5 MW级超临界二氧化碳锅炉吹管方案 比较分析

王 林，白文刚，李红智，刘 岗，宋晓辉，高景辉，王红雨，孟颖琪

（西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

现代火电锅炉系统包含大量汽水管道，安装过程中存在上万道焊口，锅炉的水冷壁、过热器、再热器及其附属管道中，不可避免地存有焊渣、锈皮、沙尘、油污及其他杂物[1-3]，若不进行专门清理，后期将会严重影响汽水品质，影响机组试运工作。因此，在锅炉正式向汽轮机供应蒸汽前，需要利用锅炉点火后自产的高温高压蒸汽，对各个受热面的汽水管道进行反复吹扫，直至打靶检验合格，以确保机组安全顺利投产[4-5]。

超临界二氧化碳（S-CO2）具有黏度小、能量密度大、换热效率高等优点[6]，基于布雷顿循环构建的S-CO2循环发电系统理论发电效率可超过50%[7-8]，被视为未来最具潜力的新型发电工艺之一。

为推动S-CO2循环发电技术的商业化应用，西安热工研究院有限公司（西安热工院）建立了5 MW级S-CO2循环发电试验机组。由于目前MW级S-CO2锅炉尚无工程投产先例，与之相匹配的锅炉蒸汽吹管工艺还处于空白状态，因此适用于新型S-CO2锅炉的吹管工艺亟待探索和研究。

本文参考《火力发电建设工程机组蒸汽吹管导则》（DL/T 1269—2013），基于5 MW级S-CO2循环发电试验机组的主辅机设备特性，提出了开放式CO2吹扫、封闭式CO2吹扫、开放式空气吹扫、开放式水蒸气吹扫4种具有潜在应用价值的技术方案，并从经济性、环保性、有效性、安全性等方面对各方案进行了对比评估。相关结论对后续S-CO2循环发电机组的基建调试具有重要指导意义。

1 机组概况

本工程5 MW级S-CO2循环发电综合试验机组主要由S-CO2锅炉，压缩机，高、低温回热器，预冷器，高、低压透平发电机组等组成。

1.1 机组工质流程

该试验机组的运行过程为：稳压罐内的CO2工质进入压缩机后，被升压至21.5 MPa左右，然后依次进入低温回热器、高温回热器，与低压透平的排气进行换热；换热后的CO2进入锅炉气冷壁、过热器，被加热到600 ℃，CO2气体进入高压透平做功，带动发电机组发电；做功后的CO2进入锅炉再热器，重新被加热到600 ℃，随后进入低压透平做功发电；低压透平的排气依次进入高温回热器、低温回热器，去加热压缩机供往锅炉的进气；低温回热器出口的CO2进入预冷器被冷却到35 ℃后重新回到稳压罐，从而完成1个循环。整个试验机组的工质流程如图1所示。

1.2 锅炉简介

试验机组选用了型号为HG-CO2-290/20-Q1的新型锅炉。该锅炉采用全钢构架、悬吊式单炉膛、一次中间再热、水平双烟道设计，整体呈L型布置。燃烧器为顶置单只低NOx燃烧器，以下冲方式组织燃烧，设计燃料为天然气。锅炉受热面系统包括垂直下降膜式气冷壁，高、低温过热器，高、低温再热器及分流省煤器等。锅炉总体布局如图2所示，主要设计参数见表1[9]。

表1 5 MW级S-CO2锅炉主要设计参数 Tab.1 Main design parameters of the 5 MW-level S-CO2 boiler

机侧的供气自上而下进入锅炉。分流省煤器与高温回热器所在的主路并联，其流量约为主路流量的10%。CO2经分流省煤器加热后在进入气冷壁进口集箱前与主路流量混合。混合后的工质从气冷壁进口集箱引入垂直管圈气冷壁，从气冷壁出口集箱引出的工质进入过热器中加热。达到额定参数的过热CO2被送入高压透平做功。高压透平的排气进入再热器中加热，合格的再热CO2再进入低压透平做功。高、低压透平分别设计有各自的旁路系统。

2 吹管方案比较

在电站锅炉正式投用前，必须对其各级受热面、进出口集箱及联通管道进行蒸气吹扫，以避免杂质进入透平，损伤叶片[10-11]。DL/T 1269—2013为现行的行业标准，提出了适用于水蒸气锅炉的降压法和稳压法吹扫方案。上述方案均采用开放式吹扫，系统内的杂质被蒸汽冲刷携带，经对空排放口，最终排入大气[12-15]。

考虑到CO2物性与水蒸气具有明显差异，现行标准DL/T 1269—2013难以简单套用，基于现场 5 MW级S-CO2循环发电试验机组的设备特性，提出了开放式CO2吹扫、封闭式CO2吹扫、开放式空气吹扫、开放式水蒸气吹扫4种吹管方案，并从经济性、环保性、有效性、安全性等方面对其开展综合评估。

2.1 开放式CO2吹扫

2.1.1 方案详情

该方案的特点是：基本参考水蒸气锅炉多年应用的开放式吹扫工艺与流程，工作介质与吹扫介质一致，均为CO2。

考虑到现场仅有2个容积各为20 m3的CO2液态储罐，且利用槽车进行间断式灌装，若采用开放式的稳压法吹扫，工质补充难以为继，因此选择补气量较小的降压法吹扫方案。试验机组整体系统设计较为简单，为减少加装临吹装置的工作量，采用了过热器与再热器串联吹扫的一段式方案。其临时管路连接方案如图3所示。

参考DL/T 1269—2013中有关吹管有效性判断的指标——吹管系数，本方案过热器吹管系数K的公式表述[16-17]如下：

式中：Mb为吹扫工况的气体动量；M0为额定工况的气体动量；Db为吹扫工况气体质量流量；vb为吹扫工况气体比体积；D0为BMCR工况气体质量流量；v0为额定工况下气体的比体积。

由表1可知，D0=290.4 t/h。查询美国国家标准局（NIST）发布的CO2物性参数，得到20 MPa/ 600 ℃下，CO2的比体积为v0=0.008 566 0 m3/kg，由此计算M0：

为保证吹扫效果，应保证过热器吹管系数K＞1[18-20]，即Mb＞M0，因此要求：

假设以过热器出口8.5 MPa/400 ℃作为临吹阀开启参数，则查询得到该参数下CO2的比体积为vb=0.014 919 m3/kg，进一步计算得到Db＞220.05 t/h（61.13 kg/s）方能保证方案的吹管系数K＞1。

以常规超临界机组单次降压吹扫2 min，而K＞1的持续时间约50 s计算，单次吹管排放至大气的CO2质量最小为61.13 kg/s×50 s=3 056.3 kg ≈3.1 t；若整个降压吹管共完成100次有效吹扫才打靶合格，则吹管全程需向大气排放CO2约310 t。

2.1.2 方案分析

开放式CO2吹扫方案在吹扫有效性上不存在问题，基本沿用了水蒸气锅炉的成熟工艺，但在经济性、环保性、安全性、可操作性方面存在重大缺陷。

1）物料成本高 目前工业用液体CO2的采购价格为1 000~2 000元/t。若采用开放式CO2吹扫方案，刨去燃料、电力、人工、设备折旧等各项费用，单CO2一项，即需花费32万~64万元，这仅是针对5 MW超小型试验机组而言，若后续扩展至350 MW、 660 MW，则吹管过程所消耗的CO2将是一笔无法承担的巨额开销。与常规锅炉除盐水1~2元/t的价格相比，使用CO2吹管的物料成本相对较高。

2）环保性差 电厂作为排污企业，历来受到环保部门的密切关注。在全球变暖趋势日益加重情况下，大量向大气中排放CO2等温室气体，这样的吹管方案显然与“碳达峰、碳中和”目标背道而驰[21-23]，实际执行中面临难以通过环评部门审批的困难。

3）安全性有隐患 CO2本身是无毒的，但连续、大量、定点排放至大气中后，由于其密度大于空气，会沉降至地表低处，造成排放点区域氧气含量持续降低，威胁附近人员、动物等的生命健康。

4）可操作性差 与常规汽水锅炉不同，S-CO2锅炉不存在汽水分界面，无液位指示，吹管过程中补气操作缺乏判断指标。何时补气，补多少，对机组运行人员的操作水平是个巨大考验。若补气不及时，受热面壁温蹿升显著，对管材寿命带来不利影响；而补气过多则会增加工质浪费，进一步增加吹管的物料成本。因此，开放式CO2吹管方案可操作性较差，操作不当极易威胁设备安全。

综上，开放式CO2吹扫方案工程可行性不足。

2.2 封闭式CO2吹扫

2.2.1 方案详情

该方案的特点是：利用100%容量的高低压旁路，将机组整体联通成回路，利用压缩机驱动大流量的CO2对系统各处进行闭式、稳压、循环吹扫。

2.2.2 方案分析

封闭式CO2吹扫方案与机组正常运行工况的区别在于，工质不进入高低压透平做功，锅炉出口至压缩机入口的压降较小，气压较高，因此，在这段管道上连接的高低温回热器系统具有一定的超压风险。

此外，为了保证吹管系数K＞1，压缩机出口工质的质量流量接近额定值，试验机组配套的压缩机自身额定功率高达4 MW，吹管过程又需要压缩机近额定出力工作，故吹管全过程的电耗成本高昂。

最后，封闭式吹扫方案无对空排放口，管道内的杂质只能用滤网来捕集。压缩机、回热器、预冷器等设备的进出口均设置有高目数滤网，以过滤微米级杂质颗粒。在吹管系数合格的前提下，精密滤网能够保证吹扫质量，但是吹扫前期系统内杂质较多，滤网将不可避免地面临反复堵塞的问题。更换滤网需要机组停机，排空系统内CO2，拆解管道法兰，这些操作具有潜在的环保性、经济性和安全性隐患。另外，多次停机更换滤网费时费工，因工期较长将增加燃料、人工等各项成本。

若能隔离压缩机，利用清洗泵对锅炉气冷壁、过热器、再热器及透平侧各换热器进行全面、高效的化学清洗，将大颗粒杂质排出系统外，清洗完毕后再执行封闭式CO2吹扫方案，实现“水冲洗+气吹扫”结合，则该方案的工期将会大幅缩短、滤网堵塞更换情况也将大大改善。此外，封闭式CO2吹扫方案能够对整个机组系统实施吹扫，全面综合地考验机组各设备的运行性能，积累相关的运行调整经验。

综上，该方案综合特性优良，具有更好的实际应用前景。

2.3 开放式空气吹扫

2.3.1 方案详情

该方案沿用现行标准DL/T 1269—2013，成熟工艺，拟利用现场已有的CO2压缩机从大气中抽取免费空气作为吹扫介质，克服开放式CO2吹扫具有的物料成本高、环保性差及安全性不佳等缺陷。

2.3.2 方案分析

该5 MW级S-CO2试验机组配置的压缩机额定出力参数见表2。

表2 5 MW级S-CO2压缩机额定工况参数 Tab.2 Rated operating parameters of the 5 MW-level S-CO2 compressor

以表2额定工况参数为依据，粗略估算CO2压缩机用来压缩空气的性能指标。首先估算空气工质的质量流量。受限于压缩机进气道结构，入口气体实际体积流量最大为1 183 m3/h，假设其为大气中的空气（0.1 MPa/25 ℃），则对应工况下其密度为1.168 kg/m3，对应的最大入口质量流量为1.168 kg/m3×1 183 m3/h=1 381.744 kg/h，约1.382 t/h。

再估算空气工质的出口压力。利用进出口的CO2参数得到该压缩机的压比为：21.5 MPa（出口）/7.9 MPa（入口）=2.722。假设从大气中抽取空气，则入口压力约为0.1 MPa。利用压比值可得到出口压力为0.1 MPa×2.722=0.272 MPa。考虑到空气分子量更小，密度更低，实际更难被压缩，故变换空气工质后，压缩机出口的压力将低于0.272 MPa。

综上，该CO2压缩机用来压缩空气后，其出口压力接近0.272 MPa，质量流量约为1.382 t/h。假设空气进入锅炉后被加热至350 ℃，查得该温度压力下空气比体积为0.658 3 m3/kg，继续计算其吹管动量值。则有：

该数值与S-CO2锅炉在额定工况下的气体动量M0=722.389 kg·m3/h2相去甚远。以此计算过热器吹管系数，得到K=(1.257 kg·m3/h2)/(722.389 kg·m3/h2)= 0.002，远小于1，不具备吹扫的有效性。因此，开放式空气吹扫方案不具备工程可行性。

2.4 开放式水蒸气吹扫

2.4.1 方案详情

该方案沿用水蒸气锅炉的成熟吹管工艺，吹管质量与吹管效率能得到较好保障。由于设计工质不同，S-CO2锅炉转为汽水锅炉需进行相应改造。改造后的临吹系统如图4所示。

新型S-CO2锅炉管材选用优于常规超临界汽水锅炉，且本身设计的CO2参数（20 MPa/600 ℃）较高，故转为汽水锅炉后，不存在受热面管道不匹配、不承受的问题[24-25]。

2.4.2 方案分析

以过热器出口7 MPa/350 ℃为吹扫参数，反算所需水的质量流量。查询得到该压力下水蒸气的密度为28.359 kg/m3，水蒸气的比体积vwater=0.035 3 m3/kg。已有锅炉额定工况下蒸汽动量M0=722.389 kg·m3/h2，为保证吹管系数K＞1，须有：

代入数值，得到Dwater＞143.05 t/h。该流量只是锅炉蓄压后，临吹阀开启瞬间的短时流量，以降压吹扫50 s计，吹管一次耗水1.99 t，采用常规的小型高压给水泵即可满足要求。

为满足水蒸气吹管需求，须对现有锅炉实施改造，相关改造项目及价格见表3。针对5 MW级S-CO2循环发电试验机组，其改造花费超过100万元，整体投资较大，现场施工改造时间较长。

表3 5 MW级S-CO2锅炉改造费用 Tab.3 Transformation costs of the 5 MW-level CO2 boiler

综上分析，开放式水蒸气吹扫方案工艺成熟，质量可靠，在电站锅炉吹管领域应用多年，不存在安全性、环保性及操作性方面的缺陷，具有很高的现实可行性。

该方案缺点是临吹系统改造成本较高。由于新型锅炉设计经验不足，未考虑到现场进行水压试验与机组化学清洗时，需要用到上水、排水管路以及汽包装置，后期应当给予设计。若如此，则开放式水蒸气吹扫方案的部分改造项目将转换为锅炉自带的标配项目，临吹系统的投资将进一步降低，现场施工时间进一步缩短，方案的经济性短板将得到一定程度改善。

3 总结与评价

1）开放式CO2吹扫方案物料成本高、环保性差、安全隐患大，不具备实际可行性。

2）开放式空气吹扫方案气体动量小，吹管系数不满足吹管质量要求，不具备实际可行性。

3）封闭式CO2吹扫方案施工简单，吹扫范围广泛，具有较高的实际可行性，若能与机组化学清洗相结合，实现“水冲洗+气吹扫”，则吹管期间滤网更换频率有望显著降低，费工费时缺点基本克服，其综合应用前景在4种方案中最好。

4）开放式水蒸气吹扫方案工艺成熟、质量可靠，但加装临吹系统投资大、施工时间长。若后期部分改造项转为锅炉标配项，则其经济性与改造工期长的短板会有较大改善。该方案具有一定的应用前景。

4 结 语

当前世界范围内MW级S-CO2锅炉尚无工程投产先例，相关基建调试经验较为缺乏，本文以西安热工院5 MW超临界CO2循环发电试验机组为研究对象，估算比较了开放式CO2吹扫、封闭式CO2吹扫、开放式空气吹扫及开放式水蒸气吹扫等4个方案，提出封闭式CO2吹扫方案综合指标最优，具有更佳的实际应用前景，相关经验对后续S-CO2机组的基建调试具有重要的指导意义。