国产600 MW超临界直流锅炉湿态转干态优化控制

2012-06-12欧志良

综合智慧能源 2012年7期

欧志良

(广东珠海金湾发电有限公司，广东珠海 519060)

1 问题的提出

随着我国电力事业的快速发展，600MW超临界发电机组已成为我国电力行业的主要机型。不得不承认我国超临界和超超临界发电机组的技术和大多数发达国家还存在很大差距，近年来，我国十分注重其发展进程且超临界机组已在我国得到广泛应用。2002年，国家发展计划委员会(以下简称国家计委)已确定超临界机组国产化依托工程的沁北电厂2台600MW机组完成了招投标，标志着超临界机组进入了国产化研制阶段。该项目于2004年10月投产发电，表明首台国产超临界机组研制成功。国家计委还提出，新建600 MW及以上机组原则上采用超临界机组，因此，在此后的火电建设中，国产超临界机组得到了较大的发展。由于我国国产化超临界机组从研制到投产的时间较短，积累的成熟运行经验并不多。目前，超临界直流锅炉经济性好、可靠性高、启动速度快、负荷适应性强等优点已得到广泛认可。由于超临界直流锅炉汽水特性的限定，锅炉在启、停过程中存在一个干态、湿态转换过程，这个过程是超临界直流锅炉控制的关键点之一。启、停机组时需要平稳、顺畅且快速过渡，否则易发生干、湿态频繁交替。若调整不当，会引起启动分离器出口蒸汽温度、主(再)热蒸汽温度等重要参数的大幅波动，造成锅炉管壁超温或由于关键阀门设备损坏，导致过热器进水，严重威胁机组安全运行。

2 国产600MW超临界直流锅炉湿态转干态优化控制

2.1 在锅炉启动过程中所遇到的问题

广东珠海金湾发电有限公司2×600 MW超临界锅炉是采用上海锅炉厂生产的超临界参数、变压运行螺旋管圈直流锅炉，单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、平衡通风、П形露天布置、固态排渣、全钢架悬吊结构。#4机组和#3机组自2007年1月相继投产至今的多次启、停操作中，超临界直流锅炉在干态、湿态转换过程中出现以下4个方面的问题。

(1)由于直流锅炉湿态时NWL阀、HWL－1阀、HWL－2阀在调节启动分离器水位过程中波动较大，承受工质的温度、压力也较大，造成阀门设备损坏或调节故障，严重时导致锅炉主燃料跳闸(MFT)保护动作停机。广东珠海金湾发电有限公司的2台机组在启动过程中都曾出现过启动系统的HWL阀失控而造成锅炉MFT的故障，分析故障原因是HWL阀在小开度时阀门振动大，阀门定位杆损坏造成阀门开度反馈故障而使调阀失调。

(2)在湿态转干态过程中，水冷壁内工质膜态剧烈沸腾，对汽水系统扰动非常大，造成相关阀门和管道的剧烈振动。

(3)NWL阀的调节波动直接影响除氧器的水位和水温，除氧器若出现虚假水位，会造成除氧器防进水保护动作，进而出现除氧器加热汽源自动退出和凝结水流量大幅度波动的异常工况。

(4)若湿态转干态时间过长，不仅增加了工质和热量的损失，造成燃料的大量浪费，降低了机组的经济性，而且还影响了机组的带负荷率，造成电量损失。

值得关注的是，大型超临界机组一般是在机组启动直至完成湿态转干态并带上一定负荷运行之后，才开始投运脱硫及脱硝系统。随着国家环保政策的日趋严格，在全社会大力倡导节能减排的背景下，如何缩短机组启动时间、减少启动过程中SO2和NOx的排放量具有重大意义。

2.2 湿态转干态过程中的优化控制策略

如何能平稳、顺畅地进行湿态转干态，避免转换过程中主汽温度、主汽压力等重要参数的大幅度波动以及由于给水流量、分离器水位的大幅度变化而造成的机组跳闸或锅炉因金属温度超温导致爆管。采取有效的控制措施，减小机组启动过程中对NWL，HWL－1和HWL－2等关键阀门的冲击，避免这些阀门因冲击和振动造成损坏或控制失灵使机组被迫停运。在此提出了机组整个启动过程中NWL阀和HWL阀的优化控制策略:NWL阀切手动控制，控制除氧器压力＜0.5 MPa，当 HWL阀开度＜20%时，关小NWL阀调节启动分离器水位，使HWL阀开度开大，开度尽量＞20%(通过分析可知，HWL－1阀、HWL－2阀开度＞20%时本体振动相对偏小，不易损坏)，直至NWL阀门全关。在NWL阀关小的同时，通过开大辅汽供除氧器加热汽源调节阀来维持除氧器水温，最大限度地减小NWL阀和HWL阀因冲击振动造成的故障率。

应尽量缩短湿态转干态的过程，减少燃料量损失和发电量损失，最大限度地提高机组运行的经济效益。应尽量缩短机组启动时间，最大限度地减少SO2及NOx等污染物的排放量。本文提出了采用单台电动给水泵运行方式和加快提高给水温度等一系列措施。优化操作步骤:通过在低压力低负荷工况下完成锅炉湿态转干态运行(以往是1台汽动给水泵并入给水，即1台汽动给水泵和1台电动给水泵运行，锅炉启动分离器再转干态)的创新，解决直流锅炉湿态转干态过程中的诸多问题，缩短了湿态运行时间，减少了湿态以及湿态转干态过程中的故障发生率;同时，在锅炉转入干态运行后，以安全、高效的方式升负荷并投入脱硫、脱硝系统运行，减少大气污染物排放量。

针对机组启动时湿态转干态过程存在的问题，采取以下操作步骤对其进行优化。

(1)在锅炉启动过程中，通过NWL阀开度参与调节启动分离器水位，尽量控制2个HWL调阀开度不要落在0～20%内。

(2)尽早投入辅汽供除氧器加热运行，第一时间提高给水温度。

(3)负荷约80 MW时可以投入低压加热器。尽快提高进入除氧器的凝结水温度。

(4)四段抽汽至除氧器加热应尽早投入，提高除氧器水温，从而提高给水温度。

(5)在湿态过程中，在保证HWL阀开度大于20%和除氧器压力小于0.5 MPa的条件下，尽量开大NWL阀以提高工质和热量的回收，从而提高除氧器水温。

(6)尽量降低主蒸汽压力，蒸汽压力宜在10～11 MPa进行湿态转干态过程，减少由于压力较高造成对NWL，HWL－1和HWL－2等阀门的冲击和损坏，同时可保证电动给水泵电流在安全运行范围内。

(7)在湿态转干态的过程中，应尽量维持给水流量相对稳定(600 t/h左右)，同时可通过微量调整给水流量，改变锅炉蒸发量、控制锅炉垂直水冷壁管和末级过热器金属温度，防止启动过程中锅炉金属璧温超温导致爆管事故的发生。

(8)提前对高压加热器抽汽管道进行暖管、疏水，一方面可适当提高给水温度，另一方面可为机组尽快投运高压加热器系统做好准备。

(9)在干态、湿态转换前，应及时启动备用磨煤机，在转换过程中，适当提高燃料量的增加速度，加快锅炉湿态转干态运行。

(10)在锅炉转干态后，应尽快并入汽动给水泵运行，机组升负荷后，要及早投入脱硫、脱硝系统运行。

2.3 改进前、后的分析对比

2011－01－06，在#4机组启动操作过程中，保持HWL阀开度一直大于20%，使启动系统安全运行;在湿态转干态时，湿态时间缩短了，电动给水泵电流在620 A左右，离额定电流858 A仍有较大裕度，减少了 NWL阀、HWL－1阀、HWL－2阀的波动，防止这3个阀门在启动过程中发生故障;有效减少了湿态过程中容易出现的除氧器水位波动、水冷壁膜态沸腾等异常情况的发生，效果良好。从发电机并网开始到锅炉完全转干态，总共用了83 min，锅炉转入干态后，可较快地加负荷，使机组进入稳定运行工况。并网至锅炉转干态期间，除氧器水温最高达146℃，高压给水温度最高146℃;锅炉水冷壁螺旋管金属温度从280℃平缓上升至333℃(曲线2)，其结果如图1所示。

与#4机组前一次启动情况对比看(启动时间:2010－09－09)，从发电机并网开始到锅炉完全转干态，总共用时243 min，期间除氧器水温最高为132℃，高压给水温度最高134℃，其结果如图2所示。

3 经济效益评估和计算

从最近2次机组启动及以往的启动比较，通过直流锅炉湿态转干态优化控制，在机组启动过程中，锅炉由发电机并网湿态转干态，节省了启动时间160 min，使机组可以较快地加负荷，进入稳定运行工况，特别是在机组热态启动前提下，争取了机组多发电，获得了较好的经济和社会效益。该优化控制方案可产生的经济效益如下:

(1)每台机组每天平均负荷为450 MW，干、湿态转换过程基准负荷为200 MW，参考电价为0.5元/(kW·h)，那么1台机组可产生的经济效益为

2台机组可产生的经济效益为33.3×2=66.6(万元)。

(2)在#3，#4机组启动过程中，在直流锅炉湿态转干态前采用等离子与AB层小油枪(小油枪耗油量为4t/h)助燃方式，在转干态后将停运AB层小油枪，由于用低成本的燃煤代替燃油(燃油的发热量约为燃煤的2倍)，意味着节省了160 min的启动时间，按目前煤价600元/t，燃油价7200元/t计算，160 min消耗的燃油成本为

2台机组可产生的经济效益为6.4×2=12.8(万元)。

(3)机组启动时间延长了160 min，电动给水泵运行的时间也延长了160 min，它的耗能成本为

2台机组的耗能成本为

另一方面，根据机组历次启动情况，采取该方案优化了湿态转干态过程，大大降低了 NWL阀及HWL阀的故障概率，避免了超临界锅炉普遍存在的启动初期过热器璧温容易超温导致爆管的故障发生，每台机组每年可避免因NWL阀和HWL阀故障而被迫停机。按照以往经验，600 MW机组启、停1次的费用为300万元，假如每年有2次因为此故障而停机的话，可为公司节省600万元。

综上所述，该方案每年为公司共节约的费用及创造的利润为:66.8+12.8+1+600=680.6(万元)。