5 MW 級超臨界二氧化碳鍋爐啟動過程中氣冷壁堵塞原因分析與對策

王 林，白文剛，李紅智，劉 崗，宋曉輝，高景輝，王紅雨，孟穎琪

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

現(xiàn)代火力發(fā)電廠以水蒸氣為工質(zhì)，基于理想氣體朗肯循環(huán)設(shè)計電力生產(chǎn)工藝[1]。提高蒸汽參數(shù)、增加再熱次數(shù)、回收煙氣余熱等均可有效提高火電機組發(fā)電效率[2-3]。目前，我國1 000 MW 二次再熱高效燃煤機組選用32 MPa/610 ℃/620 ℃的蒸汽參數(shù)，機組效率最高可達48%[4-5]。然而，受限于管材強度與材料耐溫極限，鍋爐蒸汽參數(shù)不能無限提高?？紤]到受熱面制造成本與發(fā)電系統(tǒng)復(fù)雜程度，再熱次數(shù)也不宜超過2 次[6-9]。因此，若材料技術(shù)無突破性進展，當(dāng)前火電機組效率很難進一步提升。

超臨界二氧化碳（S-CO2）具有黏度小、能量密度大、換熱效率高等優(yōu)點[10]，基于布雷頓循環(huán)構(gòu)建的S-CO2循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)理論發(fā)電效率可超過50%[11-12]，被視為未來最具潛力的新型發(fā)電技術(shù)之一。

當(dāng)前世界范圍內(nèi)MW 級S-CO2鍋爐尚無工程投產(chǎn)先例，相關(guān)啟動調(diào)試經(jīng)驗處于空白狀態(tài)[13-15]。西安熱工研究院有限公司（西安熱工院）5 MW 級S-CO2循環(huán)發(fā)電試驗臺在鍋爐首次點火時，因CO2的特殊物性，出現(xiàn)了氣冷壁內(nèi)工質(zhì)液化堵塞問題，致使工質(zhì)流動受阻，金屬壁溫躥升劇烈，鍋爐無法正常啟動。本文結(jié)合現(xiàn)場情況進行了細(xì)致分析，并給出了針對性的解決方案。經(jīng)調(diào)試調(diào)整后，鍋爐點火啟動正常，金屬壁溫升速合理，相關(guān)經(jīng)驗對后續(xù)S-CO2機組的建設(shè)運行具有重要的指導(dǎo)示范意義。

1 機組概況

西安熱工院5 MW 級S-CO2循環(huán)發(fā)電綜合試驗平臺主要由S-CO2鍋爐，壓縮機，高、低溫回?zé)崞鳎A(yù)冷器，高壓透平發(fā)電機組，低壓透平發(fā)電機組組成。CO2在循環(huán)過程中始終處于其臨界點（7.38 MPa/304.13K）之上。

1.1 工藝流程

該試驗臺的發(fā)電工藝如下：穩(wěn)壓罐內(nèi)的CO2工質(zhì)進入壓縮機后，被升壓至21.5 MPa 左右，然后依次進入低溫回?zé)崞?、高溫回?zé)崞?，與低壓透平的排氣進行換熱；換熱后的CO2進入鍋爐氣冷壁、過熱器，被加熱到600 ℃，CO2主氣進入高壓透平做功，帶動發(fā)電機組發(fā)電；做功后的CO2進入鍋爐再熱器，重新被加熱到600 ℃，隨后進入低壓透平做功發(fā)電；低壓透平的排氣依次進入高溫回?zé)崞?、低溫回?zé)崞?，去加熱壓縮機供往鍋爐的進氣；低溫回?zé)崞鞒隹诘腃O2進入預(yù)冷器被冷卻到35 ℃后重新回到穩(wěn)壓罐，從而完成1 個循環(huán)。整個試驗機組的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 西安熱工院5 MW 級S-CO2 循環(huán)發(fā)電試驗系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Composition of the 5 MW-level S-CO2 cycle power generation test system designed by Xi’an Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.(TPRI)

1.2 設(shè)備簡介

試驗機組選用由西安熱工院和哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司（哈爾濱鍋爐廠）聯(lián)合研制的新型S-CO2鍋爐。該鍋爐采用全鋼構(gòu)架、懸吊式單爐膛、一次中間再熱、水平雙煙道設(shè)計，整體呈L 型布置。燃燒器為頂置單只低NOx燃燒器，以下沖方式組織燃燒，設(shè)計燃料為天然氣。燃燒器入口助燃風(fēng)為空氣與再循環(huán)煙氣的混合物。煙風(fēng)系統(tǒng)包括1 臺離心式引風(fēng)機、1 臺離心式送風(fēng)機、1 臺煙氣再循環(huán)風(fēng)機以及1 臺四倉室串聯(lián)的管式空氣預(yù)熱器。鍋爐受熱面系統(tǒng)包括垂直下降膜式氣冷壁，高、低溫過熱器，高、低溫再熱器及分流省煤器等。鍋爐總體布局如圖2 所示，主要設(shè)計參數(shù)見表1[16]。

圖2 西安熱工院5 MW 級S-CO2 鍋爐整體布局Fig.2 Overall layout of the 5 MW-level S-CO2 boiler in TPRI

表1 西安熱工院5 MW 級S-CO2 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)Tab.1 Main design parameters of the 5 MW-level S-CO2 boiler in TPRI

機側(cè)的供氣自上而下進入鍋爐，工質(zhì)流程分為2 部分。

分流省煤器流量約為主路流量的10%，與高溫回?zé)崞鞑⒙?lián)，工質(zhì)源于高壓回?zé)崞鬟M口。CO2經(jīng)分流省煤器加熱后在進入氣冷壁進口集箱前與主路流量混合?；旌虾蟮墓べ|(zhì)從氣冷壁進口集箱引入垂直管圈氣冷壁，從氣冷壁出口集箱引出的工質(zhì)進入過熱器加熱。

過熱器位于水平煙道右側(cè)煙道內(nèi)，再熱器位于水平煙道左側(cè)煙道內(nèi)，均為蛇形管繞制而成，采用2 級布置，將工質(zhì)加熱至額定參數(shù)。

2 機組概況

2.1 鍋爐首次點火氣冷壁溫升異常

2020 年12 月31 日21:30，鍋爐首次點火，準(zhǔn)備開展烘爐及吹管工作。系統(tǒng)工質(zhì)充裝完畢時，高壓回?zé)崞魅饫浔诠艿墓鈪?shù)為：8.33 MPa/29.72 ℃。供應(yīng)給鍋爐的CO2自高溫回?zé)崞魉蛠恚跔t頂集箱處分配給前、后、左、右4 面氣冷壁。氣冷壁自上而下構(gòu)成爐膛，并在鍋爐底部經(jīng)各自的下集箱和引出管，在過熱器入口集箱處完成匯合，如圖3 所示。氣冷壁底部集箱的4 根引出管內(nèi)壁均設(shè)有熱電偶，用于監(jiān)視各面氣冷壁出口工質(zhì)溫度。過熱器入口匯集集箱與氣冷壁底部集箱高度方向相差7.66 m。

圖3 氣冷壁底部集箱及引出管空間布置Fig.3 The air wall bottom header and outlet pipe space layout

21:48，4 根氣冷壁底部集箱引出管的工質(zhì)溫度分別為：36.85 ℃（前墻）、4.42 ℃（后墻）、9.39 ℃（左墻）、10.07 ℃（右墻）。21:49，鍋爐點火成功，切換大火并逐漸增加燃料量。

22:04，鍋爐燃?xì)饬吭黾又?50 m3/h，后墻與右墻氣冷壁金屬壁溫快速上升，溫升率超過10 ℃/min，4 根氣冷壁底部集箱引出管的工質(zhì)溫度分別為：54.82 ℃（前墻）、4.35 ℃（后墻）、13.94 ℃（左墻）、10.24 ℃（右墻）。

22:07，后墻與右墻氣冷壁金屬壁溫接近500 ℃，逼近報警限值，鍋爐手動MFT 停爐。滅火前高溫回?zé)崞髦翚饫浔诠鈪?shù)為8.56 MPa/31.29 ℃，4 根氣冷壁底部集箱引出管的工質(zhì)溫度為：67.98 ℃（前墻）、4.33 ℃（后墻）、32.37 ℃（左墻）、10.10 ℃（右墻）。

從鍋爐啟動過程可知，前、后、左、右墻引出管溫升分別為31.13、-0.07、22.98、0.03 ℃，后墻與右墻出口工質(zhì)的升溫幅度極小，存在明顯的傳熱傳質(zhì)異常[17-19]。

2.2 鍋爐二次點火確認(rèn)問題

2021 年1 月1 日19:41，為積累分析所需數(shù)據(jù)，確認(rèn)鍋爐啟動失敗原因，試驗機組再次充裝工質(zhì)，高溫回?zé)崞髦翚饫浔诠鈪?shù)為：5.41 MPa/22.15 ℃。19:42，鍋爐點火，逐步增加燃料量。20:55，燃?xì)饬吭黾又?50 m3/h；至22:00，后墻與右墻再次出現(xiàn)金屬壁溫躥升劇烈現(xiàn)象，鍋爐被迫停爐。此次點火過程氣冷壁底部集箱引出管內(nèi)工質(zhì)溫度變化趨勢如圖4 所示。

圖4 引出管工質(zhì)溫度變化趨勢Fig.4 Changes of working fluid temperature in lead out pipe

DCS 中調(diào)取的4 面墻氣冷壁的金屬壁溫變化趨勢如圖5 所示。

圖5 氣冷壁溫度變化趨勢Fig.5 Change trends of the gas wall temperature

圖4 及圖5 中溫度變化趨勢具有很好的一致性，后墻與右墻金屬壁溫躥升迅速，而其出口工質(zhì)溫度基本不變。由此判斷，后墻及右墻氣冷壁吸收的爐膛熱量未能傳遞至該出口集箱，導(dǎo)致出口工質(zhì)溫度基本不變，即后墻及右墻的氣冷壁管路可能發(fā)生了堵塞。

2.3 穩(wěn)壓罐排水與集箱內(nèi)結(jié)冰的提出

從圖4 可看出，后墻及右墻出口工質(zhì)溫度基本不變，爐膛內(nèi)熱煙氣的熱量未被工質(zhì)傳遞到出口管，故而推測后墻與右墻氣冷壁底部集箱可能存在嚴(yán)重堵塞情況，致使工質(zhì)無法流通，金屬壁溫劇烈躥升而出口管工質(zhì)溫度不增長，鍋爐面臨較大的堵塞爆管風(fēng)險[20-21]。

首先對溫度測點故障進行排除?，F(xiàn)場安排熱工檢修人員對各墻出口集箱引出管上的溫度測點拆除保溫材料，再用點溫槍實際測量測點溫度，發(fā)現(xiàn)后墻與右墻遠(yuǎn)方顯示溫度值與就地測量值基本一致。以手觸摸，右墻及后墻管道冰涼，而前墻與左墻引出管手感溫暖，再次印證溫度測點無故障，氣冷壁底部集箱發(fā)生堵塞的可能性進一步增大。

考慮到新型鍋爐大量應(yīng)用了不銹鋼管材，焊接工藝多采用氬弧焊，安裝過程產(chǎn)生的焊渣銹皮較少，由此引發(fā)的集箱堵管可能性較低。此外，每個氣冷壁底部集箱上有超過50 根水冷壁管。從金屬壁溫變化的劇烈程度推斷，這50 余根管絕大多數(shù)發(fā)生了嚴(yán)重堵塞，而普通固體顆粒雜質(zhì)很難造成如此大規(guī)模的堵塞，因此，堵塞物的具體信息還需進一步分析。

2021 年1 月1 日啟爐失敗后，運行人員對壓縮機入口的CO2穩(wěn)壓罐進行例行排污時發(fā)現(xiàn)，罐內(nèi)有大量污水連續(xù)排出，持續(xù)時間近3 min。穩(wěn)壓罐處于整個系統(tǒng)的末端，其內(nèi)部積水大概率來自上游的鍋爐受熱面，而本工程鍋爐為新型S-CO2鍋爐，所充工質(zhì)也是氣態(tài)CO2，如此多的污水從何而來，與目前氣冷壁集箱的堵塞有無關(guān)聯(lián)，值得深入思考。

鍋爐受熱面焊接完成后，需進行水壓試驗以檢測管路系統(tǒng)的嚴(yán)密性。本工程鍋爐設(shè)計工質(zhì)為S-CO2，機組在運行過程中，CO2始終處于氣態(tài)，故鍋爐在設(shè)計時，過熱器、再熱器以及分流省煤器等受熱面均不考慮疏水管路。上述受熱面都是由蛇形管繞制而成，存在大量的U 形彎頭（以分流省煤器為例，如圖6 所示），會導(dǎo)致鍋爐水壓試驗期間充入各受熱面的水有一部分積存在U 形彎頭底部而無法排出。待機組壓縮機調(diào)試完畢，系統(tǒng)初次充裝工質(zhì)時，分流省煤器內(nèi)的積水被CO2頂入下游氣冷壁中。從圖3 可知，氣冷壁底部集箱是鍋爐本體的最低點，而過熱器入口匯集集箱標(biāo)高8.2 m，二者高差太大，限制了CO2繼續(xù)攜帶積水進入過熱器受熱面。所以，積水最終去往氣冷壁底部集箱。

圖6 分流省煤器結(jié)構(gòu)Fig.6 Structural diagram of the shunt economizer

調(diào)取DCS 溫度曲線，發(fā)現(xiàn)點火前，后墻氣冷壁底部集箱引出管的工質(zhì)溫度僅為4 ℃，而集箱處于引出管上游，其內(nèi)部雖然未設(shè)計溫度測點，但依據(jù)管道聯(lián)通情況推測，氣冷壁底部集箱內(nèi)溫度應(yīng)該也在0 ℃附近。若底部集箱此時受到外部降溫因素影響，則極可能發(fā)生內(nèi)部存水大面積結(jié)冰現(xiàn)象，阻斷工質(zhì)流動。

2.4 流體節(jié)流膨脹過程與冰凍效應(yīng)

節(jié)流膨脹過程（throttling expansion process）是指在較高壓力下的流體（氣或液）經(jīng)多孔塞（或節(jié)流閥）向較低壓力方向進行絕熱膨脹的過程。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，該過程為等焓過程，氣體體積增大，壓強降低，因而溫度也會降低。所以，絕熱膨脹經(jīng)常用于降低氣體溫度，起到冷凍的效應(yīng)。

本工程鍋爐首次充裝工質(zhì)，壓縮機出口4 MPa/50 ℃即開始為鍋爐供氣，高壓CO2氣體需要連續(xù)通過2 個具有毫米級微孔道的印刷電路板換熱器（低溫回?zé)崞?、高溫回?zé)崞鳎?，這是典型的實際氣體的節(jié)流膨脹過程，具有顯著的制冷效應(yīng)[22-24]，將導(dǎo)致CO2氣體溫度大幅降低。工質(zhì)由機側(cè)供至爐側(cè)氣冷壁入口集箱時，溫度已降低至20 ℃以下，而充氣過程中壓縮機出力還在逐步提高。當(dāng)高壓CO2由大集箱進入氣冷壁細(xì)管時，再一次經(jīng)歷節(jié)流膨脹過程，氣冷壁管及與之連接的底部集箱持續(xù)降溫。

集箱內(nèi)的存水溫度在0 ℃附近，受節(jié)流膨脹過程產(chǎn)生的冰凍效應(yīng)影響，水溫很快降至冰點以下。存水開始逐漸結(jié)冰，氣冷壁集箱的進出孔被封住。

由于充氣過程持續(xù)進行，壓縮機出力仍在提高，因此堵塞后的集箱節(jié)流作用更強，降溫效果更顯著。待工質(zhì)全部充裝完畢時，后墻與右墻的氣冷壁底部集箱進出孔已被冰塊近乎完全封閉，管內(nèi)工質(zhì)的流動被徹底阻斷，導(dǎo)致12 月31 日及1 月1 日2 次啟爐均因金屬壁溫劇烈躥升而中斷。

2.5 氣冷壁內(nèi)工質(zhì)液化問題

查閱點火前過熱器進口工質(zhì)壓力及溫度情況，發(fā)現(xiàn)后墻與右墻充入的CO2壓力均達到8 MPa 以上，而右墻底部集箱引出管溫度10.1 ℃，后墻底部集箱引出管溫度低至4.4 ℃。

結(jié)合CO2物性曲線，8 MPa 時CO2臨界溫度為34.65 ℃，后墻與右墻引出管的實際溫度遠(yuǎn)低于相應(yīng)壓力下的臨界溫度，表明此處的工質(zhì)已經(jīng)處于液體狀態(tài)[25]。從圖3 的相對位置圖可知，引出管的頭尾一低一高，相差近7.6 m，管內(nèi)若大量積存液態(tài)CO2，將會形成高位液柱，其產(chǎn)生的壓力必然會進一步壓實底部集箱內(nèi)的結(jié)冰，強化堵塞效應(yīng)。同時，未堵塞的左墻及前墻氣冷壁對堵塞的后墻和右墻氣冷壁產(chǎn)生了短路效果，使得堵塞墻氣冷壁的進、出口壓力相近，工質(zhì)在較低壓差下的流動擴散能力大幅降低，工質(zhì)難以沖開堵塞物。此外，高壓下水的熔點降低，結(jié)冰現(xiàn)象也得到一定程度的加劇。

綜合上述分析，此次氣冷壁底部集箱堵塞問題主要受到以下幾個因素影響：

1）鍋爐水壓試驗后，受熱面彎頭內(nèi)殘留大量水分無法排出，此系設(shè)計缺陷，CO2充氣時積水被頂入氣冷壁底部集箱；

2）工質(zhì)充裝過程發(fā)生多次節(jié)流，CO2溫度持續(xù)降低，氣冷壁出口集箱內(nèi)積水結(jié)冰，封閉通流孔道；

3）充氣壓力高而工質(zhì)溫度低，CO2發(fā)生液化并形成了高位液柱，將后墻與右墻通流管完全封閉，工質(zhì)的流動被徹底阻斷；

4）通流墻氣冷壁產(chǎn)生的“短路效應(yīng)”導(dǎo)致堵塞墻氣冷壁進、出口壓差變小，工質(zhì)難以沖開堵塞物；

5）堵塞情況下，較高的系統(tǒng)壓力使得水的凝固點降低，結(jié)冰現(xiàn)象加重。

3 解決方案

由前述分析可知，需要對氣冷壁底部集箱進行融冰（加熱或降壓），同時將液化的CO2排出鍋爐，以便徹底疏通底部集箱。綜合討論后，現(xiàn)場主要采取了小火暖爐、降壓閃蒸、優(yōu)化工質(zhì)充裝參數(shù)、加強末端排水等措施。經(jīng)現(xiàn)場實踐應(yīng)用，氣冷壁堵塞問題得到了較好解決。

3.1 小火暖爐

在壓縮機不運行的情況下，投入鍋爐燃燒器，控制好入爐燃料量，確保氣冷壁金屬壁溫緩慢上升。氣冷壁金屬壁溫報警值為550 ℃，現(xiàn)場以壁溫測點250 ℃為目標(biāo)溫度，利用小火暖爐，將爐膛內(nèi)煙氣熱量經(jīng)氣冷壁金屬管傳導(dǎo)至底部集箱，使集箱升溫，內(nèi)部結(jié)冰逐漸融化。小火暖爐持續(xù)3 h 后結(jié)束，中間以間斷滅火方式控制金屬壁溫，使之不超目標(biāo)限定值。充分暖爐后，右墻與后墻引出管溫度均達到了15 ℃以上。

3.2 降壓閃蒸

小火暖爐過程使得與集箱內(nèi)壁接觸的冰塊融化，通流孔暴露出部分間隙，CO2具備了一定的流動擴散條件。暖爐結(jié)束后，立刻開啟過熱器側(cè)PCV閥，以迅速降低系統(tǒng)壓力，使液態(tài)CO2及融化的冰水發(fā)生閃蒸，最終以氣體形態(tài)排放到大氣中。待過熱器側(cè)壓力降低至0.1 MPa 以下時，關(guān)閉PCV 閥，閃蒸過程完成。

3.3 優(yōu)化工質(zhì)充裝參數(shù)

2021 年1 月2 日鍋爐準(zhǔn)備再次啟動。此次充裝工質(zhì)要求壓縮機先利用自身的防喘振回路打小循環(huán)，將工質(zhì)反復(fù)壓縮，待溫度提高至80 ℃以上時再開啟鍋爐側(cè)供氣門。壓縮機增加出力、提高系統(tǒng)壓力時，相關(guān)操作應(yīng)盡量平緩，以削弱氣體的節(jié)流降溫效應(yīng)。

17:20，鍋爐再次點火。緩慢增加燃料，嚴(yán)密監(jiān)視氣冷壁4 面墻的金屬壁溫變化。鍋爐點火后，各參數(shù)平穩(wěn)，4 面墻的金屬壁溫較均勻，溫升速率合理。氣冷壁底部集箱的4 根引出管的工質(zhì)溫度變化趨勢及數(shù)值都較為接近，其曲線如圖7 所示。

此次啟動過程中，鍋爐各級受熱面氣溫氣壓參數(shù)正常，相關(guān)設(shè)備運行平穩(wěn)，表明氣冷壁管道堵塞問題已完全消除。

3.4 加強末端排水

機組運行正常后，逐步增加燃料量，提高蒸氣溫度及壓力，以將分流省煤器、過熱器、再熱器內(nèi)殘存的水分蒸發(fā)帶出。同時安排運行人員加強CO2穩(wěn)壓罐的排污放水。經(jīng)過多次排水后，穩(wěn)壓罐內(nèi)不再有水積存，受熱面內(nèi)殘留水分已全部排出鍋爐。氣冷壁底部集箱堵管問題獲得徹底解決。

4 結(jié) 語

當(dāng)前世界范圍內(nèi)MW 級S-CO2鍋爐尚無工程投產(chǎn)先例，相關(guān)啟動調(diào)試經(jīng)驗較為缺乏，本文結(jié)合現(xiàn)場情況對氣冷壁堵管原因進行了分析，認(rèn)為鍋爐水壓試驗后受熱面內(nèi)水分未排凈是堵管的前提，工質(zhì)充裝過程發(fā)生的節(jié)流制冷效應(yīng)是集箱內(nèi)結(jié)冰的主因。此外，CO2高位液柱、高壓下水的凝固點降低、通流氣冷壁的“短路效應(yīng)”，也一定程度上加劇了管路堵塞。

對此，現(xiàn)場實施了小火暖爐、降壓閃蒸、優(yōu)化工質(zhì)充裝參數(shù)、加強末端排水等措施，氣冷壁集箱堵塞問題徹底消除。經(jīng)調(diào)試調(diào)整后，新型S-CO2鍋爐點火啟動正常，金屬壁溫升速合理，相關(guān)經(jīng)驗對后續(xù)S-CO2機組的建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。