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任丘热电生产技术专题——浅谈国产超临界直流锅炉启动系统优化设计分析批准：王禄伟编制：李功强河北建投任丘热电有限责任公司发电分公司二〇一三年十月二十日1浅谈国产超临界直流锅炉启动系统优化设计分析一、前言我国目前火力发电机组正向着高参数大容量、环保指标近零排放的方向快速发展，大批的百万千瓦机组基本都是超超临界参数，超临界机组的技术也日新月异，给我国超临界机组的制造、安装、调试、运行带来了巨大的挑战，面对新技术、新材料、新工艺也存在一些认识不足的地方，需要我们花时间在工作中摸索经验更好地接受新生事物。对于超临界或超超临界机组而言考验最大的仍然是锅炉，首先从锅炉的工艺要求和控制方式上与亚临界机组都有质的不同，最大的区别一是启动方式上因无汽包，对水质要求极高。二是由于高参数汽温在600℃左右对锅炉管材耐温要求很高。三是控制方式上如煤水比或过热度或焓值等，要求给煤量的称量精度较高，以上这些都比亚临界机组复杂的多。下面针对国内超临界机组及任丘热电超临界供热机组的技术特点谈一些认识。二、启动系统的主要作用由于超临界直流锅炉没有汽包无法形成自然循环的特点，运行中必须考虑水冷壁流动的稳定性和保证水冷壁管壁温度低于允许值，因此超临界锅炉规定一个最小启动流量。一般超临界直流锅炉的最小启动流量为BMCR的25～35%之间，但在锅炉的启停期间产汽量低于炉膛所需的最小流量负荷区间运行时，多余的工质（指汽水混合物中未汽化的水）又不能进入过热器系统，此时就需要在进过热器前设置一个启动旁路系统来将多余的工质（未汽化的水）排掉，因此启动系统便成了超临界机组不可缺少的一个系统，它是保证机组安全、经济启停、低负荷运行及妥善进行事故处理的重要系统。其作用叙述如下：1.建立启动压力和启动流量，保证给水连续地通过省煤器和水冷壁，尤其是保证水冷壁有足够的冷却和水动力的稳定性。2.回收锅炉启动初期排出的热水、汽水混合物、饱和蒸汽以及过热度不足的过热蒸汽，实现工质和热量回收。3.在机组启动过程中起到固定蒸发受热面终点，实现汽水分离，保证给水、汽温、燃烧调节相对独立，互不干扰，便于启动参数控制。4.由于超临界直流锅炉受热面的内径很小，若水质控制不严格将会造成受热面管子内表面结垢，造成管道阻力增加，严重时则会引起超温爆管，因此超临2界直流锅炉对给水品质有严格的要求，在锅炉点火时，给水品质必须满足要求。为了保证锅炉水质，超临界直流锅炉启动时必须进行冷态冲洗和热态冲洗，启动系统在锅炉冷态清洗和热态清洗时为清洗水返回给水系统提供了一个流通通道。锅炉启动系统可分为分置式和外置式启动系统，外置启动系统结构比较复杂目前国内超临界机组较少采用，下面重点介绍内置式启动系统的几种类型。三、内置式启动系统主要类型内置式启动系统是指在机组启动、正常运行、停运过程中，启动分离器均投入运行，在锅炉启停及低负荷运行期间，启动分离器处于湿态运行，分离器如同汽包一样，起汽水分离作用；而在锅炉正常运行期间，启动分离器处于干态运行，从水冷壁出来的微过热蒸汽经过分离器，进入过热器，此时分离器仅起一连接通道作用。内置式的启动系统可分为大气扩容式、启动疏水至除氧器式和带循环泵式三种。目前国内主要采用大气扩容式和带循环泵式启动系统两种，极少采用启动疏水至除氧器式。我公司组织锅炉专业、河北电力设计院、北京巴威锅炉厂的设计人员共同对国华沧东电厂启动疏水至除氧器方式进行了调研，经锅炉制造厂论证后对此方式进行了改造，增设一条分离器至除氧器的管路即341-3管线（并设有电动调阀、电动截止阀、逆止阀），下面对这几种方式的特点进行分析讨论。1．带循环泵式启动系统1.1主要流程带循环泵式启动系统主要流程见图1图1-带循环泵式启动系统主要流程3由图1可以看出，带循环泵式启动系统锅炉启动时，给水经省煤器、水冷壁加热蒸发后的汽水混合物由汽水分离器分离，分离下来的水进入储水箱，储水箱里的水经循环泵与高加的来水一同汇入省煤器，从而形成炉水循环。带循环锅炉泵式启动系统锅炉进入省煤器的给水流量由高加出口流量和循环泵出口至省煤器的两个流量之和，一般来说启动初期时给水泵向炉膛的给水流量较小（约7%BMCR左右），而锅炉启动最小流量所必须的其余部分流量则由循环泵提供，湿态运行时类似于强制循环汽包炉。1.2特点a.该启动系统的炉水一直在炉内循环，仅小部分工质通过水位控制阀（简称“341阀”）排至疏水箱，锅炉的热量基本完全产生蒸汽，因此热量损失很小，热量和工质的回收性能较好。b.该启动系统的炉膛给水为循环泵出口流量和高加出口流量之和，炉膛给水流量可以通过循环泵的流量进行调整，保证了较大的炉膛给水流量，有利于水冷壁的足够冷却和水动力的稳定性，从而确保水冷壁的安全。c.该启动系统便于锅炉冷、热态冲洗。冷、热态冲洗时可以通过提高循环泵流量来增大水冷壁流量，从而提高锅炉的冲洗效果，缩短冲洗时间，节省冲洗水。d.该系统可以不与机侧系统相连，系统相对独立，不受汽机选型及运行的限制，因此在机组启动时的运行非常灵活。e.由于341阀、循环泵出口阀（简称“381阀”）和再循环阀（简称“382阀”）均对储水箱水位进行调节，另外锅炉的炉膛给水流量由给水泵流量和循环泵流量两部分组成，因此水位和给水流量的控制相对比较复杂、繁琐。f.由于锅炉炉水循环泵工作温度较高，一般启动时机组负荷在30%以前均投入运行，目前超临界机组均在30%负荷（转直流）以下、压力约9.0MPa左右定压运行，此时炉水温度约300℃，在如此高温环境下工作的泵和电机对控制要求较高，加工制造严格，相关附属系统较多，转动部件的运行和维护要求高，运行操作复杂，一次性投资较大。2.大气扩容器式启动系统2.1主要流程大气扩容器式启动系统主要流程见图2。4图2-扩容器式启动系统主要流程从图2可以看出扩容器式启动系统与带循环泵式启动系统的最大区别是储水箱里的水是没有直接进入锅炉，而是通过水位调节阀（简称“341阀”）排至疏水扩容器经扩容后进入疏水箱，然后排至凝汽器或地沟，炉水未形成循环，锅炉启动最小流量完全由给水泵提供。2.2技术特点a.大气扩容式启动系统结构比较简单，锅炉的给水全部由高加给水提供，给水控制简单，储水箱水位仅靠水位控制阀调节，水位控制也相对简单，便于实现自动控制。b.系统简单，运行操作方便，检修维护工作量小，系统一次性投资较小。c.由于储水箱水全部排至疏水箱，锅炉疏水热量基本全部损失，因此其经济性较差，同时将引起锅炉启动初期主汽温度不容易控制到汽轮机冲车参数的要求，这也是多数大气扩容式启动系统的锅炉水冷壁最小启动流量不得不降低的主要原因。d.锅炉的冷、热态冲洗完全依靠提高给水泵出口的给水流量来达到冲洗效果，而冲洗水绝大部分必须排走，因此冲洗水消耗量较大。e.该系统必须通过疏水管道与汽轮机侧凝汽器或除氧器相连，故系统的独立性较差，机组启动时受汽轮机条件的限制。53．除氧器式启动系统3.1主要流程除氧器式启动系统主要流程见图3F(X)过热器水位测量给水泵来省煤器及水冷壁除氧器扩容箱ANAAANB启动分离器疏水0501000ANB12345678910111.2m3.4m4m6.7m7.2m11.2mAAAN水位，m开度，%图3-除氧器式启动系统主要流程以任丘热电厂超临界直流锅炉为例。锅炉启动点火前，进入分离器的流量保持最低运行负荷30%BMCR下的330t/h，参数为除氧器的参数。点火后随燃料量投入的增加，进入分离器的工质压力、温度和干度不断提高，汽水混合物在分离器内实现分离。蒸汽进入过热器系统，饱和水通过汽水分离器一部分水直接排入除氧器另一部分排入疏水扩容器实现工质回收。分离器的正常水位由341-1阀、341-2阀和341-3阀来控制，此时分离器的运行为湿态运行。这时给水控制方式为分离器水位及最小给水流量控制，当除氧器压力上升至0.7MPa时341-3调阀、电动阀自动关闭（防止除氧器超压）。当水冷壁出口（进入分离器）工质的干度提高到干饱和蒸汽后，汽水分离器已无疏水，变成蒸汽联箱用，锅炉就切换到30%BMCR下的干态运行（纯直流运行）。此后进入分离器的流量随着负荷上升而不断增加，蒸汽温度不断提高，直至BMCR负荷。当分离器切换到干态运行后给水控制的任务由分离器水位控制转变为与燃料量控制配合控制中间点温度及给水流量控制。从图1、2、3可以看出扩容器式启动系统与带循环泵式启动系统的最大区别341-1341-2341-1除氧器6是储水箱里的水是没有直接进入锅炉，而是通过水位调节阀（简称“361阀”）排至疏水扩容器经扩容后进入疏水箱，然后排至凝汽器或地沟，炉水未形成循环，锅炉启动最小流量完全由给水泵提供。除氧器式启动系统当水质合格后将部分工质回收至除氧器加热给水。3.2技术特点a.扩容式启动系统结构比较简单，锅炉的给水全部由高加给水提供，给水控制简单，储水箱水位仅靠水位控制阀调节，水位控制也相对简单，便于实现自动控制。b.系统简单，运行操作方便，检修维护工作量小，系统一次性投资较小。c.由于储水箱水全部排至疏水箱，锅炉疏水热量基本全部损失，因此其经济性较差，同时将引起锅炉启动初期汽温不容易控制到汽轮机冲车参数的要求，这也是多数扩容式启动系统的锅炉水冷壁最小启动流量不得不降低的主要原因。d.锅炉的冷、热态冲洗完全依靠提高给水泵出口的给水流量来提高冲洗效果，而冲洗水绝大部分必须排走，因此冲洗水消耗量较大。e.该系统必须通过疏水管道与汽轮机侧凝汽器或除氧器相连，故系统的独立性较差，机组启动时受汽轮机条件的限制。f．除氧器式启动系统与扩容式启动系统基本相同，唯一区别就是在分离器排水管道上增设一路至除氧器的管道和部分阀门，回收水直接对除氧器的水进行加热，即回收了工质的热量又使燃料和除盐水消耗量大幅降低，达到节能减排的目的。四、启动系统启停过程分析1.扩容式启动系统的启停过程启动给水泵向锅炉上水，直到储水箱中水位正常,开启水位调节阀来控制水位。上水完成后，将锅炉给水流量增至25％BMCR以上对锅炉进行冷态清洗。冷态清洗时给水经省煤器、炉膛到分离器和储水箱，再经341阀排至疏水箱（疏水箱中的水根据水质情况确定是否回收）。冷态清洗合格后保持给水流量不低于25%BMCR进行锅炉点火，此期间由于锅炉产汽量为零，因此储水箱水位由341阀来控制。锅炉点火后不久，产生汽水膨胀，导致锅炉中的水被快速排到储水箱，而使储水箱水位迅速升高，为防止储水箱满水，此时两个341阀应快速打开，以便将水排出系统。汽水膨胀过后，随着蒸汽的产生，储水箱水位开始下降，此时7341阀逐渐关小以保持一定的水位。当离开分离器的蒸汽量接近给水流量时，储水箱中的水位下降到水位的下限值以下后自动关闭341阀，当过热器出口主汽流量达到30％BMCR时，锅炉进入直流运行模式。锅炉转直流且341阀关闭后启动系统暖管控制阀将打开，用省煤器出口的少量热水来加热341阀，使启动系统处于热备用状态，以防止出现热冲击对阀门和管道产生疲劳伤害。锅炉的停运过程则与启动过程相反，随着燃烧率和给水量的减少，锅炉负荷逐渐降低，当蒸汽流量降至30％时，分离器中开始逐渐有水被分离出来，暖管系统停运，341阀打开调节水位，启动系统投入运行，维持30％的给水流量，锅炉燃烧负荷继续降低，直至熄火，停止给水，锅炉停运。2.带循环泵式启动系统的启动过程启动给水泵以约10％BMCR左右的流量向锅炉上水，直到储水箱中水位升到高水位区间,并开启水位调节阀来控制水位。上水完成后，启动循环泵并尽可能提高循环泵流量，将炉膛给水流量增至30％MCR以上（给水泵出口流量约10％MCR）对锅炉进行冷态清洗。冷态清洗时约10％MCR的给水经省煤器、炉膛和顶棚到分离器和储水箱，再经341阀排至地沟。冷态清洗合格后，首先将给水泵流量减小至7%MCR（防止省煤器沸腾，确保没有汽水混合物进入水冷壁管而造成水冷壁管损坏）进行锅炉点火。在这期间，由于仍有约7％MCR的给水进入锅炉而产汽量为零，因此储水箱水位仍由341阀来控制，并通过341阀将水排到扩容器。锅炉点火后不久，产生汽水膨胀，导致锅炉中的水被快速排到储水箱，而使储水箱水位迅速升高，为防储水