超超臨界汽輪發電機組調試技術

近年來，隨著世界經濟形勢的加劇，減少排放已成為國際社會的共識。外高橋三期工程,建設2臺1000MW超超臨界汽輪發電機組。自項目的策劃和方案論證,至機組完成試運行并投產,始終以節能減排為主線。項目伊始,投資方就明確地將工程建設目標確定為“國內領先,國際先進”。因此,對系統進行引進技術基礎上的全面優化和技術創新便成了這項工程最主要的抓手。而機組的調試階段是實現這一系列的優化和技術創新的最主要的過程。1外高橋三級橋設計的總體思路1.1外高橋2400mw超臨界機組投運后的調試安排根據國內規范,在完成基本的調試項目,并通過168h滿負荷試運行后就可以投產。由于規定從鍋爐點火沖管至完成168h應小于90d,對于大機組而言,要使機組調試到完全滿足設計要求是困難的。因此,在機組投產后仍有半年的試生產期,在此期間,還可以進一步做一些試驗及深入的細調工作。在外高橋二期引進2×900MW超臨界機組的建設期間,基于外方的堅持,合同的帶負荷調試期為5個月(機組并網發電至168h試運行結束),遠遠長于國內規范。但是,機組投產后并不安排試生產期,直接進入商業運行。二期工程實際執行的結果是兩臺機組的帶負荷調試均為4個月。由于調試期相對充裕,調試標準高,工作細致且充分,機組投產后的自動化水平,可靠性和經濟性等各項指標均名列國內前茅。雖然調試期的電價遠低于商業運行,但機組投產后上佳的表現使企業獲得了豐厚的收益,與之相比,延長調試期所減少的發電收入可以忽略不計。實踐證明,這樣的調試安排更符合“科學發展”的理念。因此,雖然三期工程為國產項目,但對于調試期的安排,各投資方一致贊同參照二期。此外,相當部分的設計優化和技術創新也需要安排充分的時間,通過調試階段進行試驗、實踐和完善,從而使機組的綜合性能更上一層樓。1.2啟動前,國外的試驗方案建議外高橋二期和三期工程的主設備均采用了德國技術,從二期的調試實踐來看,在許多方面德國的標準遠高于國內。例如,按中、美、日等國的技術規范,在新機組的調試階段,允許蒸汽品質可遠低于正常運行標準,通過不同負荷階段的“洗硅”等調試步驟,不斷改善汽水品質以逐步達到生產標準。在此過程中,不可避免地造成大量低品質的蒸汽進入汽輪機,這必然會對汽輪機的通流部分產生一定的傷害。而德國的超超(超)臨界機組,即使在調試階段,也必須執行正常運行的蒸汽品質標準。因此,在汽輪機啟動前,要經過一個鍋爐帶旁路并以不低于規定的熱負荷運行(清洗)的過程,經過2~3個星期的時間,直至主、再熱汽汽及凝結水質等完全符合標準后才能沖轉汽輪機,以確保汽輪機葉片不受侵害。當然,這一期間的燃油、燃煤及廠用電等消耗驚人,且不產生任何發電效益。但考慮到汽輪機的葉片一旦受損是不可逆的,因此從長遠的經濟性著眼,這樣的啟動程序是有益的,外高橋二期工程的實踐也充分證明了這一點。因此,外高橋三期工程的調試,將毫無疑問地參考這一經驗。1.3降低工程投資根據以上論述,安排較為充裕的調試期,執行先進合理的調試啟動程序,高標準、嚴要求,符合社會和企業長遠的利益。但對調試的要求越高,調試期內的燃料和電力等資源的消耗和排放量越大,對于2臺百萬級機組的項目,僅不產生電力的調試用燃料費的開支就要逾億。以外高橋二期為例,在整個調試期內燃用的輕柴油量就達21000t,按目前的油價,其總值高達1.4億。若再加上燃煤和外購廠用電,項目的資金壓力甚為可觀。因此,盡可能地降低工程投資,對于提高機組投產后的企業競爭力也相當重要。因此,如何通過創新,全面優化進程,達到節油、節煤和節電,又好又快又安全地完成機組調試,無論對社會還是對企業,都是一項利在當前、功在長遠的工作。2外高橋二次啟動型超超超臨界機組啟動方式的探索及創新大型超超(超)臨界機組啟動,需要消耗大量的水、電、油、煤、蒸汽等資源,時間長,且這一階段的風險遠遠高于機組的正常運行時期。而超超(超)臨界機組特有的氧化皮脫落以及固體顆粒侵蝕問題也主要發生在這一階段。另外,一般的啟動階段,基于不充分燃燒下的油煙粘性強,為防止其對電除塵極板的污染,純燃油及煤油混燒階段不允許投電除塵,從而大大增加了這一階段的污染物排放。通過外高橋二期工程的實踐,我們深切體會到了全面優化和改革大型超超(超)臨界機組的啟動方式的必要性和緊迫性。通過對國內外直流鍋爐不同啟動方式以及相應的優、缺點和存在問題的深入研究,在理論上取得了一系列的重大突破。在此基礎上,我們對傳統的機組啟動方式進行了全面的顛覆和創新,研究并設計出了一整套全新的啟動方式。在對系統做了相應改進后,從第一臺鍋爐的點火啟動沖管階段起便陸續進行試驗并付諸實施,取得了一系列世界首創和領先的成果。2.1鍋爐沖洗和自動加熱系統在2007年11月11日第一臺機組首次沖管前,成功實現世界上首次不啟動給水泵、靜壓狀態下的鍋爐上水及熱態水沖洗,其清洗效果遠遠優于傳統方法。在完成了水沖洗并進行第一次鍋爐沖管時,鍋爐汽水分離器的水質就達到了含鐵量僅為131.8μg/L的水平,其疏水可直接回收。這在以往是不可想象的。這種水沖洗方法不用啟動給水泵,也不用點火加熱,節約了大量的燃料和廠用電,并且操作簡單,可控性好。由于沖洗的水溫高,且整個被沖洗受熱面內的沖洗介質均處于汽水兩相流,極大地改善了沖洗效果。而已被清洗水洗出并攜帶的垢污不會因為爐內燃燒加熱而在向火側內壁再出現二次沉淀(結垢)。由于鍋爐水質的迅速改善,在沖管過程中就能對汽水分離器的疏水進行回收,大大減少了系統的熱量和工質損失。而且,由于鍋爐受熱面和給水泵同時得到了相當程度的預熱,大大改善了啟動和運行條件,縮短了鍋爐的點火啟動加熱過程,也顯著提高了系統的啟動安全性。由于給水壓力高,常規管板臥式高壓加熱器的管板極厚(1000MW超超臨界雙列高加的管板厚度為565/600mm,單列高加的管板厚達680/800mm),其抗熱應力沖擊的能力差,對投運的操作要求很高。而在靜壓上水和熱態清洗過程中,相當于在對給水泵進行預熱的同時,實際對高壓加熱器也進行了預熱,這對后續投入高壓加熱器極為有利,可大大減少高壓加熱器投運時的熱應力沖擊,確保了高壓加熱器的安全性。2.2大型汽動給水泵組—成功實現了世界上首次大型汽動給水泵組低速啟動及全程調速運行外高橋三期工程在國內首次采用了100%容量的汽動給水泵,自配凝汽器,可單獨啟動,無電動給水泵。在第一臺機組首次沖管時,成功實現了世界上首次大型汽動給水泵組低速啟動及運行,并實現了泵組的全程調速運行。“外三”汽動給水泵額定轉速為4700r/min。為避開臨界轉速區域,該給水泵組的最低運行轉速設定為2700r/min。在機組啟動階段,這一高速啟動方式會造成較大的能量損耗,由于對應于最低啟動轉速的啟動壓力高,而此時鍋爐尚未起壓,故必須采用泵的出口調節閥進行壓力和流量調節,直到鍋爐運行壓力不斷提高至接近給水泵的出口壓力,調節閥全開時才進入調速方式運行。在此過程中,由于給水泵存在最小運行流量,且轉速越高,其最小運行流量越大,而此時的鍋爐并不需要太多的給水流量,故最小流量閥必須在較高的壓力下返回較多的流量,整個給水系統不但損失大,而且控制方式復雜,并且容易造成最小流量閥沖蝕并泄漏,而這種泄漏在運行中是無法處理的,這會造成長久的損失。為此,我們經過深入的理論研究,打破常規,提出了“大型汽動給水泵組低速啟動及運行”的創新思路和實施方案,并通過與供貨外商的溝通協調,取得了外方的支持。在第一次汽動給水泵整組啟動試驗中,低速運行和全程調速試驗均取得了圓滿成功。目前,這一大型汽動給水泵組低速啟動及運行方式已在兩臺鍋爐包括沖管在內的的所有各次啟動中均得到了很好的應用,目前已作為標準的啟動方式。這不僅大大降低了鍋爐啟動時的能量損耗,還提高了機組效率,大大簡化了系統控制策略,提高了設備運行安全性。2.3提高鍋爐運行經濟性和安全性傳統的煤粉鍋爐燃油點火啟動方法,耗油量大,費用高。而近些年來的一些少油甚至無油的點火啟動方法,不同程度存在著煤粉燃盡率低,安全風險較大的問題。為突破這一瓶頸,我們研究開發了直流鍋爐蒸汽加熱啟動和穩燃技術。該技術的總體思路,是采用蒸汽替代燃油和燃煤對鍋爐進行整體預加熱,使鍋爐在點火時已處于一個“熱爐、熱風”的熱環境。該啟動方法的系統簡單,實施容易,所增加的費用遠低于等離子點火等其他省油方法。采用這一啟動方法后,鍋爐在啟動中所需的燃油強度大為降低,燃油過程大大縮短,從而使總體耗油量下降了一個數量級以上,目前,每次鍋爐啟動的點火用油僅為12~18t;同時,還可以大大減少廠用電及燃煤量,使整個啟動過程中所消耗的能源總量和啟動總成本顯著降低,從實踐來看,僅節省廠用電一項的價值就超過了加熱蒸汽的費用。另外,直流鍋爐采用蒸汽加熱啟動法和穩燃技術,不僅將鍋爐由原來的冷態啟動轉為熱態啟動,并且使煙風系統的運行條件更優于熱態啟動,極大地改善了鍋爐的點火和穩燃條件,顯著提高了鍋爐的啟動安全性。在第一臺機組調試期間,創造了最低斷油穩燃負荷19.1%BMCR的世界紀錄,大大提升了鍋爐啟動和運行的安全性。采用這一方法,還得到了其他一系列的附加好處,如,因加熱蒸汽取自相鄰汽輪機已經發過電的抽汽,這將顯著提高該機組的發電效率;點火階段很好的熱環境,極大地提高了該階段的燃油和燃煤的燃燒率,徹底消除了燃油的“黑煙”現象,防止了油煙粘結在空預器等尾部受熱面而危及鍋爐安全,電除塵可及早投入,顯著改善了該階段的環保效應;由于大大提高了啟動階段的排煙溫度,極大地降低了空預器結露和堵灰的概率,提高了鍋爐運行經濟性和安全性。對于配有SCR脫硝系統的鍋爐,同樣可杜絕其在啟動階段可能出現的低溫結露、堵灰、催化劑中毒以及未燃盡煙灰的粘附甚至二次燃燒的威脅等。2.4基于蒸汽加熱啟動法的鍋爐疏水啟動技術超超(超)臨界鍋爐通常采用的啟動方式有兩種,一種是疏水啟動(如外高橋二期900MW超臨界鍋爐),這種方法系統簡單,可靠性高,投資省。但存在啟動階段的汽水損失大,熱態和極熱態啟動時間長等缺點。另一種是帶爐水循環泵啟動(如目前1000MW超超臨界鍋爐的普遍設計),這種方法的優缺點正好與前一種完全相反。通過二期工程幾年以來的實踐和總結,我們利用蒸汽加熱啟動法的水冷壁流量分布均勻性好的有利條件,研究開發了兼有這兩者優點,避免各自缺點的低流量(15%BMCR)疏水啟動技術,取得了圓滿成功。采用該技術,取消爐水循環泵,大大簡化了啟動系統和運行控制,提高了安全性和可靠性,減少了啟動損失,但仍具有常規帶爐水循環泵鍋爐的極熱態啟動時間短,損失小的特點。在第一臺鍋爐沖管期間,低流量疏水啟動技術試驗成功后,從機組整組啟動及并網直至投產,以及第二臺鍋爐沖管直到并網發電至今,現在的所有啟動(包括冷態、溫態、熱態和極熱態的各種狀態的啟動),均采用此項技術,節約了大量的燃料和工質,取得了很好的成效。2.5機組運行階段的物理壓力技術對于超超臨界機組而言,所面臨的最大的技術風險是蒸汽氧化和固體顆粒侵蝕(SPE)問題,目前全世界的超超臨界機組都被這一問題所困擾。另外,隨著主蒸汽參數到達600℃等級,傳統的沖管和啟動技術已不能滿足實際需要。高溫高壓的鍋爐和系統管道在熱加工過程中,其內壁會產生較厚的硬質氧化層,且很難在后續工藝中完全被清除。由于施工階段的酸洗是針對直管段的內壁清洗所設計,對熱加工部分產生的厚氧化層的清除作用有限。而現有的沖管技術,受沖管工藝和臨沖管材質所限,沖管時的主、再熱汽溫比額定運行溫度低100~150℃,系統內的氧化物難以被充分剝離并沖凈。這必然造成機組從第一次啟動起就面臨氧化物的逐漸剝落和固體顆粒侵蝕(SPE)問題。這也就能解釋超超(超)臨界機組在經若干次啟動后,汽輪機內效率就會明顯下降;機組運行一年后的開缸檢查時,會發現汽輪機的葉片已出現了明顯的固體顆粒侵蝕現象。為應對上述問題,經過幾年來的研究,我們從設備選型及設計階段開始,在外三工程中就采取了一系列的蒸汽氧化和固體顆粒侵蝕的綜合防治措施。在此基礎上,我們針對SPE問題主要發生在機組啟動階段的特點,進一步研究開發了帶旁路高動量清洗技術。采用這一技術,配以特殊的旁路系統和控制方式,能在每次汽輪機啟動前最大限度地剝離氧化物,并將系統內已剝落的氧化皮,包括滯留在零流速區的顆粒物等全部直接送至凝汽器,使機組徹底杜絕SPE問題。從外三工程首臺機組的第一次整組啟動起,我們就堅持采用這一技術,收到了極佳的效果。第一次啟動,在主蒸汽達到最高動量階段,凝結水含鐵量從108.7μg/l急劇上升至1756μg/l并出現混濁,事后停機檢查時,在凝汽器內竟清理出約20kg含鉻的氧化物。據統計,在爾后的每次啟動階段,平均能在凝汽器內收集約4kg的氧化物。試想,如果這部分硬質氧化物進入了汽輪機,將會發生怎樣的后果。在調試階段經過十數次的啟、停并進入168h試運行前的一次停機機會,我們用工業內窺鏡通過窺視孔對高壓缸第一級葉片進行了拍照和錄像,發現葉片依然光亮如新!2.6發電系統大規模下降在調試中,節電的措施貫穿始終。如前述的靜壓上水及熱態清洗的全過程;蒸汽加熱啟動過程中的點火前,鍋爐均不啟動風機。使整個啟動過程的耗電量呈數量級下降。從沖管到帶旁路清洗,以及每一次機組的整組啟動,50%熱負荷以下的時間都占到很大的比例,其中沖管的熱負荷均在48%以下。在此過程中,除有試驗需要外,送、引風機盡可采用單側運行,這進一步使廠用電大幅下降。在第二臺機組的調試階段,對于循環冷卻水需要量不大的部分輔機試轉,如汽動給水泵試轉等,則采用打開循環水聯絡閥借用鄰機冷卻水的方法,大大節約了廠用電。2.7凝結水前置過濾器和精處理系統常規的直流鍋爐穩壓沖管,水冷壁出口一般都處于濕態。基于該處在運行中實際為干態,運行溫度比沖管時高出一百多度,為探索改善沖管效果,在第一臺鍋爐的沖管期間,嘗試了干態沖管,發現沖管效果明顯優于傳統方法。經總結歸納,在第二臺鍋爐沖管時,全部采用干態沖管,收到了很好的效果。實際沖管次數比第一臺減少了近一半,既大大降低了煤、油、電及蒸汽等資源的消耗,又有效節約了時間。按SIEMENS和ALSTOM推薦的帶旁路啟動及清洗程序,時間長,消耗大,凝結水前置過濾器及精處理系統的負擔重,且主蒸汽管得不到有效的沖洗。另外,由于清洗時的參數低,熱負荷及蒸汽動量小,與蒸汽溫度高達600℃的實際運行工況并不吻合。因此,即使清洗的指標合格,亦不能確保運行階段的安全。為此,在外三工程的調試階段,對這一工藝進行了全面改進。其主導思路是改原來的穩定熱負荷為變負荷,蒸汽參數為變參數,沖洗途徑為變回路。同時,主蒸汽管也能得到充分的沖洗。另外,經一個