李亚杰
中煤哈密发电有限公司 新疆哈密 839000
摘要：通过对哈密电厂660 MW超临界机组系统分析，考虑在启动锅炉长期备用后维护费用增加、可靠性下降的前提下，通过增加微油加热热风系统，使机组磨煤机A或B入口获得制粉干燥热风，通过改变空预器吹灰介质为压缩空气等方式，在双机全停、启动锅炉故障无法及时启动运行的时候，实现单台660 MW超临界机组无油无热源冷态启动。
关键词：超临界机组；等离子点火；无外来热源；冷态启动
引 言：目前新建火电厂大多采用双机一厂模式，配套建设一台启动锅炉，启动锅炉兼具提供机组启动热源和冬季应急采暖的作用。但由于启动锅炉在机组正常运行后很少再运行且受制于投资启动锅炉基本都不会配套安装脱硫、脱硝装置，烟气粉尘处理设备也无法满足环保排放要求，后期设备保养和维护检修费用较多，设备可靠性下降，很难满足应急启动的要求。本文结合中煤哈密电厂设备系统实际，研究提出一种无启动锅炉的机组启动方式，便于后续改造实施。
一、中煤哈密电厂660MW超临界机组简介
中煤哈密电厂机组为±800kV天中直流输电项目配套火电机组。采用两条500kV出线直接接入天山站500kV母线，电厂主接线采用3/2接线方式。天山站500kV母线经4台2100MVA自耦变与新疆电网750kV线路相连。
1.1锅炉系统
采用两台哈尔滨锅炉厂HG-2280/25.4-HM15型超临界锅炉。一次中间再热、变压运行带内置式再循环泵启动系统的直流锅炉、单炉膛、平衡通风、固态排渣、紧身封闭、全钢架、全悬吊结构、π型布置。锅炉采用四角切圆燃烧方式，每层4只燃烧器对应一台磨煤机。SOFA燃烧器布置在主燃烧器区上方的水冷壁的四角，以实现分级燃烧降低NOX排放。汽机旁路采用40%BMCR容量的仅具备启动功能的高低压两级串联旁路系统。采用中速磨直吹制粉系统，每炉配6台ZGM123G-III、冷一次风机、正压直吹式系统。锅炉下层（A、B层）燃烧器上各安装1套等离子点火系统。引风机、送风机与一次风机均采用轴流式风机，其中引风机与一次风机为两级动叶可调式轴流风机，送风机为一级动叶可调式轴流风机。尾部烟道下方设置两台三分仓受热面旋转容克式空气预热器，空预器冷风加热方式采用暖风器加热。炉底排渣方式采用风冷干式除渣机。脱硫、脱硝不设烟气旁路。
1.2汽轮机系统
采用两台超临界660MW汽轮机组为北重阿尔斯通（北京）电器装备有限公司生产的DKY4-4N33G型超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽间接空冷凝汽式反动汽轮机。安装两台间冷塔，冷却介质为空气，中间介质为循环水，冷却设备为间接空冷凝汽器。
1.3发变组系统
采用两台汽轮发电机组选用北重阿尔斯通（北京）电气装备有限公司生产的50WT23E-138型汽轮发电机。主变压器采用新疆特变电工股份有限公司生产的SFP-780000/500型户外、三相一体、双线圈铜绕组无励磁调压油浸式电力变压器，额定容量780MVA，强迫油循环风冷。
1.4启动锅炉系统
启动锅炉采用两台长沙锅炉厂生产的SHL35-1.27/350-AII型燃煤锅炉。额定蒸发量：35t/h，额定蒸汽压力为1.27MPa，给水温度104℃，过热蒸汽温度350℃。锅炉为双汽包、横置式链条锅炉，启动锅炉蒸汽经管道与1号机组辅汽联箱相连。
两台机组分别于2014年11月和12月投入运行，由于备用、检修、机组故障等原因，两台机组每年启停约10次。机组启动时除临机运行可以直接经辅助蒸汽连通管供给热源时，都需要提前启动启动锅炉提供外来热源。遇机组检修单机运行时，为确保安全，启动锅炉需要点火试转后备用。
二、无启动锅炉机组冷态启动受限条件分析
电厂锅炉采用等离子燃烧器直接点燃磨煤机出口煤粉的方式无油点火，等离子启动需要外来蒸汽热源加热磨煤机入口风温，进行暖磨，提供干燥风并提供燃烧初期的空气补充，必须给磨磨煤机提供具有一定温度（根据磨煤机最小风量和最小煤量来确定热风温度，一般为150-200℃）的热风才能保证正常的干燥和煤粉正常点燃。现系统使用邻炉辅助蒸汽或启动锅炉来蒸汽作为热源，经等离子暖风器加热一次风后使用，提高磨煤机出口温度≥55℃，以保证点火安全。无外来热源进行等离子点火时磨煤机风温过低，导致煤粉干燥不足燃烧困难和燃烧不稳、等离子拉弧不稳频繁断弧、燃烧不稳易灭火和火检探头信号微弱，大大增加锅炉爆燃的危险。
等离子点火方式下，煤粉在点火初期燃尽率低，部分煤粉会随通风沉积在尾部烟道，尤其是空气预热器蓄热片上，增加二次燃烧风险，点火初期对空预器吹扫要求更高，必须保证足够的吹扫压力和流量。
启动过程中，除氧器无外来汽源加热，无法依靠热力除氧。
汽轮机轴封用汽、汽泵冲转等无外来汽源，汽轮机无法抽真空，给水泵汽轮机无法启动。
三、无启动锅炉机组冷态启动热源初步设想
3.1锅炉等离子点火热风热源：为解决本厂机组在无外界热源条件下的冷态启动问题，可在原A、B磨煤机入口等离子点火暖风器后增加设计安装微油加热空气预热系统，安装一套小油枪，使用现有的柴发油箱作为小油枪油箱，从而获得了磨煤机干燥热风，利用等离子体点火技术实现锅炉点火。
3.1.1具体系统设计
采用燃油辅助加热器取代原有蒸汽暖风器加热磨煤机进口空气，加热器必须与原有设计的等离子暖风器性能近似，满足等离子体点火要求。油辅助燃烧器布置在现有等离子暖风器后的热风道上，使用原风道上加装电动隔离风门（见图1，虚线框内为拟增加的辅助加热器）。此种布置方式目的是随锅炉空预器出口热风温度逐渐升高，逐步过渡到磨煤机正常运行方式，以提高磨煤机入口风温和减小系统阻力。
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3.1.2有关参数设计
A、B磨煤机等离子点火启动条件是：满足磨煤机最小风量95.47t/h（26.52kg/s），一次风温度取一般设计温度20℃（空气的密度为1.29kg/m^3），磨煤机出口温度55℃，则需要磨煤机进口风温加热到约150-160℃。当风温加热到150℃时，需要的加热量为3346kJ/s。
（1）具体计算过程：
根据实际情况，机组启动时一次风机冷风母管压力为7KPa左右，所需温升130℃，空气比热容1.3938KJ/kg℃，需要热量为4805kJ/s。考虑一般0.5%的散热，所需热量为4829kJ/s。柴油发热量取41MJ/kg，柴油流量需0.1177kg/s（424kg/h），油枪需选用215kg/h小油量雾化油枪两只。
考虑到油燃烧器热量集中，需要在燃烧器增加气膜风燃尽和冷却，可通入密封风或部分一次风进行冷却。具体流量需要仔细核算。（初步计算油燃烧器空气/油比为18~20，取20时，空气流量2.3kg/s，假定空气来流初始温度293K，则燃烧后燃气温度约为2260K。将燃烧风温度降低到800~1000K，按配风与燃烧风为2:1配风，需要配风流量4.6kg/s，假设其温度300K，则燃烧器出口混合温度为950K，风量为6.9kg/s我厂密封风机出口参数：压力12~13Kpa，流量11.1m3/s，约12.1kg/s，可以满足油辅助燃烧器的需求，必要时可以采用两台密封风机运行或导入部分一次风作为燃烧风和密封风）。
3.1.3油燃烧器设计
油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；外侧风冷却外壁和燃烧火焰筒。通过气膜配风冷却和组织完全燃烧。其结构示意如图2所示。
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火焰筒出口直径约0.8m，燃烧器最大直径1.0m；火焰筒长度约2.5m，整个燃烧器长度约3m。
3.1.4燃油辅助加热器系统设计
图1为加装风道油燃烧器系统示意图，用燃油辅助加热系统替代原有的蒸汽暖风器，燃用油来自柴油发电机油箱，从油箱底部接1根D20-25mm的油管到磨煤机暖风器平台。燃油泵设计出口压力0.4~0.7Mpa、流量400~450kg/h。调整供油和回油压力调节阀可控制燃油流量和油枪雾化效果。燃油通过机械雾化后进入油燃烧室，由高能点火器点燃。来自密封风机出口风或冷一次风作为燃烧风，燃烧后生成的高温烟气与适量的空预器来一次风在A磨煤机入口充分混合，当风量达95t/h、风温达150℃左右，磨煤机出口温度达到55℃时可以启动A磨煤机进行制粉。小油枪灭火保护用的火检探头冷却风和油枪吹扫用空气来自A磨煤机附近仪用压缩空气。油燃烧器系统配备就地PLC作为熄火保护或接入大机DCS系统，实现油燃烧器灭火保护。
3.2空预器吹灰气源解决方案
拟采用除灰空压机作为点火初期的空预器吹灰气源使用。
每台空气预热器配置2只双介质吹灰器（PS-AL）（冷热端），吹灰介质要求蒸汽吹灰压力为0.8MPa（热端）1.37MPa（冷端），温度为350℃，密度为2.82kg/m3。每台空预器配置2台蒸汽吹灰器，每只吹灰器蒸汽耗量85kg/min。2台空预器吹灰器蒸汽总耗量为340kg/min，体积流量为120m3/min。
输灰用压缩空气压力为0.6~0.8Mpa，每台空压机出力为63m3/min，全场配置8台空压机供应仪用和除灰压缩空气。两台空压机即可满足空预器正常吹灰要求。而锅炉启动初期用煤量一般在25t/h左右，按照锅炉校核煤种收到基灰分26.33%，灰渣比0.85、电除尘效率99.8%计算，产生可收集的总灰量在6.95t/h左右。锅炉启动初期的输灰系统可间断运行，满足空预器吹灰和输灰要求。因此，可以通过截止阀将输灰用压缩空气与空预器吹灰蒸汽管路相通（实际安装过程中考虑可能存在的积水，压缩空气管安装高度高于原蒸汽吹灰管，向下接入），作为锅炉启动初期空预器的吹灰介质，如图3所示，红色虚线框内为需要改造部分。
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3.3给水热力除氧、汽动给水泵冲转和汽机轴封用汽所需汽源解决方案
给水温度20℃左右，此时水中溶氧约5-7ppm，短时不会造成锅炉管束内部的氧腐蚀，每次点火至冷再稳定供汽时间约为3-4小时，且现有系统下除氧器可随锅炉升温随机投入。启动前和点火启动初期，使用电动给水泵或汽泵前置泵上水，上水期间给水流量为260t/h~270t/h，启动炉循泵，建立启动流量，进行锅炉点火。机组点火启动后，随着压力的上升和高压旁路阀的打开逐步开大再热冷段至辅汽联箱的阀门，先开启辅汽联箱至除氧器的阀门，滑参数加热除氧器水箱的锅炉给水。当冷再蒸汽压力达到0.4Mpa时，开启冷再供轴封或辅汽联箱至轴封供汽，凝汽器抽真空，再打开辅汽联箱至汽动给水泵用汽阀门实现小汽轮机冲转。后续操作按照正常启动操作执行即可，见图4。
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四、实现无外来气源启动后操作调整需要注意的问题
启动上水和启动初期除氧器无热源，给水温度低，锅炉升温升压速率必须缓慢，防止水冷壁温差大应力变化。
上水及启动初期，给水氧含量超标，短时间内可能对水冷壁入口、省煤器换热管束末端和出口管形成腐蚀和氧化物沉积，但考虑此种运行方式时间短且使用频率低，影响较小。且除氧器热源正常后，可以通过增加热态冲洗时间，加强炉水铁测定，来确保蒸汽品质合格。
采用风道油燃烧器后，油燃烧器火检必须接入保护，防止油燃烧器熄火后燃油进入磨煤机，增加磨煤机运行风险。同时时刻注意油燃烧器油枪雾化情况和柴油燃尽情况，做好投运前的检查维护，控制磨煤机入口温度和出口温度，消除磨煤机爆炸的风险。同时由于油燃烧器附近热负荷大，温度高，除燃烧器增加保温隔热层外，在外壁增加密封风作为冷却，并增加必要的温度监视测点，保证油燃烧器的安全。根据实际情况，油燃烧器火焰筒最好与一次风风向呈一定角度，通过调整燃油压力和雾化片，确保燃烧充分，火焰在火焰筒内燃尽，一次风温度均匀，防止烧损一次风道。
磨煤机出口空气含氧量减少约1/4，注意等离子燃烧器出口周界风和对应二次风的调整，防止煤粉燃尽率大幅降低。
为防止空预器吹灰管道疏水进入压缩空气管道，除在压缩空气管道供空预器吹灰电动门后增加截止门外，在机组正常运行期间，还可以将压缩空气管断开。
五、结束语
实施无外来气源启动相关改造后，可以降低启动锅炉维护保养费用，后期甚至拆除启动锅炉后仍能保障机组故障停运后的启动并网。在冬季采暖期，由于机组停运导致采暖中断时，可以利用改造后系统锅炉点火，升压至再热蒸汽压力0.4-0.6MPa后，通过辅汽供应采暖系统短期运行。机组正常并网运行后，切换为机组5抽供汽，正常供暖。
参考文献
[1]220t/h CFB锅炉风道燃烧器烧损原因及对策（石家庄热电厂，赵小强、阴建生、王征）
[2]300MW循环流化床锅炉风道燃烧器说明书（徐州华远燃烧控制工程有限公司）
[3]600MW超临界锅炉油辅助加热及机组无热源启动方法（安徽皖能电力合肥发电有限公司 张学东）