火电基建项目无蒸汽冷态启动的方案探讨

火电基建项目无蒸汽冷态启动的方案探讨

关守信1    ,王廷德2, ,魏振宇3

1.新疆华电苇湖梁新能源有限公司  新疆  乌鲁木齐市  830000

2.新疆华电高昌热电有限公司  新疆  吐鲁番市  838004

3.新疆华电高昌热电有限公司  新疆  吐鲁番市  838004

摘  要：火力发电厂启动锅炉一般是新建电厂与首台机组配套建设，其目的是在首台机组启动过程中向机组提供启动用蒸汽，如汽轮机的轴封蒸汽、锅炉的启动蒸汽等，在役电厂启动锅炉主要在全厂发生停电事故及出线检修后全冷态启动情况下使用，由于很多在役电厂启动锅炉日常不进行维护，启动锅炉基本失去功能。

关键词：无蒸汽；冷态；启动；本工程

1 项目简介

新疆华电吐鲁番2×350MW冷热电多联供工程（以下简称“本工程”）新建2×350MW超临界抽汽凝汽式间接空冷汽轮发电机组，配2×1115.5 t/h超临界、一次中间再热燃煤锅炉，以220kV一级电压接入系统。本工程使用城市中水，同步实施配套供热管网工程，同步建设石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置，SCR烟气脱硝装置，采用低低温旋转电极高效静电除尘器，并留有扩建2×350MW机组的条件。

2 工程条件

吐鲁番属典型的大陆性干旱荒漠气候。虽然年平均温度只有14.4℃，然而超过35℃的日数却在100天以上，即使38℃以上的酷热天气也有38日之多。多年测得的绝对最高气温为47.7℃(2006年8月)，而地表温度能达到83.3℃，是名副其实的“中国热极”。

3 主设备技术特性

3.1 锅炉：哈尔滨锅炉厂

型号：HG-1113/25.4-YM3型

型式：采用超临界参数变压运行直流炉，不带启动循环泵、单炉膛、一次再热、平衡通风、切圆燃烧、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉；三分仓容克式空气预热器。

3.2 汽轮机：东方电气股份有限公司

型号：C350/259.7-24.2/0.4/566/566,2X350MW超临界凝汽式汽轮机组

型式：超临界、一次中间再热、两缸双排汽、单轴、7级回热、间接空冷供热式机组。                   

3.3 发电机：东方电气股份有限公司

型号：QFSN-350-2-20型

型式：采用水氢氢冷却方式，励磁方式自并励静态励磁系统

4 无蒸汽冷态启动方案提出的背景

火力发电厂启动锅炉一般是新建电厂与首台机组配套建设，其目的是在首台机组启动过程中向机组提供启动用蒸汽，如汽轮机的轴封蒸汽、锅炉的启动蒸汽等，在役电厂启动锅炉主要在全厂发生停电事故及出线检修后全冷态启动情况下使用，由于很多在役电厂启动锅炉日常不进行维护，启动锅炉基本失去功能。

本工程初步设计阶段设计有1台容量为20t/h的燃油启动锅炉，每小时燃油（#0轻质柴油）消耗量为2吨。如果通过其它技术手段替代其功能，将大大节约基建期初投资成本和后期电厂日常运维费用。目前，国内已经有火电厂在机组投产发电后进行了无汽源冷态启动试验，并取得了成功。

本文拟对取消启动锅炉，采取应对措施进行初步可行性论证。

5 无汽源冷态启动关键问题及处理措施

5.1根据本工程实际情况，机组冷态启动阶段原设计需要启动蒸汽的厂内用户主要有以下几处：

（1）磨煤机制粉冷风加热；

（2）锅炉启动初期尾部烟道吹灰；

（3）一次风机和送风机出口暖风器加热；

（4）除氧器启动预热用汽；

（5）汽轮机启动初期轴封用汽；

（6）给水泵汽轮机调试用汽；

（7）灰斗加热；

（8）磨煤机消防用汽等。

5.2取消启动锅炉后，上述用汽将失去汽源。由此引起的关键问题及相应措施如下：

5.2.1 冷态启动时磨煤机暖磨制粉措施

磨煤机制粉是锅炉启动的重要环节，通常采用磨煤机启动暖风器加热冷一次风，用于磨煤机暖磨和干燥制粉。要满足该要求，取代暖风器，必须采用其他方法加热冷一次风，可选用方法包括电阻加热、风道燃油辅助加热等。采用电阻加热，因所需热功率和占用空间较大，且投资较高，故采用风道燃油辅助加热方案。

用微油燃烧器（一次风油枪加热装置）代替原有启动加热暖风器，保持原有暖风器旁路不变，将微油燃烧器出口连接在原启动加热暖风器入口上游的一次风母管上。微油燃烧器固定在暖风加热层，用0米层的柴油发电机油箱（本项目柴油发电机自配5m³日用油箱）加装油泵供给燃油。

微油燃烧器需对其进行配风，针对其压力损失不高，可考虑采用磨煤机密封风系统为其提供。

一次风机和送风机出口风可以按此措施执行。

图1微油燃烧风道加热系统示意图

5.2.2 冬季事故停机后冷态重启动锅炉上水加热措施

锅炉冷态上水温度一般要求20-70℃，且须保证上水温度与启动分离器储水箱温差不大于40℃。化学设计有1500m³除盐水箱，考虑新建一台1.4MW热水锅炉，出口热水引至除盐水箱，加热除盐水以满足锅炉上水温度要求。除盐水箱出口温度可按30℃控制，以确保经过沿途和设备散热后到达锅炉省煤器的除盐水温度不低于20℃，且与储水箱的温差亦不过大。

锅炉水冷壁、储水箱、省煤器合计水容积为150t，另加除氧器150t、高压加热器约18t、管道47t等水容积，合计约需365t除盐水，考虑除盐水箱的一定死水位，除盐水箱内被加热除盐水总容积约需400t。将冬季室内最低温度5℃的该部分冷水加热至30℃，约需热量42000MJ，以下列出不同加热时间对应需要的加热功率。

表1 除盐水箱加热功率计算成果表

维持水箱内除盐水温度仅需考虑水箱的散热损失，该部分散热量远低于加热量，可不考虑。

5.2.3 无汽源冷态启动，化学除氧措施

根据DLT1076-2007火力发电厂化学调试导则要求，机组在热态冲洗时，除氧器能够通汽除氧，除氧水应达到相应压力下的饱和温度。在无汽源冷态启动情况下，首台机组热态冲洗锅炉点火前除氧器无法提供溶解氧合格的热态冲洗水，适当延长锅炉热态冲洗时间。

5.2.4 机组启动（辅助联箱）供汽

机组冷态启动过程中，最关键的是汽机轴封供汽，在锅炉上水结束后，按正常程序，锅炉点火，在投磨煤机启动暖风器时，用微油燃烧器替代，锅炉升温升压，开启高低旁，建立锅炉、主蒸汽、高旁、再热器、低旁、凝汽器汽水循环。

至蒸汽品质满足轴封蒸汽要求时（一般要求压力0.05MPa，温度150℃），投入冷再供辅汽联箱，为轴封供汽，建立真空，后续按正常程序启动机组。针对辅助联箱供汽，除现设计冷再供汽外，增加后屏出口（从后屏过热器供吹灰器减压站后接出）至辅助联箱供汽。

5.2.5 磨煤机消防措施

    根据二十五项反措，在防止制粉系统爆炸和煤尘爆炸事故章节中，要求制粉系统消防和冲氮系统处于随时可投运状态。故计划采用惰性气体作为磨煤机消防蒸汽的备用手段，在辅汽联箱供汽后，切为消防蒸汽。

5.2.6 锅炉尾部烟道吹灰措施

    “二十五项反措”对锅炉尾部再次燃烧有严格要求，在锅炉负荷低于25%额定负荷时应投入空预器连续吹灰。

    根据实际情况，为满足上述条件，考虑空预器吹灰器采用双介质吹灰器，在无蒸汽汽源情况下，使用压缩空气吹灰；在尾部烟道脱硝部分，设置必要的声波吹灰器，在锅炉负荷低于25%额定负荷时保证能连续吹灰。

     压缩空气取自厂用空压机站，空压机站配置6台45Nm³/h微油螺杆式空压机，在机组启动初期压缩空气量满足上述设备要求。

6 机组无启动锅炉，启动措施

6.1 冷态启动

6.1.1 锅炉上水冷态冲洗

对新投运和停运时间超过150小时的锅炉启动前必须进行水清洗，以除去沉积在受热面上的杂质、盐分和铁锈，直至炉水品质达到允许锅炉点火启动的要求。

当给水操作平台前疏水管排水的Fe<200μg/L时，锅炉开始上水。上水时的环境温度不低于5℃，水温一般在20～70℃。用给水旁路调整门控制上水速度在5%BMCR左右。上水经省煤器、水冷壁、汽水分离器、贮水箱排入疏水扩容器，进行开式清洗。冷态清洗的给水流量约为30％BMCR。根据其他同类型机组经验，新机组首次启动冷态清洗约需两至三天时间。

6.1.2 冷态清洗结束后，启动风烟系统，点燃磨煤机微油点火装置，待磨煤机出口温度达到70℃，投入等离子点火装置，启动磨煤机，锅炉投粉运行。在升压开始阶段，饱和温度在100℃以下时，升温速率不应超过1.1℃/min。到汽机冲转前，饱和温度升温速率不应超过1.5℃/min。

6.1.3 冷态启动点火初期空预器吹灰用压缩空气，待锅炉自产蒸汽达到相应参数后在切换到蒸汽吹灰。

6.1.4 锅炉热态冲洗

在水冷壁出口水温升高至190℃左右进行热态清洗。热态清洗时，水质达到要求后回收至凝汽器。热态清洗时投入约8％BMCR的热负荷。给水流量约为30％BMCR。新机组首次启动热态清洗时间也约需持续两天，主要取决于炉水和过热蒸汽的二氧化硅含量，只有在蒸汽品质合格后锅炉才开始升温升压至汽轮机冲转参数。

6.1.5 轴封汽源及除氧器加热器汽源

当锅炉主蒸汽压力达到0.4MPa时开启后屏至辅汽联箱供汽门，并开启相关阀门进行疏水暖管，启动真空泵维持凝汽器真空-30kPa左右。随着锅炉升温升压，辅汽联箱压力达到0.5MPa时，轴封系统暖管，暖管结束后投入轴封系统。

辅汽联箱压力达到0.8MPa时开启辅汽联箱至除氧器供汽门，投入除氧器加热。

待凝汽器真空达到-75kPa以上时，高低压旁路配合开启，维持冷再压力0.8MPa左右，并将辅助蒸汽汽源由主蒸汽切换至冷再供汽。

   整个启动期间严密监视和控制辅助蒸汽联箱压力和温度，以确保轴封供汽和除氧器加热正常。

6.2 温态启动

6.2.1锅炉上水

机组锅炉运行规程对锅炉上温度及速度都有一定规定，要求控制锅炉汽水分离器进水温度与汽水分离器壁温差<40℃，一般温态启动时汽水分离器内壁温度已经较低。用凝补泵将合格的除盐水上到除氧器，待锅炉达到上水条件，向锅炉上水。整个上水过程中，严格按照规程要求控制上水速度及温差。

6.2.2轴封供汽

    温态启动和冷态启动不同之处在于，轴封供汽投入后方允许抽真空，因此，必须待锅炉点火后， 炉侧主汽压力达 0.5MPa，主汽温度达 200℃以上，辅汽联箱压力建立，温度正常，投入轴封供汽，汽轮机开始抽真空，逐渐投入汽轮机旁路系统。

6.3 热态及极热态启动

6.3.1热态、极热态启动与冷态、温态不同之处在于锅炉温度较高，上水温度能否达到要求是关键。可先用除氧器的里面存放的热水缓慢上水，点火后尽快升温升压，恢复辅汽联箱供汽。如果上水温度不能达到要求，唯有等待锅炉冷却后再行上水。在锅炉进水过程中，要控制好给水流量，控制给水管金属壁温差在要求范围内以内，减少锅炉受热面应力。 

6.3.2热态及极热态启动要严格控制轴封供汽温度，确保轴封供汽与转子金属温度相匹配，避免轴封段冷却急剧，造成启动过程中机组振动。

7 机组调试期间无汽源启动调试措施

机组在调试期需进行酸洗、水压试验等工作，需要提供汽源，统计及措施如下：

7.1 锅炉水压试验

锅炉安装完毕后，要进行超水压试验，其要求为：水压试验要在环境温度高于5℃以上进行，低于5℃必须采取防冻措施；水温应高于周围露点温度，避免锅炉表面结露，一般为20-70℃。故根据实际情况，可采用除盐水加热锅炉进行加热。

7.2 锅炉酸洗（专业酸洗队伍）

锅炉酸洗需要蒸汽加热，采用除盐水加热锅炉作为热源。

7.3 汽轮机轴封供汽和除氧器加热

利用锅炉后屏出口至辅助联箱供汽作为汽轮机轴封蒸汽和除氧器加热蒸汽，通过减温减压器后满足全厂辅助蒸汽参数要求，无论是冷态启动, 还是热态或极热态启动, 减温减压装置都能投入运行, 以维持辅助蒸汽联箱压力和温度，通过辅助蒸汽联箱再供给轴封用汽和除氧器加热用汽。

调试期间单机运行时出现停炉，则应及时通过高低旁控制冷再压力，通过冷再维持辅助蒸汽压力，视具体情况再次启动。

7.4  辅助蒸汽系统和轴封系统管道吹扫

   辅助蒸汽系统和轴封系统管道吹扫需要和锅炉吹管同步进行，且必须在锅炉吹管期间完成。

7.5 小汽轮机的调试

小汽轮机的调试待机组启动带负荷后利用辅汽联箱的蒸汽进行。

7.6 除盐水箱水位

机组调试期间，应尽量保持除盐水箱高水位运行。

7.7 整套启动调试工期

整套启动调试工期尽可能避开冬季。

8 冬季事故停机工况下市政供暖保障措施

根据吐鲁番市冬季采暖实际情况，现有市政供暖锅炉满足城市供暖需求 。当仅出现汽轮发电机组故障跳闸情况时，可及时联锁开启汽轮机旁路系统和备用电动给水泵，维持锅炉在最小稳燃负荷以上运行，实现停机不停炉，以及时恢复机组运行和对外供热。

9 冬季双机全停，厂区采暖保障措施

机组在电网事故或其他异常情况下造成双机全停，冬季全厂暖气没有供汽来源，全厂暖汽及热力系统易冻。为保证厂区采暖，实施方案如下。

经估算，汽机房采暖热负荷约为1940kW，2座锅炉房采暖热负荷共约为3018kW；输煤建筑物按室内5℃（值班采暖）估算热负荷约为850kW，氢站按室内5℃（值班采暖）估算热负荷约为70kW，厂前区建筑物按室内5℃（值班采暖）估算热负荷约为1200kW，厂内其他建筑物按室内5℃（值班采暖）估算热负荷约为3320kW。

如全厂各建筑物除高温水采暖系统之外单独另设一套分散式电采暖系统作为双机停运工况的备用，此电采暖系统长期处于备用状态，增加的初投资及日常维护费用过高，经济性不好。

综上，根据各建筑物不同特点，双机停运工况下：汽机房、输煤等建筑物临时应急采暖考虑采用临建的2.8MW热水锅炉提供的110/70℃高温水作为临时替代热源，不足部分由电采暖替代的方案；锅炉房采用小煤炉临时供暖措施，局部辅以电采暖设施；厂内其他建筑物采暖采用市政热网反供的60/40℃热水采暖，不足部分采用电采暖作为补充。全厂电采暖设施共约2000kW，可根据房间功能不同采取电暖器、电暖风机等不同形式。

并对全厂易冻的压力表计，小口径管道安装必要的电伴热，全厂暖风幕均采用电加热，对厂房门窗采取加强封闭措施等。

10 主要风险评估及控制措施

10.1 无汽源启动的主要风险在于以下几个方面：

10.1.1锅炉上水温度不能与汽水分离器内壁温度匹配，造成不能及时启动机组或者启动时间延长。

10.1.2轴封供汽压力和温度不能满足要求，造成机组启动时间延长；

10.1.3在凝汽器抽真空之前，主蒸汽和再热蒸汽管道、高旁等疏水不能排至本体疏水扩容器，必须设计对空排放管路和阀门。

10.1.4双机停运情况下，如用热网循环水反供厂内作为热源，水温远低于厂内高温水采暖系统设计水温110℃。主厂房采暖室内设计温度仅为5℃，任何不利因素都可能会影响采暖效果，导致室内温度达不到5℃，严重时可能会出现水管或设备冻裂，存在安全隐患。对于可采用明火取暖的房间，在使用明火临时采暖措施时存在火灾、烫伤、一氧化碳中毒等方面的安全隐患。

10.2 主要控制措施如下：

10.2.1锅炉上水时，要控制好给水量及上水速度，避免炉管急剧冷却。

10.2.2上水温度与汽水分离器内壁温差过大时不得强行上水，等待锅炉冷却后再上水。

10.2.3冷再供辅助蒸汽时，要监视好汽机盘车运行，防止盘车自动退出。

10.2.4高、低旁路阀开度调节要缓慢，严密监视再热汽压，防止再热器超压。

10.2.5凝汽器未建立真空前，要防止高温高压汽水进入凝汽器，监视凝汽器压力，保持真空破坏门开启状态。锅炉热态启动时，为防止低压缸在正压下接纳高压蒸汽，可在锅炉点火后开主蒸汽至辅汽联箱，参数基本正常后供轴封系统，建立真空再接纳低旁蒸汽。

10.2.6锅炉压力较低时，要控制辅助汽源用汽量，防止锅炉蓄热少，辅助汽源中断。

10.2.7建立辅助汽源时，要防止冷水冷汽进入汽缸，加强对汽机汽缸壁温、温差监视。保证盘车的连续运行。

10.2.8全厂机组停机后，要及时进行锅炉保温保压的操作，尤其要配合控制高低旁路开度。

10.2.9停机及启动过程中，应监视控制轴封蒸汽的温度，防止蒸汽温度低或带水，如轴封供汽温度无法维持，应破坏真空，解列轴封。

10.2.10主蒸汽和再热蒸汽管道、高旁等疏水要设置合理的对空排放管路。

10.2.11根据不同建筑物不同房间功能，采取不同的临时应急采暖措施，对于严禁明火或电暖器采暖的房间应严格遵守规范，对于可采用明火取暖的房间，在使用明火临时采暖措施时应确保有人值守，避免火灾、烫伤、一氧化碳中毒等诸多安全事故的发生。

11 供热需求

本工程承担吐鲁番市高昌区居民供热任务，本市现有第一热源3台49MW热水锅炉，第二热源有2台29MW热水锅炉，可以作为吐鲁番市高昌区备用热源，现阶段同时能满足吐鲁番市高昌区供热面积需求，不影响供热安全。

12 经济效益分析

初步估算，本工程无汽源启动方案节约初投资约495.28万元

13 结论 

本文对无汽源冷态启动过程关键技术及风险进行论证和评估，并制定了详细的技术措施，从安全方面和技术方面来考虑均是可行的；通过系统优化和加强运行管理，实现无汽源冷态启动技术的风险可控再控。同类型无启动锅炉、无辅助汽源的火电厂也可借鉴该方案，实现无汽源冷态启动。 

参考文献：

[1]《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》辅导教材 国家电力公司发输电运营部编 中国电力出版社

[2]《火力发电厂化学调试导则》DL/T1076-2007

[3]《锅炉启动调试导则》DL/T 852-2016 国家能源局

[4]《汽轮机启动调试导则》DL/T 863-2016 国家能源局