超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組調(diào)試技術(shù)

超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組調(diào)試技術(shù)

近年來，隨著世界經(jīng)濟(jì)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(shè)2臺1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組。自項目的策劃和方案論證,至機(jī)組完成試運(yùn)行并投產(chǎn),始終以節(jié)能減排為主線。項目伊始,投資方就明確地將工程建設(shè)目標(biāo)確定為“國內(nèi)領(lǐng)先,國際先進(jìn)”。因此,對系統(tǒng)進(jìn)行引進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上的全面優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新便成了這項工程最主要的抓手。而機(jī)組的調(diào)試階段是實現(xiàn)這一系列的優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新的最主要的過程。1外高橋三級橋設(shè)計的總體思路1.1外高橋2400mw超臨界機(jī)組投運(yùn)后的調(diào)試安排根據(jù)國內(nèi)規(guī)范,在完成基本的調(diào)試項目,并通過168h滿負(fù)荷試運(yùn)行后就可以投產(chǎn)。由于規(guī)定從鍋爐點(diǎn)火沖管至完成168h應(yīng)小于90d,對于大機(jī)組而言,要使機(jī)組調(diào)試到完全滿足設(shè)計要求是困難的。因此,在機(jī)組投產(chǎn)后仍有半年的試生產(chǎn)期,在此期間,還可以進(jìn)一步做一些試驗及深入的細(xì)調(diào)工作。在外高橋二期引進(jìn)2×900MW超臨界機(jī)組的建設(shè)期間,基于外方的堅持,合同的帶負(fù)荷調(diào)試期為5個月(機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電至168h試運(yùn)行結(jié)束),遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于國內(nèi)規(guī)范。但是,機(jī)組投產(chǎn)后并不安排試生產(chǎn)期,直接進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行。二期工程實際執(zhí)行的結(jié)果是兩臺機(jī)組的帶負(fù)荷調(diào)試均為4個月。由于調(diào)試期相對充裕,調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)高,工作細(xì)致且充分,機(jī)組投產(chǎn)后的自動化水平,可靠性和經(jīng)濟(jì)性等各項指標(biāo)均名列國內(nèi)前茅。雖然調(diào)試期的電價遠(yuǎn)低于商業(yè)運(yùn)行,但機(jī)組投產(chǎn)后上佳的表現(xiàn)使企業(yè)獲得了豐厚的收益,與之相比,延長調(diào)試期所減少的發(fā)電收入可以忽略不計。實踐證明,這樣的調(diào)試安排更符合“科學(xué)發(fā)展”的理念。因此,雖然三期工程為國產(chǎn)項目,但對于調(diào)試期的安排,各投資方一致贊同參照二期。此外,相當(dāng)部分的設(shè)計優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新也需要安排充分的時間,通過調(diào)試階段進(jìn)行試驗、實踐和完善,從而使機(jī)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(shè)備均采用了德國技術(shù),從二期的調(diào)試實踐來看,在許多方面德國的標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)高于國內(nèi)。例如,按中、美、日等國的技術(shù)規(guī)范,在新機(jī)組的調(diào)試階段,允許蒸汽品質(zhì)可遠(yuǎn)低于正常運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn),通過不同負(fù)荷階段的“洗硅”等調(diào)試步驟,不斷改善汽水品質(zhì)以逐步達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。在此過程中,不可避免地造成大量低品質(zhì)的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī),這必然會對汽輪機(jī)的通流部分產(chǎn)生一定的傷害。而德國的超超(超)臨界機(jī)組,即使在調(diào)試階段,也必須執(zhí)行正常運(yùn)行的蒸汽品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。因此,在汽輪機(jī)啟動前,要經(jīng)過一個鍋爐帶旁路并以不低于規(guī)定的熱負(fù)荷運(yùn)行(清洗)的過程,經(jīng)過2~3個星期的時間,直至主、再熱汽汽及凝結(jié)水質(zhì)等完全符合標(biāo)準(zhǔn)后才能沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī),以確保汽輪機(jī)葉片不受侵害。當(dāng)然,這一期間的燃油、燃煤及廠用電等消耗驚人,且不產(chǎn)生任何發(fā)電效益。但考慮到汽輪機(jī)的葉片一旦受損是不可逆的,因此從長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)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(diǎn)。因此,外高橋三期工程的調(diào)試,將毫無疑問地參考這一經(jīng)驗。1.3降低工程投資根據(jù)以上論述,安排較為充裕的調(diào)試期,執(zhí)行先進(jìn)合理的調(diào)試啟動程序,高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求,符合社會和企業(yè)長遠(yuǎn)的利益。但對調(diào)試的要求越高,調(diào)試期內(nèi)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(jī)組的項目,僅不產(chǎn)生電力的調(diào)試用燃料費(fèi)的開支就要逾億。以外高橋二期為例,在整個調(diào)試期內(nèi)燃用的輕柴油量就達(dá)21000t,按目前的油價,其總值高達(dá)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(jī)組投產(chǎn)后的企業(yè)競爭力也相當(dāng)重要。因此,如何通過創(chuàng)新,全面優(yōu)化進(jìn)程,達(dá)到節(jié)油、節(jié)煤和節(jié)電,又好又快又安全地完成機(jī)組調(diào)試,無論對社會還是對企業(yè),都是一項利在當(dāng)前、功在長遠(yuǎn)的工作。2外高橋二次啟動型超超超臨界機(jī)組啟動方式的探索及創(chuàng)新大型超超(超)臨界機(jī)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(fēng)險遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)組的正常運(yùn)行時期。而超超(超)臨界機(jī)組特有的氧化皮脫落以及固體顆粒侵蝕問題也主要發(fā)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(qiáng),為防止其對電除塵極板的污染,純?nèi)加图懊河突鞜A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(yōu)化和改革大型超超(超)臨界機(jī)組的啟動方式的必要性和緊迫性。通過對國內(nèi)外直流鍋爐不同啟動方式以及相應(yīng)的優(yōu)、缺點(diǎn)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(chǔ)上,我們對傳統(tǒng)的機(jī)組啟動方式進(jìn)行了全面的顛覆和創(chuàng)新,研究并設(shè)計出了一整套全新的啟動方式。在對系統(tǒng)做了相應(yīng)改進(jìn)后,從第一臺鍋爐的點(diǎn)火啟動沖管階段起便陸續(xù)進(jìn)行試驗并付諸實施,取得了一系列世界首創(chuàng)和領(lǐng)先的成果。2.1鍋爐沖洗和自動加熱系統(tǒng)在2007年11月11日第一臺機(jī)組首次沖管前,成功實現(xiàn)世界上首次不啟動給水泵、靜壓狀態(tài)下的鍋爐上水及熱態(tài)水沖洗,其清洗效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)方法。在完成了水沖洗并進(jìn)行第一次鍋爐沖管時,鍋爐汽水分離器的水質(zhì)就達(dá)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(diǎn)火加熱,節(jié)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(nèi)的沖洗介質(zhì)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(nèi)燃燒加熱而在向火側(cè)內(nèi)壁再出現(xiàn)二次沉淀(結(jié)垢)。由于鍋爐水質(zhì)的迅速改善,在沖管過程中就能對汽水分離器的疏水進(jìn)行回收,大大減少了系統(tǒng)的熱量和工質(zhì)損失。而且,由于鍋爐受熱面和給水泵同時得到了相當(dāng)程度的預(yù)熱,大大改善了啟動和運(yùn)行條件,縮短了鍋爐的點(diǎn)火啟動加熱過程,也顯著提高了系統(tǒng)的啟動安全性。由于給水壓力高,常規(guī)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(dá)680/800mm),其抗熱應(yīng)力沖擊的能力差,對投運(yùn)的操作要求很高。而在靜壓上水和熱態(tài)清洗過程中,相當(dāng)于在對給水泵進(jìn)行預(yù)熱的同時,實際對高壓加熱器也進(jìn)行了預(yù)熱,這對后續(xù)投入高壓加熱器極為有利,可大大減少高壓加熱器投運(yùn)時的熱應(yīng)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(xiàn)了世界上首次大型汽動給水泵組低速啟動及全程調(diào)速運(yùn)行外高橋三期工程在國內(nèi)首次采用了100%容量的汽動給水泵,自配凝汽器,可單獨(dú)啟動,無電動給水泵。在第一臺機(jī)組首次沖管時,成功實現(xiàn)了世界上首次大型汽動給水泵組低速啟動及運(yùn)行,并實現(xiàn)了泵組的全程調(diào)速運(yùn)行?！巴馊逼麆咏o水泵額定轉(zhuǎn)速為4700r/min。為避開臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域,該給水泵組的最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速設(shè)定為2700r/min。在機(jī)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(yīng)于最低啟動轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)閥進(jìn)行壓力和流量調(diào)節(jié),直到鍋爐運(yùn)行壓力不斷提高至接近給水泵的出口壓力,調(diào)節(jié)閥全開時才進(jìn)入調(diào)速方式運(yùn)行。在此過程中,由于給水泵存在最小運(yùn)行流量,且轉(zhuǎn)速越高,其最小運(yùn)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(tǒng)不但損失大,而且控制方式復(fù)雜,并且容易造成最小流量閥沖蝕并泄漏,而這種泄漏在運(yùn)行中是無法處理的,這會造成長久的損失。為此,我們經(jīng)過深入的理論研究,打破常規(guī),提出了“大型汽動給水泵組低速啟動及運(yùn)行”的創(chuàng)新思路和實施方案,并通過與供貨外商的溝通協(xié)調(diào),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(yùn)行和全程調(diào)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(yùn)行方式已在兩臺鍋爐包括沖管在內(nèi)的的所有各次啟動中均得到了很好的應(yīng)用,目前已作為標(biāo)準(zhǔn)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(jī)組效率,大大簡化了系統(tǒng)控制策略,提高了設(shè)備運(yùn)行安全性。2.3提高鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性傳統(tǒng)的煤粉鍋爐燃油點(diǎn)火啟動方法,耗油量大,費(fèi)用高。而近些年來的一些少油甚至無油的點(diǎn)火啟動方法,不同程度存在著煤粉燃盡率低,安全風(fēng)險較大的問題。為突破這一瓶頸,我們研究開發(fā)了直流鍋爐蒸汽加熱啟動和穩(wěn)燃技術(shù)。該技術(shù)的總體思路,是采用蒸汽替代燃油和燃煤對鍋爐進(jìn)行整體預(yù)加熱,使鍋爐在點(diǎn)火時已處于一個“熱爐、熱風(fēng)”的熱環(huán)境。該啟動方法的系統(tǒng)簡單,實施容易,所增加的費(fèi)用遠(yuǎn)低于等離子點(diǎn)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(qiáng)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(shù)量級以上,目前,每次鍋爐啟動的點(diǎn)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(jié)省廠用電一項的價值就超過了加熱蒸汽的費(fèi)用。另外,直流鍋爐采用蒸汽加熱啟動法和穩(wěn)燃技術(shù),不僅將鍋爐由原來的冷態(tài)啟動轉(zhuǎn)為熱態(tài)啟動,并且使煙風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行條件更優(yōu)于熱態(tài)啟動,極大地改善了鍋爐的點(diǎn)火和穩(wěn)燃條件,顯著提高了鍋爐的啟動安全性。在第一臺機(jī)組調(diào)試期間,創(chuàng)造了最低斷油穩(wěn)燃負(fù)荷19.1%BMCR的世界紀(jì)錄,大大提升了鍋爐啟動和運(yùn)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(jī)已經(jīng)發(fā)過電的抽汽,這將顯著提高該機(jī)組的發(fā)電效率;點(diǎn)火階段很好的熱環(huán)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(xiàn)象,防止了油煙粘結(jié)在空預(yù)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(huán)保效應(yīng);由于大大提高了啟動階段的排煙溫度,極大地降低了空預(yù)器結(jié)露和堵灰的概率,提高了鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性。對于配有SCR脫硝系統(tǒng)的鍋爐,同樣可杜絕其在啟動階段可能出現(xiàn)的低溫結(jié)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(shù)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(tǒng)簡單,可靠性高,投資省。但存在啟動階段的汽水損失大,熱態(tài)和極熱態(tài)啟動時間長等缺點(diǎn)。另一種是帶爐水循環(huán)泵啟動(如目前1000MW超超臨界鍋爐的普遍設(shè)計),這種方法的優(yōu)缺點(diǎn)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(jié),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(fā)了兼有這兩者優(yōu)點(diǎn),避免各自缺點(diǎn)的低流量(15%BMCR)疏水啟動技術(shù),取得了圓滿成功。采用該技術(shù),取消爐水循環(huán)泵,大大簡化了啟動系統(tǒng)和運(yùn)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(guī)帶爐水循環(huán)泵鍋爐的極熱態(tài)啟動時間短,損失小的特點(diǎn)。在第一臺鍋爐沖管期間,低流量疏水啟動技術(shù)試驗成功后,從機(jī)組整組啟動及并網(wǎng)直至投產(chǎn),以及第二臺鍋爐沖管直到并網(wǎng)發(fā)電至今,現(xiàn)在的所有啟動(包括冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)和極熱態(tài)的各種狀態(tài)的啟動),均采用此項技術(shù),節(jié)約了大量的燃料和工質(zhì),取得了很好的成效。2.5機(jī)組運(yùn)行階段的物理壓力技術(shù)對于超超臨界機(jī)組而言,所面臨的最大的技術(shù)風(fēng)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(jī)組都被這一問題所困擾。另外,隨著主蒸汽參數(shù)到達(dá)600℃等級,傳統(tǒng)的沖管和啟動技術(shù)已不能滿足實際需要。高溫高壓的鍋爐和系統(tǒng)管道在熱加工過程中,其內(nèi)壁會產(chǎn)生較厚的硬質(zhì)氧化層,且很難在后續(xù)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(nèi)壁清洗所設(shè)計,對熱加工部分產(chǎn)生的厚氧化層的清除作用有限。而現(xiàn)有的沖管技術(shù),受沖管工藝和臨沖管材質(zhì)所限,沖管時的主、再熱汽溫比額定運(yùn)行溫度低100~150℃,系統(tǒng)內(nèi)的氧化物難以被充分剝離并沖凈。這必然造成機(jī)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(jī)組在經(jīng)若干次啟動后,汽輪機(jī)內(nèi)效率就會明顯下降;機(jī)組運(yùn)行一年后的開缸檢查時,會發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)的葉片已出現(xiàn)了明顯的固體顆粒侵蝕現(xiàn)象。為應(yīng)對上述問題,經(jīng)過幾年來的研究,我們從設(shè)備選型及設(shè)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(chǔ)上,我們針對SPE問題主要發(fā)生在機(jī)組啟動階段的特點(diǎn),進(jìn)一步研究開發(fā)了帶旁路高動量清洗技術(shù)。采用這一技術(shù),配以特殊的旁路系統(tǒng)和控制方式,能在每次汽輪機(jī)啟動前最大限度地剝離氧化物,并將系統(tǒng)內(nèi)已剝落的氧化皮,包括滯留在零流速區(qū)的顆粒物等全部直接送至凝汽器,使機(jī)組徹底杜絕SPE問題。從外三工程首臺機(jī)組的第一次整組啟動起,我們就堅持采用這一技術(shù),收到了極佳的效果。第一次啟動,在主蒸汽達(dá)到最高動量階段,凝結(jié)水含鐵量從108.7μg/l急劇上升至1756μg/l并出現(xiàn)混濁,事后停機(jī)檢查時,在凝汽器內(nèi)竟清理出約20kg含鉻的氧化物。據(jù)統(tǒng)計,在爾后的每次啟動階段,平均能在凝汽器內(nèi)收集約4kg的氧化物。試想,如果這部分硬質(zhì)氧化物進(jìn)入了汽輪機(jī),將會發(fā)生怎樣的后果。在調(diào)試階段經(jīng)過十?dāng)?shù)次的啟、停并進(jìn)入168h試運(yùn)行前的一次停機(jī)機(jī)會,我們用工業(yè)內(nèi)窺鏡通過窺視孔對高壓缸第一級葉片進(jìn)行了拍照和錄像,發(fā)現(xiàn)葉片依然光亮如新!2.6發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模下降在調(diào)試中,節(jié)電的措施貫穿始終。如前述的靜壓上水及熱態(tài)清洗的全過程;蒸汽加熱啟動過程中的點(diǎn)火前,鍋爐均不啟動風(fēng)機(jī)。使整個啟動過程的耗電量呈數(shù)量級下降。從沖管到帶旁路清洗,以及每一次機(jī)組的整組啟動,50%熱負(fù)荷以下的時間都占到很大的比例,其中沖管的熱負(fù)荷均在48%以下。在此過程中,除有試驗需要外,送、引風(fēng)機(jī)盡可采用單側(cè)運(yùn)行,這進(jìn)一步使廠用電大幅下降。在第二臺機(jī)組的調(diào)試階段,對于循環(huán)冷卻水需要量不大的部分輔機(jī)試轉(zhuǎn),如汽動給水泵試轉(zhuǎn)等,則采用打開循環(huán)水聯(lián)絡(luò)閥借用鄰機(jī)冷卻水的方法,大大節(jié)約了廠用電。2.7凝結(jié)水前置過濾器和精處理系統(tǒng)常規(guī)的直流鍋爐穩(wěn)壓沖管,水冷壁出口一般都處于濕態(tài)?；谠撎幵谶\(yùn)行中實際為干態(tài),運(yùn)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(tài)沖管,發(fā)現(xiàn)沖管效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。經(jīng)總結(jié)歸納,在第二臺鍋爐沖管時,全部采用干態(tài)沖管,收到了很好的效果。實際沖管次數(shù)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(jié)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(jié)水前置過濾器及精處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)重,且主蒸汽管得不到有效的沖洗。另外,由于清洗時的參數(shù)低,熱負(fù)荷及蒸汽動量小,與蒸汽溫度高達(dá)600℃的實際運(yùn)行工況并不吻合。因此,即使清洗的指標(biāo)合格,亦不能確保運(yùn)行階段的安全。為此,在外三工程的調(diào)試階段,對這一工藝進(jìn)行了全面改進(jìn)。其主導(dǎo)思路是改原來的穩(wěn)定熱負(fù)荷為變負(fù)荷,蒸汽參數(shù)為變參數(shù),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(jīng)一個