燃氣-蒸汽聯合循環余熱鍋爐吹管工藝及優化

王林，王紅雨，張亞夫，高景輝，孟穎琪

(西安熱工研究院有限公司，西安 710054)

0 引言

燃氣-蒸汽聯合循環熱電廠相比于常規燃煤熱電聯產機組，具有發電熱效率高、灰渣/硫氧化物零排放、氮氧化物超低排放以及節水節能等優點[1-3]，因而獲得越來越多的關注。與燃氣輪機配套使用的余熱鍋爐在正式投用前需進行管路吹掃[4]，然而目前行業內尚無統一的吹管方案。因此，編制適合余熱鍋爐的安全、高效的吹管工藝很有必要[5-6]。

本文以某2×450 MW級燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組的2臺余熱鍋爐為研究對象，探索了三階段蓄能降壓法吹管工藝。針對吹管過程中出現的管道水擊、吹掃時間長、燃料消耗大等問題，通過降低燃機排氣溫度、優化鍋爐升溫速率和及時提高蒸汽參數等措施，實現了吹管工作的安全高效。

1 設備及系統概況

A燃機和B燃機均為國內引進國外技術生產或合作生產的F級重型燃機，燃料為天然氣。

A燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組采用A鍋爐有限公司生產的臥式、無補燃、三壓、一次再熱、自然循環余熱鍋爐，尾部包括脫硝裝置。燃氣輪機的排氣經進口煙道進入余熱鍋爐，與各級受熱面進行熱量交換后，經過脫硝模塊脫除煙氣中的氮氧化物，最后由出口煙道進入煙囪，排入大氣。

B燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組采用B鍋爐廠有限責任公司設計制造的同類型余熱鍋爐。其脫硝裝置后的受熱面布置順序與A鍋爐略有不同。

鍋爐汽水系統均包括高壓、中壓和低壓系統三部分，三個汽包。高壓過熱蒸汽進入汽輪機高壓缸做功。中壓過熱蒸汽與高壓缸排汽在冷再入口混合后進入再熱器，再熱蒸汽進入中壓缸做功。低壓系統包含除氧器。低壓過熱蒸汽在低壓缸入口與中壓缸排汽混合后進入低壓缸做功(純凝方式)或送至供熱首站(供熱方式)。余熱鍋爐主要設計參數見表1。

表1 余熱鍋爐主要設計參數

2 吹管的范圍、方法、參數

2.1 吹管范圍

余熱鍋爐吹管范圍包括：高壓過熱器及蒸汽管道、高壓旁路；中壓過熱器及蒸汽管道；再熱器及冷段、熱段再熱蒸汽管道；低壓過熱器及蒸汽管道。

2.2 吹洗方法

本工程2臺余熱鍋爐均為三壓汽包鍋爐，利用燃機空負荷(3 000 r/min、未并網)時的自產蒸汽進行管路吹掃。蒸汽吹掃管路有穩壓法和降壓法兩種。鑒于現場制水能力有限，且鍋爐管路相對簡單，

最終選擇蓄能降壓法作為吹掃方法。

余熱鍋爐管路系統包括高、中、低壓三部分。為提高效率，確保吹掃質量，確定三階段對不同壓力系統分別進行吹掃，最終獨立打靶驗收。

2.3 吹洗參數

根據DL/T 1269-2013《火力發電建設工程機組蒸汽吹管導則》，為定量描述管道蒸汽吹掃效果，引入吹管系數作為評價指標。工程應用中，將蒸汽動量比簡化為管段壓降比，

(1)

式中：K為吹管系數，G、Gm分別為吹掃工況和BMCR(鍋爐最大出力)工況下的蒸汽流量， t/h；C、Cm分別為兩工況下蒸汽的比容， m3/kg；Δp、Δpm則是兩工況下同一吹洗管段的壓降， MPa。

根據電廠《吹管導則》，采用降壓法吹管K不小于1.4，對高、中、低壓臨吹門開關時的汽包壓力參數進行計算，

P=ΔP1+K×(ΔP2+ΔP3+ΔP4)+ΔP5，

(2)

式中：P為臨吹門開啟時的汽包壓力；ΔP1為汽包壓力在吹管過程中的下降值，ΔP2為過熱器系統阻力，ΔP3為再熱器系統阻力，ΔP4為其余蒸汽管道阻力，ΔP5為排汽壓損。A鍋爐吹管參數見表2。

表2 A鍋爐吹管參數(K=1.4) MPa

將表(2)參數代入式(2)，A鍋爐蒸汽吹掃開門壓力：高壓系統壓降約為3.94 MPa；中壓系統壓降約為1.82 MPa；低壓系統壓降約為0.65 MPa。

B鍋爐吹管參數見表3。

表3 B鍋爐吹管參數(K=1.4) MPa

將表(3)參數代入式(2)，B鍋爐蒸汽吹掃開門壓力：高壓系統壓降約為4.52 MPa；中壓系統壓降約為1.95 MPa；低壓系統壓降約為0.72 MPa。

實際操作中，需進行3次試吹，根據實際情況修正計算值，最終確定合理的臨吹門控制參數。

3 余熱鍋爐吹管流程

兩臺余熱鍋爐的汽水流程基本相同，吹管采用的流程亦相同。高壓過熱器、中壓過熱器并聯，在冷再管道出口加裝集粒器和再熱器串聯吹洗(一步法)。高、中壓與低壓系統參數不同、管道材質不同，吹管的臨時管道需要分開布置。按吹管內容，劃分為三個階段，即高、中壓系統聯合吹掃、低壓系統獨立吹掃、高壓旁路系統吹掃。高、中壓系統與低壓系統分開吹管，各自獨立打靶驗收。

(1)高、中壓過熱器，再熱器及其蒸汽管道的吹洗流程如圖1所示。

圖1 高、中壓系統吹洗流程

(2)低壓過熱器及其蒸汽管道的吹洗流程如圖2所示。關閉低壓蒸汽管道隔離閥，低壓過熱器出口的過熱蒸汽經過低壓旁路管道。

圖2 低壓系統吹洗流程

(3)高壓旁路的吹洗在整個流程中穿插進行，如圖3所示。

圖3 高壓旁路吹洗流程

4 吹管過程

本工程2臺余熱鍋爐吹管分三個階段，相鄰兩階段間余熱鍋爐的冷卻時間大于12 h。停機期間安排余熱鍋爐帶壓放水，清理集粒器。采用白天吹管，晚上停機的方式。

選取A鍋爐高、中、低壓系統典型吹管過程，其主要參數見表4、表5。

用壓降法計算A鍋爐吹管系數，高壓過熱器吹管系數1.6～1.8，中壓過熱器吹管系數2.4～2.7，再熱器吹管系數2.0，低壓過熱器吹管系數1.8～1.9。吹管系數均大于1.4，保證了各蒸汽系統的吹洗效果。

表4 A鍋爐高壓系統吹掃記錄

表5 A鍋爐中壓和低壓系統吹掃記錄

表6 B鍋爐中壓系統吹掃記錄

表7 B鍋爐高壓和低壓系統吹掃記錄

選取B鍋爐高、中、低壓系統典型吹管過程，其主要參數如表6、7所示。

用壓降法計算B鍋爐吹管系數，高壓過熱器吹管系數1.8～2.1，中壓過熱器吹管系數2.4～2.5，再熱器吹管系數2.6～2.8，低壓過熱器吹管系數1.9～2.1。保證了各蒸汽系統的吹洗效果。

5 吹管優化

5.1 控制升溫速率，避免管路水擊

燃機高盤吹掃結束后，由點火到定速3 000 r/min的時間很短，不同廠家設置的時間不同，定速時排氣溫度設定值也不同。A燃機在710 r/min進行高盤吹掃，轉速降至420 r/min時點火，轉速升至3 000 r/min約10 min，排氣溫度設定值為430 ℃。A燃機第一次點火升速時，余熱鍋爐管道發生水擊，燃機被迫打閘。A燃機第一次點火后升溫升壓速率極快。A燃機空負荷時排氣溫度調節范圍為360 ℃～430 ℃，經與燃機廠家溝通，第二次點火時將排氣溫度按下限360 ℃控制并在第二次點火前徹底疏水，余熱鍋爐升溫升壓過程順利。

為使啟動過程順利及安全，燃機第一次點火時排氣溫度建議按設定值的下限控制。由于燃機由點火到定速時間很短，盡管將排氣溫度設定按下限控制，以避免水擊，余熱鍋爐點火前仍須確認已徹底疏水。

5.2 對比蒸汽參數與燃料消耗

B余熱鍋爐高壓過熱器和再熱器系統蒸汽吹洗，高壓汽包壓力4.6～5.3 MPa時開臨時門，約9分鐘一次，低壓過熱器蒸汽吹洗約7分鐘一次；A余熱鍋爐高壓過熱器和再熱器蒸汽吹洗，高壓汽包壓力3.7～4.0 MPa時開臨時門，約13分鐘一次，低壓過熱器蒸汽吹洗約13分鐘一次。吹洗過程中B余熱鍋爐蒸汽溫度較A余熱鍋爐的高。3 000 r/min時，A燃機燃料消耗量21 000 Nm3/h，燃料低位熱值33.8 MJ/Nm3，輸入熱量709.8 GJ/h；B燃機燃料消耗量17 000 Nm3/h，低位熱值36 MJ/Nm3，輸入熱量612 GJ/h。A燃機輸入熱量比B燃機大。

由于2臺燃機邏輯設置的排氣溫度、為控制排氣溫度摻入的冷風量和能源利用效率不同，對余熱鍋爐吹管效果的影響也不同(A余熱鍋爐高壓系統共吹洗229次，B余熱鍋爐高壓系統共吹洗102次)。吹管期間，B燃氣機組蒸汽參數高，吹洗次數少，消耗燃料及工時少，因此能源利用效率比A燃機高。燃機定速及吹管過程正常后，應逐步提高燃機排氣溫度，從而提高蒸汽溫度，提高吹管效率。

6 打靶檢驗結果

本工程A余熱鍋爐高壓系統共吹洗229次，中壓系統吹洗229次，低壓系統吹洗172次，穿插進行高壓旁路吹洗；B余熱鍋爐高壓系統共吹洗102次，中壓系統吹洗54次，低壓系統吹洗91次，穿插進行高壓旁路吹洗。通過實際打靶檢驗，瘢痕數量小于3點、直徑均小于0.5 mm，吹掃質量優良。

7 結束語

本文以燃氣-蒸汽聯合循環余熱鍋爐為研究對象，提出并成功實踐了一種三階段蓄能降壓法吹管工藝，針對吹管過程中出現的管路水擊、燃料工時消耗大問題，提出降低燃氣輪機排氣溫度，優化余熱鍋爐升溫速率以及正式吹管前迅速提高排煙溫度等措施，取得了較好的效果，實際靶板檢驗結果優良，相關經驗對后續同類機組具有工程參考價值。