超超臨界垂直管屏直流鍋爐無爐水泵啟動實踐

陳 銘，陳 田，張海軍

（深能合和電力（河源）有限公司，廣東 河源 517025）

0 引言

超超臨界直流鍋爐啟動階段參數(shù)控制難度較大，一般設計有爐水循環(huán)泵（簡稱爐水泵）的啟動系統(tǒng)，以兼顧安全和經(jīng)濟性[1-2]。垂直管屏水冷壁鍋爐由于給水流量的分配條件更差，無爐水泵啟動操作存在水冷壁超溫等風險[3-4]。袁遠望[5]研究了1 000 MW機組啟動中汽水分離器水位控制，馬曉瓏[6]研究了大型直流鍋爐取消爐水泵的可行性，提出需著重解決系統(tǒng)補排水平衡問題。國內(nèi)已有一些大型直流鍋爐實現(xiàn)了無爐循泵啟動[7-13]，積累了很多經(jīng)驗，但都因鍋爐結構、點火方式等方面有所區(qū)別，很難直接借鑒。

某發(fā)電廠C修結束后的啟動過程中，爐水泵突發(fā)故障經(jīng)評估只能等待返廠檢修，在深入分析并嚴格控制了各項風險后，首次成功實施了超超臨界垂直管屏直流鍋爐無爐水泵啟動。并采用陳銘等[14]研究的帶爐水泵的直流鍋爐全負荷脫硝技術，進行無爐水泵啟動方式的環(huán)保影響評估，結合趙峰等[15]研究成果，可對鍋爐疏水回收系統(tǒng)進行改進，進一步優(yōu)化無爐水泵啟動。

1 設備概況

該發(fā)電廠一期2×600 MW鍋爐采用哈鍋供貨的超超臨界變壓運行直流鍋爐，爐膛采用內(nèi)螺紋管、垂直上升膜式水冷壁、爐循泵啟動系統(tǒng)。爐水泵為德國KSB公司制造的濕式馬達爐水循環(huán)泵，型號為LUVAk200-330，它不僅保障機組在啟動過程中水冷壁安全運行所需的最小流量，還可有效回收工質熱量，提高鍋爐啟動效率，當鍋爐由濕態(tài)轉入干態(tài)運行后，爐水泵即退出，實現(xiàn)鍋爐直流運行。

某日，1號機組爐水泵推力盤發(fā)生損壞，現(xiàn)場已無法處理，若返廠檢修，需7天以上檢修工期。經(jīng)充分準備和精細操作，該廠成功實施無爐水泵啟動，全過程參數(shù)控制良好，總耗時5 h 21 min。

2 無爐水泵機組啟動關鍵技術難點研究

爐水泵的作用是在確保水冷壁最小流量的前提下，盡量回收工質減少損失，鍋爐要在無爐水泵運行的情況下安全啟動，須滿足如下條件。

2.1 系統(tǒng)補排水量必須平衡

水冷壁設計最小流量為450 t/h，啟動初期基本全部外排，而設計除鹽水補充量有400 t/h，缺口不大，且鍋爐已完成熱態(tài)沖洗水質合格，排水可回收凝汽器（疏水管設計流量250 t/h）。由于爐水回收至凝汽器熱井較低處，大量熱水回收將帶來凝汽器水溫上升，當高于50℃時精處理無法投運，需通過調(diào)整部分回收部分外排的方式，保證系統(tǒng)水質的同時使系統(tǒng)補排水保持平衡。

2.2 水冷壁安全必須可控

按照當時汽機調(diào)節(jié)級280℃推算，合適的主汽溫度為350～480℃，鍋爐大量排水將導致蒸發(fā)量同比減小，過熱汽溫容易偏高甚至超溫，而汽壓則難以提升。適當降低啟動初期的給水流量，機組外排熱水量降低，蒸發(fā)量提高，將極大地改善蒸汽參數(shù)控制難度。由于該廠鍋爐采用等離子點火，初始煤量不能低于16 t/h，降低給水流量必須保證水冷壁安全。

鍋爐水冷壁每個節(jié)流孔圈對應水冷壁管均設置有壁溫測點，降低給水流量后，通過全面實時監(jiān)控壁溫情況，可確保水冷壁安全可控，且水冷壁設計最小流量有一定余量，經(jīng)商定在啟動初期將給水流量控制在350～400 t/h（跳閘保護定值為291 t/h），結合水冷壁溫實時監(jiān)控，水冷壁溫安全可控。

2.3 汽機沖轉蒸汽參數(shù)可適當調(diào)整

無爐水泵啟動工況，由于蒸發(fā)區(qū)蓄熱困難，汽壓預計提升速率較慢難以匹配，為使沖轉參數(shù)控制在合理范圍，考慮將沖轉汽壓下限設為6 MPa，根據(jù)蒸汽溫度情況再定。汽壓一定程度下調(diào)后，汽機沖轉過程需要的蒸汽量會有所上升，更有利于暖機過程，經(jīng)專業(yè)評估風險可控。

另外，還需除氧器提供高溫給水，汽機高、低壓加熱器需隨機啟動，以最大程度地提高鍋爐蒸發(fā)量。依托于鄰爐加熱項目經(jīng)驗，提高給水溫度可滿足要求。

2.4 鍋爐貯水箱水位控制必須可靠

貯水箱是鍋爐汽水分界點，當有爐水泵時可通過高效地調(diào)整爐水循環(huán)量減少外排，精準控制液位的WDC（分離器疏水調(diào)節(jié)閥）工作條件相對較好，而無爐水泵啟動時只能通過WDC閥大幅頻繁地調(diào)整，控制大量熱水排放，過熱器進水的風險加大，且高壓熱水排放是個泄壓過程，長期的汽液兩相流造成管道系統(tǒng)振動加大，一旦WDC閥故障（一用一備），水位失控將只能停爐。為此必須協(xié)調(diào)充足的檢修力量，隨時排除異常，確保水位控制可控。

2.5 應急技術支援必須到位

各部門及相關專業(yè)必須及時安排經(jīng)驗充足的技術人員現(xiàn)場支援，確保機組啟動過程中遇到其他故障能夠得到快速的處理。

3 無爐水泵機組啟動過程

某日22:12，1號爐重新點火；次日01:46汽機沖轉；02:39并網(wǎng)；03:55負荷達到220 MW，機組無爐水泵啟動成功，整個過程鍋爐運行狀態(tài)良好，蒸汽參數(shù)達到機組正常啟動要求（見圖1和表1），干濕態(tài)轉換過程控制到位。

圖1 無爐循泵啟動主要參數(shù)運行趨勢

3.1 給水控制

整個給水控制必須在保證鍋爐水動力安全的情況下，盡可能收小，這樣不僅能夠加大蒸發(fā)量，還能減少初期大量熱水排放，確保系統(tǒng)補排水平衡，同時還要專人不斷監(jiān)控水冷壁溫測點，正常情況下所有壁溫測點偏差不超過20℃，當有偏差值超標情況，立即增加給水量進行調(diào)控。

當鍋爐風機啟動正常，磨煤機暖磨完成后，將給水調(diào)整至400 t/h，鍋爐點火成功，至此鍋爐開始進入最困難的初期階段。此時鍋爐大量熱水排放，幾乎沒有產(chǎn)汽能力，疏水泵回收能力不足以全部回收熱水，因此決定繼續(xù)逐步下調(diào)給水流量至380 t/h。當維持半小時后發(fā)現(xiàn)，鍋爐升壓速率達到0.5 MPa/min，升溫速率為1.5℃/min，滿足系統(tǒng)需求。給水流量繼續(xù)保持380 t/h，汽機沖轉開始逐步增加至420 t/h，并網(wǎng)后增至510 t/h，鍋爐轉態(tài)后調(diào)整至650～700 t/h并逐步調(diào)整至正常運行狀態(tài)（如圖1所示）。

3.2 燃料量控制

鍋爐采用等離子點火，初期熱負荷相對更加集中，且要保證可靠穩(wěn)燃，煤量一般不低于18 t/h。本次鍋爐點火成功后，煤量在17.7 t/h保持半小時后，升溫升壓速率開始緩慢下降，以此為依據(jù)，不斷緩慢增加燃料，至沖轉前增加至35 t/h，與有爐水泵正常啟機過程基本相當。

并網(wǎng)階段，隨著第2臺磨的投入，燃料量迅速加大至60～65 t/h，配合給水的調(diào)整，使負荷穩(wěn)定在100 MW，開始初始負荷暖機半小時。隨之進行轉態(tài)，啟動第3臺磨，燃料量逐步快速加大至95～100 t/h，使鍋爐快速通過不穩(wěn)定區(qū)，進入干態(tài)運行。

整個過程中燃料量必須結合目標負荷準確預測，嚴格控制調(diào)整速率和幅度，作為水煤比的控制主線，燃料量要盡可能穩(wěn)定。檢修人員現(xiàn)場隨時待命，及時處理原煤倉堵煤，磨煤機風門不到位等故障。

3.3 蒸汽參數(shù)控制

無爐水泵啟動過程，由于爐水排放量大，在同樣燃料量下熱損失大，鍋爐蒸發(fā)量低，同時過熱汽溫容易偏高，因此必須在提高給水溫度、降低給水流量、合理控制煤水比這幾方面充分考慮。

由于有鄰爐加熱的充足經(jīng)驗，此次啟動過程給水溫度穩(wěn)定控制在140℃以上，且隨機啟動高低加，為鍋爐升壓速率的合格提供了極大的有利條件。另外在汽機沖轉前給水流量長期穩(wěn)定在380 t/h的較低值，減少排放150 t/h以上，也使得蒸汽參數(shù)合理控制更加可行。經(jīng)過多方面效果疊加，鍋爐最終順利達到8.5 MPa，434℃的良好參數(shù)，并未實施降壓沖轉。

3.4 補排水平衡控制

由圖1可知，在點火初期曾發(fā)生補水量很大（200 t/h滿量程），補排水不平衡的情況，凝補水箱液位20 min下降了2.3 m（共7 m），很快就可能打空水箱造成機組失去真空跳閘。幸而當時及時發(fā)現(xiàn)了此情況，迅速排查發(fā)現(xiàn)為鍋爐疏擴減溫水用量過大（經(jīng)推算超過300 t/h），而鍋爐疏水泵回收水的能力不足，造成過量水外排。經(jīng)調(diào)整該減溫水用量后險情消失，補排水重新回到平衡。

另外，鍋爐熱水回收量大約250 t/h（另有100 t/h熱水外排至廢水處理系統(tǒng)），實際耗水約350 t/h，凝汽器維持了100 t/h的冷水補充，加上提前開啟凝汽器疏擴減溫水，以盡量提高凝汽器冷卻效果，機組啟動全程精處理入口凝結水溫都低于41℃，精處理投入正常，確保了整個過程水質良好。

3.5 鍋爐貯水箱液位控制

表1 圖1中各曲線說明

為了確保水位控制余量更大，熱控人員提前將WDC閥液位設定由9 m下調(diào)至6 m，實際液位控制在5 m左右，以降低水位波動風險。另外，為了更快捷地排除可能故障，提前在WDC閥現(xiàn)場做好搭腳手架等輔助工作。

第3日00:28，處于備用狀態(tài)的A WDC閥突然從0自動開啟至100%，當時僅剩B WDC閥可用，水位控制風險大大提高。在退出A WDC閥后，立即對其進行檢查，發(fā)現(xiàn)由于現(xiàn)場高頻振動較大，控制電纜與支架被振斷。因提前做好事故預想，故障僅用30 min即排除?，F(xiàn)場又對B WDC閥相關附件進行加固，此后設備均可靠運行，液位控制難題得以保障。

4 無爐水泵機組啟動時需注意的問題

該次無爐循泵啟動事件是在鍋爐已完成熱態(tài)沖洗和升溫升壓、汽機完成一次沖轉暖機的前提下進行的，整個過程相比常規(guī)啟動要短，蒸汽參數(shù)要求略低，且期間還遇到很多延伸問題需解決?？紤]技術的適應性，還有以下幾個方面值得探討：

4.1 熱態(tài)沖洗

若冷態(tài)啟動，鍋爐需在分離器入口水溫150～170℃的條件下維持，以達到熱態(tài)沖洗的最佳效果，常規(guī)啟動有爐水泵的存在，可以控制合適的爐水循環(huán)量和燃料量，保持水溫的穩(wěn)定，而無爐水泵機組啟動時，則要轉變思路，通過以下策略來調(diào)整：

（1）提前利用鄰爐加熱進行初沖洗，確保水質達到較好水平再點火。

（2）點火后根據(jù)分離器入口水溫情況，適當增大給水流量，并盡量減小燃料量，調(diào)整水溫合適。

（3）熱態(tài)沖洗結束后可停爐降溫。若熱態(tài)沖洗時間過長，過熱蒸汽溫度可能過高，若沖洗完成直接開始升溫升壓，汽溫有可能超標，通過短時停爐并保持通風冷卻一段時間，待汽溫下降至可控水平后再重新點火進行升溫升壓，并根據(jù)情況選擇合適的沖轉蒸汽參數(shù)。

4.2 爐水泵熱爐隔離

由于此次爐水泵故障時，機組已達到汽機3 000 r/min定速狀態(tài)，爐側本體蓄熱已達到較高水平，爐循泵隔離非常困難。對鍋爐進行帶壓放水后，如果爐水泵管道長時間有熱汽，而除氧器來的給水溫度依然在150℃以上，需要對除氧器水進行整體置換，效率很低，而且重新對鍋爐上冷水，受熱面將進行一次不均勻降溫過程，對水冷壁橫向裂紋治理非常不利。

經(jīng)深入分析系統(tǒng)情況后，創(chuàng)新性地提出，用爐水泵注入冷水，通過馬達腔室反注入啟動系統(tǒng)管道和入口電動門上部進行余熱局部冷卻，在確保冷水漫過電動門入口管道上方10 m以上后，關閉入口電動門，經(jīng)隔離后即使有少量內(nèi)漏，水溫也不會威脅設備和人員安全。有了此次經(jīng)驗后，第2次隔離爐循泵，水冷壁和省煤器均未放水，縮短啟動時間8 h以上。

4.3 爐水回收可深度優(yōu)化

當前系統(tǒng)設計為爐水可回收至凝汽器，但管道設計回收量僅250 t/h，且余熱也無法回收，啟動損失偏大。正常運行期間超凈排放疏水、吹灰系統(tǒng)暖管疏水等均有條件回收至除氧器或低加，以更大程度的回收工質和余熱。

5 應用效果分析

此次1號機組無爐水泵機組啟動各方面都遠好于預期，可通過與常規(guī)啟動過程對比來初步評估效果（見表2）。

表2 無爐水泵啟動與常規(guī)啟動數(shù)據(jù)對比

由表2可知，不計電耗差異的情況下，無爐循泵啟機約多耗費3萬元成本，同時由于無法實施全負荷脫硝，多發(fā)生了2 h的NOX超標排放（但不影響99%時間超凈排放達標排放）。由于無爐水泵啟動屬于小概率事件，且正常運行期間爐循泵不需運行，相比于一次非停、煤炭廠存量難以消納、月度計劃電量難以完成等問題，整體影響可控。

6 結語

超超臨界垂直管屏直流鍋爐在等離子點火熱負荷相對集中、垂直水冷壁管水動力容易破壞、鍋爐疏水液位難以控制等不利因素情況下，無爐水泵機組啟動一次性成功，各項參數(shù)控制優(yōu)良，證明超超臨界垂直管屏直流鍋爐的無爐水泵機組啟動作為儲備技術是完全可行的，可為同類型機組作參考。