吹系統吹管時的壓降與額定工況下的壓降比值。吹管時的壓降比要大于1.4。

以表1 超臨界1 000 MW 機組為例，在額定工況下，過熱蒸汽系統的壓降為1.5 MPa，再熱蒸汽系統的壓降為0.19 MPa。吹管過程中，集粒器、消音器及其余管道的壓降按經驗取1.2 MPa，臨吹門從全關到全開后蒸汽壓力下降約1 MPa。則降壓吹管的蒸汽初壓力應不低于：1.4×（1.5+0.19）+1.2+1=4.566（MPa）。

1.2 與汽包鍋爐對照分析

從表1 也可以看出，再熱蒸汽系統的水容積是過熱蒸汽系統的2 倍以上，若參與吹管蓄熱，超臨界鍋爐可達到汽包鍋爐的蓄熱容量，降壓吹管的蒸汽初壓力可參照汽包鍋爐確定。根據《導則》對亞臨界汽包鍋爐降壓吹管的蒸汽推薦值為： 臨吹門全開后，蒸汽壓力應不低于4.2 MPa。再加上臨吹門從全關到全開后蒸汽壓力下降約1 MPa，則超臨界1 000 MW 鍋爐降壓吹管的蒸汽初壓力取5.2 MPa即可。

超臨界1 000 MW 鍋爐降壓吹管的蒸汽初壓力與表1 再熱器安全門的動作值尚有1.5～2.0 MPa 的裕度，由此可以斷定：超臨界鍋爐再熱蒸汽系統參與吹管蓄熱是可行的。

2 臨吹門置于再熱蒸汽出口的吹管系統

超臨界鍋爐再熱蒸汽系統能夠滿足降壓吹管蒸汽初參數的要求，在吹管系統設計時，可將過熱蒸汽出口直接與再熱蒸汽系統入口相連，將臨吹門設置在再熱蒸汽出口，形成蓄熱容積量大幅提高的新吹管方案（以下簡稱新方案）。這有別于臨吹門設置在過熱蒸汽出口的老方案 （以下簡稱老方案）。

新方案吹管的蒸汽流程如圖1 所示： 分離器來汽→過熱器系統→主蒸汽管道（含高壓旁路）→臨時管道（變徑）→冷再熱蒸汽管道→集粒器→再熱器系統→熱再熱蒸汽管道→臨吹門→臨時管道→靶板器→消音器→排大氣。

圖1 臨吹門置于再熱蒸汽出口的吹管系統

新方案依次串聯吹掃過熱器、高壓旁路、再熱器及其管道系統，直至靶板考核合格。屬于《導則》中啟停爐次數最少和被廣泛首選的降壓法 “一段吹管”。

運用該方案需要注意以下事項。

1）在該方案的設計中，再熱器系統和高壓旁路系統的臨時管道、集粒器、汽機中壓主汽門堵板等的工作壓力和工作溫度，應參照《導則》中對臨吹門前設備和材料的要求執行。

2）減溫水系統、鄰機蒸汽加熱系統要具備投用條件，以防止冷再熱蒸汽管道超溫［5］；再熱器安全閥要投入，電磁壓力卸荷閥的定值臨時設定為再熱器安全閥的最低動作值，以防止再熱器超壓。

表1 超臨界1 000 MW 一次再熱鍋爐額定工況參數

3）臨吹門須與再熱蒸汽管道口徑匹配，若沒有合適的大口徑臨吹門，可采用兩個小口徑的閥門并聯分流，總通流量應等于再熱蒸汽管道流量。

3 新方案的優點

3.1 可增長每次吹管的有效時間

吹管的有效時間是指吹管壓降比大于1.4 或吹管系數大于1 的時間，每次吹管最好要超過1 min。

新方案利用了再熱蒸汽系統的蓄熱容量，必然能延長每次吹管的有效時間。以表1 超臨界1 000 MW鍋爐為例，計算分析如下。

1 000 MW 鍋爐再熱器系統的水容積為650 m3；吹管的初始蒸汽參數若采用5 MPa／380 ℃，則蒸汽密度為18 kg／m3；吹管蓄能期間再熱器系統存蓄的蒸汽量為：650×18=11 700（kg）。

根據吹管經驗，吹管蒸汽流量大于45%的額定工況流量，即滿足有效吹管的要求。對表1 的鍋爐而言，有效吹管的蒸汽流量約為2 950×0.45=1 327.5（t／h）≈370（kg/s）。

這樣，再熱蒸汽系統的蓄熱可使吹管有效時間延長約11 700÷370≈32（s），比老方案有了成倍的增長。進而，新方案有“一管頂兩管”的效果，可成倍減少吹管次數，減輕吹管對鍋爐壽命的損害。

3.2 有助于提高過熱器系統的吹管系數

設計參數較高的超臨界機組（如二次再熱機組）降壓吹管時，過熱器系統的吹管系數較難合格、或合格時間僅幾秒鐘［6］。有的項目采用了主臨吹門打開的同時，打開高壓旁路吹管臨時門的辦法，以加大過熱器系統出口的通流量，并減少吹管蒸汽通過汽輪機高壓主汽門部位的阻力，確實能有效提高過熱器系統的吹管系數。

按新方案吹管，高壓旁路系統作為主蒸汽系統的分支同時參與吹管全過程，自然會有提高過熱器系統的吹管的效果。高壓旁路系統無需單獨吹管，也省了材料費和安裝費，還進一步增加了吹管蓄熱。

3.3 有助于降壓吹管在國外項目應用

我國的火電基建業務已全面走向國外，中東等地區的項目多采用德國VGB （Vereinigung der Grosskraftwerks Betreiber）標準。對超臨界機組吹管，德國標準主張用穩壓法，有時限于現場條件和業主工期的要求難以采用此方法。VGB 標準要求在吹管系數合格的情況下，每塊靶板的打靶時間10 min 以上。此要求通過穩壓法易于實現，但采用降壓吹管時，每塊靶板則要吹管8 次以上，極難過關，是國外項目產生糾紛的難點。

新方案有效吹管時間的延長會成倍減少打靶吹管次數，若再選用高質量、開啟時間30 s 以下的臨吹門，就不難滿足VGB 標準的要求了。這對降壓吹管在國外的應用非常有利。

3.4 新方案的其他優點

1）新方案將再熱鍋爐全部的蒸汽系統連為一體，在吹管這一特殊工況下，再熱鍋爐可視為非再熱中（高）壓鍋爐，原理容易理解，也利于發揮鍋爐的整體能力。

2）利用新方案吹管，再熱器不干燒，升參數期間可微開臨吹門，在保證再熱器不超溫的情況下，大幅增加鍋爐的負荷，有利于投煤穩燃和脫硝系統的投入。該優點在環保要求越來越高的背景下，尤為重要。鍋爐高負荷運行，也能延長有效吹管時間。

3）新方案因鍋爐蓄熱量的增加，蒸汽初參數較低，對臨吹門和管道系統較為安全，也減少了臨吹門開啟過程中高品質蒸汽的消耗。

4）在吹管階段，還可擇機進行再熱器安全門校驗、試投2 號高壓加熱器、冷再熱蒸汽試供輔汽等工作，為整套啟動提供更好的條件。

5）新方案能大量減少吹管次數，可在物資消耗、工期和用工等方面為機組基建各方節省可觀的成本。

4 結語

超臨界機組再熱蒸汽系統參數高的特點，已使其具備作為降壓吹管蓄能部件的條件。將臨吹門設置在再熱蒸汽出口，可得到有別于臨吹門設置在過熱蒸汽出口的蓄熱容積大幅提高的吹管方案。

新方案對降壓吹管的革新類似改變了其 “杠桿支點”，可充分發揮再熱鍋爐的整體功能，優化超臨界鍋爐降壓法吹管的效率。對于應對國外高標準、環保高指標以及二次再熱機組過熱器吹管系數難以達標的困局，都是很有效的技術途徑。