CP0452 - FC1000MW级超超临界直流锅炉启动系统分析

1000MW级超超临界直流锅炉启动系统分析

李晓磊 熊扬恒 莫崇君

武汉大学动力与机械学院，湖北，武汉 430072；

Analysis on the start-up system of a 1000MW-class ultra-supercritical boiler

LI Xiaolei XIONG Yangheng MO Chongjun

School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan university,Wuhan,430072, Hubei,

China

Abstract: Boiler start-up system is one of the key 面主要配合汽轮机的启动要求。本文介绍了technologies in super-critical unit, this paper gives a 超临界直流锅炉的两种基本启动系统和直brief introduction to the start-up system of the three 流锅炉启动过程的主要问题，并分析了带循major domestic boilers and a detaild analysis on the 环泵启动系统的特点，来研究超超临界机组different types of separators of ultra-supercritical unit 的启动过程的控制，具有一定的借鉴作用。

start-up system, reveals the technical features for the different

types,

of

focuses the

on

analyzing system

the with

characteristics

start-up

1 超超临界直流锅炉启动系统

超超临界直流锅炉无储存汽水的厚壁

部件，启动一开始就必须不间断地向锅炉送进给水。如果启动流量按30％额定流量计算，一台容量为3093t/h的1000MW级锅炉启动初期就需要约900t/h左右的启动流量。在实际控制过程中，为了尽量减少燃料量的投入，多采用压锅炉最低直流流量运行的方式进行，某电厂锅炉的最低保护流量是832t/h，但是这样多的给水流量既要经过水质的化学处理，又要在锅炉内吸收燃料燃烧放出的热量，如果不充分利用，既会造成自然水资源的大量浪费，又会造成水质处理过程运行费用和热量的浪费。因此，直流锅炉有必要设置专门的回收工质与热量的系统，这种系统就是直流锅炉的启动系统。 1.1 上海锅炉厂1000MW锅炉启动系统设计 上海锅炉厂有限公司提供的一台1000MW超超临界压力直流锅炉，该锅炉采用ALSTOM 公司的技术，锅炉炉前沿宽度方向垂直布置4 只外径为Φ711mm 的汽水分离器，其进、出口分别与水冷壁和炉顶过热器相连接。每个分离器筒身上切向布置8 根不同內径的进出口管接头、顶部布置有2 根內径为Φ187.2mm 至炉顶过热器的管接头、中部布置有6 根管接头，与水冷系统出口的管道相连，下部布置有一个內径为Φ241.6mm 疏水管接头，与储水箱相连。当

recirculation pump, and gives the customer some good information about how to choose the start-up system. Keywords: ultra-supercritical；start-up system；separator

摘要：锅炉启动系统是超超临界机组的关键技术之一，本文简单介绍了国内三大锅炉厂的锅炉启动系统，通过对超超临界机组启动系统中不同类型的汽水分离器进行了分析对比，揭示了不同类型的技术特点，着重分析了带再循环泵的启动系统的特点，为用户进行启动系统选型提供了参考建议。 关键词：超超临界；启动系统；汽水分离器

随着我国电力市场的发展，电站项目朝高参数、大容量的方向发展已是大势所趋。近年来超临界锅炉技术在国内得到了迅速的发展和应用[1,2]。超临界机组中的锅炉都是直流炉，与汽包锅炉相比在控制上有其特殊性。最显著的区别是，在直流路中没有汽包将给水控制系统与汽温控制系统和燃烧控制系统隔离开来。锅炉启动系统是超临界机组的关键技术之一，与汽机旁路系统是保证机组安全、经济启停、低负荷运行及妥善进行事故处理的重要手段[3]。超超临界机组的启动主要是使汽轮机在不超过允许的热应力和振动的情况下实现快速启动，锅炉方

机组启动，锅炉负荷低于最低直流负荷30%BMCR 时，蒸发受热面出口的介质流经分离器进行汽水分离，蒸汽通过分离器上部管接头进入炉顶过热器，而水则通过两根外径为Φ356mm 疏水管道引至储水箱，并汇合至一个连接球体，连接球体下方设有两根管道分别通至启动循环泵的入口和大气式扩容器，如图1-1所示。

图1-1 上锅启动系统示意图

在炉水循环中，由分离器分离出来的水往下流到锅炉启动循环泵的入口，通过循环泵提高压力来克服系统的流动阻力和省煤器最小流量控制阀的压降。水冷壁的最小流量是通过省煤器最小流量控制阀来实现控制的。从控制阀出来的水通过省煤器，再进入炉膛水冷壁，在启动时不合格的疏水及汽水膨胀阶段部分疏水被引入大气扩容器集水箱。上海锅炉厂设计的循环泵启动系统能够回收启动过程中的大部分工质和热量，增加了锅炉启动阶段的灵活性，但投资较大，系统复杂，适用于带基本负荷并参与调峰和两班制运行的超超临界锅炉启动。 1.2 东方锅炉厂1000MW锅炉启动系统设计 该锅炉为东方锅炉厂设计的超超临界参数变压直流炉，该锅炉采用了带再循环泵的启动系统，由内置式汽水分离器、储水罐、再循环泵(简称BCP)、再循环流量调节阀(简称360阀)、储水罐水位调节阀(简称361阀)、大气式疏水扩容器、冷凝水箱、疏水泵等组成。启动系统设计容量为25％BMCR，系统布置示意图如图1-2所示。

图1-2 东锅启动系统示意图

在锅炉未进入直流负荷前，来自储水罐的大部分饱和水通过BCP和360阀回流到省煤器入口，与锅炉给水混合后进人省煤器。启动系统的其余疏水则通过361阀后引至大气式疏水扩容器和冷凝水箱，并通过两台疏水泵排往凝汽器(水质合格时)或系统外(水质不合格时)。配置再循环泵的启动系统不仅可以缩短启动时间，还能在启动过程中回收热量，减少启动过程中补给水量。由于启动过程中水冷壁最低流量为25％BMCR，在启动初期，由汽水分离器分离出的饱和水的流量很大，若全部进入凝汽器，则造成大量的热量损失。设置BCP可回收启动过程中工质的大部分热量，提高机组的运行经济性[4]。

1.3 哈尔滨锅炉厂1000MW锅炉启动系统设计

该启动系统的特点为：三菱公司原启动系统设计为锅炉启动分离器储水箱下的疏水管全部接入汽机冷凝器中，但由于汽轮机冷凝器的设计容量较小，汽机冷凝器不能接收锅炉启动度膨胀期间如此大量的高温疏水进入汽机冷凝器，因此哈锅的设计中加设了大气扩容器，将锅炉度膨胀期间排出的高温水先排入扩容器冷却后再通过冷凝水泵进入汽机冷凝器进行再循环，系统示意图如图1-3所示。

图1-3 哈锅启动系统示意图

同时在机组冲洗过程中使用循环泵增加水冷壁内的工质流速，达到冲洗的效果，从而可以节省化水车间的制水能力。缺点是带泵启动系统的初投资较大。

2 启动系统的作用

（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，尤其是保证水冷壁的足够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，以实现工质和热量的回收。

（3）在机组启动过程中，实现锅炉各受热面之间和锅炉与汽轮机之间工质状态的配合。单元机组启动过程初期，汽轮机处于冷态，为了防止温度不高的蒸汽进入汽轮机后凝结成水滴，造成叶片的水击，启动系统应起到固定蒸发受热面终点，实现汽水分离的作用。从而使给水量调节、汽温调节和燃烧量调节相对独立，互不干扰。

（4）根据实际需要，启动系统还可设置保护再热器的汽轮机旁路系统。但近年来为了简化启动系统，实现系统的快速、经济启动，并简化启动操作，有的启动系统不再设置保护再热器的旁路系统，而以控制再热器的进口烟温和提高再热器的金属材料的档次，保证再热器的安全运行。

3直流锅炉启动过程的主要问题

（1）对于单元机组的成套启动，为了尽可能缩短汽轮机的启动时间，必须使直流锅炉的启动和汽轮机的启动能够密切配合。这就是说，锅炉送出的过热蒸汽参数应该按照汽轮机启动的要求逐渐提高。

（2）直流锅炉启动过程中存在汽水的热膨胀问题，热膨胀不但会导致水冷壁管内的水动力不稳定，还会导致过热器出口的蒸汽达不到额定参数，甚至出现蒸汽带水，危

及机组安全运行。

（3）对于中间再热机组，机组启动时再热器中无工质通过，需要保护再热器受热面，因而需要汽轮机旁路系统[5]。

4 直流锅炉启动系统的分类

无论直流锅炉的启动系统型式如何变化,按分离器在直流负荷以上的运行，分离器是参与系统工作，还是解列于系统之外，可以分为：内置式分离器启动系统和外置式分离器启动系统两种。汽水分离器是启动旁路系统中的一个重要组成部分。超临界直流锅炉的启动系统主要有内置式和外置式启动分离器两种。在超临界锅炉发展初期，基本上采用外置式启动分离系统，随着锅炉超临界技术的发展，目前大型超超临界锅炉均采用内置式启动分离器系统[6,7]。

（一）外置式启动分离器系统

外置式启动分离器系统仅在机组启动和停运过程中投入运行，而在机组正常运行时解列于系统之外。外置式启动分离器系统设计制造简单，投资成本低，适于定压运行的基本负荷机组。其主要缺点就是在启动系统解列或投运前后，过热蒸汽温度波动较大，难以控制，对汽轮机运行不利；切除或投运分离器时操作比较复杂，不适应快速启停的要求；机组正常运行时，外置式分离器处于冷态，在停炉进行到一定阶段要投入分离器时，就必然要对分离器产生较大的热冲击；系统复杂，阀门多，维修工作量大。因此，欧洲国家、日本及我国运行的超临界锅炉均未采用外置式启动分离器系统，其示意图如图1-4。

图1-4 外置式分离器的布置位置示意图

（二）内置式启动分离器系统

内置式启动分离器系统在锅炉启停及

正常运行过程中，汽水分离器均投入运行，所不同的是在锅炉启停及低负荷运行期间，汽水分离器呈湿态运行，起汽水分离作用;而在锅炉正常运行期间，汽水分离器只作为蒸汽通道使用。内置式启动分离器设在蒸发区段和过热区段之间，与外置式分离器启动系统相比，具有以下特点：

①汽水分离器与蒸发段、过热器之间没有任何阀门，不需要外置式启动系统所涉及的分离器解列或投运操作，从根本上消除了分离器解列或投运操作所带来的汽温波动问题。

②在锅炉启停过程和低负荷运行时，分 离器同汽包炉的汽包一样，起到汽水分离的

形式 扩容器式 作用，避免了过热器带水运行。

③系统简单，操作方便，对自动控制要求较低，同时有利于设备维修。

④由于分离器强度要求很高，同时对启动分离器的热应力控制较严，将影响升负荷率。同时分离器壁厚相对增加，材料及加工费用增加，但阀门数量减少，又降低了投资，使系统总投资降低。

⑤疏水系统相对比较复杂。内置式分离器启动系统由于疏水回收系统不同，基本可分为大气扩容器式、循环泵式和热交换器式3种。

内置式启动系统的三种形式如表1所示。

循环泵式 热交换器式 表1 三种内置式启动系统的优缺点

系统 系统简单； 投资少； 运行操作方便； 容易实现自动控制； 维修工作量少。 运行经济性差； 要求除氧器安全阀容量增大； 不适合于两班制和周日停机运行方式。 系统简单； 工质和热量回收效果好； 对除氧器设计无要求。 投资大； 运行操作复杂； 转动部件的运行和维护要求高； 循环泵的控制要求高。 系统简单； 运行操作方便； 容易实现自动控制； 工质和热量回收效果好;维修工作量少。 投资大； 金属耗量大； 要求除氧器安全阀容量增大。 优点 缺点 注： 1—汽机；2—炉膛；3—分离器；4—扩容器；5—热交换器；6—再循环泵；7—过热器；8—再热器 对于大气扩容器式，分离器疏水流到扩容器回收箱，在机组启动疏水不合格时，将水放入废水回收系统；疏水合格后，排入凝汽器进行工质回收。同时，分离器疏水还可以排入除氧器，一方面可以回收工质，另一方面也可用来加热除氧器水回收热量。

5 带再循环泵的启动系统特点

带再循环泵的启动系统在启动和低负荷运行时，不但能回收全部工质，还可100%回收疏水热量；可有效缩短冷态和温态启动

时间，相比于简单疏水扩容启动系统，当冷

态启动时，点火至汽机冲转时间可缩短70～80分钟，温态启动可缩短10～20分钟；可降低给水泵在启动和低负荷运行的功率；适合于频繁启动、带循环负荷；不仅可以带泵运行，而且即使泵不能使用，也照样可以不带泵启动；进入循环泵的水来自下降管或锅炉给水管或同时从这两者中来，这样的布置使得在各个启动过程中，总是有水流过循环泵，泵的流量恒定，无须设置任何最小流量的泵循环回路及其必须的控制设备；锅炉给

水的欠焓可增加循环泵的净吸压头；当分离器由湿态转向干态时，疏水流量为零，但此时循环泵能从给水管道中得到足够的流量，可保证分离器平滑地从干态转向湿态，无须在此时进行循环泵的关停操作。

为了计算直流炉在启动过程中的热量损失，西安交通大学与哈尔滨锅炉厂曾联合对600MW锅炉在启动流量为35%MCR情况下，通过OTBSP程序对锅炉的冷态、热态启动过程进行模拟，获得了汽水膨胀、工质损失、热量损失等启动特性值[8]，根据资料提供的有关数据，按带泵系统在启动过程中总的热损失约占疏水型启动系统的3%计算，其分析结果如表2所示。

表2 2种启动系统热损失

项目 带泵启动系统 扩容式启动系统 冷态 热态 冷态 热态 启动过程结束时总的热量损失/×22.5 7.8 750 260 105 MJ 折算到1000MW机组锅炉热量37.1 12.9 1237.5 429 损失/×105 MJ 折算到标煤耗量/t 127 44 4229 1466 按775元/t标煤计算（国家能源局2011年1月28日公布的稳定煤价后2010年12月底秦皇岛5500大卡煤炭价格）, 带泵启动系统冷、热态启动一次为9.84万元和3.41万元，而扩容式启动系统冷、热态启动一次为327.74万元和113.61万元，可以得出，带泵启动系统冷态启动一次能节省近317万元，热态启动一次能节约110万元。

再循环启动系统的初投资要高于扩容式启动系统。从几家锅炉厂提供的数据可以得出，1台同类型1000MW等级超超临界锅炉，再循环系统要比扩容式系统高出约500~800万元，并且由于再循环启动系统结构较复杂，导致每年所需的检查维修费用比较高；相对来说，扩容式启动系统比较简单，且疏水排至冷凝器经化学精处理后送至省

煤器，对锅炉水质较为有利。

因此，虽然带泵系统的初期投资比较高，但从系统的经济性、灵活性及机组的长远利益考虑，带循环泵的启动系统更为合适。

6 结论

通过对超超临界机组的启动系统的理论研究，对不同类型启动系统对比分析，本文可以得出以下结论：

（1）超临界及超超临界锅炉启动系统设计合理，控制参数指标十分精细。实践证明，机组启动时间短，启动过程安全、经济、可靠，循环转直流简单容易。

（2)超临界锅炉的启动系统采用内置式分离器具有很大的优势，主要是汽水分离器串联在汽水管道上，减少了分离器进出口的高压阀门数量；避免了启动过程的“切分\操作，因而也避免了“切分”过程的汽温波动以及“切分\控制不当引起的汽轮机进水问题。

参 考 文 献

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收稿日期：

作者简介：李晓磊（1988-），男，河南，硕士，主要研究方向为燃煤机组运行优化技术。