蔡 牧 昌小朋
（中国能源建设集团华中电力试验研究院有限公司，湖南 长沙 410000）
新疆地区有大量煤矿，随着国内西部大开发的进展，电力行业得到了很大发展。由于水资源较少，为了节省水资源，新疆地区兴建了很多大型超直流空冷机组。该文主要内容是研究一种超临界直接空冷机组带大气扩容式的启动系统疏水系统改造方案，通过对改造前后机组运行方式上的参数变化、燃料以及工质消耗量、汽轮机冲车所需蒸汽参数控制难易程度进行对比分析和总结，希望可以为同类型机组疏水改造提高参考和借鉴。
1.1 改造项目主要设备参数
新疆某350MW超临界机组锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司，超临界，一次中间再热、单炉膛平衡通风、∏型布置、固态排渣。最大连续蒸发量1191t/h，额定压力25.5MPa，额定温度571℃。再热蒸汽/蒸汽流量991.44t/h～940.89t/h，额定进/出口压力4.187MPa～4.007MPa，额定进/出口温度311℃～569℃，保证热效率≥93.8%。
汽轮机为超临界、单轴、双缸双排汽、一次中间再热、直接空冷抽汽凝汽式汽轮机，额定功率350MW，设计背压12.0kPa，额定转速3000r/min，主汽温度566℃，主汽压力24.2MPa。
1.2 锅炉启动疏水系统的特点
直流锅炉启动系统主要有两大类型，即带炉水循环泵的启动系统和不带炉水循环泵的启动系统。本次参与改造的机组锅炉启动系统设计为大气扩容式疏水系统，系统设计一台大气式疏水扩容器，有两台启动疏水泵。在机组启动初期疏水不合格时，汽水混合物经汽水分离器分离后，其蒸汽进入对流换热系统，分离出的炉水经大气式扩容器扩容，二次汽排入大气，剩余的疏水经集水箱排至系统外的水处理装置（机组排水槽或循环水回水排水管）。水质合格时，通过疏水泵排至热井装置，实现工质的回收。该系统的主要特点是系统相对简单、投资较少、运行操作较方便，但燃料耗量相对较大，锅炉蒸汽温度控制难度较大。
1.3 改造后的疏水系统
原始系统如图1（a）所示，改造后的系统如图1（b）所示，整个改造无须复杂的设计，施工难度也较低。如果是新建机组在设计初期即可采用此种疏水回收方式。主要的改造思路是在锅炉启动疏水泵至热井装置管道截止门前增加一路管道引至除氧器，同时增加相应的附属设备，如逆止阀、流量计等，在启动期间可以选择将锅炉的高温启动疏水回收至除氧器。
图1 锅炉大气扩容式启动系统改造前后对比图
改造过后的疏水回收标准主要根据分离器水质情况。Fe离子＞1000μg/L时，进行外排；
Fe离子＜1000μg/L，可以排放至热井装置；
Fe离子＜200μg/L，可以回收到除氧器。由于除氧器水箱容积大，可以接受的疏水量非常大，启动疏水参数也在除氧器的设计参数范围内。为防止机组启动过程中除氧器本体产生较大的振动及噪声，启动疏水应该采用大直径接管母管伸入除氧器液面以下，在母管前、后方位对称布置两排开了小孔的支管。支管的布置尽量均匀，保证介质的平稳流动，能够有较好的热交换效果，有效防止振动和消除、降低噪声[1]。
2.1 高寒地区冬季极寒情况下空冷机组正常的启动流程
在环境温度＞5℃时，机组启动时可以不采用冬季工况；
在环境温度＜5℃时，机组启动时可以采用冬季工况。启动阶段，空冷岛要保证排汽装置进汽量在规定的范围内，防止空冷岛内散热翅片结冰或冷凝回水管道结冻损坏设备。在机组启动初期流量较低的情况下，汽机通过高低旁减温水以及排汽装置三级减温水来冷却启动过程中的蒸汽，一般要求控制凝结水温度在50℃左右。此时锅炉是湿态运行，经过分离器分离出来的启动疏水经过大气扩容器后，如果水质不合格就直接通过排放系统进行排放，合格后会根据运行情况部分或者全部回收到热井装置中。在疏水系统未改造之前，机组运行存在以下隐患：1）在机组启动初期，锅炉蒸汽量不满足空冷岛投运要求。此阶段锅炉产出的蒸汽没有经过空冷岛冷凝，通过高低旁的蒸汽依靠高低旁冷却水，排汽装置三级冷却水冷却，冷凝后会导致凝结水温快速上升至60℃左右。同时经过大气扩容器扩容后的疏水温度在100℃，如果此时疏水水质合格，直接将疏水回收至热井，会加剧凝结水温度的上升。凝结水温如果过高，超过了凝结水精处理装置投运的温度要求，就会导致凝结水精处理装置无法投运，不利于机组启动期间提高汽水品质，并增加汽水品质合格所需时间。凝结水温度过高也会为凝泵的安全稳定运行埋下隐患，有凝结水泵汽蚀的风险。一般启动初期会采取将大量的除盐水置换热井内凝结水的方式来调节凝结水温度，可保护设备安全，但会造成大量的除盐水浪费。2）该文结合北方极寒地区常规直接空冷机组设计调研，将350MW超临界直接空冷机组进汽管道布置为6列，在两侧4列管道上，每列均会布置一个防冻蝶阀，中间2列作为启动列，不设计防冻蝶阀。真空与饱和温度对照图如图2所示。结合机组常规设计，在机组启动初期，在-70kPa真空环境下，当排汽温度高于70℃时，排汽装置中就会有部分蒸汽进入空冷岛；
在-80kPa真空环境下，当排汽温度高于61℃时，排汽装置中就会有部分蒸汽进入空冷岛[2]。在极寒地区冬季环境下，机组启动初期蒸汽流量一般不满足空冷岛最小启动流量，此时如果凝结水温过高，会降低高低旁冷却水以及排汽装置三级冷却器的冷却效果。同时过高的温度也容易产生蒸汽，会增加蒸汽进入机组空冷岛，引起空冷岛翅片和回水管结冻的风险。
图2 真空与饱和温度对照图
基于以上两点原因，启动期间应及时疏水达到回收标准，而一般也不会将疏水全部回收，而是根据情况选择排放掉一部分或者全部排放掉可以回收的疏水，造成工质和燃料浪费。
2.2 疏水系统改造后机组启动运行变化和带来的好处
直流锅炉启动流量直接影响启动的安全性和经济性，启动流量越大，工质流经受热面的质量流速也大，对受热面进行冷却，对改善水动力特性有利，但工质损失和热量损失也相应增加，同时启动旁路系统的设计容量也要加大。但启动流量过小，受热面冷却和水动力稳定就得不到保证。因此，选用启动流量的原则是在保证受热面得到可靠冷却和工质流动稳定的条件下，启动流量尽可能选择得小些，这需要制造厂核算提供锅炉启动过全程中最小给水流量，流量随着锅炉热负荷不同而变化，运行控制高于最小给水流量且留有裕度[3]。疏水系统经过改造后的启动初期，水质达到回收标准后通过疏水泵进行回收，根据排汽装置的温度真空、热井水温等参数情况来调整疏水进入热井和除氧器的比例，可为机组运行安全性和经济性带来以下几点好处。
首先，在锅炉启动初期湿态运行工况下，经过分离器的疏水经大气扩容器扩容后的疏水温度一般接近100℃。350MW机组启动初期，每小时经过大气扩容器降温后的疏水在100t/h以上，直接排放会造成大量热量和工质的浪费。这部分疏水如果回收至除氧器可以提高除氧器水温，水温提高后可以提高锅炉产汽率，进而节省燃料。除氧器的水温提高也会降低启动初期除氧器的辅助蒸汽使用量，有利于节约成本。
其次，机组冷态启动曲线如图3所示，根据图3可知，机组冲车前需要控制汽压在8.73MPa，汽温在380℃以下。由于启动系统是大气扩容式，在保证最小流量的情况下，大量工质会排放掉，造成热量损失，锅炉产汽量比带有炉水循环泵的机组更少，过热器没有足够的蒸汽量来进行冷却，在同等蒸汽压力情况下需要消耗更多燃料来维持蒸汽压力。因为随着燃料量的增加，烟气量也同步增加，蒸汽温度难以控制在汽轮机启动所需范围。对此，一般的措施是在保障水冷壁安全的前提下，解除最小给水量保护，降低给水量，减少通过疏水系统损失的热量，让更多的水在水冷壁直接吸热转化成蒸汽，增加产汽量，冷却过热器。同时通过调整风量和火焰中心高度，让锅炉辐射吸热和对流吸热保持合理的比例，共同控制蒸汽温度。解除保护、减少给水属于违背厂家技术要求，有一定的水冷壁超温风险。疏水系统改造之后，因为疏水回收至除氧器会提高锅炉给水温度，锅炉产汽量会增加，达到冲车所需的蒸汽参数，锅炉所用燃料量会减少，烟气量下降，所以锅炉蒸汽温度会更容易控制，便于机组启动。给水流量也可控制在相对安全的范围内，降低水冷壁超温风险。
最后，对高寒地区的空冷机组而言，在冬季工况下，在机组启动初期流量较低的情况下，汽机通过高低旁减温水以及排汽装置三级减温水来冷却启动过程中的蒸汽。因为疏水系统改造后可以将水质合格的疏水部分回收至除氧器，提高给水温度，减少燃料用量，所以锅炉可以更好地控制启动初期的蒸汽参数，主蒸汽温度比改造之前更容易控制，可以保证新蒸汽温度在380℃以下，达到图3中要求的启动温度。由于蒸汽温度降低，高低旁减温水以及三级减温水可以控制热井凝结水温度不超过50℃，因此可以保护凝结水泵，维持精处理装置连续投运，减少因凝结水温度高，热井用除盐水进行置换所造成的工质浪费。因为热井温度低，同时高温疏水回收至热井水量少，排汽装置内蒸汽量少，在极寒天气环境下，可以降低机组冷态启动阶段空冷岛翅片和回水管结冻的风险。
图3 机组冷态启动曲线
超临界直流空冷机组带大气扩容式的启动系统疏水经过改造后，在机组启动期间能够明显减少燃料消耗，提高经济性，降低机组启动过程中蒸汽参数控制的难度，在极寒地区能够降低空冷机组空冷岛冻结风险，利于机组在寒冷天气启动。除氧器运行压力较高，为防止除氧器内蒸汽泄露到启动系统，改造中应当选择高质量的手动及电动截止阀、逆止阀。启动疏水量比较大，回收至除氧器容易发生热冲击，产生振动和噪声，在改造过程中考虑除氧器的安全运行，改造要增加启动疏水和除氧器内部原有工质的热交换设计，以保证疏水平缓进入除氧器。
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