印度火電廠的主要熱力系統及主要設備

鄭赟

(廣東省電力設計研究院，廣州市，510663)

0 引言

目前，印度處于電力建設飛躍發展階段，在印度電力市場上中國設計和供貨的工程所占比例越來越大，因此充分了解印度電力工程建設環境以及印度規范與國內規范的差別，對工程技術談判和設計具有重要的作用。由于印度電網建設滯后于火電廠，電網頻率經常波動甚至電網故障導致機組解列，再加上火電廠的施工安裝水平以及運營水平較為落后，主輔機的壽命往往受到影響，因此要求輔機選型留有較大裕量，或者系統設置要求多備用等［1-3］。

印度某火電廠為300MW亞臨界壓力、中間再熱、凝汽式燃煤機組，配置有最大連續蒸發量(boiler maximum continue rate，BMCR)為1 015 t/h 的自然循環汽包鍋爐，汽輪機調門全開最大出力(valve wide open，VWO)為 966.825 t/h，并且裝配有 60%BMCR二級高低壓串聯旁路、3×50%電動變速給水泵，給水回熱系統采用“3高4低1除氧”。本文以印度某火電廠為例，分析印度火電廠的主要熱力系統及主要設備與國內火電廠常規配置的差異。

1 熱力系統

1.1 主蒸汽及再熱蒸汽系統

印度某火電廠的主蒸汽及再熱蒸汽系統流程如圖1所示。

1.1.1 鍋爐最大出力特點

依據印度CEA設計導則要求，BMCR應不小于1.02 VWO［4］。印方根據以往工程經驗，要求本工程的BMCR為1.05 VWO。這是因為印度火電廠的鍋爐，特別是小型機組鍋爐，除了對汽輪機發電提供蒸汽外，還在過熱器出口提供工業用蒸汽［5-6］。隨著機組容量的增加，以及發電成為燃煤機組的主要作用，鍋爐最大出力逐漸與汽機相匹配，因此2%以上的裕量不再經濟也不合理。現在印度的600MW級以上燃煤火電機組的 BMCR已經等于VWO，這在印度Seoni、Kawai和Duli等工程都得到印證。

1.1.2 汽輪機旁路

汽輪機旁路系統配置有1臺高壓旁路閥和2臺低壓旁路閥，其容量為60%BMCR。這是因為印度CEA設計導則要求鍋爐的最低不投油穩燃負荷為40%BMCR，并且要求機組設計具備機組快速甩負荷(fast cut back，FCB)的功能［7］。汽輪機旁路系統除了滿足機組啟動的功能外，在鍋爐過熱器出口2臺電磁泄放閥(排放量為23%BMCR)的協助下，機組可以實現“帶廠用電”和“停機不停爐”這2種運行工況。實際上，按照國內經驗，30% ～45%BMCR(鍋爐最低穩燃負荷再加上一定裕量)的汽輪機旁路即可滿足機組啟動需求，由于我國電網穩定性較印度高，因此國內大部分的電站已經不需要具備FCB功能［8］。

圖1 主蒸汽及再熱蒸汽系統流程Fig.1 Flow diagram of main and reheat steam system

1.1.3 鍋爐調試與啟動

鍋爐過熱器出口設置1臺高溫高壓電動關斷閥，其目的在于調試時用以作為鍋爐水壓試驗隔離閥，并且在啟動中用以實現“黑啟動”方式。目前，印度電廠很多情況下并沒有設置啟動鍋爐，導致沒有額外的輔助蒸汽源，只能通過鍋爐啟動時候的緩慢“悶燒”，當達到輔助蒸汽系統用戶端的參數時，隨即打開此關斷閥，通過主蒸汽管道上接至輔助蒸汽的支路，向輔汽聯箱供汽。

1.1.4 再熱冷段和旁路閥出口管道材料

印方要求再熱冷段和低壓旁路出口管道采用無縫鋼管，并且選擇ASME A106鋼，由于制造工藝的原因，這種薄壁(低壓力等級)大口徑管道成本較高，供貨周期也長，并且剛度較差，在管道的運輸和存放過程中需要增加內撐桿，否則管道容易“塌陷”，管道橢圓度不能保證。經過與印方多次談判，最終決定再熱冷段以及旁路閥出口管道采用國內成熟的ASME A672B70CL32鋼。

1.2 給水系統

印度某電廠給水系統流程如圖2所示。

圖2 給水系統流程Fig.2 Flow diagram of water supply system

1.2.1 除氧器、電動給水泵和高壓加熱器

除氧器為有頭除氧器，運轉層(12.6m)低位布置。合同要求水箱容量為從正常水位到最低水位，儲水量能滿足6 min的BMCR，同時定義正常水位不大于總水箱容量的2/3，最低水位不小于總水箱容量的1/4，按此要求水箱容量為297m3。而國內規程要求從正常水位至出水口為5 min的BMCR，雖然大容量水箱可以防止機組FCB時水位降低過快，水容積快速減少而導致鍋爐給水泵汽蝕，但是在機組的變負荷滑壓運行中，負荷調整速度過慢，影響機組運行的經濟性，經過多次談判協商，最終確定水箱容量為從正常水位至出水口6 min的BMCR，即265m3。實際上，因本工程考慮節省土建成本，除氧器運轉層低位布置造成了印方對水箱容量的疑慮，因此在今后的印度工程中，參考國內常規做法將除氧器布置在20m以上的除氧層，則大大增加了有效汽蝕裕量，此時可以按照國內規程定義除氧器水箱容量。

電動給水泵的設計壓力合同要求，按照1.03倍鍋爐最高安全閥整定壓力(等于鍋爐最高安全閥排放壓力)加上除氧器正常水位到鍋爐汽包正常水位的動靜壓頭，此工況下的設計壓力為22.750 MPa。實際上，鍋爐汽包和過熱器配置了總排放量為107%BMCR的安全閥以及23%BMCR的電磁泄放閥，再加上60%BMCR的汽輪機旁路，鍋爐最高整定壓力的安全閥在機組FCB后并不可能起跳，因此此設計壓力依據并不合理，按照國內規程［7］，選用BMCR工況下省煤器入口給水壓力計算設計壓力更為合理，其結果為20.752 MPa。

本工程合同還要求:給水泵出口的所有管道及加熱器設計壓力按照額定工況下給水泵關閉揚程選擇，則設計壓力達到25.65 MPa。此外，合同還要求高壓加熱器換熱盤管采用無縫鋼管。對比國內規程的要求，關斷閥后的管道和加熱器按泵在額定轉速及設計流量下泵提升壓力的1.1倍與泵進水側壓力之和，此時的設計壓力僅約為23.12 MPa。因為離心泵采用閉泵起動以防止電機過熱，而正常運行切換時也是閉泵起動，因此在任何情況下都不可能出現高壓加熱器處在零流量的給水泵關閉揚程模式下運行，因此在今后同類型工程技術談判中應堅持按國內工程執行。由于電網頻率的不穩定，印方還要求電動給水泵滿足額定頻率(50 Hz)快速降至低頻率(47.5 Hz)運行工況的要求［9］。

1.2.2 高壓加熱器小旁路系統

印方要求高壓加熱器采用小旁路給水系統，即每個加熱器前后及其各自旁路上共配置3臺高壓電動隔離閥，而國內常規工程給水系統采用高加大旁路，僅使用了1套高壓給水三通閥和1個高壓電動隔離閥。相比之下，本工程雖然提高了機組運行的經濟性和靈活性，但同時也提高了高壓閥門和管道的造價。實際上，印度的運行情況較為惡劣，如印度某工程加熱器出現爆管等事故，因此高壓加熱器的小旁路給水系統設置還是合理的。

1.2.3 鍋爐水位調節閥站

印方要求配置2×100%+1×30%調節閥站對鍋爐水位進行調節，還配套6臺高壓電動隔離閥。實際運行中，由于給水泵帶有液力耦合器，在30%負荷以上完全勝任變負荷滑壓運行，并不需要調節閥站任何動作，調節閥都為全開，而在低負荷時，由于調節精度的原因，需要30%旁路調節閥協助調整負荷，因此2×100%的調節閥主路基本沒有作用，不僅大大增加了閥門投資，還增加了管路沿程阻力損失，提高了給水泵選型的設計揚程和管路的設計壓力。由于種種原因，總包方最終同意按合同執行。

1.2.4 高壓給水管道

由于高壓給水的設計壓力提高，管道壁厚選擇相應增加。本工程選用進口管材15NiCuMoNb5－6－4，其規格為φ355.6 mm×30 mm，而國內常規同類型工程選擇同樣材質的φ355.6 mm×28 mm規格，相比之下印度工程增加了管道壁厚和質量，這就大大增加了進口管材投資。

此外，部分印度業主堅持采用A106C材料，由于其許用應力較低，管道壁厚將大大增加，這不利于高壓給水管道的應力計算，甚至管材成本由于管道質量的大幅度增加也高于進口15NiCuMoNb5－6－4管道。例如印度某600MW亞臨界工程，主管道為A106C鋼φ559 mm×62.3 mm，而國內同類型工程則選擇15NiCuMoNb5－6－4鋼 φ457 mm×36 mm的管道。

2 主要設備

2.1 輔助蒸汽系統及二次風機暖風器

對比國內輔助蒸汽系統，印度工程一般不設置啟動鍋爐，因此沒有額外的輔助汽源，只能通過機組的“黑啟動”提供。此外，印度CEA設計導則規定為了防止煙道中排煙溫度低于酸露點溫度，造成煙道腐蝕，建議設計提供暖風器系統［4］，熱源為輔助蒸汽。這是因為鍋爐采用燃燒重油啟動機組時含硫成分較高，容易產生酸腐蝕，或者二次冷風因環境溫度較低時，當其與煙氣換熱時容易使煙氣溫度低于酸露點，因此在這2種情況下都需要增加1套提高二次風溫度的系統，但是以降低換熱效率來實現的。

2.2 凝汽器及真空泵

凝汽器及其抽真空系統是按HEI標準設計［10］。對于凝汽器，其熱負荷除了滿足汽輪機最大出力工況總的排汽量外，還需要滿足汽輪機旁路在“廠用電”工況下的排汽量，同時保證在單邊(單側水箱)運行時仍能維持60%汽機最大連續出力工況(turbine maximum continue rate，TMCR)出力。此外印方對盤管的選擇要求如表1所示。

表1 凝汽器的設計規范要求Tab.1 Design specification for condenser

真空泵為2×100%出力，在HEI標準的選型基礎上，要求保證2臺泵同時運行時，25 min之內達到額定真空。事實上，制造廠在理想狀況下是很難實現這個目標，而這個時間還關系到凝汽器的泄漏系數等因素。在HEI標準中僅要求凝汽器由1個大氣壓降至33.86 kPA的抽吸時間約為30 min，抽出所有的干空氣量［10］。

此外，印方堅持真空泵的出力在滿足HEI標準和啟動抽吸時間外留有10%裕量。而HEI標準選型列表中的干空氣量超過真空泵達到實際背壓時所抽吸的干空氣量的50%［3］，即HEI標準選型已經考慮了100%額外裕量。按照印方的要求，真空泵的軸功率將加大，并不運行在最高效率區中，同時背壓取決于循環水溫度，而不因真空泵出力的增加而降低背壓。由于電網頻率的不穩定，印方還要求真空泵滿足額定頻率(50 Hz)快速降至低頻率(47.5 Hz)運行工況的要求。

2.3 鍋爐5%啟動旁路疏水

本工程鍋爐配置的鍋爐5%啟動旁路疏水設計為疏至定排，這是因為汽輪機提供了不帶汽機旁路高壓缸啟動、帶汽機旁路高中壓缸啟動和帶汽機旁路中壓缸啟動3種方式，而鍋爐5%旁路疏水系統用以加快高壓缸啟動［1］。但從以往國內運行經驗來看，高壓缸啟動時間較長并不經濟，因此機組默認選擇較經濟并且操作較簡單的高中壓缸聯合啟動方式，此時鍋爐的5%旁路疏水運行的機會不多，故其設計疏水至定排，不再設計去凝汽器的支路，從而節省了較長的高壓管路設計。

2.4 管道應力分析

由于印度大部分區域地處地震烈度較高的地方，因此本工程四大管道應力分析時需要考慮地震偶然工況，計算時采用地震加速度法，地震分布按BIS1893－2005第4部分在3區，50年一遇超越概率10%的水平峰值加速度為0.16g。此外，印方還要求管道應力考慮風荷載偶然工況，計算時按印方提供的風玫瑰概率圖和根據電站最高高度選取風速值。

2.5 汽機房行車設計

印度CEA設計導則規定行車選型必須考慮起吊最重件額外增加10%裕量［4］，這里涉及到的最重件在印度工程中和國內一樣都不指發電機定子。但對比國內工程，其發電機定子安裝有2種方式，其中一種是通過汽機房行車采用臨時加固行車鋼梁進行吊裝;而在印度，發電機定子是由專業安裝公司，在廠房A排外和汽輪機基礎上分別設置鋼柱，通過專用行車吊裝定子。因此印度工程中的行車設計僅考慮檢修最大起吊重量的部件即可，同時還需要土建專業對汽輪機基礎是否能承受臨時鋼柱的荷載進行校核。

3 結語

通過在汽水系統和主要設備選型設計方面對印度某工程與國內做法進行詳細對比分析，找到印方技術要求的依據，結合國內成熟的設計和運營經驗以及國際標準，提出各系統選型更為合理的依據，為同類型印度工程設計提供參考。

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