启动锅炉炉底推动保压技术

陆云峰，陆仁琪，张建中

(上海申能崇明发电有限公司，上海 202155)

0 引言

随着国内对清洁能源的需求越来越高，相对技术成熟和廉价的燃气电厂如雨后春笋在各地开工建设。燃气电厂与煤机相比有污染少、效率高和建设工期短的优点，然而国内燃气电厂运营模式不同于国外，主要起调电峰、气峰的作用，做不到长期连续运行。频繁启停成为燃气电厂的新特点。

新建燃气—蒸汽联合循环机组周边很少建有煤电机组，辅助蒸汽必须自产自销。因而，启动锅炉成为燃气电厂的重要设备。

启动锅炉在燃气电厂的作用主要有两点:

(1)先于燃机启动，为联合循环中的蒸汽机组提供必须的轴封用辅助蒸汽;

(2)燃机正常运行后转为热备用状态，以备机组在故障时以最快的响应速度提供辅助蒸汽。启动锅炉通常是通过程序设定，利用间歇性点火烧气或烧油燃烧提供热量给启动锅炉本体，保证其本体金属壁温处于热态(不低于某压力下的饱和温度)，实现在短时间(常规为5 min)内点火生成额定参数额定负荷的辅助蒸汽。

1 炉底推动保压技术

利用启动锅炉自带的间歇性点火方式其处于热备用状态最为简单，不用改变原有系统和增加设备。这种固有运行方式消耗大量天然气等一次能源，给电厂增加生产成本的同时也缩短了启动锅炉使用寿命，变相增加检修维护成本。

受大型燃煤锅炉利用邻炉加热方法［1］缩短锅炉启动时间和减少燃油成本启发，并联系余热锅炉停炉保养方案［2］，设想从辅助蒸汽母管引一路至启动锅炉下联箱，通过余热锅炉产生的少量低品质蒸汽推动启动锅炉内的工质流动，在不点火耗能的情况下实现保温保压，降低运行成本。

2 系统介绍

以某燃气－蒸汽循环电厂燃气启动锅炉为例，锅炉额定出口蒸汽压力0．8 MPa，额定出口蒸汽温度300℃，出口蒸汽流量10 t/h，单台锅炉水容积约8．5 m3，额定出力时天然气消耗量为822 Nm3/h，两台启动锅炉满足一用一备配置方式。

图1 启动锅炉炉底推动保压系统P＆ID 图

如图1 所示，从全厂辅助蒸汽母管接出一路作为启动锅炉炉底加热蒸汽母管，母管设有手动截止阀、电动调节阀、测温、测压元件，管路末端设疏水，疏水管路上安装两个手动截止阀;母管上各引一路支管至#1、#2 启动锅炉下联箱，管路上设有止回阀、电动截止阀和手动截止阀。

炉底推动系统启动时，先打开疏水管路截止阀对管路进行暖管，并通过母管上的电动调节阀加以调节流量以防止产生水击，控制室通过远传信号不间断监视温度、压力数据，当管壁温接近暖管压力下的饱和温度或100℃时，疏水工作结束，关闭疏水阀门后打开对应支管上的手动截止阀，支管内的介质由水逐渐转为蒸汽，当热蒸汽不断充入启动锅炉下联箱推动水循环，加热启动锅炉本体，使得启动锅炉稳定在热备用状态。

3 炉底推动保压技术可行性分析

3．1 炉底推动加热保压方式时的辅汽耗量估算

设备厂家建议的启动锅炉热备用状态参数为:压力0．20 MPa，其炉本体金属壁温不低于其饱和压力下的饱和温度(120．23℃)。启动锅炉以炉底推动方式进行保温保压，辅汽耗量可按热平衡理论进行估算。

3．1．1 锅炉内部冷却过程的耗汽量估算

启动锅炉停炉后，即使采取关闭疏放水系统进行锅侧热流封闭等隔离措施，由于烟气系统存在自生通风效应，汽水系统阀门存在内漏/外漏及炉膛热量损失等原因，在停炉后达到一定时间后，汽包等受压系统的压力仍不可避免发生相继下降，甚至出现真空状态。一般来说，停炉后的压力只能维持20 h［2］以内，现保守以10 h 计算，则按热平衡方程推算，锅炉内部冷却过程的热量变化率为

式中

VB——锅炉受压系统水容积/m2，VB=8． 5m3;

ps——炉水密度/kg·m－3，按0． 80 MPa 和0.20 MPa 饱和态的炉水密度平均值估算为919/kg/m3;

hp0——停炉开始时的炉水比焓/kJ·kg－1，按0． 80 MPa 饱 和 态(170． 42℃)计 算 为720.95/kJ/kg;

hp1——停炉后，压力下降到须投入炉底加热系统时的炉水比焓/kJ·kg－1，该压力按p1=0．20 MPa 的 饱 和 态(120． 23℃)计 算 为504.68 kJ/kg;

βm——冷却过程受热部件金属对冷却程度的影响系数，取为1．3。

3．1．2 平衡锅炉外部冷却过程的耗汽量估算

在环境温度一定时，外部冷却过程热量消耗只与启动锅炉工作状态有关，启动锅炉生产蒸汽量越大，参数越高，与环境热交换越激烈，消耗的热量越大，即在启动锅炉满负荷工况下的热量消耗最大，现保守按此工况下核算启动锅炉平衡锅炉外部冷却过程的热耗量为

式中 q5——锅炉散热损失率;

β5——露天锅炉冬季散热损失修正系数;

B——锅炉额定出力时的燃料耗量/Nm3·h－1，取822 Nm3/h;

Qnet．ar——天然气低位发热量/MJ·Nm－3，取

34．056 MJ/Nm3。

q5按制造厂数据为1． 6%，按工业锅炉标准GB10180 －88 为1．7%，按前苏联锅炉热力计算标准为1．8%，现保守按1．8%取用。但这些都是在室温(一般为25℃)条件下用于锅炉热平衡计算的数据。若计及露天锅炉冬季环境温度较低条件的影响，尚需考虑修正系数β5

式中

tf——锅炉保温计算中的定性温度/℃，按

150℃取用;

tw——冬季环境平均温度(上海当地)/℃，按3．7℃。

3．1．3 炉底推动方式进行加热保压时的辅汽耗量估算

炉底推动加热保压时所需平衡的冷却过程热量损耗为以上两项冷却热量消耗之和

所需的辅汽量为

式中

hA．O——辅汽热焓/kJ·kg－1，按余热锅炉低压蒸汽 参 数(0． 374 MPa，240． 1℃)查 取 为

2941．8 kJ/kg;

hA．S——辅汽饱和水焓/kJ·kg－1，按0．2 MPa查取为504．68 kJ/kg;

φA——加热管系散热损失系数，取为0．96。

通过热平衡理论推算，利用炉底推动保压方式所消耗的辅助蒸汽量仅为0．355 t/h，远远小于正常辅汽产量，因而不会影响其他热力系统。

3．2 经济性比较

已知采用炉底推动方案实现炉本体热备用状态每小时消耗辅助蒸汽量为0．355 t;采用炉本体间歇点火实现热备用状态每小时消耗天然气为

式中 Qnet．ar——天然气低位发热量;

ηS——启动锅炉燃烧热效率。

3．2．1 启动锅炉间断微火保压

假设电厂燃机年利用小时数为4000 h，即启动锅炉热备用时间按4000 h 计算，燃气价格为2． 3元/Nm3，已计算每小时耗气量为28．74 Nm3，则年消耗天然气成本为:28．74 ×4000 ×2．3 =264408 元。

3．2．2 炉底推动保压

启动锅炉热备用时间按4000 h 计算，低品位热蒸汽价格约200 元/t［4］(参考燃煤供热机组)，已计算每小时耗汽量为0．355 t，则年消耗辅助蒸汽成本为:0．355 ×4000 ×200 =284000 元。

3．2．3 设备及安装调试费用

炉底推动系统需增加一路DN80 ～DN100 蒸汽管路及配套的阀门、疏水系统、保温等，有一定的设备费用、安装费用和调试费用，全部费用不超过10万元。

微火保压方式不需增加投资。

3．2．4 结论

启用炉底推动加热保压方式约18 个月后即可收回成本，经济性可观。

3．3 安全性分析

炉底推动保压系统简单，可靠性、稳定性高。

系统设计中(见图1)，为防单个阀门泄漏问题，采用双阀门提高可靠性，系统停用阀门关闭时，当启动锅炉正常工作时，为防止阀门失灵时启动锅炉高压工质反灌入辅助蒸汽母管，在管路上布置止回阀以加强保护。

同时，整个炉底推动系统的工质压力不论在何种工况下都低于1．0 MPa，属于低压系统，在保证阀门质量情况下，系统安全受控。

4 结语

启动锅炉炉底推动保压方式系统简单、可靠，所消耗的辅助蒸汽量少，经济性较间隙性点火保压方式更好。到目前为止，此系统已完成蓝图设计，尚处于安装阶段，未进行调试和相关性能试验，实际使用效果尚不清楚，需要在今后调试和投运初期对系统和运行方式进行优化和完善。

［1］冯伟忠．一种超(超)临界机组的节能型快速启动方法:中国，2013107391548［P］．2013 －12 －27．

［2］周静华，马方磊． 燃气－蒸汽联合循环余热锅炉停炉保养方法探讨［J］．发电设备，2011，25(3):183 －186．

［3］清华大学热能工程系动力机械与工程研究所．燃气轮机与燃气－蒸汽联合循环装置［M］．北京:中国电力出版社，2007．

［4］上海市物价局关于调整本市部分供热企业蒸汽基准价格的通知［R］．沪价管(2011)011 号．2011 －08 －26．