超临界直流锅炉启动特点及启动系统

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超临界直流锅炉启动特点及启动系统1．直流锅炉与汽包锅炉的启动区别汽包锅炉有自然循环锅炉和强制循环锅炉。自然循环锅炉蒸发受热面内的工质流动依靠下降管中的水和上升管(水冷壁)中的汽水混合物之间的密度差产生的压力差进行循环流动。强制循环锅炉蒸发受热面内的工质除了依靠水和汽水混合物的密度差以外，主要依靠炉水循环泵的压头进行汽水循环流动。自然循环锅炉和强制循环锅炉均带有一个很大的汽包对汽水进行分离，汽包作为分界点将锅炉受热面分为加热蒸发受热面和过热受热面两部分。直流锅炉是靠给水泵的压力，使锅炉中的工质，水、汽水混合物和蒸汽一次通过全部受热面。它只有互相连接的受热面，而没有汽包。自然循环锅炉在点火前锅炉上水至汽包低水位，此时水冷壁中的水处于静止状态，锅炉点火后，水冷壁吸收炉膛辐射热，水温升高，水循环开始建立。随着燃料量的增加，蒸发量增大，水循环加快，受热强的水冷壁管内工质流速增加。因此，启动过程水冷壁冷却充分，运行安全。强制循环锅炉在锅炉上水后点火前，循环泵就开始工作，水冷壁系统建立了循环流动，从而保证了水冷壁在启动过程中的安全。直流锅炉在启动前必须由锅炉给水泵建立一定的启动流量和启动压力，强迫工质流经受热面。只有这样才能在启动过程中使受热面得到冷却。但是，直流锅炉不像汽包锅炉那样有汽包作为汽水固定的分界点，水在锅炉管中加热、蒸发千口过热后直接向汽轮机供汽，而在启停或低负荷运行过程中有可能提供的不是合格蒸汽，可能是汽水混合物，甚至是水。因此，直流锅炉必须配套一个特有的启动系统，以保证锅炉启停和低负荷运行期间水冷壁的安全和正常供汽。2．直流锅炉启动特点启动压力启动压力一般指启动前在锅炉水冷壁系统中建立的初始压力。它的选择除与锅炉型式有关，还与下列因素有关：1)受热面内的水动力特性直流炉蒸发受热面内的水动力特性与其工作压力有关，随着压力的提高，能改善或避免水动力不稳定性，减轻或消除管间脉动。2)工质膨胀现象启动压力越高，汽水比容差越小，工质膨胀量越小，这样启动分离器的容量可以相对选择的小一些。3)节流阀的磨蚀对于外置式分离器和全压启动内置式分离器来说，在锅炉启动时，本体压力高于分离器压力，用阀门进行节流。显然压力越高，阀门的节流越大，对阀门的磨蚀出越大。4)给水泵的电耗启动压力越高，启动过程卟，给水泵的电耗越大。综上所述，为了水功力稳定、避免脉动、减少膨胀量，希望启动压力高：但从减少节流阀的腐蚀、噪音和给水泵电耗考虑又不能选得太高。目前超临界和超超临界锅炉水冷壁普遍采用了螺旋管圈或垂直内螺纹管，启动压力对水动力的稳定性影响不大，锅炉基本都选用了零压力启动，启动分离器采用了足够容量的排放阀，可满足汽水膨胀时水的排量。由于采用内置式分离器和滑参数启动，对排放阀门的腐蚀甚微。而国产1000t／h直流炉的启动压力为0．7MPa，我国引进前苏联超临界锅炉均采刚全压启动，启动压力为24．5MPa。 启动流量锅炉启动流量的大小直接影响启动的安全性和经济性。启动流量越大，工质流经受热面的重量流速也越大，这对受热面的冷却，改善水动力特性都是有利的，但工质的损失及热量损失也相应增加，同时启动旁路系统的设计容量也要加大。反之，启动流量过小，受热面冷却和水动力稳定就得不到保证，因此，选择启动流量的原则是在保证受热面得到可靠冷却和工质流动稳定的条件下，启动流量尽可能选择得小一些，超临界直流炉的启动流量一般选取为额定流量的25%--35％，我国引进前苏联超临界锅炉启动流量均为30％MCR，石洞口二厂超临界锅炉的启动流量为35％MCR，丹麦超超临界锅炉的启动流量为30％MCR，日本超临界锅炉启动流量选取的较小一般为25％MCR。纯直流锅炉启动流量由给水泵提供，带启动循环泵和复合循环超临界锅炉的启动流量由循环泵提供20％一25％MCR流量，给水泵提供5％一10％的流量。带循环泵的锅炉在启停或低负荷运行过程中工质、热量损失较小，具有突出的优点。工质膨胀现象直流炉的启动过程中：工质加热、蒸发和过热3个区段是逐步形成的，启动初期，分离器前的受热面部起加热水的作用，水温逐步升高，而工质相态没有发生变化，锅炉出来的是加热水，其体积流量基本等于给水流量。随着燃料量的增加，炉膛温度提高，换热增强，当水冷壁内某点工质温度达到饱和温度时开始产生蒸汽，但在其后部的受热面中的工质仍然为水。由于蒸汽比容比水大很多，引起局部压力升高，将后部的水挤压出去，使锅炉出口工质流量大大超过给水流量。这种现象称为工质膨胀现象。当蒸发点后部受热面中的水被汽水混合物替代后，锅炉出口工：质流量才恢复到和给水流量一致。启动过程中工质膨胀量的大小与分离器的位置有关，分离器前受热面越多膨胀量越大：与启动压力有关，较高的启动压力可减少膨胀量；与启动流量有关，随着启动流量的增加膨胀流出量的绝对量增加：与给水温度有关，给水温度降低，蒸发点后移，膨胀量减弱：与燃料投入速度有关，燃料投入速度愈大，膨胀量愈大：与锅炉型式有关，一次上升型(卯)直流炉膨胀量小，而螺旋上升型直流炉膨胀量大。工质膨胀现象在亚临界直流锅炉和启动压力在临界压力以下的超临界直流锅炉的启动过程中出现，全压启动的超临界直流锅炉不存在膨胀现象。因此，全压启动的超临界直流锅炉启动分离器设计的较小。华能南京电厂300MW超临界锅炉水冷壁为垂直管圈，配置了4只直径Φ377mm×50mm，长度2006mm的正式启动分离器。4只分离器的总容积为0．8952m3。华能石洞口二电厂由于锅炉采用零压方式，加上螺旋管水冷壁的水容积大，工质膨胀的峰值也大，使得启动分离器设汁的较大，启动分离端直径为Φ038m×94mm，长度为2348mm，分离器的总容积为1．9859m’。因此，超临界锅炉启动分离器设计中，应充分考虑工质的膨账量，使其容量能满足工质的膨胀要求。启动小的相变过程采用滑参数启动方式的超临界直流锅炉，整个启动过程，锅炉压力经历了—个从低压、高压、超高压到亚临界，再到超临界的过程。锅炉送出去的工质开始是热水，然后是汽水混合物、饱和蒸汽，最后为过热蒸汽。从启动开始到临界点，工质经过加热、蒸发、过热三个阶段。当达到临界点(压力22．12,~IPa温度374．15℃)时，汽化潜热为零，汽水重度差为零，水被全部汽化，随机组负荷继续增加，机组进入超临界范围内运行，工质只经过加热和过热两个阶段，呈单相流体变化。工质在临界点附近，存在着相变点或称之为最大比热区，这时汽水性质发生剧变，在相变点比容会急剧增加，工质热焓迅速增加，定压比热会达到最大值。启动速度 自然循环和强制循环锅炉有一只容积很大的汽包，它的直径、长度和厚度都较大。在启动升温、停炉降温过程中部要保证汽包各部分加热、冷却均匀，这必然限制了升温和降温速度，直流锅炉没有汽包，受热部件中厚壁部件较少，承压部件大部份是由小直径薄壁管组成，既是内置式启动分离器、其直径、—壁厚比汽包小得多，如600MW级超临界锅炉内置式启动分离器厚比亚临界锅炉汽包壁厚小一半多。因此，在启、停过程中工质元件受热、冷却容易达到均匀，升温、冷却速度可加速，与汽包炉相比将大大缩短启、停时间。3．启动系统启动系统的功能及组成超临界直流锅炉启动系统的主要功能是建立冷态、热态循环清洗，建立启动压力和启动流量，以确保水冷壁安全运行：最大可能地回收启动过程中的工质和热量，提高机组的运行经济性：对蒸汽管道系统暖管。启动系统主要由启动分离器及其汽侧和水侧的连接管道、阀门等组成，有些启动系统还带有启动循环泵、热交换器和疏水扩容器。启动分．离器的功能与自然循环锅炉的汽包一样，起到分离汽和水的作用，但是它只是在锅炉启动过程中水冷壁出口工质还没有全部变为蒸汽之前起作用，当水冷壁出口工质全部变为蒸汽，它将失去分离作用。启动系统的分类随着直流锅炉的发展和机组在电网中带负荷情况，启动系统出现了多种型式。其目的部是为了改善启动条件，尽可能减少启动损失。启动系统可从不同的角度划分：1)从过热器是否充水角度可划分为过热器充水式和干式两种启动旁路系统；2)从有无启动分离器角度可分为无启动分离器的启动系统和带启动分离器的启动系统：3)根据启动分离器的运行方式，可划分为外置式和内置式分离器启动系统：4)内置式分离器启动系统又可分为带启动循环泵式、带热交换器式、疏水扩容器式和大气扩容式启动系统：5)还有从启动分离器结构(方式和卧式)，启动压力(全压和滑压)等方面进行划分的。超临直流锅炉的启动系统主要是内置式和外置式启动分离器两种。在发展初采用·外置式启动分出离系统，随着超临界技术的发展，目前大型超临界锅炉均采用内置式启动分离器系统。外置式启动分离器系统只在机组启动和停运过程中投入运行，而在正常运行时解列于系统之外。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。外置式启动分离器系统外置式启动分离器系统在亚临界直流锅炉上广泛采用，我国125MW和300MW亚临界机组锅炉上均采用了外置式启动分离器系统。美国的超临界锅炉也采用外置式启动分离器系统，如图3—135所示。外置式启动分离器系统的优点是分离器属于中压容器(一般压力为7MPa)，设计制造简单，投资成本低，对于定压运行的基本负荷机组，有可取之处。其主要缺点是：在启动系统解列或投运前后过热汽温波动较大，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1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用外置式启动分离器系统。 内置式启动分离器系统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：●汽水分离器与蒸发段和过热器间没有任何阀门，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。●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，起到汽水分离的作用，避免了过热器带水运行。●系统简单，操作方便，对自动控制的要求低，同时有利于设备维修。●由于分离器承受锅炉的全压，对强度要求很高，同时对启动分离器的热应力控制也很严，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，据介绍系统总投资有所降低。●疏水系统相对比较复杂。内置式分离器启动系统由于系统简单，运行操作方便，且适合于机组调峰要求，因此在世界各国超临界和超超临界锅炉上得到广泛应用。内置式分离器启动系统由于疏水回收系统不同，基本可分为扩容器式、循环泵式和热交换器式三种。扩容式如图3—136所示，分离器疏水流到扩容器回收箱，在机组启动疏水不合格时，将水放入地沟，疏水合格后，排入凝汽器进行工质回收，同时，分离器疏水还可以通入除氧器，一方面可以回收工质，另—方面也可用来加热除氧器水回收热量。带疏水循环泵式内置式启动系统如图3—137所示，疏水合格后，用循环泵将疏水打入水冷壁进行再循环，实现』：质和热量的回收，启动流量由锅炉给水泵调节。带疏水热交换器式内置式启动系统如图3—138所示，它足通过热交换糕用疏水加热锅炉给水，通过热交换器的疏水排入除氧器水箱，使得热量和：工质得以回收。3种内置式启动系统的优缺点见表3—25。表3-253种内置式启动系统的优缺点种类扩容器式循环泵式热交换器式优点系统简单投资少；运行操作方便；容易实现自动控制：维修工作量少。系统简单；工质和热量回收效果好：对除氧器设计无要求适合于两班制和周日停：机运行方式。│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，缺点运行经济性差；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。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。投资大：金属耗量大：要求除氧器安全阀容量增大。4．推荐的超临界锅炉启动系统综合上述分析结果，由于外置式分离器启动系统存在许多问题，所以不可选取。而内置式分离器启动系统在超临界锅炉上已有成熟的设计、制造和运行经验，因此超超临界锅炉启动系统应选用内置式分离器启动系统。 不同的内置式分离器启动系统各有优缺点，其选择原则应以用户的要求为主，主要考虑投资本上和运行维修的方便性。对我国而言，燃料价格相对日本和西方国家低，调峰幅度还没有达到两班制和周日停机的程度，适合采用投资小、运行维修简单的扩容器式。若采用循环泵式，一台锅炉配置2台循环泵，就购置循环泵的费用将增加1000万元左右，而且循环泵的维修工作非常复杂。所以我国发展超临界机组时，锅炉启动系统应选用扩容器式内置式分离器启动系统。