新疆某供熱機組鍋爐沖管節水節能措施分析

熊建國，韓高巖，楊利平，呂洪坤，李 劍，孫五一

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.浙能阿克蘇熱電有限公司， 新疆 阿克蘇 843000；3.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310014）

0 引言

在我國新疆地區，水資源分布不均，南疆水資源匱乏，而燃煤發電廠在調試期間用水耗能較大[1]，據調試經驗，配有爐水循環泵的百萬機組在沖管期間所消耗除鹽水量高達約4萬t、耗煤量約2 000 t，而無爐水循環泵機組在沖管期間因無法回收大部分熱態工質，造成大量工質和能量的浪費，使消耗的除鹽水及煤量更大[2-3]。在南疆缺水地區，除鹽水供應不足已成為機組鍋爐沖管順利進行的制約因素，而我國對于沖管的研究主要在于大容量機組沖管經驗介紹、不同沖管方式對比及沖管安全性等方面，對于鍋爐沖管節水節能方面的探討卻不多[4-6]。我國現階段對火電建設提出一系列限制政策，但《電力發展十三五規劃（2016—2020 年）》中指出“十三五”期間投產機組容量仍有約2億kW，新建機組鍋爐沖管節水節能仍有一定空間。

1 沖管原理及機組鍋爐簡介

1.1 沖管的基本原理

鍋爐沖管是通過高溫蒸汽的沖刷力，將蒸汽管道中的鐵銹、殘留垃圾、塵土等雜物帶出，從而保證后期進入汽輪機的蒸汽品質合格。鍋爐在沖管過程中，當沖管系數大于1時，沖管才有效果。在實際沖管過程中參考的是過熱器和再熱器的壓降比，當壓降比大于1.4時，沖管是有效的。沖管系數和壓降比的定義如式（1）和（2）所示，沖管達一定次數后，在管道中放入靶板來檢驗沖洗管道的潔凈度是否合格[7]。

式中：k為沖管系數；G為吹管工況蒸汽流量；v為吹管工況蒸汽比體積；G0為鍋爐最大連續蒸發量時的蒸汽流量；v0為鍋爐最大連續蒸發量時的比體積。

式中：β為壓降比；ΔP沖為吹管工況某區段流動壓降；ΔPBMCR為鍋爐最大出力工況下該區段流動壓降。

1.2 機組爐側簡介

新疆某發電廠供熱機組鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產的350 MW等級超臨界變壓運行螺旋管圈直流爐，是單爐膛、一次再熱、四角切圓燃燒、平衡通風、緊身封閉、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型鍋爐，型號為SG-1173/25.5-M4418。爐膛由下部的螺旋膜式水冷壁和上部的垂直膜式水冷壁構成。該鍋爐配有不帶啟動循環泵的內置式啟動系統，啟動分離器及儲水箱均布置在爐前。鍋爐采用中速磨冷一次風機直吹式制粉系統，配有5臺ZGM95型中速磨煤機，在A/B層燃燒器處裝有2層微油槍。鍋爐的主要設計參數如表1所示。

表1 鍋爐主要設計參數

2 沖管過程節水節能措施

2.1 加強水質檢測，及時回收工質

該發電廠機組汽水主要流程如圖1所示，沖管時期鍋爐首先進行冷態沖洗，在集水箱水質含鐵量較大時，給水經由省煤器、水冷壁、汽水分離器、儲水箱及集水箱排污至廢水池中，水質符合要求后通過啟動疏水泵回收至排氣裝置[8]。在新疆供熱機組沖管時期，為節約除鹽水，在冷態沖洗階段增加集水箱水質檢測頻率，根據DL/T 1076-2017《火力發電廠化學調試導則》要求，當水質中含鐵量低于1 000 μg/L時立即通過疏水泵回收儲水箱排水，通過化學精處理來過濾水中含鐵，進而減少除鹽水浪費。

圖1 機組汽水主要流程

當水質中含鐵量小于100 μg/L時，鍋爐冷態沖洗結束，點火進入熱態沖洗。鍋爐熱態沖洗時要求分離器出口溫度在150~190℃。由圖1可知，熱態沖洗時，該供熱機組由于無爐水循環泵，含熱工質只能通過疏水泵向排氣裝置進行回收。由于此時汽輪機還未進入進汽階段，并且化學精處理投運要求凝結水溫度低于65℃，因此只能回收小部分熱態工質，大部分工質和熱量只能直接排至廢水池，造成了浪費。為增大熱態外排工質回收比例，該供熱機組在熱態沖洗階段控制分離器出口溫度在160℃，盡可能通過疏水泵回收熱態工質，同時控制精處理進口凝結水溫度低于60℃。為了盡量降低分離器出口溫度，首先應減少大氣擴容器中熱態工質的對空排放，其次可增加外排熱態工質的回收比例。經調試工況對比，當分離器出口和凝結水溫度分別為160℃和60℃時，較溫度為190℃和55℃時可多回收約25%的外排熱態工質。

2.2 選擇沖管方式，優化沖管參數

機組鍋爐穩態沖管所需供水量較大，由于除鹽水供應不足，無爐水循環泵的機組無法對熱態水質全部回收，進而造成除鹽水和熱量浪費[9-11]。因此本機組采用主、再熱管道串聯一步法來降壓沖管，沖管流程如圖2所示。

圖2 機組的沖管流程

沖管分三步：第一步，降壓串沖主再熱蒸汽系統30次，停爐12 h以上；第二步，鍋爐重新點火升溫升壓，繼續對主再熱蒸汽系統串沖30次，安排停爐12 h以上；第三步，鍋爐再次點火升溫升壓，繼續串沖主再熱蒸汽管道至打靶合格。

為了減少沖管耗水耗能，剩余小段高旁管道采用人工清理方式，另外調整沖管參數，盡量減少鍋爐沖管次數。降壓沖管時，在保證管道一定安全余量下可適當提高蓄能壓力。機組鍋爐沖管過程中，蓄能壓力和主再熱器最大壓降比關系如圖3所示。由圖3可知，提高蓄能壓力可有效提高主再熱器最大壓降比，同時延長每次有效沖管時間。鍋爐沖管設施規格要求如表2所示，考慮到臨時管道規格及保有一定安全余量等要求，沖管期間將蓄能壓力提高至7.0 MPa，主再熱蒸汽壓降比也分別提高到1.67和2.14，增強了每次沖管效果，減少沖管次數。

圖3 最大壓降比與蓄能壓力關系

臨沖門的開關時間也影響每次沖管效果，沖管臨沖門1和2開到位時間分別為46 s和50 s，在蓄能壓力相等時，使用臨沖門1和臨沖門2沖管時的過熱器壓降比曲線對照如圖4所示，使用臨沖門1比使用臨沖門2的最大過熱器壓降比提高了約0.08，且有效沖管時間幾乎相同。因此，沖管過程中優先選用開關時間短的臨沖門。

表2 沖管臨時設施的規格要求

圖4 不同臨沖門過熱器壓降比

綜上所述，在管道設備安全裕度內，增大蓄能壓力、選用開關時間短的臨沖門等措施均可提高沖管系數，進而減少沖管次數，從而實現節水節能的目的。

2.3 調整機組運行參數

2.3.1 適當降低給水流量

鍋爐在設計時，為了在低負荷運行狀態下，防止水動力不穩定，規定其最小給水流量不低于最大給水流量的30%。在調試沖管期間，為節約除鹽水可適當降低給水流量，但需同時注意監視水冷壁溫度有無異常，進而調整給水流量。由于水冷壁溫度是在水冷壁上等間距測定的，因此在監視水冷壁溫度時，要較規定溫度報警值留有一定余量[12-13]。

該供熱鍋爐規定的最小給水流量為331 t/h，在沖管期間，為減少對除鹽水的消耗，降低了最小給水流量。在沖管蓄壓時流量降低為約150 t/h，垂直段水冷壁和螺旋水冷壁最大壁溫點最大值約為286℃和281℃，遠低于水冷壁報警溫度493℃，末級過熱器和末級再熱器最大壁溫點最大值也遠低于溫度報警值，主汽溫度和煙溫也都分別低于安全要求值420℃和520℃。沖管穩定期間的給水流量、儲水箱下降管流量、各管壁區域最大溫度點及主蒸汽溫度變化如圖5所示。可見，在沖管過程中，降低給水流量時，運行并無異常情況，而降低給水流量是減少除鹽水消耗的有效措施。

圖5 沖管時部分參數變化曲線

此外，給煤量一定而給水流量降低時，給水的蒸發量會增加，減少熱態工質的外排，減少了工質和熱量的浪費。在新疆機組沖管時期，凝結水補水溫度為19℃，下降管水溫約為277℃，控制凝結水溫度約60℃，可回收熱態工質約25 t/h，有小部分的熱態工質排至廢水儲存池。

2.3.2 燃燒調整

在沖管期間，考慮到盡量產出更多的蒸汽，應投用下層磨煤機，同時提高分離器轉速，適當減少底部二次風量，并且當各金屬壁溫、主汽溫度和爐膛出口煙溫在安全范圍內時可適當增大給煤量。機組在沖管期間投用底層A磨煤機，煤量20 t/h、一次風量約54 t/h、總風量約460 t/h、分離器轉速頻率為28 Hz。投用下層磨煤機，同時適當增大旋轉分離器轉速以及減少底部二次風量時，可使火焰中心下移，同時提高火焰溫度，進而水冷壁吸收較多熱量，產生更多的蒸汽，減少工質的外排量。提高給煤量，可增大蒸發量，提高蒸汽溫度，也會一定程度提高沖管系數，但在增加給煤量時，為了防止再熱器干燒嚴重，應控制爐膛出口煙溫低于520℃，并且考慮到沖管設施的規格要求，應控制蒸汽溫度不超過420℃。

3 其他措施

針對新疆無爐水循環泵啟動系統的機組，可在啟動疏水泵出口增加通往除氧器的管路。在沖管期間，當外排熱態工質含鐵量小于100 μg/L時，可通過此管路將熱態工質直接全部回收至除氧器，減少工質和熱量浪費。

為了減少沖管期間的耗水耗能，在管道安裝施工階段，也要注意保持管內的清潔，清理遺留在管道內的泥沙、氧化皮等雜物。此外，還可采取在沖管第一、二階段中間時段加氧沖管，使氧氣充分發揮疏松管壁附著物作用，并在沖刷干凈的金屬壁上形成氧化保護膜，進而減少沖管次數，達到節能節水效果[14-16]。

4 結論

綜上所述，針對新疆無爐水循環泵啟動系統的機組，在鍋爐沖管階段，可采取以下措施，以達到節能節水的目的。

（1）在鍋爐冷態水沖洗階段，提高集水箱水質檢測頻率，在集水箱水質含鐵量小于1 000 μg/L后及時回收工質。在熱態沖洗階段，在要求范圍內，降低分離器出口溫度，提高凝結水溫度，盡量多回收熱態工質。

（2）在沖管期間，在安全裕度內可提高蓄能壓力，選用開關時間短的臨沖門。

（3）在沖管時，對于350 MW無爐水循環泵機組可通過減少鍋爐蓄能期間給水流量至約160 t/h，啟用下層磨煤機、增大分離器轉速、減少底部二次風量等措施實現節水節能。

（4）對于無爐水循環泵啟動系統，建議增加啟動疏水泵出口去往除氧器管路，從而在熱態水沖洗水質合格后直接全部回收外排熱態工質。

[1]吳業鵬，袁汝華.絲綢之路經濟帶背景水資源與經濟社會協調性評價[J].水資源保護，2016，32（4）∶60-66.

[2]吳豫新，李世杰.660 MW超超臨界機組無爐水循環泵啟動方案及分析[J].電力建設，2011，32（1）∶83-85.

[3]崔國華，厲富超.1 000 MW超超臨界鍋爐不帶爐水循環泵的沖管方式[J].江蘇電機工程，2014，33（3）∶72-74.

[4]趙星海，鄭明秀，魏春明，等.電廠沖管對汽水管道系統的安全性影響[J].鍋爐技術，2009，40（4）∶21-23.

[5]陳有福，陶謙，管詩駢，等.1 000 MW二次再熱示范機組降壓沖管研究[J].中國電力，2016，49（11）∶112-118.

[6]陳志兵，黃磊，魯松林.600 MW超臨界壓力直流鍋爐機組投粉穩壓沖管[J].中國電力，2006，39（1）∶68-71.

[7]國家能源局.火力發電建設工程機組蒸汽吹管導則：DL/T 1269-2013[S].北京：中國電力出版社，2013.

[8]李彥猛，許五洲.600 MW超臨界直流鍋爐不投運鍋爐循環泵啟動控制[J].浙江電力，2010，29（10）∶32-35.

[9]華國鈞，李文華，王磊，等.1 050 MW直流鍋爐穩壓沖管[J].電站系統工程，2016，32（6）∶43-45.

[10]陳有福，陶謙，管詩駢，等.穩壓沖管在國內首型百萬超超臨界二次再熱鍋爐上的應用[J].鍋爐技術，2017，48（1）∶56-61.

[11]陳志兵，張海潮，花茂來.鎮江發電廠600 MW超臨界鍋爐穩壓沖管參數分析[J].熱能動力工程，2005，20（6）∶639-642.

[12]胡永祥.超臨界直流爐沖管啟動過程中的汽溫控制[J].科技信息，2009，21∶329-330.

[13]徐小瓊，潘國清.1 000 MW機組超超臨界塔式鍋爐調試[J].浙江電力，2010，29（5）∶35-38.

[14]王岳華.如何減少鍋爐蒸汽沖管的次數[J].湖北電力，2001，25（3）∶48-49.

[15]黃煦.基于綜合成本煤耗率最小的循環水系統優化運行[J].廣東電力，2017，30（9）∶41-44.

[16]孫新強，張云.用投粉加氧方式進行鍋爐吹管[J].電力建設，2008，29（11）∶56-58.

[17]單宏威，張丹，王學關.1 000 MW超超臨界鍋爐沖管臨時管道設計探討[J].電力建設，2011，32（6）∶114-117.