论文部分内容阅读
摘 要：百万机组锅炉冷态启动时间长、耗能高，通过深入分析影响机组启动能耗的主要因素，对启动前的准备和启动过程进行优化，通过锅炉上水前的给水温度、提高冷态清洗标准、合理选择汽轮机冲转参数以及单侧送、引风机运行等优化，显著降低了锅炉启动油耗、煤耗和电耗，节省启动费用，提高锅炉启动的经济性，同时，缩短机组启动时间，为百万机组参与调峰运行创造有利条件。
关键词：优化 启动能耗 经济性 启动时间
中图分类号：TK223.26 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）10（b）-0014-04
过去，我国电力工业高速发展，在装机容量快速增长的同时，单机容量也转向大型化，百万机组已成为电网的主力机组。近年来，清洁能源装机容量增幅较快，如某省截止2018年6月风电装机581.89万kW；光伏装机容量729.5万kW，总计1311.39万kW，占省装机总容量的12.29%，10年来年平均增长达50%以上。
现在，随着经济保持低速增长态势，同时，外受电严重挤压省内火电市场，发电平均利用小时降低，根据省调节能调度细则，百万机组调停将常态化。如某省到2018年6月底，全省发电累计平均用时2039h，同比下降225h。2017年我公司2台百万机组参与调峰调停6次，不得不重视机组启动成本，因此，实现机组快速启动、降低启动能耗、提高电厂经济性具有重要意义。
1 机组概况
某公司2×1000MW机组的锅炉为超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，一次再热、单炉膛单切圆燃烧、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构塔式布置。锅炉型号：SG3099/27.46-M545，蒸汽参数：27.46MPa（a）；605℃/603℃，由上海锅炉厂有限公司引进Alstom-Power公司技术生产。
锅炉配备6台正压直吹式中速磨煤机，机组满负荷时5台磨煤机运行，1台备用。磨煤机出口的4根煤粉管道在燃烧器前通过一个1分2的分配器，分成8根煤粉管道，分别进入四角燃烧器相邻的2层煤粉喷嘴中，在相邻2层煤粉喷嘴之间的二次风内布置有1层油枪，每层4只，6层共24只，单只油枪设计出力2t/h。微油点火燃烧器安装在锅炉燃烧器由下至上的第二层磨对应的煤粉喷嘴中，8只/台炉，单只微油枪出力0.25t/h。
锅炉风烟系统采用双侧布置，每侧各配备一台轴流式动调风机。锅炉主要技术参数如表1所示。
2 锅炉冷态启动中存在的主要问题
锅炉冷态启动中存在的主要问题是启动时间长，油耗、煤耗和电耗高。
2.1 给水温度偏低，启动煤耗增加
根据物理学公式
Q=cm△t （1）
其中，Q为吸热量，J；
C为比热容，J/kg·℃，水的比热容为4200J/kg·℃；
m为质量，kg，锅炉启动容积中水的质量为379000kg；
△t为变化的温度，℃。
水升高1℃需吸收热量：
Q=cm△t=4200×379000×1=1591800000（J）
增加标煤耗煤量：
m=Q/ψQnet.ar=1591800000/0.15×29310=362060g≈ 0.36（t）
其中，ψ為水冷壁热有效系数，锅炉启动阶段取0.15。
锅炉冷态启动至并网阶段每小时约换水1次，给水温度降低1℃，每小时标煤耗增加约0.36t。
2.2 冷态清洗标准低，延误汽轮机冲转，延长机组启动时间，增加启动能耗
超（超）临界直流锅炉在首次点火或停炉时间大于150h以上时，为了清理受热面和给水管道系统均存在杂物、沉积物和因腐蚀生成的氧化铁等，锅炉点火前必须对管道系统和锅炉本体进行冷态清洗。清洗范围包括给水管路、省煤器、水冷壁、汽水分离器、启动系统连接管路等。
锅炉厂规定，启动分离器储水箱出口水质Fe含量小于100?g/L、SiO2含量小于50?g/L时，锅炉冷态清洗结束。实践经验证明，若Fe含量略小于100?g/L或SiO2含量略小于50?g/L时就结束冷态清洗，可能因蒸汽品质不合格导致汽轮机冲转不满足要求而增加热态清洗时间，延误汽轮机冲转，延长机组启动时间，增加启动能耗。
如2017年5月30日某厂锅炉冷态启动过程中，Fe含量95?g/L或SiO2含量略小于48?g/L时就结束冷态清洗，9：00蒸汽运行参数满足冲转要求，但SiO2含量大于30?g/L，热态清洗被迫延长2.5h。
2.3 汽轮机冲转和低速暖机蒸汽流量偏高，增加锅炉启动时间和能耗
机组冷态启动，汽轮机冲转参数为主蒸汽压力8.5MPa，再热蒸汽压力2.5MPa，主蒸汽温度约400℃，再热蒸汽温度约400℃。当蒸汽流量达到550t/h时，维持主、再热蒸汽压力和温度不变，继续增加煤量到120t/h，对应的蒸汽流量950t/h，汽轮机冲转至360rpm，低速暖机，并维持参数直至低速暖机结束，时间长且煤量高，特别在低速暖机阶段，始终保持120t/h的高煤量，大大增加锅炉启动能耗。
2.4 双侧风机运行，偏离高效区，电耗高
某厂百万大型火力发电机组为了保证运行的可靠性及安全性，采用在机组点火前即投入风烟系统双侧风机运行，在设计期间，轴流式动调送、引风机的风量和压力均留有一定的裕量，如表2所示，锅炉点火至并网前，锅炉需要风量较小，双侧风机都偏离了风机高效区运行（一般风机高效运行区在80%额定工况），风机运行效率降低，风机电耗高。
3 锅炉启动方案优化
3.1 合理选择给水温度，降低煤耗
锅炉冷态启动，上水温度越高越节能，但考虑到锅炉省煤器、水冷壁及其连接管道金属应力，锅炉上水与金属温度的温差不许超过111℃，一般采取锅炉上水温度为105℃～120℃，所以，锅炉进水前除氧器须加热，提高给水温度到120℃左右。锅炉点火后，随着热负荷增加，金属温度逐步上升，可以逐渐提高除氧器水温，进一步降低锅炉启动煤耗。 锅炉冷态启动至并网阶段每小时补水量约400t/h，按照6h、给水温度平均提高10℃计算，节约标煤约21.6t。
3.2 提高冷态清洗标准，保证蒸汽品质合格
汽机冲转的蒸汽品质中[1]，氢导率和Fe含量较易达到要求（氢导率≤0.5μs/㎝，Fe含量≤50?g/L），SiO2含量较难达到要求，因此，锅炉冷态清洗重点是降低SiO2含量，避免高温蒸汽携带大量的硅在汽轮机内因温度降低而析出，沉积于汽轮机中低压缸部位的叶片上，增大轴向推力，危及汽轮机安全。
首先，严控锅炉进水水质，加强除氧器清洗，保证除氧器出口水质即锅炉上水含铁量<50?g/L，SiO2含量小于30?g/L，为锅炉冷态清洗创造有利条件。
锅炉上水前，开启水冷壁、省煤器、分离器各排气门，以10%BMCR（304t/h）左右小流量上水，便于赶尽管道中存留的气体，待水从水冷壁、省煤器、分离器各排气门连续出水后关闭相应的排气门，确保清洗系统完全充满水，使锅炉水系统得到完全清洗。
锅炉上水过程中，给水管路、省煤器、水冷壁、汽水分离器、启动系统连接管路等均存在杂物、沉积物和因腐蚀生成的氧化铁等，锅炉水系统的Fe和SiO2含量必然升高。
锅炉冷态清洗标准按照远远低于厂家规定执行，当启动分离器储水箱出口水质Fe含量小于100?g/L、SiO2含量小于50?g/L，满足锅炉厂规定时，继续进行冷态循环清洗，直至Fe含量小于50?g/L且SiO2含量小于20?g/L时再结束冷态清洗，这样，进入热态清洗前的水质中SiO2含量小，可以缩短热态清洗时间。
热态清洗时煤量约40～45t/h，热态清洗时间缩短1h，可以节约煤量40～45t/h。某厂优化冷态清洗方案后，锅炉热态清洗时间约0.5h，比以前减少2h，节约煤量约85t，折合标煤约60t，同时，节约助燃油10t左右，不仅降低锅炉启动时间，而且降低锅炉启动能耗。
3.3 优化汽轮机冲转参数
优化前机组冷态启动，从锅炉点火到过热蒸汽流量950t/h，对应煤量120t/h，汽轮机开始冲转至360rpm低速暖機，大约需要8h。优化后，蒸汽流量550～600t/h，对应的煤量约75t/h，通过高旁开度和主、再热蒸汽减温水量控制主蒸汽压力8.5MPa，再热蒸汽压力2.5MPa，主蒸汽温度400℃，再热蒸汽温度400℃，汽轮机冲转至低速暖机360rpm，大约需要6.5h，节约1.5h。在汽轮机低速暖机期间，维持主、再热蒸汽压力和温度不变，逐渐增加煤量到120t/h，蒸汽流量随之增加到950t/h，以满足汽轮机冲转至3000rpm要求，因此，不仅缩短了锅炉启动时间，煤耗、油耗和电耗也相应降低。
3.3.1 节约煤量
按照汽轮机低速暖机4h计算，煤量从75t/h到汽轮机3000rpm，优化前需要5.5h，耗原煤量为（75+120）÷2× 1.5+120×4=626吨，优化后需要4h，耗原煤量为（75+120）÷ 2×4=390t，节约原煤236t，折合标煤168t（原煤低位发热量Qnet.ar=20958kJ/kg）。
3.3.2 节约油量
投运微油助燃，出力为2t/h，1.5h共节约3t。
3.2.3 节约电量
锅炉启动初期，综合考虑锅炉最小风量和煤粉燃烧需求，总风量约1450t/h，引、送、一次风机每小时耗电量约3500kWh，1.5h共节约5250kWh。
3.4 单侧风机启动
当前的火电市场持续低迷，机组频繁调停已成常态，6kV的送、引风机是电耗大户，为了挖掘锅炉启动期间节能 潜力，降低辅机启动电耗，开展了1000MW机组单侧送、引风机运行可行性分析和对标，主要对比单、双侧风机运行的有关参数和耗电量，评估单侧送、引风机运行时的经济性[2，3]。
轴流式动调送、引风机性能曲线等效线类似于椭圆，锅炉总风量1450～1500t/h时，双侧送、引风机运行效率分别约44%、55%，单侧送、引风机运行效率分别约55%、60%，随着风量升高，系统漏风量增加，单侧风机运行时，风烟道仍需两侧运行，系统阻力增加，为维持稳定燃烧需求，风量高于两侧风机运行时的风量，单侧通风量增加，造成单侧风机运行时风机出力增大。
据统计，锅炉风量1450t/h，单侧风机运行比双侧风机运行，每小时节约电量300kWh；随着锅炉风量增加，小时节约电量逐渐减少；锅炉风量1550t/h，小时节约电量趋于0；锅炉风量1600t/h以上，小时节约电量为负数，不节能，因此，锅炉风量1450t/h节电量最大（见图3）。
根据以上分析和统计，锅炉冷态启动初期，从点火至并网前，采取单侧送、引风机运行，锅炉风量维持1450t/h，考虑并列风机风险较大，避免锅炉MFT造成机组Ⅰ类障碍，在机组并网前1h并列风机，因此，锅炉冷态启动过程中，单侧送、引风机运行节约电量6.5×300=1950kWh。
4 结语
实践证明，优化方案十分可行，同时，具有可操作性，经过优化，缩短锅炉冷态启动时间1.5h，节约标煤249t、助燃油13t、电量7200kWh。
从百万机组锅炉冷态启动优化结果来看，具有十分可观的节能潜力，只要提前优化好锅炉冷态启动的每一个环节，按照优化方案执行就可以缩短机组启动时间，降低锅炉启动能耗并实现机组快速启动。
参考文献
[1] 王金枝，程新华.电厂锅炉原理[M].3版，北京：中国电力出版社，2014：309-334.
[2] 胡详勇.锅炉单侧风机运行经济性分析[J].江西电力职业技术学报，2012，25（4）：26-29.
[3] 叶涛.热力发电厂[M].4版，北京：中国电力出版社，2016（1）： 224-257.
关键词：优化 启动能耗 经济性 启动时间
中图分类号：TK223.26 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）10（b）-0014-04
过去，我国电力工业高速发展，在装机容量快速增长的同时，单机容量也转向大型化，百万机组已成为电网的主力机组。近年来，清洁能源装机容量增幅较快，如某省截止2018年6月风电装机581.89万kW；光伏装机容量729.5万kW，总计1311.39万kW，占省装机总容量的12.29%，10年来年平均增长达50%以上。
现在，随着经济保持低速增长态势，同时，外受电严重挤压省内火电市场，发电平均利用小时降低，根据省调节能调度细则，百万机组调停将常态化。如某省到2018年6月底，全省发电累计平均用时2039h，同比下降225h。2017年我公司2台百万机组参与调峰调停6次，不得不重视机组启动成本，因此，实现机组快速启动、降低启动能耗、提高电厂经济性具有重要意义。
1 机组概况
某公司2×1000MW机组的锅炉为超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，一次再热、单炉膛单切圆燃烧、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构塔式布置。锅炉型号：SG3099/27.46-M545，蒸汽参数：27.46MPa（a）；605℃/603℃，由上海锅炉厂有限公司引进Alstom-Power公司技术生产。
锅炉配备6台正压直吹式中速磨煤机，机组满负荷时5台磨煤机运行，1台备用。磨煤机出口的4根煤粉管道在燃烧器前通过一个1分2的分配器，分成8根煤粉管道，分别进入四角燃烧器相邻的2层煤粉喷嘴中，在相邻2层煤粉喷嘴之间的二次风内布置有1层油枪，每层4只，6层共24只，单只油枪设计出力2t/h。微油点火燃烧器安装在锅炉燃烧器由下至上的第二层磨对应的煤粉喷嘴中，8只/台炉，单只微油枪出力0.25t/h。
锅炉风烟系统采用双侧布置，每侧各配备一台轴流式动调风机。锅炉主要技术参数如表1所示。
2 锅炉冷态启动中存在的主要问题
锅炉冷态启动中存在的主要问题是启动时间长，油耗、煤耗和电耗高。
2.1 给水温度偏低，启动煤耗增加
根据物理学公式
Q=cm△t （1）
其中，Q为吸热量，J；
C为比热容，J/kg·℃，水的比热容为4200J/kg·℃；
m为质量，kg，锅炉启动容积中水的质量为379000kg；
△t为变化的温度，℃。
水升高1℃需吸收热量：
Q=cm△t=4200×379000×1=1591800000（J）
增加标煤耗煤量：
m=Q/ψQnet.ar=1591800000/0.15×29310=362060g≈ 0.36（t）
其中，ψ為水冷壁热有效系数，锅炉启动阶段取0.15。
锅炉冷态启动至并网阶段每小时约换水1次，给水温度降低1℃，每小时标煤耗增加约0.36t。
2.2 冷态清洗标准低，延误汽轮机冲转，延长机组启动时间，增加启动能耗
超（超）临界直流锅炉在首次点火或停炉时间大于150h以上时，为了清理受热面和给水管道系统均存在杂物、沉积物和因腐蚀生成的氧化铁等，锅炉点火前必须对管道系统和锅炉本体进行冷态清洗。清洗范围包括给水管路、省煤器、水冷壁、汽水分离器、启动系统连接管路等。
锅炉厂规定，启动分离器储水箱出口水质Fe含量小于100?g/L、SiO2含量小于50?g/L时，锅炉冷态清洗结束。实践经验证明，若Fe含量略小于100?g/L或SiO2含量略小于50?g/L时就结束冷态清洗，可能因蒸汽品质不合格导致汽轮机冲转不满足要求而增加热态清洗时间，延误汽轮机冲转，延长机组启动时间，增加启动能耗。
如2017年5月30日某厂锅炉冷态启动过程中，Fe含量95?g/L或SiO2含量略小于48?g/L时就结束冷态清洗，9：00蒸汽运行参数满足冲转要求，但SiO2含量大于30?g/L，热态清洗被迫延长2.5h。
2.3 汽轮机冲转和低速暖机蒸汽流量偏高，增加锅炉启动时间和能耗
机组冷态启动，汽轮机冲转参数为主蒸汽压力8.5MPa，再热蒸汽压力2.5MPa，主蒸汽温度约400℃，再热蒸汽温度约400℃。当蒸汽流量达到550t/h时，维持主、再热蒸汽压力和温度不变，继续增加煤量到120t/h，对应的蒸汽流量950t/h，汽轮机冲转至360rpm，低速暖机，并维持参数直至低速暖机结束，时间长且煤量高，特别在低速暖机阶段，始终保持120t/h的高煤量，大大增加锅炉启动能耗。
2.4 双侧风机运行，偏离高效区，电耗高
某厂百万大型火力发电机组为了保证运行的可靠性及安全性，采用在机组点火前即投入风烟系统双侧风机运行，在设计期间，轴流式动调送、引风机的风量和压力均留有一定的裕量，如表2所示，锅炉点火至并网前，锅炉需要风量较小，双侧风机都偏离了风机高效区运行（一般风机高效运行区在80%额定工况），风机运行效率降低，风机电耗高。
3 锅炉启动方案优化
3.1 合理选择给水温度，降低煤耗
锅炉冷态启动，上水温度越高越节能，但考虑到锅炉省煤器、水冷壁及其连接管道金属应力，锅炉上水与金属温度的温差不许超过111℃，一般采取锅炉上水温度为105℃～120℃，所以，锅炉进水前除氧器须加热，提高给水温度到120℃左右。锅炉点火后，随着热负荷增加，金属温度逐步上升，可以逐渐提高除氧器水温，进一步降低锅炉启动煤耗。 锅炉冷态启动至并网阶段每小时补水量约400t/h，按照6h、给水温度平均提高10℃计算，节约标煤约21.6t。
3.2 提高冷态清洗标准，保证蒸汽品质合格
汽机冲转的蒸汽品质中[1]，氢导率和Fe含量较易达到要求（氢导率≤0.5μs/㎝，Fe含量≤50?g/L），SiO2含量较难达到要求，因此，锅炉冷态清洗重点是降低SiO2含量，避免高温蒸汽携带大量的硅在汽轮机内因温度降低而析出，沉积于汽轮机中低压缸部位的叶片上，增大轴向推力，危及汽轮机安全。
首先，严控锅炉进水水质，加强除氧器清洗，保证除氧器出口水质即锅炉上水含铁量<50?g/L，SiO2含量小于30?g/L，为锅炉冷态清洗创造有利条件。
锅炉上水前，开启水冷壁、省煤器、分离器各排气门，以10%BMCR（304t/h）左右小流量上水，便于赶尽管道中存留的气体，待水从水冷壁、省煤器、分离器各排气门连续出水后关闭相应的排气门，确保清洗系统完全充满水，使锅炉水系统得到完全清洗。
锅炉上水过程中，给水管路、省煤器、水冷壁、汽水分离器、启动系统连接管路等均存在杂物、沉积物和因腐蚀生成的氧化铁等，锅炉水系统的Fe和SiO2含量必然升高。
锅炉冷态清洗标准按照远远低于厂家规定执行，当启动分离器储水箱出口水质Fe含量小于100?g/L、SiO2含量小于50?g/L，满足锅炉厂规定时，继续进行冷态循环清洗，直至Fe含量小于50?g/L且SiO2含量小于20?g/L时再结束冷态清洗，这样，进入热态清洗前的水质中SiO2含量小，可以缩短热态清洗时间。
热态清洗时煤量约40～45t/h，热态清洗时间缩短1h，可以节约煤量40～45t/h。某厂优化冷态清洗方案后，锅炉热态清洗时间约0.5h，比以前减少2h，节约煤量约85t，折合标煤约60t，同时，节约助燃油10t左右，不仅降低锅炉启动时间，而且降低锅炉启动能耗。
3.3 优化汽轮机冲转参数
优化前机组冷态启动，从锅炉点火到过热蒸汽流量950t/h，对应煤量120t/h，汽轮机开始冲转至360rpm低速暖機，大约需要8h。优化后，蒸汽流量550～600t/h，对应的煤量约75t/h，通过高旁开度和主、再热蒸汽减温水量控制主蒸汽压力8.5MPa，再热蒸汽压力2.5MPa，主蒸汽温度400℃，再热蒸汽温度400℃，汽轮机冲转至低速暖机360rpm，大约需要6.5h，节约1.5h。在汽轮机低速暖机期间，维持主、再热蒸汽压力和温度不变，逐渐增加煤量到120t/h，蒸汽流量随之增加到950t/h，以满足汽轮机冲转至3000rpm要求，因此，不仅缩短了锅炉启动时间，煤耗、油耗和电耗也相应降低。
3.3.1 节约煤量
按照汽轮机低速暖机4h计算，煤量从75t/h到汽轮机3000rpm，优化前需要5.5h，耗原煤量为（75+120）÷2× 1.5+120×4=626吨，优化后需要4h，耗原煤量为（75+120）÷ 2×4=390t，节约原煤236t，折合标煤168t（原煤低位发热量Qnet.ar=20958kJ/kg）。
3.3.2 节约油量
投运微油助燃，出力为2t/h，1.5h共节约3t。
3.2.3 节约电量
锅炉启动初期，综合考虑锅炉最小风量和煤粉燃烧需求，总风量约1450t/h，引、送、一次风机每小时耗电量约3500kWh，1.5h共节约5250kWh。
3.4 单侧风机启动
当前的火电市场持续低迷，机组频繁调停已成常态，6kV的送、引风机是电耗大户，为了挖掘锅炉启动期间节能 潜力，降低辅机启动电耗，开展了1000MW机组单侧送、引风机运行可行性分析和对标，主要对比单、双侧风机运行的有关参数和耗电量，评估单侧送、引风机运行时的经济性[2，3]。
轴流式动调送、引风机性能曲线等效线类似于椭圆，锅炉总风量1450～1500t/h时，双侧送、引风机运行效率分别约44%、55%，单侧送、引风机运行效率分别约55%、60%，随着风量升高，系统漏风量增加，单侧风机运行时，风烟道仍需两侧运行，系统阻力增加，为维持稳定燃烧需求，风量高于两侧风机运行时的风量，单侧通风量增加，造成单侧风机运行时风机出力增大。
据统计，锅炉风量1450t/h，单侧风机运行比双侧风机运行，每小时节约电量300kWh；随着锅炉风量增加，小时节约电量逐渐减少；锅炉风量1550t/h，小时节约电量趋于0；锅炉风量1600t/h以上，小时节约电量为负数，不节能，因此，锅炉风量1450t/h节电量最大（见图3）。
根据以上分析和统计，锅炉冷态启动初期，从点火至并网前，采取单侧送、引风机运行，锅炉风量维持1450t/h，考虑并列风机风险较大，避免锅炉MFT造成机组Ⅰ类障碍，在机组并网前1h并列风机，因此，锅炉冷态启动过程中，单侧送、引风机运行节约电量6.5×300=1950kWh。
4 结语
实践证明，优化方案十分可行，同时，具有可操作性，经过优化，缩短锅炉冷态启动时间1.5h，节约标煤249t、助燃油13t、电量7200kWh。
从百万机组锅炉冷态启动优化结果来看，具有十分可观的节能潜力，只要提前优化好锅炉冷态启动的每一个环节，按照优化方案执行就可以缩短机组启动时间，降低锅炉启动能耗并实现机组快速启动。
参考文献
[1] 王金枝，程新华.电厂锅炉原理[M].3版，北京：中国电力出版社，2014：309-334.
[2] 胡详勇.锅炉单侧风机运行经济性分析[J].江西电力职业技术学报，2012，25（4）：26-29.
[3] 叶涛.热力发电厂[M].4版，北京：中国电力出版社，2016（1）： 224-257.