一种用于超临界机组无辅助汽源全冷态启动关键技术与应用

　　夏力伟 张学锁 刘志刚

　　皖能马鞍山发电有限公司，安徽马鞍山市恒兴路1号 243021

　　摘要：“一种用于超临界机组无辅助汽源全冷态启动关键技术与应用”在充分了解国内外相关研究成果的基础上，对超临界机组的全冷态启动进行了深入的分析，系统的研究了启动锅炉设计目的及超临界全冷态启动的若干问题，解决了火电机组全冷态启动时依赖启动锅炉的现象，该技术已经在皖能马鞍山电厂上大压小扩建项目中成功应用，属于国内第一家火电厂研究开发并应用。从而彻底摆脱了对启动锅炉的依靠，为国家使用节能减排做出了贡献。

　　关键词：超临界 全冷态 启动锅炉 第一家

　　1.前言

　　启动锅炉一般是新建电厂与首台机组配套建设的，其目的是在首台机组启动过程中向启动机组供应蒸汽，如汽轮机的轴封蒸汽、锅炉的启动蒸汽等。电厂建成机组运营期间，启动锅炉基本失去作用，主要在全厂发生停电事故全冷态启动情况下使用。

　　从2012年11月起，皖能马鞍山发电有限公司开始研究全冷态启动技术，2013年3月对磨煤机加装小油枪点火装置，一次启动成功。2014年3月，进行脱硝装置声波吹灰器改造及设计预热器压缩空气吹灰方案，研究突破锅炉点火初期尾部烟道预热器、脱硝吹灰瓶颈。2014年4月，进一步突破全冷态启动辅汽联箱供汽瓶颈，实现汽轮机轴封供汽建立真空及带负荷后汽泵切换。真正实现了国内第一家完全摆脱全冷态启动依赖启动锅炉的目标。证明该技术的应用情况是成功的，因此该技术针对火电厂全冷态启动具有广阔的、普遍性的推广应用前景。该技术的设计方案，具有经济、实用、安全等特点，应用前景广泛，适合全国进行推广。

　　2.技术分析及措施

　　“一种用于超临界机组无辅助汽源全冷态启动关键技术与应用”是中国电力建设工程咨询有限公司、皖能马鞍山发电有限公司的科研及专利成果，该技术在充分了解国内外相关研究成果的基础上，对超临界机组的全冷态启动进行了深入的分析，系统的研究了启动锅炉设计目的及超临界全冷态启动的若干问题，包括启动锅炉废除、全冷态启动磨煤机暖磨、空预器脱硝吹灰、辅汽联箱供汽的设计，并在理论分析的基础上提出了可用于超临界机组无辅汽全冷态启动工程应用的技术方案，解决了火电机组全冷态启动时依赖启动锅炉的现象，该技术已经在皖能马鞍山电厂上大压小扩建项目中成功应用，属于国内第一家火电厂研究开发并应用。该技术的全冷态启动设计方案在常规依靠启动锅炉给辅汽联箱供汽的基础上，进行了全冷态启动。通过对锅炉制粉系统可靠性分析、锅炉尾部烟道吹灰可行性分析、汽轮机轴封供汽安全性分析，从而彻底摆脱了对启动锅炉的依靠。该火电厂无辅汽全冷态启动的一种创新思路，已经成功应用到皖能马鞍山发电有限公司，取得了良好的经济效益。

　　3.关键技术及创新

　　3.1关键技术及创新介绍

　　“一种用于超临界机组无辅助汽源全冷态启动关键技术与应用”的形成，并在全冷态启动时磨煤机暖磨、锅炉尾部吹灰、辅汽联箱供汽进行创新设计，关键技术如下：

　　3.1.1 采用小油枪点火装置，在全冷态启动初期加热冷一次风，给磨煤机提供干燥煤粉的条件，实现磨煤机冷态启动;

　　3.1.2锅炉点火后预热器运行因无热源吹灰，改由压缩空气吹灰，防止煤粉二次燃烧;

　　3.1.3锅炉点火后脱硝催化剂因无热源吹灰，改由声波吹灰器吹灰，防止煤粉二次燃烧;

　　3.1.4锅炉产汽建立压力后，创新设计将吹灰管路倒汽供给辅汽联箱热源，向汽轮机轴封供汽，建立真空;

　　3.2关键技术之全冷态启动暖磨技术改造

　　3.2.1冷态改造缘由

　　皖能马鞍山发电公司2×660MW超临界燃煤发电机组采用了PICS-I-100型等离子体煤粉点火与稳燃系统。该系统设计中，需启动锅炉(SZS40-1.27/350-Y型)产生高温水蒸汽通过暖风器(冷风加热器)预热一次风，使机组A/B磨煤机达到运行条件后，启动等离子煤粉点火系统。实际运行过程中，该等离子体点火系统运行可靠性高，阴极寿命长，点火效率高。两台660MW机组营运条件下，单台机组冷态或热态启动不需要启动炉运行，有另一台运行机组提供汽源。只有两台机组全部停运后才需要启动锅炉运行。启动炉应用少，维护成本高，因而人力，财力消耗较大。因此，用其它技术手段与方法取代目前等离子体煤粉点火系统中暖风器和启动锅炉可以大大降低电厂运营成本和人力成本。

　　暖风器功能是对进入A/B磨煤机冷空气预热，使A/B磨达到工作条件。因此，要取代暖风器，则必须采用其它方法加热一次风冷空气。其它可选用方法包括电阻加热、燃油辅助加热等。前者需要结构较大的电阻加热器，且加热功率较大(估计2～4MW功率)。限与现场空间紧张和减少工程改造投入，拟采用油辅助加热系统。如果采用燃油辅助加热，另外需要设计燃油加热器。

　　3.2.2 对油辅助加热器的出力要求

　　采用油辅助加热器取代原有暖风器，则油辅助加热器必须与原有设计中暖风器(冷风加热器)性能近似，从而与等离子体煤粉点火系统匹配。

　　原有暖风器中，选用启动锅炉的蒸汽作加热器的汽源。启动锅炉的参数为：压力 0.8~1.27Mpa(g)，温度 300~350℃(设计温度379℃)，额定蒸汽流量40 t / h。

　　在燃煤水份下，经核算，在磨煤机最低出力及磨出口风粉温度77℃下，磨煤机入口风温160℃时，磨煤机干燥出力能满足要求。因此，暖风器出口风温160～170℃。

　　加热器布置在(A/B)磨煤机入口主热风道上。因此，满足锅炉A/B磨煤机启动条件参数是：一次风风量90t/h，风温160-170℃。

　　3.2.3 油辅助加热系统参数设计

　　一次风风量： 90t/h=25kg/s 100t/h=28kg/s

　　温度提高140℃时，需要加热量为3557kJ/s。

　　如果油低位热值41MJ/Kg，则油量消耗速率为0.087kg/s,因此，油枪出力约312kg/h。

　　以基准95 t/h计算，则油枪出力为330kg/h， 0.092kg/s。

　　油燃烧器空气/油比为18～20， 取20时，空气消耗量1.84kg/s。因此空气量为6.62t/h (5517Nm3/h)。(假定温度2100K)

　　如果考虑需要把油燃烧器燃气温度降到1000K以下，则需要混合冷却风，其比例与燃烧氧化剂风量比例约为2：1。燃油辅助燃烧器冷却配风量为3.68kg/s。燃油辅助系统总风量为5.52kg/s。(16560 Nm3/h)

　　如果一次风总流量95t/h=26.39kg/s

　　燃烧风及其配风5.52kg/s，则冷风量20.87kg/s,假定温度300K，则混合后进入磨煤机时温度为441K，比入口温度高约141℃。

　　根据现场观察，1#机组密封气参数为：压力9KPa，流量39180Nm3/h，约13.11kg/s，可以满足油辅助燃烧器5.52kg/s需求。

　　3.2.4燃烧器设计

　　从上述参数设计可以看出，如果需要把一次风温升加热141℃(用一次风量90t/h，则加热后温度为165℃);

　　燃烧器设计可借鉴航空发动机火焰筒燃烧技术，采用旋流火焰驻定技术。中心风(燃烧进风)加旋，驻定火焰;外测风冷却外壁和燃烧火焰筒子。通过气膜配风冷却和组织完全燃烧。其结构示意如图1所示。

　　燃油0.092kg/s, 空气流量1.84kg/s, 假定空气来流初始温度300K，则燃烧后燃气温度为 K

　　如果需要将来温度降低到800-1000K，则配风与燃烧风为2：1

　　则1.84kg/s空气，温度2358K

　　配风3.68kg/s，温度300K,则燃烧器出口混合温度为986K

　　燃烧器外壁

　　火焰筒

　　组织燃烧区域

　　燃烧风

　　冷却风

　　冷却气膜孔

　　图1，油燃烧辅助加热系统结构示意图

　　燃烧配风方案

　　燃烧风入口直径：空气消耗量1.84kg/s，风速20m/s

　　d=0.31 m(确定)

　　冷却风量3.68kg/s。其面积大约是燃烧风面积的两倍，则二次风管直径为：0.54m。

　　火焰筒出口直径约0.8m, 燃烧器最大直径1米;火焰筒长度约2.5m, 整个燃烧器长度约为3m(不包括进口流量测试，出口油过虑等环节长度)。

　　3.2.5系统设计与改造方案

　　设计思路：

　　用油燃烧器取代原有的蒸汽热源的暖风器，保持原有暖风器旁路不变，燃油燃烧器出口连接在A、B两层暖风器入口上游的一次风母管上(见后面系统图标示)。

　　燃烧器固定在暖风加热器层(高度10米平台)，用0米层的柴发油箱加装油泵供给燃油或单独制作邮箱供给燃油。

　　油辅助加热系统的压力损失约1000-2000Pa，不能采用一次风机供风，拟采用密封风供风，目前马鞍山电厂1#机密封风机参数为9Kpa, 13.11kg/s。压力合适，提供最大5.52kg/s的风是可能的。

　　一次风

　　暖风器

　　磨煤机

　　燃油燃烧器

　　密封风5.52kg/s

　　油箱油泵,0.092kg/s

　　机械雾化油枪

　　火焰监测

　　高能点火器

　　图2，等离子体煤粉点火冷态启动油辅助加热改造示意图

　　图3，系统总图

　　P

　　3.2.6系统构成

　　燃烧器

　　(1)油路系统

　　油枪

　　点火器

　　油箱

　　火检

　　V

　　(2)配气(密封风)

　　密封风

　　P

　　(3)火检配风

　　等离子火检风机或压缩空气

　　(4)燃烧器

　　(5)监控系统(一次风风温，燃烧器火检)

　　3.2.7方案优缺点

　　3.2.7.1优点：此方案系统简单，技术成熟可靠，结构紧凑，占地小，改造成本低。

　　3.2.7.2缺点：油枪点火燃烧器运行时，热一次风道爆燃事故防范控制措施到位。

　　3.2.8项目投资收益

　　3.2.8.1启动炉、燃油系统维护费用及启动炉整体处理就可以回收全部投资，并且节约了启动炉、燃油库的使用土地。

　　3.2.8.2原锅炉冷态点火使用启动锅炉仅燃油一项就需耗油3.1t/h，且日常维护费用可观;而改造后耗油仅250kg/h，油泵功率仅2.2kw，人工和日常维护量非常小，成本可忽略不计。按每小时节约用油2.85吨，7000元/吨计算，每次冷态启动A/B需稳燃运行约5小时。共节约燃油费2.85×7000×5=99750元,单台机组7次冷态启动即可收回全部投资。

　　3.3关键技术之空预器吹灰器加装压缩空气管路

　　3.3.1改前状况及存在的问题

　　皖能马鞍山发电有限公司#1、#2机组分别于2013年4月、9月完成资本性投资项目全冷态点火小油枪改造工程，且调试、实际启用成功。由于启动炉报废后，机组在等离子点火时，全厂已无蒸汽汽源，使空预器蒸汽吹灰器无法运行，机组冷态启动过程中，要保持空预器吹灰器正常运行防止空预器堵灰。

　　3.3.2具体方案改造措施

　　在空预器蒸汽吹灰器的蒸汽汽源管道上接一路仪用压缩空气气源，气源从在#1炉14.5米层煤粉取样仪用压缩空气E磨煤机处引入(因该处可以通过取样仪用压缩空气隔离阀进行隔离，其它处压缩空气由于基建未加隔离阀无法隔离)，保证无蒸汽汽源的情况下利用压缩空气进行空预器吹灰，防止空预器堵灰。

　　具体操作方法：关闭吹灰蒸汽至空预器的隔离阀、空预器电动疏水阀、辅汽至空预器吹灰蒸汽隔离阀，对空预器吹灰管路进行隔离。开启加装的仪用压缩空气至空预器吹灰器的隔离阀以及仪用气至空预器吹灰管道进口的一、二次手动蒸汽隔离阀,，接入压缩空气，投用空预器吹灰器运行进行吹灰。

　　为保证吹灰器正常运行时管道内的蒸汽不倒流到压缩空气管内，加装一、二次阀，并且该管路不用时，将一次手动隔离阀进口处法兰脱离，并在阀门端加装堵板，保证蒸气与压缩空气不串流。

　　管道采用￠76×4的20G 锅炉管道，仪用压缩空气至空预器吹灰器的隔离阀采用不锈钢闸阀Z41W-16P DN65，仪用气至空预器吹灰管道进口的一、二次手动蒸汽隔离阀选用Z41H-40 DN65.

　　3.3关键技术之脱硝装置声波吹灰器改造

　　3.3.1改前状况及存在的问题

　　我厂在机组已将等离子点火系统进行改造，启动锅炉将停止使用，在全厂机组停运后启动时，造成脱硝蒸汽吹灰器无蒸汽来源，无法使用，易使脱硝催化剂堵塞。

　　蒸汽吹灰方式由于湿度的影响，长期的运行对催化剂的失效影响很大，有对催化剂发生腐蚀和堵塞的危险，蒸汽吹灰方式依靠机械的蒸汽的冲击力来实现清灰，高速的蒸汽流夹杂着粉尘，对催化剂的表面磨损非常厉害，导致催化剂的使用寿命缩短，维护成本变高。

　　3.3.2改造方案及措施

　　在原有脱硝催化剂二、三层，每层加装10台声波吹灰器。声波吹灰器汽源接至第一层声波吹灰器储气罐气源上。

　　蒸汽吹灰方式依靠机械的蒸汽的冲击力来实现清灰，高速的蒸汽流夹杂着粉尘，对催化剂的表面磨损非常厉害，导致催化剂的使用寿命缩短，维护成本变高。

　　改造后在机组启停炉时声波吹灰器不受蒸汽汽源的影响，可以随时对催化剂进行吹灰。且声波吹灰器对催化剂没有磨损，延长催化剂使用寿命，是非接触式的清灰方式，降低SCR的维护成本。

　　声波吹灰器产生声能量所需压缩空气的流量和成本约占蒸汽吹灰器的10%—20%。

　　3.4关键技术之全冷态启动辅汽联箱进汽方案

　　3.4.1改前状况及存在的问题

　　皖能马鞍山发电有限公司#1、#2机组分别于2013年4月、9月完成资本性投资项目全冷态点火小油枪改造工程，且调试、实际启用成功。由于启动炉报废后，机组在等离子点火时，全厂已无蒸汽汽源，辅汽至汽轮机轴封汽无汽源。

　　3.4.2 具体方案改造措施

　　在锅炉启炉后，锅炉具有一定压力温度时，通过后屏出口至吹灰蒸汽减压站减压到0.8~1.1MPa，流经减压站出口(￠114×10)，炉本体蒸汽吹灰母管(￠114×6)至SCR吹灰逆止阀、手动阀、启动截止阀(￠133×4.5，DN125)，再经辅汽至SCR气动截止阀、手动截止阀、逆止阀(阀芯抽出或用短接代替逆止阀)，沿途管道变径((￠133×4，变为￠194×4.5，)进入辅汽至空预器、SCR吹灰蒸汽总管((￠194×4.5)，到辅汽至空预器、SCR手动隔离总阀(￠194×4.5，DN175)，进入辅汽联箱。

　　如增加空预器吹灰管路到辅汽联箱进汽，炉本体吹灰蒸汽出口经过管道(￠89×4.5)、逆止阀(阀芯抽出或用短接代替逆止阀)、手动隔离阀、到14.5米层空预器吹灰总管，流经辅汽至空预器逆止阀、手动阀、电动隔离阀(￠89×4，DN80)，进入辅汽至空预器、SCR吹灰蒸汽总管((￠194×4.5)，到辅汽至空预器、SCR手动隔离总阀(￠194×4.5，DN175)，进入辅汽联箱。

　　空预器管路至辅汽进汽方案，由于机组运行时，空预器吹灰器在用压缩空气进行吹灰，空预器吹灰管道进汽时，需要将压缩空气吹灰停止，使用本体吹吹蒸汽进行吹灰，它将消耗进入辅汽联箱的蒸汽量，有可能使辅汽联箱蒸汽参数发生变化。

　　4.与同类先进成果主要技术指标比对情况

　　“一种用于超临界机组无辅助汽源全冷态启动关键技术与应用”以较低的投资代价(主要投资在磨煤机安装小油枪点火装置、脱硝声波吹灰器改造、预热器吹灰改造、辅汽联箱供汽改造)，解决了火电厂全冷态启动完全依赖启动锅炉的现象，研究成果填补了火电机组无启动锅炉设计的空白，处于上上上机组第一家。该技术的设计方案具有系统简单、可靠、安全等优点，其投资成本仅为启动锅炉的30%，且无需占用土地资源，经济性效益显着。

　　5.推广应用情况及前景

　　从2012年11月起，皖能马鞍山发电有限公司开始研究全冷态启动技术，2013年3月对磨煤机加装小油枪点火装置，一次启动成功。2014年3月，进行脱硝装置声波吹灰器改造及设计预热器压缩空气吹灰方案，研究突破锅炉点火初期尾部烟道预热器、脱硝吹灰瓶颈。2014年4月，进一步突破全冷态启动辅汽联箱供汽瓶颈，实现汽轮机轴封供汽建立真空及带负荷后汽泵切换。真正实现了完全摆脱全冷态启动依赖启动锅炉的目标。证明该技术的应用情况是成功的，因此该技术针对火电厂全冷态启动具有广阔的、普遍性的推广应用前景。该技术的设计方案，具有经济、实用、安全等特点，应用前景广泛，适合全国进行推广。

　　6.经济与社会效益

　　6.1经济效益(以在役电厂取消启动锅炉为例)

　　6.1.1每年启动锅炉维护保养、检验费约50万;

　　6.1.2 每年按一次全冷态启动所用启动锅炉各种费用约30万;

　　6.1.3脱硝吹灰器每年用声波替代蒸汽吹灰节约蒸汽量约5000吨，按120元/吨，约节约60万。

　　6.2社会效益

　　取消启动锅炉后将大大降低污染物排放及油罐危险因素。

　　7.结论

　　如此高风险、高难度的超临界机组全冷态启动技术在国内外尚属首例，没有成功经验可借鉴。为此，皖能马鞍山发电有限公司于2010年机组扩建时开始着手研究，并在机组投入运营后逐步应用于实践，历时5年，攻关了火电系统使用等离子点火、取消启动锅炉全冷态启动等关键技术难题，为国家降低能源消耗及清洁发电奠定了基础。