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配备直流锅炉的火电机组启动、旁路系统及其运行特性 |
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| 配备直流锅炉的火电机组启动、旁路系统及其运行特性 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-23 16:55:45  |
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摘 要：阐述了直流锅炉启动系统与汽轮机旁路系统的型式及设计原则。具备安全阀功能的100%额定容量(RL)高压旁路系统与容量为60%～70% RL的低压旁路系统配合，可处理机组启动和运行中所出现的各种情况。所开发的计算机程序OTBSP对带再循环泵的直流锅炉冷态、热态启动过程进行了模拟，为锅炉启动系统的设计和运行提供了依据。该程序还正确建立了机组启动过程时，根据升压曲线及高压旁路调节阀开度计算燃烧率的数学模型，为汽轮机旁路系统设计及优化启动曲线提供了依据。
关键词：锅炉启动系统；汽轮机旁路系统；设计；运行
直流锅炉启动系统可分为内置式分离器启动系统与外置式分离器启动系统两种。目前，前者较为常用，即锅炉正常运行时分离器并不解列，而是参与系统工作，起到连接通道的作用。内置式分离器启动系统可分为大气扩容器、扩容器、启动疏水热交换器和再循环泵(并联和串联两种)等形式［1］。大气扩容器式启动系统初投资较低，但低负荷运行特性和频繁启停特性较差。扩容器式启动系统初投资较低，低负荷运行特性较差，而频繁启停特性则适中。启动疏水热交换器型启动系统初投资与低负荷运行特性适中，频繁启停特性则较好。再循环泵型启动系统初投资较大，而低负荷运行特性与频繁启停特性较好。
汽轮机高压-低压旁路系统极大地提高了机组的灵活性。它能缩短启动时间，减少并节省了能量；允许锅炉与汽轮机独立运行，减少了大修及主要设备维修后的整个调试时间，缩短了试验周期，且使锅炉所有受热面包括再热器在机组启动及汽轮机甩负荷等情况下得到冷却。对配有汽轮机旁路系统的机组进行试验研究发现，过热器和再热器中产生的鳞状物在启动过程中直接进入凝汽器，减少了汽轮机调节阀及叶片上的硬粒子侵蚀。
锅炉启动系统和汽轮机旁路系统的设计原则和方法是火电机组的关键技术之一。必须通过计算机程序对机组启动过程进行准确的模拟，在充分掌握其启动过程特性的基础上，才能对启动、旁路系统进行优化设计，安全高效地完成机组启动过程。
1锅炉启动系统及其运行特性
1.1锅炉启动系统及其运行原则
图1示出了再循环泵式启动系统简图，主要包括循环泵、启动分离器和3个水位控制阀。
系统运行原则：锅炉负荷大于35%MCR时，分离器处于干态运行方式，锅炉运行方式为纯直流运行；负荷低于35%MCR时，分离器处于湿态运行方式，分离出来的蒸汽进入过热器继续进行加热，一部分疏水经低水位控制阀(LWL阀)和锅炉给水在混合器内混合后通过循环泵进入水冷壁，另一部分疏水经中水位控制阀(MWL阀)与高水位控制阀(HWL阀)进入大气式扩容器，扩容后产生的饱和水通过疏水泵进入冷凝器进行循环。启动过程流经循环泵的流量为35%MCR，而给水泵最低维持35%MCR的流量。西安交通大学在高压汽水实验台上进行的内螺纹管传热恶化实验表明，35%MCR启动流量能够保证启动过程水冷壁安全运行。
1.2启动过程的计算
通过正确建立和求解启动过程工质侧、烟气侧及金属蓄热所遵循的数学模型，开发了能够模拟计算配有不同型式锅炉启动系统的直流锅炉由点火至锅炉负荷达35%MCR过程的计算机程序OTBSP［2］。该程序对配备上述启动系统的600 MW直流锅炉启动过程进行了计算。
1.2.1冷态启动
配备直流锅炉的火电机组启动、旁路系统及其运行特性图2为冷态启动计算结果。启动初始，水位维持5 m不变；29.5 min时，水冷壁中工质开始汽化，此时水位有些波动，而对应的燃烧率E为53%；63.9 min时，水位达到启动过程最大值6.4 m，对应的燃烧率为7.6%，此时主蒸汽压力p上升，水冷壁中工质储量减少，减少的部分进入分离器引起水位上升；62.4 min时，疏水量达到启动过程的最大值，即248.5 kg/s，是给水流量188.3 kg/s的1.32倍，它和水位达到最大值几乎是同时发生的；186.1 min时，水位降为零，此时LWL阀、MWL阀和HWL阀全部关闭，锅炉由再循环运行方式转变为纯直流运行方式。
1.2.2热态启动
图3为热态启动计算结果。由锅炉点火至锅炉负荷达35%MCR共需21.3 min。锅炉点火时刻，水位为5 m；2.2 min时，水位达到最大值10.1 m，对应的燃烧率为30%，与此同时，疏水量也达到最大值395.7 kg/s，是给水流量的2.1倍；23.3 min时，水位降为零，此时，LWL阀、MWL阀和HWL阀全部关闭，锅炉由再循环运行方式转变为纯直流运行方式。
2汽轮机旁路系统及其运行特性
2.1汽轮机旁路系统及其容量
2.1.1高压旁路系统
高压旁路系统由高压旁路调节阀、喷水系统、控制系统和管路等部件组成。汽轮机甩负荷或跳闸时，旁路调节阀将由关闭状态转变为开启状态而承受较大的热应力，必须用计算机程序对阀门动态过程热应力分布进行模拟计算，才能确定优化的阀门几何尺寸。
高压旁路系统的容量受到机组启动、汽轮机跳闸、减至厂用电负荷及高压旁路系统是否具备安全功能等因素的影响。目前，许多电厂在汽轮机跳闸时要求锅炉仍维持运行。根据瑞士 Sulzer公司开发的非线性锅炉仿真程序“快速流量计算程序 2”的计算结果，安全处理汽轮机跳闸故障最少需要60%～70% RL的高压旁路系统容量。机组减至厂用电负荷时，高压旁路系统容量可选择略小于安全处理汽轮机跳闸需要的高压旁路系统容量，因为在这种情况下，高压缸中还有蒸汽通过，情况比汽轮机跳闸较为理想，特别在开始的瞬间改善了再热器的冷却。若高压旁路系统有作为安全系统的附加功能，其容量必须达到国家关于安装锅炉的法规要求。
2.1.2低压旁路系统
低压旁路系统容量同样受到机组启动、汽轮机跳闸及减至厂用电负荷等因素的影响。程序 OTBSP与“快速流量计算程序 2”的计算表明，低压旁路系统的容量一般为 60%～70% RL，同时在再热器的低压侧装有再热器安全阀。
2.2运行特性
2.2.1高压旁路系统
冷态启动时的高压旁路系统运行方式示于图4。锅炉点火前，高压旁路调节阀预置一个最小开度Ymin(20%左右)，保证锅炉产生的蒸汽能够流过过热器与再热器。高压旁路系统运行方式选择为开度串级，设定压力pmin(对应于图4的A点)的值为0.4 MPa左右。阀门进口压力达到pmin时，控制系统开始增加阀门开度而维持蒸汽压力不变；一旦阀门开度达到预先设定的最大开度Ymax(80 %左右)时，则维持此开度不变，而主蒸汽压力逐渐升高。当阀门进口压力达到汽轮机冲转压力ps(对应于图4的B点)时，运行方式就切换到定压运行。随着汽轮机接受蒸汽流量的增多，阀门将自动关闭。阀门完全关闭时，运行方式转为滑压运行。此后，高压旁路系统设定压力(对应于图4的虚线)为主蒸汽压力实际值加上阈值Δp。若蒸汽压力超过设定压力或允许的升压速率，高压旁路调节阀将打开，运行方式转为定压运行。
对于运行人员，拟定机组启动过程升压曲线后，还应知道与此相匹配的燃烧率及高压旁路调节阀开度随时间的变化关系。阀门进口压力pBP和蒸汽流量qV, BP间存在如下线性关系［2］：
式中：F——损失系数；
Ψ——临界流动函数；
A——高压旁路阀的最小流通截面积；
ΘBP——MCR负荷时高压旁路阀阻力系数。
另外，根据质量守恒方程，有：
程序OTBSP首先假设一个pBP，再用式(1)、式(2)分别计算qV, BP。当其误差小于一定范围时，认为假设的主蒸汽压力是正确的；否则，重新假设pBP，重复上述计算。
上海石洞口第二电厂 600 MW超临界直流锅炉 2号发电机组 1993年 7月 6日的冷态启动主蒸汽压力、高压旁路调节阀开度及燃烧率随时间变化曲线示于图5。结果表明，在输入该次冷态启动电厂实测燃烧率、阀门开度随时间变化规律后，程序OTBSP计算的主蒸汽升压曲线与电厂实测的较一致。程序所建立的燃烧率、主蒸汽压力与阀门开度间的关系是正确的。
 2.2.2低压旁路系统
汽轮机甩负荷或跳闸时，低压旁路调节阀将打开，使因中压调节阀关小而产生的多余蒸汽流经此阀。若凝汽器不能接受蒸汽或喷水系统失灵，则通过事故关闭通道保护凝汽器。
2.3振动问题
汽轮机旁路系统运行中的一个主要问题是产生的各种类型振动。一些文献仔细研究了振动产生的原因并提出预防措施［3］。许多情况下，通过合理地设计阀门特别是避免出现超音速，可将噪声保持在可接受的程度内，噪音水平较高的地方则需加装音罩。
3结论
根据超临界直流锅炉启动过程工质侧、烟气侧及金属蓄热所遵循的数学模型，开发了能够模拟各种型式内置式分离器启动系统特性的计算机程序OTBSP。在此基础上，对配备再循环泵型启动系统的直流锅炉冷态、热态启动过程进行了模拟，获得了汽水膨胀峰值、工质损失、热量损失等启动特性及与主蒸汽升压曲线相匹配的燃烧率输入曲线，模拟结果为优化启动系统设计及拟订启动曲线提供了依据。
汽轮机旁路系统极大地提高了机组的灵活性，具有重大的经济收益和运行价值。具备安全功能的100% RL高压旁路系统、60%～70% RL低压旁路系统与再热器安全阀所组成的汽轮机旁路系统能安全处理机组启动、汽轮机跳闸及减到厂用电负荷等情况。程序 OTBSP正确建立了根据锅炉启动过程中主蒸汽压力与高压旁路调节阀开度计算相匹配的燃烧率的数学模型，为优化机组启动曲线提供了依据。
参考文献 ［1］冈部和之. 超临界参数锅炉(第一辑)：变压运行超临界直流锅炉启动系统的设计［Z］. 上海：上海锅炉厂，1984.
［2］ 杨冬，陈听宽，侯书海，等. 600 MW变压运行超临界参数锅炉启动过程模拟计算［J］. 动力工程，1997，17(3)：37—42.
［3］ MARTIN P，HOLLY L. Bypass stations for better coordination between steam turbine and steam generator operation［A］. Proceedings of the American Power Conference［C］, Chicago：［sn.］，1973.133.
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