外接電源供電的緊急補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

周叢叢，李 磊

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

循環(huán)流化床鍋爐以其燃燒的清潔、高效、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，是目前有效的潔凈煤燃燒技術(shù)之一。在循環(huán)流化床鍋爐中，大量固體物料在強(qiáng)烈的湍流下進(jìn)入爐膛，爐內(nèi)熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞過程十分強(qiáng)烈，具有一定的蓄熱量。當(dāng)發(fā)生全廠失電的極端工況時(shí)，即便切除外部的給料，蓄熱也會(huì)造成爐內(nèi)汽水混合物及水被不斷加熱，因此裝有外置床的循環(huán)流化床鍋爐，都需要設(shè)置緊急補(bǔ)水系統(tǒng)給鍋爐提供補(bǔ)給水來排出蓄熱量。目前主流的循環(huán)流化床鍋爐，由于不帶外置床，設(shè)置緊急補(bǔ)水系統(tǒng)與否，取決于鍋爐廠的設(shè)計(jì)、選材及對(duì)安全性的保障措施。因系統(tǒng)造價(jià)高、使用頻率低、維護(hù)費(fèi)用高等問題，很多鍋爐廠家不配置緊急補(bǔ)水系統(tǒng)。

某工程鍋爐廠安全評(píng)估后，提出在全廠失電的情況下，水冷系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)大約5分鐘將會(huì)被蒸干，工質(zhì)蒸干后將導(dǎo)致管壁溫度升高較快，當(dāng)達(dá)到管子最大容許壁溫時(shí)，管子就要損壞甚至燒毀。為了對(duì)循環(huán)流化床的安全更有保障，考慮增設(shè)一套緊急補(bǔ)水系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)置基于現(xiàn)有給水系統(tǒng)配置，同時(shí)又有外接電源等特殊性。

緊急補(bǔ)水系統(tǒng)中造價(jià)最高的環(huán)節(jié)是增加一套柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而某工程的特點(diǎn)是具備外接電源，這樣就不再需要增加新的柴油機(jī)作為備用電源，大大節(jié)省了設(shè)置緊急補(bǔ)水系統(tǒng)的成本。但此電源不能直接給電動(dòng)給水泵供電向鍋爐補(bǔ)水，因?yàn)槟彻こ堂颗_(tái)機(jī)組給水系統(tǒng)采用2臺(tái)50%容量的汽動(dòng)給水泵和1臺(tái)30%容量的啟動(dòng)用電動(dòng)給水泵，電動(dòng)給水泵揚(yáng)程太小，壓頭不能滿足在全廠失電工況下向低溫省煤器供水，所以必須設(shè)置緊急補(bǔ)水泵來給鍋爐供水。本文就此結(jié)合某工程來分析一種具有外接電源供電的緊急補(bǔ)水系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)。

1 緊急補(bǔ)水系統(tǒng)的介紹

國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的一些300 MW循環(huán)流化床鍋爐，如廣東寶麗華300 MW機(jī)組、淮北臨渙煤泥矸石電廠一期300 MW機(jī)組等工程參照引進(jìn)技術(shù)也設(shè)置了緊急補(bǔ)水系統(tǒng)。常規(guī)緊急補(bǔ)水系統(tǒng)流程見圖1，緊急補(bǔ)水系統(tǒng)的水源來自緊急補(bǔ)水箱，緊急補(bǔ)水進(jìn)入緊急補(bǔ)水泵升壓后接至鍋爐高壓給水管道上。

某工程緊急補(bǔ)水系統(tǒng)的水源來自凝結(jié)水儲(chǔ)水箱。緊急補(bǔ)水先進(jìn)入緊急補(bǔ)水泵前置泵，再進(jìn)入緊急補(bǔ)水泵，升壓后的緊急補(bǔ)水接至鍋爐省煤器入口管道上(給水操作臺(tái)后)。系統(tǒng)流程圖見圖2。

圖1 循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組常規(guī)緊急補(bǔ)水系統(tǒng)流程圖

2 緊急補(bǔ)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 緊急補(bǔ)水水源

常規(guī)工程的緊急補(bǔ)水水源有以下3種：除氧器補(bǔ)水；緊急補(bǔ)水箱補(bǔ)水；凝結(jié)水儲(chǔ)水箱補(bǔ)水。緊急補(bǔ)水可用除鹽水，補(bǔ)水量應(yīng)按照鍋爐冷卻水量、鍋爐平衡閃蒸所需水量之和計(jì)算。

很多工程采用除氧器的水作為鍋爐補(bǔ)給水，優(yōu)點(diǎn)是水溫度較高，與鍋爐內(nèi)給水溫度接近，對(duì)鍋爐材料較好。但其缺點(diǎn)也比較明顯：水溫度高，與鍋爐束管溫差小，除氧器中的水能帶走的鍋爐蓄熱量太少；水量太少，某工程中除氧器的有效容積為110 m3。鍋爐廠的安全評(píng)估計(jì)算得出高溫床料溫度降到不影響鍋爐干燒所需補(bǔ)水總量約300 t。顯然，除氧器中的水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足鍋爐補(bǔ)水需求。

圖2 某工程緊急補(bǔ)水系統(tǒng)的流程圖

如果增設(shè)一個(gè)緊急補(bǔ)水箱，有以下缺點(diǎn)：一次性投資成本增加；正常運(yùn)行維護(hù)成本增加；鍋爐廠安全評(píng)估水冷壁必須在2 min之內(nèi)得到有效補(bǔ)水，緊急補(bǔ)水要滿足鍋爐突發(fā)狀況的需求，水質(zhì)必須達(dá)到除鹽水的指標(biāo)，這就意味著緊急補(bǔ)水箱要一直處于備用狀態(tài)，需要增設(shè)一套緊急補(bǔ)水的水凈化及水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

某工程中凝補(bǔ)水箱的容量為2×300 m3，可以滿足鍋爐廠補(bǔ)水總量約300 t(單臺(tái)爐)的需求。常溫凝結(jié)水水溫約20℃左右，通過省煤器進(jìn)入鍋爐本體后，冷熱溫差對(duì)鍋爐本體管材性能影響不大；而且凝補(bǔ)水箱一直處于使用狀態(tài)，水質(zhì)完全能夠達(dá)到鍋爐補(bǔ)水的要求。

經(jīng)以上對(duì)比綜合分析考慮，某工程水源取自凝結(jié)水儲(chǔ)存水箱，補(bǔ)水量為200 m3/h。

2.2 緊急補(bǔ)水泵的選擇

緊急補(bǔ)水系統(tǒng)造價(jià)高、使用頻率低，為了降低造價(jià)、提高利用率、達(dá)到高性價(jià)比的設(shè)計(jì)，采用多臺(tái)爐合用一套緊急補(bǔ)水泵。某工程全廠設(shè)一臺(tái)電動(dòng)緊急補(bǔ)水泵(配電動(dòng)前置泵)，兩臺(tái)機(jī)組合用，不設(shè)置備用泵。

緊急補(bǔ)水泵的揚(yáng)程計(jì)算要考慮以下幾點(diǎn)：補(bǔ)給水泵到省煤器進(jìn)口介質(zhì)流動(dòng)總阻力，并加20%裕量；省煤器進(jìn)口與補(bǔ)水箱水位的靜壓差；鍋爐額定工況省煤器入口給水壓力；補(bǔ)水箱額定工作壓力。本工程計(jì)算出設(shè)計(jì)揚(yáng)程為3040 m H2O。

某工程緊急補(bǔ)水泵設(shè)計(jì)流量：200 m3/h；設(shè)計(jì)揚(yáng)程3040 m H2O。緊急補(bǔ)水泵組主泵參數(shù)見表1，緊急補(bǔ)水泵組前置泵參數(shù)見表2。

表1 緊急補(bǔ)水泵組主泵參數(shù)

表2 緊急補(bǔ)水泵組前置泵參數(shù)

2.3 前置泵的布置

常規(guī)工程的前置泵與補(bǔ)水泵是同軸布置在補(bǔ)水箱附近。

某工程中，前置泵與補(bǔ)水泵分開不同軸布置，前置泵布置在凝結(jié)水儲(chǔ)水箱附近(零米)。某工程凝結(jié)水儲(chǔ)水箱高度約7 m，凝結(jié)水儲(chǔ)水箱最低水位距水箱緊急補(bǔ)水接口高度為3 m。一方面，布置在此可以保證足夠的壓頭以防止前置泵的汽蝕；另一方面，前置泵升壓后也能保證足夠的壓頭以防止緊急補(bǔ)水泵的汽蝕。

2.4 緊急補(bǔ)水泵的布置

緊急補(bǔ)水泵的布置方案有三種：布置在儲(chǔ)水箱附近；布置在汽機(jī)房?jī)?nèi)；布置在鍋爐房?jī)?nèi)。

2.4.1 補(bǔ)水泵布置在儲(chǔ)水箱附近

布置在儲(chǔ)水箱附近的優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)水箱位于A排外30 m處，周圍空間大，方便泵的布置。

布置在儲(chǔ)水箱附近的缺點(diǎn)包括：雖然本工程采購的泵為室外泵，但是放在室外長(zhǎng)期來看還是不利于泵的保養(yǎng)；泵入口管道的管材為S30408，泵出口管道的管材為SA106－C，SA106－C材料價(jià)格相對(duì)較高，顯然應(yīng)盡量縮短泵出口的管道長(zhǎng)度，節(jié)約成本；若泵放在儲(chǔ)水箱附近，則泵出口的管道要跨過整個(gè)汽機(jī)房，泵出口管道數(shù)量會(huì)非常多。

2.4.2 補(bǔ)水泵布置在汽機(jī)房?jī)?nèi)

布置在汽機(jī)房?jī)?nèi)的優(yōu)點(diǎn)包括：補(bǔ)水泵布置在汽機(jī)房?jī)膳_(tái)機(jī)組中間，泵出口去兩臺(tái)爐的管道可以對(duì)稱布置，而且距離兩臺(tái)爐都較近，便于管道布置；補(bǔ)水泵放在汽機(jī)房可以利用汽機(jī)房?jī)?nèi)的檢修起吊，便于泵的檢修及維護(hù)；泵出口的管道相比布置在儲(chǔ)水箱附近大大縮短；泵放在汽機(jī)房?jī)?nèi)有利于泵的保養(yǎng)。

布置在汽機(jī)房?jī)?nèi)的缺點(diǎn)包括：被優(yōu)化過的汽機(jī)房非常緊湊，布置補(bǔ)水泵位置空間上存在一定的難度；補(bǔ)水泵布置在汽機(jī)房BC跨內(nèi)，泵入口的管道要從A排外一直接到BC跨，管道布置也存在一定的難度。

2.4.3 補(bǔ)水泵布置在鍋爐房?jī)?nèi)

布置在鍋爐房?jī)?nèi)的優(yōu)點(diǎn)包括：補(bǔ)水泵布置在鍋爐房?jī)膳_(tái)機(jī)組中間，泵出口去兩臺(tái)爐的管道可以對(duì)稱布置，而且距離兩臺(tái)爐都較近，便于管道布置；泵出口的管道相比布置在儲(chǔ)水箱附近大大縮短。

該方式的缺點(diǎn)包括：補(bǔ)水泵布置在鍋爐房不利于檢修及維護(hù)；鍋爐房是露天布置，泵放在鍋爐房不利于泵的保養(yǎng)。

綜合比較幾種布置方案，始終遵循高性價(jià)比、低總投資的原則，補(bǔ)水泵布置在汽機(jī)房?jī)?nèi)是最佳方案。

2.5 緊急補(bǔ)水泵的驅(qū)動(dòng)電源

規(guī)程中規(guī)定緊急補(bǔ)水泵應(yīng)選用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的定速泵。某工程具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，處于煤礦工業(yè)廣場(chǎng)北部，所以沒有再配備柴油機(jī)，而是從廠區(qū)輸煤6 kV配電裝置供電；同時(shí)為滿足全廠失電時(shí)鍋爐緊急補(bǔ)水的要求，考慮從廠外礦區(qū)引一路10 kV電源，通過10/6.3 kV干式變壓器降壓到6 kV作為緊急補(bǔ)水泵的備用電源，變壓器容量為2 500 kVA，阻抗4%。緊急補(bǔ)水泵跨接在廠區(qū)公用段和10/6.3 kV干式變壓器低壓側(cè)。

2.6 緊急補(bǔ)水接入鍋爐的接口位置

緊急補(bǔ)水管道接在鍋爐范圍內(nèi)的高壓給水管道且具體接入位置是設(shè)在鍋爐低溫省煤器入口管道上(給水操作臺(tái)后)。接在此處意義重大：此位置旁路掉了所有的閥門組、設(shè)備，避免了所有可能出現(xiàn)的閥門及設(shè)備故障，導(dǎo)致補(bǔ)給水給水不暢的可能；最大程度地減少阻力，減少泵的揚(yáng)程；此處距離鍋爐低溫省煤器位置最近，能及時(shí)對(duì)鍋爐進(jìn)行補(bǔ)水。

2.7 緊急補(bǔ)水管道材質(zhì)的選擇

緊急補(bǔ)水泵入口前管道接到儲(chǔ)水箱，所以采用的是不銹鋼S30408材質(zhì)。緊急補(bǔ)水泵出口管道采用的是與高壓給水管道材質(zhì)一致的SA106C材料。

2.8 緊急補(bǔ)水系統(tǒng)造價(jià)

2.8.1 常規(guī)緊急補(bǔ)水系統(tǒng)

常規(guī)緊急補(bǔ)水系統(tǒng)是2臺(tái)機(jī)公用1套緊急補(bǔ)水系統(tǒng)，配置1臺(tái)大功率的柴油機(jī)，1套高壓頭低流量的水泵，1個(gè)1 000 m3的緊急補(bǔ)水箱等。其造價(jià)見表3。

表3 常規(guī)緊急補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)備配置(2×300 MW)

2.8.2 某工程緊急補(bǔ)水系統(tǒng)

某工程處于煤礦工業(yè)廣場(chǎng)北部，所以可利用煤礦工程作為外部電源，不需要新增柴油發(fā)電機(jī)，這大大節(jié)省了投資成本。某工程造價(jià)見表4。

表4 某工程緊急補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)備配置(2×350 MW)

3 結(jié)語

某工程利用地理位置優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)設(shè)置的緊急補(bǔ)水系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、布置合理、設(shè)備最優(yōu)化、最經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)；有穩(wěn)定的外部電源即可代替柴油發(fā)電機(jī)組是緊急補(bǔ)水系統(tǒng)的一種新方法。但是，某工程緊急補(bǔ)水系統(tǒng)的設(shè)置也存在以下問題：

(1)補(bǔ)水取凝補(bǔ)水箱的凝結(jié)水，溫度偏低，對(duì)于鍋爐受熱面存在熱端差，對(duì)于材料不利。

(2)緊急補(bǔ)水泵與儲(chǔ)水箱之間的管道常年存在積水，時(shí)間久了水質(zhì)會(huì)變差。鑒于此，如補(bǔ)給水溫度跟高壓給水溫度一致則補(bǔ)水效果最理想，并且最好設(shè)置一套除鹽水自潔系統(tǒng)，并應(yīng)定期維護(hù)，增加水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)。希望以后的工程可以相應(yīng)的采取改進(jìn)措施。

[1]薛立民.循環(huán)流化床鍋爐緊急補(bǔ)水系統(tǒng)研究[J].山西電力，2016，(5).

[2]電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.火電工程限額設(shè)計(jì)參考造價(jià)指標(biāo)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2016.