5 MW級超臨界二氧化碳鍋爐吹管方案 比較分析

王 林，白文剛，李紅智，劉 崗，宋曉輝，高景輝，王紅雨，孟穎琪

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

現(xiàn)代火電鍋爐系統(tǒng)包含大量汽水管道，安裝過程中存在上萬道焊口，鍋爐的水冷壁、過熱器、再熱器及其附屬管道中，不可避免地存有焊渣、銹皮、沙塵、油污及其他雜物[1-3]，若不進(jìn)行專門清理，后期將會嚴(yán)重影響汽水品質(zhì)，影響機(jī)組試運(yùn)工作。因此，在鍋爐正式向汽輪機(jī)供應(yīng)蒸汽前，需要利用鍋爐點(diǎn)火后自產(chǎn)的高溫高壓蒸汽，對各個受熱面的汽水管道進(jìn)行反復(fù)吹掃，直至打靶檢驗(yàn)合格，以確保機(jī)組安全順利投產(chǎn)[4-5]。

超臨界二氧化碳（S-CO2）具有黏度小、能量密度大、換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)[6]，基于布雷頓循環(huán)構(gòu)建的S-CO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)理論發(fā)電效率可超過50%[7-8]，被視為未來最具潛力的新型發(fā)電工藝之一。

為推動S-CO2循環(huán)發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，西安熱工研究院有限公司（西安熱工院）建立了5 MW級S-CO2循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組。由于目前MW級S-CO2鍋爐尚無工程投產(chǎn)先例，與之相匹配的鍋爐蒸汽吹管工藝還處于空白狀態(tài)，因此適用于新型S-CO2鍋爐的吹管工藝亟待探索和研究。

本文參考《火力發(fā)電建設(shè)工程機(jī)組蒸汽吹管導(dǎo)則》（DL/T 1269—2013），基于5 MW級S-CO2循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組的主輔機(jī)設(shè)備特性，提出了開放式CO2吹掃、封閉式CO2吹掃、開放式空氣吹掃、開放式水蒸氣吹掃4種具有潛在應(yīng)用價值的技術(shù)方案，并從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、有效性、安全性等方面對各方案進(jìn)行了對比評估。相關(guān)結(jié)論對后續(xù)S-CO2循環(huán)發(fā)電機(jī)組的基建調(diào)試具有重要指導(dǎo)意義。

1 機(jī)組概況

本工程5 MW級S-CO2循環(huán)發(fā)電綜合試驗(yàn)機(jī)組主要由S-CO2鍋爐，壓縮機(jī)，高、低溫回?zé)崞鳎A(yù)冷器，高、低壓透平發(fā)電機(jī)組等組成。

1.1 機(jī)組工質(zhì)流程

該試驗(yàn)機(jī)組的運(yùn)行過程為：穩(wěn)壓罐內(nèi)的CO2工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)后，被升壓至21.5 MPa左右，然后依次進(jìn)入低溫回?zé)崞?、高溫回?zé)崞鳎c低壓透平的排氣進(jìn)行換熱；換熱后的CO2進(jìn)入鍋爐氣冷壁、過熱器，被加熱到600 ℃，CO2氣體進(jìn)入高壓透平做功，帶動發(fā)電機(jī)組發(fā)電；做功后的CO2進(jìn)入鍋爐再熱器，重新被加熱到600 ℃，隨后進(jìn)入低壓透平做功發(fā)電；低壓透平的排氣依次進(jìn)入高溫回?zé)崞?、低溫回?zé)崞?，去加熱壓縮機(jī)供往鍋爐的進(jìn)氣；低溫回?zé)崞鞒隹诘腃O2進(jìn)入預(yù)冷器被冷卻到35 ℃后重新回到穩(wěn)壓罐，從而完成1個循環(huán)。整個試驗(yàn)機(jī)組的工質(zhì)流程如圖1所示。

1.2 鍋爐簡介

試驗(yàn)機(jī)組選用了型號為HG-CO2-290/20-Q1的新型鍋爐。該鍋爐采用全鋼構(gòu)架、懸吊式單爐膛、一次中間再熱、水平雙煙道設(shè)計(jì)，整體呈L型布置。燃燒器為頂置單只低NOx燃燒器，以下沖方式組織燃燒，設(shè)計(jì)燃料為天然氣。鍋爐受熱面系統(tǒng)包括垂直下降膜式氣冷壁，高、低溫過熱器，高、低溫再熱器及分流省煤器等。鍋爐總體布局如圖2所示，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1[9]。

表1 5 MW級S-CO2鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù) Tab.1 Main design parameters of the 5 MW-level S-CO2 boiler

機(jī)側(cè)的供氣自上而下進(jìn)入鍋爐。分流省煤器與高溫回?zé)崞魉诘闹髀凡⒙?lián)，其流量約為主路流量的10%。CO2經(jīng)分流省煤器加熱后在進(jìn)入氣冷壁進(jìn)口集箱前與主路流量混合。混合后的工質(zhì)從氣冷壁進(jìn)口集箱引入垂直管圈氣冷壁，從氣冷壁出口集箱引出的工質(zhì)進(jìn)入過熱器中加熱。達(dá)到額定參數(shù)的過熱CO2被送入高壓透平做功。高壓透平的排氣進(jìn)入再熱器中加熱，合格的再熱CO2再進(jìn)入低壓透平做功。高、低壓透平分別設(shè)計(jì)有各自的旁路系統(tǒng)。

2 吹管方案比較

在電站鍋爐正式投用前，必須對其各級受熱面、進(jìn)出口集箱及聯(lián)通管道進(jìn)行蒸氣吹掃，以避免雜質(zhì)進(jìn)入透平，損傷葉片[10-11]。DL/T 1269—2013為現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提出了適用于水蒸氣鍋爐的降壓法和穩(wěn)壓法吹掃方案。上述方案均采用開放式吹掃，系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)被蒸汽沖刷攜帶，經(jīng)對空排放口，最終排入大氣[12-15]。

考慮到CO2物性與水蒸氣具有明顯差異，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1269—2013難以簡單套用，基于現(xiàn)場 5 MW級S-CO2循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組的設(shè)備特性，提出了開放式CO2吹掃、封閉式CO2吹掃、開放式空氣吹掃、開放式水蒸氣吹掃4種吹管方案，并從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、有效性、安全性等方面對其開展綜合評估。

2.1 開放式CO2吹掃

2.1.1 方案詳情

該方案的特點(diǎn)是：基本參考水蒸氣鍋爐多年應(yīng)用的開放式吹掃工藝與流程，工作介質(zhì)與吹掃介質(zhì)一致，均為CO2。

考慮到現(xiàn)場僅有2個容積各為20 m3的CO2液態(tài)儲罐，且利用槽車進(jìn)行間斷式灌裝，若采用開放式的穩(wěn)壓法吹掃，工質(zhì)補(bǔ)充難以為繼，因此選擇補(bǔ)氣量較小的降壓法吹掃方案。試驗(yàn)機(jī)組整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為簡單，為減少加裝臨吹裝置的工作量，采用了過熱器與再熱器串聯(lián)吹掃的一段式方案。其臨時管路連接方案如圖3所示。

參考DL/T 1269—2013中有關(guān)吹管有效性判斷的指標(biāo)——吹管系數(shù)，本方案過熱器吹管系數(shù)K的公式表述[16-17]如下：

式中：Mb為吹掃工況的氣體動量；M0為額定工況的氣體動量；Db為吹掃工況氣體質(zhì)量流量；vb為吹掃工況氣體比體積；D0為BMCR工況氣體質(zhì)量流量；v0為額定工況下氣體的比體積。

由表1可知，D0=290.4 t/h。查詢美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）發(fā)布的CO2物性參數(shù)，得到20 MPa/ 600 ℃下，CO2的比體積為v0=0.008 566 0 m3/kg，由此計(jì)算M0：

為保證吹掃效果，應(yīng)保證過熱器吹管系數(shù)K＞1[18-20]，即Mb＞M0，因此要求：

假設(shè)以過熱器出口8.5 MPa/400 ℃作為臨吹閥開啟參數(shù)，則查詢得到該參數(shù)下CO2的比體積為vb=0.014 919 m3/kg，進(jìn)一步計(jì)算得到Db＞220.05 t/h（61.13 kg/s）方能保證方案的吹管系數(shù)K＞1。

以常規(guī)超臨界機(jī)組單次降壓吹掃2 min，而K＞1的持續(xù)時間約50 s計(jì)算，單次吹管排放至大氣的CO2質(zhì)量最小為61.13 kg/s×50 s=3 056.3 kg ≈3.1 t；若整個降壓吹管共完成100次有效吹掃才打靶合格，則吹管全程需向大氣排放CO2約310 t。

2.1.2 方案分析

開放式CO2吹掃方案在吹掃有效性上不存在問題，基本沿用了水蒸氣鍋爐的成熟工藝，但在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、安全性、可操作性方面存在重大缺陷。

1）物料成本高 目前工業(yè)用液體CO2的采購價格為1 000~2 000元/t。若采用開放式CO2吹掃方案，刨去燃料、電力、人工、設(shè)備折舊等各項(xiàng)費(fèi)用，單CO2一項(xiàng)，即需花費(fèi)32萬~64萬元，這僅是針對5 MW超小型試驗(yàn)機(jī)組而言，若后續(xù)擴(kuò)展至350 MW、 660 MW，則吹管過程所消耗的CO2將是一筆無法承擔(dān)的巨額開銷。與常規(guī)鍋爐除鹽水1~2元/t的價格相比，使用CO2吹管的物料成本相對較高。

2）環(huán)保性差 電廠作為排污企業(yè)，歷來受到環(huán)保部門的密切關(guān)注。在全球變暖趨勢日益加重情況下，大量向大氣中排放CO2等溫室氣體，這樣的吹管方案顯然與“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)背道而馳[21-23]，實(shí)際執(zhí)行中面臨難以通過環(huán)評部門審批的困難。

3）安全性有隱患 CO2本身是無毒的，但連續(xù)、大量、定點(diǎn)排放至大氣中后，由于其密度大于空氣，會沉降至地表低處，造成排放點(diǎn)區(qū)域氧氣含量持續(xù)降低，威脅附近人員、動物等的生命健康。

4）可操作性差 與常規(guī)汽水鍋爐不同，S-CO2鍋爐不存在汽水分界面，無液位指示，吹管過程中補(bǔ)氣操作缺乏判斷指標(biāo)。何時補(bǔ)氣，補(bǔ)多少，對機(jī)組運(yùn)行人員的操作水平是個巨大考驗(yàn)。若補(bǔ)氣不及時，受熱面壁溫躥升顯著，對管材壽命帶來不利影響；而補(bǔ)氣過多則會增加工質(zhì)浪費(fèi)，進(jìn)一步增加吹管的物料成本。因此，開放式CO2吹管方案可操作性較差，操作不當(dāng)極易威脅設(shè)備安全。

綜上，開放式CO2吹掃方案工程可行性不足。

2.2 封閉式CO2吹掃

2.2.1 方案詳情

該方案的特點(diǎn)是：利用100%容量的高低壓旁路，將機(jī)組整體聯(lián)通成回路，利用壓縮機(jī)驅(qū)動大流量的CO2對系統(tǒng)各處進(jìn)行閉式、穩(wěn)壓、循環(huán)吹掃。

2.2.2 方案分析

封閉式CO2吹掃方案與機(jī)組正常運(yùn)行工況的區(qū)別在于，工質(zhì)不進(jìn)入高低壓透平做功，鍋爐出口至壓縮機(jī)入口的壓降較小，氣壓較高，因此，在這段管道上連接的高低溫回?zé)崞飨到y(tǒng)具有一定的超壓風(fēng)險。

此外，為了保證吹管系數(shù)K＞1，壓縮機(jī)出口工質(zhì)的質(zhì)量流量接近額定值，試驗(yàn)機(jī)組配套的壓縮機(jī)自身額定功率高達(dá)4 MW，吹管過程又需要壓縮機(jī)近額定出力工作，故吹管全過程的電耗成本高昂。

最后，封閉式吹掃方案無對空排放口，管道內(nèi)的雜質(zhì)只能用濾網(wǎng)來捕集。壓縮機(jī)、回?zé)崞?、預(yù)冷器等設(shè)備的進(jìn)出口均設(shè)置有高目數(shù)濾網(wǎng)，以過濾微米級雜質(zhì)顆粒。在吹管系數(shù)合格的前提下，精密濾網(wǎng)能夠保證吹掃質(zhì)量，但是吹掃前期系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)較多，濾網(wǎng)將不可避免地面臨反復(fù)堵塞的問題。更換濾網(wǎng)需要機(jī)組停機(jī)，排空系統(tǒng)內(nèi)CO2，拆解管道法蘭，這些操作具有潛在的環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性和安全性隱患。另外，多次停機(jī)更換濾網(wǎng)費(fèi)時費(fèi)工，因工期較長將增加燃料、人工等各項(xiàng)成本。

若能隔離壓縮機(jī)，利用清洗泵對鍋爐氣冷壁、過熱器、再熱器及透平側(cè)各換熱器進(jìn)行全面、高效的化學(xué)清洗，將大顆粒雜質(zhì)排出系統(tǒng)外，清洗完畢后再執(zhí)行封閉式CO2吹掃方案，實(shí)現(xiàn)“水沖洗+氣吹掃”結(jié)合，則該方案的工期將會大幅縮短、濾網(wǎng)堵塞更換情況也將大大改善。此外，封閉式CO2吹掃方案能夠?qū)φ麄€機(jī)組系統(tǒng)實(shí)施吹掃，全面綜合地考驗(yàn)機(jī)組各設(shè)備的運(yùn)行性能，積累相關(guān)的運(yùn)行調(diào)整經(jīng)驗(yàn)。

綜上，該方案綜合特性優(yōu)良，具有更好的實(shí)際應(yīng)用前景。

2.3 開放式空氣吹掃

2.3.1 方案詳情

該方案沿用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1269—2013，成熟工藝，擬利用現(xiàn)場已有的CO2壓縮機(jī)從大氣中抽取免費(fèi)空氣作為吹掃介質(zhì)，克服開放式CO2吹掃具有的物料成本高、環(huán)保性差及安全性不佳等缺陷。

2.3.2 方案分析

該5 MW級S-CO2試驗(yàn)機(jī)組配置的壓縮機(jī)額定出力參數(shù)見表2。

表2 5 MW級S-CO2壓縮機(jī)額定工況參數(shù) Tab.2 Rated operating parameters of the 5 MW-level S-CO2 compressor

以表2額定工況參數(shù)為依據(jù)，粗略估算CO2壓縮機(jī)用來壓縮空氣的性能指標(biāo)。首先估算空氣工質(zhì)的質(zhì)量流量。受限于壓縮機(jī)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)，入口氣體實(shí)際體積流量最大為1 183 m3/h，假設(shè)其為大氣中的空氣（0.1 MPa/25 ℃），則對應(yīng)工況下其密度為1.168 kg/m3，對應(yīng)的最大入口質(zhì)量流量為1.168 kg/m3×1 183 m3/h=1 381.744 kg/h，約1.382 t/h。

再估算空氣工質(zhì)的出口壓力。利用進(jìn)出口的CO2參數(shù)得到該壓縮機(jī)的壓比為：21.5 MPa（出口）/7.9 MPa（入口）=2.722。假設(shè)從大氣中抽取空氣，則入口壓力約為0.1 MPa。利用壓比值可得到出口壓力為0.1 MPa×2.722=0.272 MPa?？紤]到空氣分子量更小，密度更低，實(shí)際更難被壓縮，故變換空氣工質(zhì)后，壓縮機(jī)出口的壓力將低于0.272 MPa。

綜上，該CO2壓縮機(jī)用來壓縮空氣后，其出口壓力接近0.272 MPa，質(zhì)量流量約為1.382 t/h。假設(shè)空氣進(jìn)入鍋爐后被加熱至350 ℃，查得該溫度壓力下空氣比體積為0.658 3 m3/kg，繼續(xù)計(jì)算其吹管動量值。則有：

該數(shù)值與S-CO2鍋爐在額定工況下的氣體動量M0=722.389 kg·m3/h2相去甚遠(yuǎn)。以此計(jì)算過熱器吹管系數(shù)，得到K=(1.257 kg·m3/h2)/(722.389 kg·m3/h2)= 0.002，遠(yuǎn)小于1，不具備吹掃的有效性。因此，開放式空氣吹掃方案不具備工程可行性。

2.4 開放式水蒸氣吹掃

2.4.1 方案詳情

該方案沿用水蒸氣鍋爐的成熟吹管工藝，吹管質(zhì)量與吹管效率能得到較好保障。由于設(shè)計(jì)工質(zhì)不同，S-CO2鍋爐轉(zhuǎn)為汽水鍋爐需進(jìn)行相應(yīng)改造。改造后的臨吹系統(tǒng)如圖4所示。

新型S-CO2鍋爐管材選用優(yōu)于常規(guī)超臨界汽水鍋爐，且本身設(shè)計(jì)的CO2參數(shù)（20 MPa/600 ℃）較高，故轉(zhuǎn)為汽水鍋爐后，不存在受熱面管道不匹配、不承受的問題[24-25]。

2.4.2 方案分析

以過熱器出口7 MPa/350 ℃為吹掃參數(shù)，反算所需水的質(zhì)量流量。查詢得到該壓力下水蒸氣的密度為28.359 kg/m3，水蒸氣的比體積vwater=0.035 3 m3/kg。已有鍋爐額定工況下蒸汽動量M0=722.389 kg·m3/h2，為保證吹管系數(shù)K＞1，須有：

代入數(shù)值，得到Dwater＞143.05 t/h。該流量只是鍋爐蓄壓后，臨吹閥開啟瞬間的短時流量，以降壓吹掃50 s計(jì)，吹管一次耗水1.99 t，采用常規(guī)的小型高壓給水泵即可滿足要求。

為滿足水蒸氣吹管需求，須對現(xiàn)有鍋爐實(shí)施改造，相關(guān)改造項(xiàng)目及價格見表3。針對5 MW級S-CO2循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組，其改造花費(fèi)超過100萬元，整體投資較大，現(xiàn)場施工改造時間較長。

表3 5 MW級S-CO2鍋爐改造費(fèi)用 Tab.3 Transformation costs of the 5 MW-level CO2 boiler

綜上分析，開放式水蒸氣吹掃方案工藝成熟，質(zhì)量可靠，在電站鍋爐吹管領(lǐng)域應(yīng)用多年，不存在安全性、環(huán)保性及操作性方面的缺陷，具有很高的現(xiàn)實(shí)可行性。

該方案缺點(diǎn)是臨吹系統(tǒng)改造成本較高。由于新型鍋爐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，未考慮到現(xiàn)場進(jìn)行水壓試驗(yàn)與機(jī)組化學(xué)清洗時，需要用到上水、排水管路以及汽包裝置，后期應(yīng)當(dāng)給予設(shè)計(jì)。若如此，則開放式水蒸氣吹掃方案的部分改造項(xiàng)目將轉(zhuǎn)換為鍋爐自帶的標(biāo)配項(xiàng)目，臨吹系統(tǒng)的投資將進(jìn)一步降低，現(xiàn)場施工時間進(jìn)一步縮短，方案的經(jīng)濟(jì)性短板將得到一定程度改善。

3 總結(jié)與評價

1）開放式CO2吹掃方案物料成本高、環(huán)保性差、安全隱患大，不具備實(shí)際可行性。

2）開放式空氣吹掃方案氣體動量小，吹管系數(shù)不滿足吹管質(zhì)量要求，不具備實(shí)際可行性。

3）封閉式CO2吹掃方案施工簡單，吹掃范圍廣泛，具有較高的實(shí)際可行性，若能與機(jī)組化學(xué)清洗相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“水沖洗+氣吹掃”，則吹管期間濾網(wǎng)更換頻率有望顯著降低，費(fèi)工費(fèi)時缺點(diǎn)基本克服，其綜合應(yīng)用前景在4種方案中最好。

4）開放式水蒸氣吹掃方案工藝成熟、質(zhì)量可靠，但加裝臨吹系統(tǒng)投資大、施工時間長。若后期部分改造項(xiàng)轉(zhuǎn)為鍋爐標(biāo)配項(xiàng)，則其經(jīng)濟(jì)性與改造工期長的短板會有較大改善。該方案具有一定的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 語

當(dāng)前世界范圍內(nèi)MW級S-CO2鍋爐尚無工程投產(chǎn)先例，相關(guān)基建調(diào)試經(jīng)驗(yàn)較為缺乏，本文以西安熱工院5 MW超臨界CO2循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組為研究對象，估算比較了開放式CO2吹掃、封閉式CO2吹掃、開放式空氣吹掃及開放式水蒸氣吹掃等4個方案，提出封閉式CO2吹掃方案綜合指標(biāo)最優(yōu)，具有更佳的實(shí)際應(yīng)用前景，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)對后續(xù)S-CO2機(jī)組的基建調(diào)試具有重要的指導(dǎo)意義。