1000MW機(jī)組啟動(dòng)系統(tǒng)的研究

寧獻(xiàn)武,趙繼良,張冠群

（綏中發(fā)電有限責(zé)任公司,遼寧 葫蘆島 125222）

鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)是超（超）臨界機(jī)組鍋爐中的重要組成部分,是機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)啟停、低負(fù)荷運(yùn)行的重要保證。對(duì)百萬(wàn)級(jí)超大型機(jī)組啟動(dòng)系統(tǒng)的研究與分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

超（超）臨界機(jī)組的啟動(dòng)系統(tǒng)分為內(nèi)置式和外置式,外置式啟動(dòng)系統(tǒng)由于系統(tǒng)配置、運(yùn)行操作等非常復(fù)雜,目前已很少采用,國(guó)內(nèi)新建百萬(wàn)級(jí)機(jī)組均采用內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)。內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)疏水回收方式不同又可分為擴(kuò)容器式、疏水熱交換器式和循環(huán)泵式,并以循環(huán)泵式和擴(kuò)容器式應(yīng)用較多。

1 啟動(dòng)系統(tǒng)概述

綏中發(fā)電有限責(zé)任公司發(fā)電B廠2×1 000MW超超臨界機(jī)組的啟動(dòng)系統(tǒng)原為循環(huán)泵式（如圖1所示）,由啟動(dòng)分離器、儲(chǔ)水罐、爐水循環(huán)泵、爐水循環(huán)泵流量調(diào)節(jié)閥（以下簡(jiǎn)稱360閥）、儲(chǔ)水罐水位控制閥（以下簡(jiǎn)稱361閥）、疏水?dāng)U容器、冷凝水箱、疏水泵等組成。

在鍋爐啟動(dòng)處于循環(huán)運(yùn)行方式時(shí),飽和蒸汽經(jīng)汽水分離器分離后進(jìn)入頂棚過熱器,疏水進(jìn)入儲(chǔ)水罐。來自儲(chǔ)水罐的大部分飽和水通過爐水循環(huán)泵和360閥回流至省煤器入口,與鍋爐給水匯合。啟動(dòng)系統(tǒng)其余疏水通過361閥后引至疏水?dāng)U容器,在疏水?dāng)U容器中,蒸汽通過管道由爐頂排至大氣,水則進(jìn)入凝結(jié)水箱,然后根據(jù)水質(zhì)情況通過2臺(tái)疏水泵排至凝汽器（水質(zhì)合格）或系統(tǒng)外（水質(zhì)不合格）。

擴(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng)與循環(huán)泵式啟動(dòng)系統(tǒng)非常相似,區(qū)別在于擴(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng)減少了爐水循環(huán)泵的配置,儲(chǔ)水罐中的疏水無法通過爐水循環(huán)泵回至省煤器入口與給水混合后重新進(jìn)入省煤器、水冷壁中加熱,為建立循環(huán),工質(zhì)將通過361閥、擴(kuò)容器排至除氧器和凝汽器（水質(zhì)合格）或系統(tǒng)外（水質(zhì)不合格）。

如取消爐水循環(huán)泵,則啟動(dòng)系統(tǒng)的疏水只能通過361閥后引至疏水?dāng)U容器,無法通過爐水循環(huán)泵回至省煤器入口與給水混合,啟動(dòng)系統(tǒng)變?yōu)閿U(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng)。

2 2種啟動(dòng)系統(tǒng)安全性比較

若取消爐水循環(huán)泵采用擴(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng),給水流量全部由給水泵提供,（極）熱態(tài)啟動(dòng)時(shí),給水泵上水時(shí)給水溫度較低,將對(duì)溫度較高的水冷壁產(chǎn)生熱沖擊。且上水速度要兼顧受熱面壁溫的變化,將延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間。

圖1 啟動(dòng)系統(tǒng)流程示意圖

而采用循環(huán)泵式啟動(dòng)系統(tǒng),熱態(tài)、極熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)有爐水循環(huán)泵運(yùn)行,汽泵只需補(bǔ)充少量（5% BMCR）溫度較低的給水,加上爐水循環(huán)泵的循環(huán)水量（20%BMCR）就能保證啟動(dòng)流量（25%BMCR）要求,給水與爐水循環(huán)泵出口水混合,可提高給水溫度,降低給水與受熱面壁溫溫差而減小熱沖擊。

采用擴(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng)的600 MW機(jī)組,啟動(dòng)時(shí)間有所延長(zhǎng),若滿足沖轉(zhuǎn)參數(shù),主、再熱汽溫過高需投入大量減溫水,操作不當(dāng)易造成壁溫大幅波動(dòng),極易造成氧化皮脫落,為機(jī)組帶來隱患。

采用擴(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng)后,儲(chǔ)水罐中的疏水無法回至省煤器入口,無法通過啟動(dòng)疏水加熱省煤器入口給水,要提供水溫需增加燃料量,對(duì)于采用一級(jí)旁路的機(jī)組,再熱器干燒過程中的安全性帶來隱患。

361 閥后管路較長(zhǎng),若取消爐水循環(huán)泵而采用擴(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng),在（極）熱態(tài)啟動(dòng)或機(jī)組停運(yùn)由干態(tài)轉(zhuǎn)為濕態(tài)時(shí),汽水分離器啟動(dòng)疏水排放時(shí)將產(chǎn)生汽水兩相流體,引起管路或閥門振動(dòng),某電廠1 000 MW機(jī)組曾經(jīng)發(fā)生過361閥后管路嚴(yán)重振動(dòng)故障。若采用循環(huán)泵式啟動(dòng)系統(tǒng),爐水循環(huán)泵運(yùn)行時(shí)可輸出大部分啟動(dòng)流量,由361閥排出的部分較少,可避免管路振動(dòng)。

原設(shè)計(jì)除氧器接收水源并無啟動(dòng)疏水,如增加啟動(dòng)疏水排至除氧器,需對(duì)除氧器重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)使用除氧器回收熱量,實(shí)際上仍存在熱損失。鍋爐啟動(dòng)期間,尤其是熱態(tài)啟動(dòng)過程中,除氧器不能回收冷凝水的所有能量。此外,能回到除氧器流量的多少取決于除氧器內(nèi)的情況及除氧器設(shè)計(jì)上的限制（如最大給水溫度/壓力、溫升、水位等）。國(guó)外通常將啟動(dòng)疏水排入凝汽器和除氧器。啟動(dòng)疏水排入凝汽器有利于工質(zhì)的回收,最大限度地回收了熱量。但由于鍋爐啟動(dòng)疏水壓力高,流量和壓力波動(dòng)大,除氧器控制系統(tǒng)較難調(diào)節(jié)。一旦除氧器發(fā)生破裂,威脅很大。我國(guó)《電站壓力式除氧器安全技術(shù)規(guī)定》中也不推薦鍋爐啟動(dòng)疏水進(jìn)入除氧器。目前,大部分國(guó)家都不選擇鍋爐疏水排至除氧器,選擇的是凝汽器[2]。

雖然啟動(dòng)系統(tǒng)原設(shè)計(jì)也有排至凝汽器的管路,但如果取消爐水循環(huán)泵凝汽器將存在以下問題。

a.凝汽器的接收能力。凝汽器設(shè)計(jì)接收鍋爐啟動(dòng)疏水參數(shù)：700 t/h、0.117MPa（a）、104℃、焓值436 kJ/kg。鍋爐啟動(dòng)過程中保證安全的啟動(dòng)流量為765 t/h,啟動(dòng)過程發(fā)生汽水膨脹期間的流量將大于啟動(dòng)流量,而且（極）熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)爐水溫度較高,再加上減溫水量遠(yuǎn)大于700 t/h,如果取消爐水循環(huán)泵,啟動(dòng)過程中凝汽器的接收能力可能不足。

b.凝汽器背托式疏水?dāng)U容器超壓。如果取消爐水循環(huán)泵,在機(jī)組（極）熱態(tài)啟動(dòng)或機(jī)組停運(yùn)由干態(tài)轉(zhuǎn)為濕態(tài)時(shí),大量溫度較高的飽和水由鍋爐排入凝汽器背托式疏水?dāng)U容器,由于飽和水溫度較高,與之對(duì)應(yīng)的飽和壓力相應(yīng)升高,導(dǎo)致凝汽器背托式疏水?dāng)U容器超壓,同時(shí)對(duì)其余排入凝汽器背托式疏水?dāng)U容器的疏水形成排擠作用,不利于其余疏水的正常排放。

c.凝結(jié)水溫度升高。機(jī)組（極）熱態(tài)啟動(dòng)或機(jī)組停運(yùn)由干態(tài)轉(zhuǎn)為濕態(tài)時(shí),如果取消爐水循環(huán)泵,則由啟動(dòng)系統(tǒng)排至凝汽器的水溫較高,且水量也較爐水循環(huán)泵運(yùn)行時(shí)大很多。由于凝汽器熱井里的水已是飽和水,此時(shí)如果排入大量溫度較高的爐水,將引起凝結(jié)水溫度升高,當(dāng)高于凝汽器壓力下的飽和溫度時(shí),將可能引起凝結(jié)水泵入口發(fā)生汽化。

d.如果凝結(jié)水溫度升高至50℃時(shí),將對(duì)樹脂的安全性能產(chǎn)生影響,需退出單元除鹽裝置運(yùn)行,此時(shí)將影響水質(zhì),啟動(dòng)時(shí)會(huì)增加鍋爐清洗時(shí)間和水量。

無論工質(zhì)排至除氧器或凝汽器,都必須增加減溫系統(tǒng),若減溫系統(tǒng)故障,將嚴(yán)重威脅除氧器或凝汽器的安全。

某東方600MW超臨界機(jī)組采用擴(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng),鍋爐汽水分離器啟動(dòng)疏水排至凝汽器,在啟動(dòng)調(diào)試中由于啟動(dòng)疏水排放引起凝汽器背包式疏水?dāng)U容器超壓,其余疏水不能正常疏入,與疏水?dāng)U容器相連的其余疏水管道閥門振動(dòng),管道內(nèi)部測(cè)溫元件吹損,凝結(jié)水溫升高,凝結(jié)水泵有汽蝕跡象等一系列問題,導(dǎo)致機(jī)組無法正常啟動(dòng)及疏水不能回收[3]。同時(shí)取消爐水循環(huán)泵,雖簡(jiǎn)化了冷卻水管路、過冷水管路等輔助系統(tǒng),但需增加減溫、暖管等系統(tǒng),在一定程度上系統(tǒng)并未簡(jiǎn)化多少。

3 2種啟動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性比較

循環(huán)泵式啟動(dòng)系統(tǒng)與擴(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng)相比,能夠回收更多的熱量,同時(shí)可減小工質(zhì)損失,爐水再循環(huán)確保了爐水本身所帶的熱量基本都回至爐膛水冷壁,在啟動(dòng)的大部分時(shí)間內(nèi),熱損失和工質(zhì)損失很小。

循環(huán)泵式啟動(dòng)系統(tǒng)與擴(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng)在排放水量上有較大區(qū)別,后者在鍋爐整個(gè)啟動(dòng)過程中,從爐膛水冷壁來的水被連續(xù)排放,導(dǎo)致大量的熱損失和工質(zhì)損失,與此相比,循環(huán)泵式啟動(dòng)系統(tǒng)只需要在鍋爐啟動(dòng)早期（汽水膨脹階段）排水到擴(kuò)容器中,由于排放的水是處于大氣壓力下的飽和水,所以熱損失很小。

擴(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng)是通過給水泵來提供必須的水冷壁最小流量,而循環(huán)泵式啟動(dòng)系統(tǒng)則是通過爐水循環(huán)泵的循環(huán)流量來保證大部分給水流量,給水泵只需提供一部分,因此給水泵的耗功相對(duì)要少很多;對(duì)于擴(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng),啟動(dòng)過程所有最小流量的水都在爐膛中被加熱,沒有蒸發(fā)成水蒸氣的部分則攜帶從爐膛吸收的熱量被排至擴(kuò)容器中,循環(huán)泵式啟動(dòng)系統(tǒng)由于排放水量很小,其熱損失也很小,啟動(dòng)過程中總的熱損失約為疏水式啟動(dòng)系統(tǒng)的3%。

3.1 啟動(dòng)系統(tǒng)熱損失[4]

為計(jì)算直流爐在啟動(dòng)過程中的熱量損失,西安交通大學(xué)與哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司曾聯(lián)合對(duì)600 MW鍋爐在啟動(dòng)流量為35%BMCR情況下,通過OTBSP程序?qū)﹀仩t的冷、熱態(tài)啟動(dòng)過程進(jìn)行模擬,獲得了汽水膨脹、工質(zhì)損失、熱量損失等啟動(dòng)特性值,根據(jù)有關(guān)資料數(shù)據(jù),按帶泵系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中總的熱損失約占疏水式啟動(dòng)系統(tǒng)的3%計(jì)算,分析結(jié)果如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可見,對(duì)1 000MW等級(jí)機(jī)組鍋爐,在啟動(dòng)流量為35%BMCR情況下,冷態(tài)啟動(dòng)1次,循環(huán)泵式啟動(dòng)系統(tǒng)比擴(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng)節(jié)省近250萬(wàn)元,熱態(tài)啟動(dòng)1次則節(jié)約80多萬(wàn)元。

3.2 系統(tǒng)初投資

循環(huán)泵式啟動(dòng)系統(tǒng)的初投資要高于擴(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng)。從幾家鍋爐廠提供的資料來看,1臺(tái)同類型1 000MW等級(jí)機(jī)組超超臨界鍋爐2種系統(tǒng)的差價(jià)約為500～800萬(wàn)元[4]。

表1 啟動(dòng)系統(tǒng)的熱損失

對(duì)于百萬(wàn)級(jí)機(jī)組,鍋爐容量增大,啟動(dòng)流量也增大,如采用擴(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng),隨之帶來的熱損失較大,由表1分析可見,由于燃料價(jià)格相對(duì)較高,冷態(tài)啟動(dòng)2～3次產(chǎn)生的熱量損失費(fèi)用就完全超過帶爐水循環(huán)泵系統(tǒng)所增加的費(fèi)用,且大量的熱損失使得整個(gè)機(jī)組的啟動(dòng)速度較慢。

無論從安全性還是經(jīng)濟(jì)性上比較,循環(huán)泵式啟動(dòng)系統(tǒng)均優(yōu)于擴(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng),從安全性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性及機(jī)組的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益考慮,采用循環(huán)泵式啟動(dòng)系統(tǒng)是目前超超臨界1 000 MW機(jī)組的最佳選擇。