1000MW機組啟動系統(tǒng)的研究

寧獻武,趙繼良,張冠群

（綏中發(fā)電有限責任公司,遼寧 葫蘆島 125222）

鍋爐啟動系統(tǒng)是超（超）臨界機組鍋爐中的重要組成部分,是機組安全、經(jīng)濟啟停、低負荷運行的重要保證。對百萬級超大型機組啟動系統(tǒng)的研究與分析具有重要的現(xiàn)實意義[1]。

超（超）臨界機組的啟動系統(tǒng)分為內(nèi)置式和外置式,外置式啟動系統(tǒng)由于系統(tǒng)配置、運行操作等非常復雜,目前已很少采用,國內(nèi)新建百萬級機組均采用內(nèi)置式啟動系統(tǒng)。內(nèi)置式啟動系統(tǒng)根據(jù)疏水回收方式不同又可分為擴容器式、疏水熱交換器式和循環(huán)泵式,并以循環(huán)泵式和擴容器式應用較多。

1 啟動系統(tǒng)概述

綏中發(fā)電有限責任公司發(fā)電B廠2×1 000MW超超臨界機組的啟動系統(tǒng)原為循環(huán)泵式（如圖1所示）,由啟動分離器、儲水罐、爐水循環(huán)泵、爐水循環(huán)泵流量調(diào)節(jié)閥（以下簡稱360閥）、儲水罐水位控制閥（以下簡稱361閥）、疏水擴容器、冷凝水箱、疏水泵等組成。

在鍋爐啟動處于循環(huán)運行方式時,飽和蒸汽經(jīng)汽水分離器分離后進入頂棚過熱器,疏水進入儲水罐。來自儲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。啟動系統(tǒng)其余疏水通過361閥后引至疏水擴容器,在疏水擴容器中,蒸汽通過管道由爐頂排至大氣,水則進入凝結(jié)水箱,然后根據(jù)水質(zhì)情況通過2臺疏水泵排至凝汽器（水質(zhì)合格）或系統(tǒng)外（水質(zhì)不合格）。

擴容器式啟動系統(tǒng)與循環(huán)泵式啟動系統(tǒng)非常相似,區(qū)別在于擴容器式啟動系統(tǒng)減少了爐水循環(huán)泵的配置,儲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,則啟動系統(tǒng)的疏水只能通過361閥后引至疏水擴容器,無法通過爐水循環(huán)泵回至省煤器入口與給水混合,啟動系統(tǒng)變?yōu)閿U容器式啟動系統(tǒng)。

2 2種啟動系統(tǒng)安全性比較

若取消爐水循環(huán)泵采用擴容器式啟動系統(tǒng),給水流量全部由給水泵提供,（極）熱態(tài)啟動時,給水泵上水時給水溫度較低,將對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,將延長啟動時間。

圖1 啟動系統(tǒng)流程示意圖

而采用循環(huán)泵式啟動系統(tǒng),熱態(tài)、極熱態(tài)啟動時有爐水循環(huán)泵運行,汽泵只需補充少量（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。

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

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

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

原設(shè)計除氧器接收水源并無啟動疏水,如增加啟動疏水排至除氧器,需對除氧器重新進行設(shè)計。同時使用除氧器回收熱量,實際上仍存在熱損失。鍋爐啟動期間,尤其是熱態(tài)啟動過程中,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)計上的限制（如最大給水溫度/壓力、溫升、水位等）。國外通常將啟動疏水排入凝汽器和除氧器。啟動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。但由于鍋爐啟動疏水壓力高,流量和壓力波動大,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《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疏水進入除氧器。目前,大部分國家都不選擇鍋爐疏水排至除氧器,選擇的是凝汽器[2]。

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

b.凝汽器背托式疏水擴容器超壓。如果取消爐水循環(huán)泵,在機組（極）熱態(tài)啟動或機組停運由干態(tài)轉(zhuǎn)為濕態(tài)時,大量溫度較高的飽和水由鍋爐排入凝汽器背托式疏水擴容器,由于飽和水溫度較高,與之對應的飽和壓力相應升高,導致凝汽器背托式疏水擴容器超壓,同時對其余排入凝汽器背托式疏水擴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。機組（極）熱態(tài)啟動或機組停運由干態(tài)轉(zhuǎn)為濕態(tài)時,如果取消爐水循環(huán)泵,則由啟動系統(tǒng)排至凝汽器的水溫較高,且水量也較爐水循環(huán)泵運行時大很多。由于凝汽器熱井里的水已是飽和水,此時如果排入大量溫度較高的爐水,將引起凝結(jié)水溫度升高,當高于凝汽器壓力下的飽和溫度時,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,將對樹脂的安全性能產(chǎn)生影響,需退出單元除鹽裝置運行,此時將影響水質(zhì),啟動時會增加鍋爐清洗時間和水量。

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,將嚴重威脅除氧器或凝汽器的安全。

某東方600MW超臨界機組采用擴容器式啟動系統(tǒng),鍋爐汽水分離器啟動疏水排至凝汽器,在啟動調(diào)試中由于啟動疏水排放引起凝汽器背包式疏水擴容器超壓,其余疏水不能正常疏入,與疏水擴容器相連的其余疏水管道閥門振動,管道內(nèi)部測溫元件吹損,凝結(jié)水溫升高,凝結(jié)水泵有汽蝕跡象等一系列問題,導致機組無法正常啟動及疏水不能回收[3]。同時取消爐水循環(huán)泵,雖簡化了冷卻水管路、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)并未簡化多少。

3 2種啟動系統(tǒng)經(jīng)濟性比較

循環(huán)泵式啟動系統(tǒng)與擴容器式啟動系統(tǒng)相比,能夠回收更多的熱量,同時可減小工質(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,在啟動的大部分時間內(nèi),熱損失和工質(zhì)損失很小。

循環(huán)泵式啟動系統(tǒng)與擴容器式啟動系統(tǒng)在排放水量上有較大區(qū)別,后者在鍋爐整個啟動過程中,從爐膛水冷壁來的水被連續(xù)排放,導致大量的熱損失和工質(zhì)損失,與此相比,循環(huán)泵式啟動系統(tǒng)只需要在鍋爐啟動早期（汽水膨脹階段）排水到擴容器中,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。

擴容器式啟動系統(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要少很多;對于擴容器式啟動系統(tǒng),啟動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容器中,循環(huán)泵式啟動系統(tǒng)由于排放水量很小,其熱損失也很小,啟動過程中總的熱損失約為疏水式啟動系統(tǒng)的3%。

3.1 啟動系統(tǒng)熱損失[4]

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

由表1數(shù)據(jù)可見,對1 000MW等級機組鍋爐,在啟動流量為35%BMCR情況下,冷態(tài)啟動1次,循環(huán)泵式啟動系統(tǒng)比擴容器式啟動系統(tǒng)節(jié)省近250萬元,熱態(tài)啟動1次則節(jié)約80多萬元。

3.2 系統(tǒng)初投資

循環(huán)泵式啟動系統(tǒng)的初投資要高于擴容器式啟動系統(tǒng)。從幾家鍋爐廠提供的資料來看,1臺同類型1 000MW等級機組超超臨界鍋爐2種系統(tǒng)的差價約為500～800萬元[4]。

表1 啟動系統(tǒng)的熱損失

對于百萬級機組,鍋爐容量增大,啟動流量也增大,如采用擴容器式啟動系統(tǒng),隨之帶來的熱損失較大,由表1分析可見,由于燃料價格相對較高,冷態(tài)啟動2～3次產(chǎn)生的熱量損失費用就完全超過帶爐水循環(huán)泵系統(tǒng)所增加的費用,且大量的熱損失使得整個機組的啟動速度較慢。

無論從安全性還是經(jīng)濟性上比較,循環(huán)泵式啟動系統(tǒng)均優(yōu)于擴容器式啟動系統(tǒng),從安全性、經(jīng)濟性、靈活性及機組的長遠利益考慮,采用循環(huán)泵式啟動系統(tǒng)是目前超超臨界1 000 MW機組的最佳選擇。