燃气-蒸汽联合循环余热锅炉吹管工艺优化

赵晓光，周若明，王天龙，张 波

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院，石家庄 050021)

燃气-蒸汽联合循环热电机组与常规燃煤热电联产机组相比较，具有发电热效率高、灰渣/硫氧化物零排放、氮氧化物超低排放以及节水节能等优点[1-2]，因而获得越来越多的关注。与燃气轮机配套使用的余热锅炉在正式投用前需进行管路吹扫，然而目前行业内尚无统一的吹管方案，因此分享一种适合余热锅炉的安全高效的吹管工艺很有必要[3-4]。以下以2台450 MW燃气-蒸汽联合循环热电联产机组的1台余热锅炉为研究对象，探索稳压法和降压法相结合的吹管工艺。针对吹管过程中出现的冷态启动时锅炉高压汽包上下壁温差超限的问题、吹扫时间长、燃料消耗大等问题，通过降低燃机排气温度、优化余热锅炉升温升压速率，采取合理的控制高压汽包壁温差措施和及时提高蒸汽参数等措施，实现了吹管工作的安全高效。

1 设备及系统概况

某天然气热电联产项目采用2台F型燃机组成的2套“一拖一”多轴燃气-蒸汽联合循环发电供热机组。与燃机配套的余热锅炉为封闭布置，无补燃、自然循环，卧式炉型，2台锅炉顺列布置，微正压运行。锅炉由进口烟道、换热室、出口烟道及烟囱组成，并设有脱硝装置。锅炉烟气流程为燃气轮机的排气经进口烟道进入余热锅炉，与各级受热面进行热量交换后，经过脱硝模块脱除烟气中的氮氧化物，最后由出口烟道进入烟囱后排入大气。

锅炉汽水系统包括高压、中压和低压系统。高压过热蒸汽进入汽轮机高压缸做功。中压过热蒸汽与高压缸排汽在冷再入口混合后进入再热器冷端，再热热端出来的蒸汽进入中压缸做功。低压系统包含除氧器。低压过热蒸汽在低压缸入口与中压缸排汽混合后进入低压缸做功(纯凝方式)或送至供热首站(供热方式)。该余热锅炉主要设计参数见表1。

表1 锅炉主要设计参数

2 锅炉吹管的工艺及参数

2.1 吹管的范围

余热锅炉吹管范围包括：受热面管束(蒸汽部分)及其联络管;高压、中压、低压主蒸汽管道;冷段再热管道和热段再热管道;过热器和再热器减温水管路(不作靶板考核)。汽轮机高压、中压和低压旁路系统管道均不参与吹扫，只做内部清理，各旁路进气管道打堵板封闭。

2.2 吹管工艺的选择

吹管过程中选择高压过热器和再热器采用一段吹(将过热器、主蒸汽管道和再热蒸汽冷段管道、再热器、再热蒸汽热段管道串联吹扫一步完成的蒸汽吹扫方式)，且稳压和降压相结合的吹管方法;中、低压蒸汽系统采用一段吹，降压的吹管方法;过热器和再热器减温水管路利用锅炉闷炉，给水泵停运后的给水系统的余压进行吹管。

2.3 吹管的参数

根据DL/T 1269-2013《火力发电建设工程机组蒸汽吹管导则》[5]，为定量描述管道蒸汽吹扫效果，引入吹管系数作为评价指标。吹管参数保证在蒸汽吹管时所产生的动量大于额定负荷时的动量，即吹管参数保证被吹扫系统各处的吹管系数均大于1。

根据DL/T 1269—2013，吹管系数按下式计算：

式中：K为吹管系数;Db为吹管工况蒸汽流量，t/h;vb为吹管时工况蒸汽比体积，m3/kg;D0为锅炉最大连续蒸发量(BMCR)工况蒸汽流量，t/h;v0为锅炉BMCR工况蒸汽比体积，m3/kg。

工程应用中，将蒸汽动量比简化为管段压降比，根据经验降压吹管时，吹管工况与锅炉BMCR工况过热器压降比不小于1.4时能保证吹管系数不小于1，压降比按下式计算：

式中：βΔp为压降比;Δpb为吹管工况某区段流动压降(阻力)，MPa;Δp0为锅炉BMCR工况该区段流动压降(阻力)，MPa。

根据锅炉厂和设计院提供资料，通过计算选择吹管参数：高压蒸汽系统吹扫管路时汽包压力不高于4.0 MPa，中压蒸汽系统吹扫管路时汽包压力不高于2.5 MPa，低压蒸汽系统吹扫管路时汽包压力不高于0.3 MPa。

2.4 吹管流程

本次蒸汽管路吹扫采用蓄能降压法吹扫，锅炉高压蒸汽系统和再热器系统一段吹;中压蒸汽系统和再热器系统一段吹;低压蒸汽系统单独进行吹扫。

2.4.1 高压蒸汽系统吹扫管路流程

高压蒸汽系统吹扫管路流程为：高压汽包→高压过热器→高压主蒸汽管道→高主门吹管套阀→临时管(引出临时排汽管去消音器，并装设电动门)→高压临冲门(旁设旁路管道和旁路电动门，要求实现集控室远端控制)→临时管→集粒器→临时管→冷再管路→再热器→热再管路→临时管→靶板器→临时管→消音器→排大气

2.4.2 中压蒸汽系统吹扫管路流程

中压蒸汽系统吹扫管路流程为：中压汽包→中压过热器→中主门吹管套阀→临时管→集粒器→临时管→冷再管路→再热器→热再管路→临时管(引出临时排汽管去消音器，并装设电动门)→中压临冲门(旁设旁路管道和旁路电动门，要求实现集控室远端控制)→临时管→靶板器→临时管→消音器→排大气。

2.4.3 低压蒸汽系统吹扫管路流程

低压蒸汽系统吹扫管路流程为：低压汽包→低压过热器→正式导汽管道→低压进汽门旁短接临时管(其上引出临时排汽管去消音器，并装设电动门)→低压临冲门(旁设旁路管道和旁路电动门，要求实现集控室远端控制)→临时管→靶板器→临时管→消音器→排大气。

3 吹管过程

燃气汽轮机机组余热锅炉吹管期间，锅炉运行方式为每天上午启动，下午停机，每天机组运行时间约为6 h，因此本机组吹管期间正常停机13次，每次停机时间均超过12 h。余热锅炉吹管主要分2个阶段：第1阶段，2018年7月12—24日，锅炉启动运行以配合燃气轮机燃烧调整和电气试验为主，在高压、中压和低压临时吹管门全开的情况下，锅炉高压系统和再热系统吹管系数高于1.0，中压系统和低压系统吹管系数低于1.0，锅炉高压系统和再热系统在此阶段分别采用稳压和降压2种方式进行吹管;第2阶段，在燃气轮机燃烧调整和电气试验于7月24日结束后，2018年7月25—8月1日，锅炉高压、中压和低压系统进行降压吹管。

3.1 高压系统和再热系统稳压吹管

2018年7月12—23日，锅炉高压系统和再热系统吹管系数大于1，为采用稳压和降压2种方式吹管阶段。稳压吹管阶段，锅炉进口烟气温度在380～420℃，全开高压和中压临冲门，高压汽包压力维持在约1.8 MPa，高压系统和再热系统吹管压降约为2.0 MPa，相应的吹管系数约为1.4。锅炉高压系统和中压系统吹管过程中，再热系统吹管最大压降超过2.0 MPa，相应的最大吹管系数均超过1.4。

3.2 高压系统和再热系统降压吹管

2018年7月16日，首次进行高压系统和再热系统降压吹管。吹管过程中，全开高压和中压临冲门，全关中压电动门和低压临冲门。正式吹管时的高压汽包压力控制在2.8～3.6 MPa，停止吹管压力控制在吹管系数接近1.0相对应下的汽包压力，此时高压汽包压力约为1.4 MPa。

3.3 中压系统降压吹管

2018年7月24日，首次进行中压系统降压吹管。吹管过程中，全开中压临冲门和中压电动门，全关高压和低压临冲门。正式吹管时，中压汽包压力控制在1.3～1.9 MPa，停止吹管压力控制在吹管系数接近1.0相对应下的汽包压力，此时中压汽包压力约为0.8 MPa。

3.4 低压系统降压吹管

2018年7月15日，首次进行低压系统降压吹管。吹管过程中，全开低压临冲门，全关高压、中压临冲门和中压电动门。正式吹管时，低压汽包压力控制在0.2～0.29 MPa，停止吹管压力控制在吹管系数接近1.0相对应下的汽包压力，此时低压汽包压力约为0.15 MPa。

4 结果分析

4号余热锅炉吹管采用稳压和降压相结合的吹管方式，从2018年7月12日点火开始，至2018年8月1日吹管结束，从2018年7月24日开始计数，高压、中压和低压吹管次数分别为81、58和68次，各处吹管系数均大于1，总共13次不少于12 h的大冷却，吹管效果可以得到较好保证，经连续2次打靶，3个系统中每个系统连续2次降压打靶，无0.4 mm以上斑点，0.4 mm以下肉眼可见斑点不超过2个，各项技术指标检验结果远优于《火力发电建设工程调试质量验收及评价规程》[6]和《火电机组启动蒸汽吹管导则》的标准要求。吹管结束后经联箱检查孔检查确认无任何杂物，证明吹管的效果非常优异，为机组整套启动打下坚实基础。

5 发现的问题及解决措施

5.1 冷态启动时余热锅炉高压汽包上下壁温差大问题及措施

冷态启动时由于蒸汽和炉水对汽包上下壁的放热系数不同，使得汽包上下壁温度升高的快慢不一样，造成余热锅炉高压汽包上下壁温差大，同时汽包升压速度越快，饱和温度升高也越快，产生的壁温差就越大。

为了解决这个问题采用了如下控制措施：提高低压汽包水温，投入高压蒸发器底部加热用来提高高压汽包水温;保持高压汽包水位在较高位置，以利于初期水循环的建立，同时加强高压蒸发器定排用来加强扰动，有利于减小汽包内各部位水温偏差;降低高压汽包升压速率，有利于降低饱和温度上升速率减小壁温差。

5.2 靶板更换问题及措施

本次吹管采用的靶板器为最早期的插入式，螺栓法兰连接固定，不可旋转。装拆靶板时，必须先隔绝所有汽源，再拆卸靶板器本体固定螺栓，由天车吊出后，将由螺栓固定的靶板拆除，再安装新的靶板，拧紧螺栓固定后，再由天车吊入靶板器孔，再重新用螺栓固定靶板器法兰。这种操作繁琐且危险的靶板器造成了2个问题：

a.在装拆靶板时，靶板器所在临时管道前后的所有汽源必须完全隔绝，中压、低压临时吹管门及其旁路必须关闭且停电，但是因为中压临冲门相当于是在高压临冲门后串接的，中压临冲门的关闭将大幅减少高压系统的泄压汽量，会大幅度提高高压系统和再热器系统的升压速率，且高压汽包压力升速率必然会超出压力升速率上限值。

b.单独装入或拆除一块靶板用时在4 min左右，但是拆除旧靶板，再重新装入新靶板的时间要超过7 min，因装拆靶板需要节流高压临冲门并全关中压临冲门及其旁路门，高压系统汽包压力将在6 min内由全开高压、低压临冲门泄压工况时的1.8 MPa，在6 min时将上升并超过高压汽包最高吹管压力值4.0 MPa，吹管过程中拆除并安装新靶板时，随着每次更换时间的不同，高压汽包压力最高升至4.3～4.8 MPa，因高压临冲门前临时管道是按8 MPa设计，正式管道设计压力超过12 MPa，所以并不影响高压系统安全性，只需要在每次吹管前将高压汽包压力泄压至4 MPa后，即可开门吹管。

针对这个问题采取如下措施：更换靶板前，先全开高压、中压临冲门，将高压汽包压力泄压至2.0 MPa以下，全开高压临冲门旁路门，全开高压和再热启动排汽电动门，全关中压、低压临冲门及其旁路门并停电，然后通知电建开始装拆靶板;待靶板装拆完成后，中压、低压临冲门送电，全开中压临冲门后，再微开高压临冲门泄压至4.0 MPa以下时，再全开高压临冲门进行高压和再热器系统吹管。

6 结束语

以燃气-蒸汽联合循环余热锅炉为研究对象，提出并成功实践了一种稳压法和降压法相结合的吹管工艺，针对吹管过程中出现的冷态启动时余热锅炉高压汽包上下壁温差大问题，采取提高高压汽包水温，保持高压汽包水位，加强高压蒸发器定排，降低高压汽包升压速率等相应控制措施;针对吹管过程时使用螺栓法兰连接固定的插入式靶板器造成的高压汽包升压超限的问题，采取先降压再进行吹扫的措施，取得了较好的效果。实际靶板检验结果优良，相关经验对后续同类机组具有很好的工程借鉴价值。