國產600 MW超臨界直流鍋爐濕態轉干態優化控制

歐志良

(廣東珠海金灣發電有限公司，廣東 珠海 519060)

1 問題的提出

隨著我國電力事業的快速發展，600MW超臨界發電機組已成為我國電力行業的主要機型。不得不承認我國超臨界和超超臨界發電機組的技術和大多數發達國家還存在很大差距，近年來，我國十分注重其發展進程且超臨界機組已在我國得到廣泛應用。2002年，國家發展計劃委員會(以下簡稱國家計委)已確定超臨界機組國產化依托工程的沁北電廠2臺600MW機組完成了招投標，標志著超臨界機組進入了國產化研制階段。該項目于2004年10月投產發電，表明首臺國產超臨界機組研制成功。國家計委還提出，新建600 MW及以上機組原則上采用超臨界機組，因此，在此后的火電建設中，國產超臨界機組得到了較大的發展。由于我國國產化超臨界機組從研制到投產的時間較短，積累的成熟運行經驗并不多。目前，超臨界直流鍋爐經濟性好、可靠性高、啟動速度快、負荷適應性強等優點已得到廣泛認可。由于超臨界直流鍋爐汽水特性的限定，鍋爐在啟、停過程中存在一個干態、濕態轉換過程，這個過程是超臨界直流鍋爐控制的關鍵點之一。啟、停機組時需要平穩、順暢且快速過渡，否則易發生干、濕態頻繁交替。若調整不當，會引起啟動分離器出口蒸汽溫度、主(再)熱蒸汽溫度等重要參數的大幅波動，造成鍋爐管壁超溫或由于關鍵閥門設備損壞，導致過熱器進水，嚴重威脅機組安全運行。

2 國產600MW超臨界直流鍋爐濕態轉干態優化控制

2.1 在鍋爐啟動過程中所遇到的問題

廣東珠海金灣發電有限公司2×600 MW超臨界鍋爐是采用上海鍋爐廠生產的超臨界參數、變壓運行螺旋管圈直流鍋爐，單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風、П形露天布置、固態排渣、全鋼架懸吊結構。#4機組和#3機組自2007年1月相繼投產至今的多次啟、停操作中，超臨界直流鍋爐在干態、濕態轉換過程中出現以下4個方面的問題。

(1)由于直流鍋爐濕態時NWL閥、HWL－1閥、HWL－2閥在調節啟動分離器水位過程中波動較大，承受工質的溫度、壓力也較大，造成閥門設備損壞或調節故障，嚴重時導致鍋爐主燃料跳閘(MFT)保護動作停機。廣東珠海金灣發電有限公司的2臺機組在啟動過程中都曾出現過啟動系統的HWL閥失控而造成鍋爐MFT的故障，分析故障原因是HWL閥在小開度時閥門振動大，閥門定位桿損壞造成閥門開度反饋故障而使調閥失調。

(2)在濕態轉干態過程中，水冷壁內工質膜態劇烈沸騰，對汽水系統擾動非常大，造成相關閥門和管道的劇烈振動。

(3)NWL閥的調節波動直接影響除氧器的水位和水溫，除氧器若出現虛假水位，會造成除氧器防進水保護動作，進而出現除氧器加熱汽源自動退出和凝結水流量大幅度波動的異常工況。

(4)若濕態轉干態時間過長，不僅增加了工質和熱量的損失，造成燃料的大量浪費，降低了機組的經濟性，而且還影響了機組的帶負荷率，造成電量損失。

值得關注的是，大型超臨界機組一般是在機組啟動直至完成濕態轉干態并帶上一定負荷運行之后，才開始投運脫硫及脫硝系統。隨著國家環保政策的日趨嚴格，在全社會大力倡導節能減排的背景下，如何縮短機組啟動時間、減少啟動過程中SO2和NOx的排放量具有重大意義。

2.2 濕態轉干態過程中的優化控制策略

如何能平穩、順暢地進行濕態轉干態，避免轉換過程中主汽溫度、主汽壓力等重要參數的大幅度波動以及由于給水流量、分離器水位的大幅度變化而造成的機組跳閘或鍋爐因金屬溫度超溫導致爆管。采取有效的控制措施，減小機組啟動過程中對NWL，HWL－1和HWL－2等關鍵閥門的沖擊，避免這些閥門因沖擊和振動造成損壞或控制失靈使機組被迫停運。在此提出了機組整個啟動過程中NWL閥和HWL閥的優化控制策略:NWL閥切手動控制，控制除氧器壓力 ＜0.5 MPa，當 HWL閥開度＜20%時，關小NWL閥調節啟動分離器水位，使HWL閥開度開大，開度盡量＞20%(通過分析可知，HWL－1閥、HWL－2閥開度＞20%時本體振動相對偏小，不易損壞)，直至NWL閥門全關。在NWL閥關小的同時，通過開大輔汽供除氧器加熱汽源調節閥來維持除氧器水溫，最大限度地減小NWL閥和HWL閥因沖擊振動造成的故障率。

應盡量縮短濕態轉干態的過程，減少燃料量損失和發電量損失，最大限度地提高機組運行的經濟效益。應盡量縮短機組啟動時間，最大限度地減少SO2及NOx等污染物的排放量。本文提出了采用單臺電動給水泵運行方式和加快提高給水溫度等一系列措施。優化操作步驟:通過在低壓力低負荷工況下完成鍋爐濕態轉干態運行(以往是1臺汽動給水泵并入給水，即1臺汽動給水泵和1臺電動給水泵運行，鍋爐啟動分離器再轉干態)的創新，解決直流鍋爐濕態轉干態過程中的諸多問題，縮短了濕態運行時間，減少了濕態以及濕態轉干態過程中的故障發生率;同時，在鍋爐轉入干態運行后，以安全、高效的方式升負荷并投入脫硫、脫硝系統運行，減少大氣污染物排放量。

針對機組啟動時濕態轉干態過程存在的問題，采取以下操作步驟對其進行優化。

(1)在鍋爐啟動過程中，通過NWL閥開度參與調節啟動分離器水位，盡量控制2個HWL調閥開度不要落在0～20%內。

(2)盡早投入輔汽供除氧器加熱運行，第一時間提高給水溫度。

(3)負荷約80 MW時可以投入低壓加熱器。盡快提高進入除氧器的凝結水溫度。

(4)四段抽汽至除氧器加熱應盡早投入，提高除氧器水溫，從而提高給水溫度。

(5)在濕態過程中，在保證HWL閥開度大于20%和除氧器壓力小于0.5 MPa的條件下，盡量開大NWL閥以提高工質和熱量的回收，從而提高除氧器水溫。

(6)盡量降低主蒸汽壓力，蒸汽壓力宜在10～11 MPa進行濕態轉干態過程，減少由于壓力較高造成對NWL，HWL－1和HWL－2等閥門的沖擊和損壞，同時可保證電動給水泵電流在安全運行范圍內。

(7)在濕態轉干態的過程中，應盡量維持給水流量相對穩定(600 t/h左右)，同時可通過微量調整給水流量，改變鍋爐蒸發量、控制鍋爐垂直水冷壁管和末級過熱器金屬溫度，防止啟動過程中鍋爐金屬璧溫超溫導致爆管事故的發生。

(8)提前對高壓加熱器抽汽管道進行暖管、疏水，一方面可適當提高給水溫度，另一方面可為機組盡快投運高壓加熱器系統做好準備。

(9)在干態、濕態轉換前，應及時啟動備用磨煤機，在轉換過程中，適當提高燃料量的增加速度，加快鍋爐濕態轉干態運行。

(10)在鍋爐轉干態后，應盡快并入汽動給水泵運行，機組升負荷后，要及早投入脫硫、脫硝系統運行。

2.3 改進前、后的分析對比

2011－01－06，在#4機組啟動操作過程中，保持HWL閥開度一直大于20%，使啟動系統安全運行;在濕態轉干態時，濕態時間縮短了，電動給水泵電流在620 A左右，離額定電流858 A仍有較大裕度，減少了 NWL閥、HWL－1閥、HWL－2閥的波動，防止這3個閥門在啟動過程中發生故障;有效減少了濕態過程中容易出現的除氧器水位波動、水冷壁膜態沸騰等異常情況的發生，效果良好。從發電機并網開始到鍋爐完全轉干態，總共用了83 min，鍋爐轉入干態后，可較快地加負荷，使機組進入穩定運行工況。并網至鍋爐轉干態期間，除氧器水溫最高達146℃，高壓給水溫度最高146℃;鍋爐水冷壁螺旋管金屬溫度從280℃平緩上升至333℃(曲線2)，其結果如圖1所示。

與#4機組前一次啟動情況對比看(啟動時間:2010－09－09)，從發電機并網開始到鍋爐完全轉干態，總共用時243 min，期間除氧器水溫最高為132℃，高壓給水溫度最高134℃，其結果如圖2所示。

3 經濟效益評估和計算

從最近2次機組啟動及以往的啟動比較，通過直流鍋爐濕態轉干態優化控制，在機組啟動過程中，鍋爐由發電機并網濕態轉干態，節省了啟動時間160 min，使機組可以較快地加負荷，進入穩定運行工況，特別是在機組熱態啟動前提下，爭取了機組多發電，獲得了較好的經濟和社會效益。該優化控制方案可產生的經濟效益如下:

(1)每臺機組每天平均負荷為450 MW，干、濕態轉換過程基準負荷為200 MW，參考電價為0.5元/(kW·h)，那么1臺機組可產生的經濟效益為

2臺機組可產生的經濟效益為33.3×2=66.6(萬元)。

(2)在#3，#4機組啟動過程中，在直流鍋爐濕態轉干態前采用等離子與AB層小油槍(小油槍耗油量為4t/h)助燃方式，在轉干態后將停運AB層小油槍，由于用低成本的燃煤代替燃油(燃油的發熱量約為燃煤的2倍)，意味著節省了160 min的啟動時間，按目前煤價600元/t，燃油價7200元/t計算，160 min消耗的燃油成本為

2臺機組可產生的經濟效益為6.4×2=12.8(萬元)。

(3)機組啟動時間延長了160 min，電動給水泵運行的時間也延長了160 min，它的耗能成本為

2臺機組的耗能成本為

另一方面，根據機組歷次啟動情況，采取該方案優化了濕態轉干態過程，大大降低了 NWL閥及HWL閥的故障概率，避免了超臨界鍋爐普遍存在的啟動初期過熱器璧溫容易超溫導致爆管的故障發生，每臺機組每年可避免因NWL閥和HWL閥故障而被迫停機。按照以往經驗，600 MW機組啟、停1次的費用為300萬元，假如每年有2次因為此故障而停機的話，可為公司節省600萬元。

綜上所述，該方案每年為公司共節約的費用及創造的利潤為:66.8+12.8+1+600=680.6(萬元)。

4 結束語

在直流鍋爐啟動過程中，對國產600 MW超臨界直流鍋爐濕態轉干態進行了優化控制，滿足了現代電廠所要求的安全、節能和環保的需要，在1年多的實際運用中收到良好的效果。將這種控制理念和方案優化方法推介給同行，期望能起到拋磚引玉的效果。