|
一、超临界锅炉设置启动系统的目的 超临界锅炉的启动系统是超临界机组的一个重要组成部分。由于超临界锅炉没有固定的汽水分离点，在锅炉启动过程中和低负荷运行时，给水量会小于炉膛保护及维持流动稳定所需的最小流量，因此必须在炉膛内维持一定的工质流量以保护水冷壁不致过热超温。设置启动系统的主要目的就是在锅炉启动、低负荷运行及停炉过程中，通过启动系统建立并维持炉膛内的最小流量，以保持水冷壁水动力稳定和传热不发生恶化，特别是防止发生亚临界压力下的偏离核态沸腾和超临界压力下的类膜态沸腾现象，保护炉膛水冷壁，同时满足机组启动及低负荷运行的要求。 二、启动系统的构成 启动系统及容量的确定，是根据锅炉最低直流负荷、机组运行方式、质量流速的选取、以及工质的合理利用等因素确定的，本文介绍最低直流负荷（即本生点）为30%BMCR，采用带并联布置的再循环泵和大气式疏水扩容器的内置式启动分离启动系统，包括启动分离器、再循环泵、贮水箱、水位控制阀、截止阀、管道及附件等。启动系统的主要管道包括：过冷水管道(383)，循环泵入口管道(380)，循环泵出口管道(381)，高水位控制管道(341)，循环泵再循环管道(382)及暖管系统管道(384)等。启动系统中设置有循环泵，通过循环泵建立有效的工质循环，保持炉膛所需的最小流量。给水经省煤器和炉膛加热后，工质流入汽水分离器，经汽水分离后的热水被循环泵重新送入省煤器。采用循环泵可减少工质损失及热量损失，提高电厂的经济性，同时可减少启动时对锅炉的热冲击。启动系统简图如下图所示。 本系统采用四只启动分离器，在锅炉启动过程中和低负荷运行时可进行有效的汽水分离。启动分离器为圆柱形筒体结构，直立式布置。封头采用球形结构。筒体及封头材料均为SA335 P91。分离器按全压设计，并充分考虑了由于内压力、温度及外载变化引起的疲劳。分离器的设计除考虑汽水的有效分离外，还充分考虑了启动时的汽水膨胀现象。 启动分离器的结构、材料的选取及制造工艺，能适应变压运行锅炉快速负荷变化和频繁启停的要求。启动分离器的结构如图所示。 启动分离器汽水混和物入口位置、角度和流速的选取有利于汽水分离，汽和水的引出方向与汽水引入管的旋转方向相配合，以减少阻力。分离器内设有阻水装置和消旋器。分离器上设有手孔装置和壁温和压力测点。 贮水箱结构图 贮水箱如图所示，为圆柱形结构，内径为585.9mm，长度约为10.8m，具有较小的水容积和汽扩散空间。贮水箱上设置有水位测点、压力测点、温度测点、放气、疏水接头等。 系统中的调节阀具有良好的调节特性，能抗汽蚀、防泄漏达到ANSI Ⅴ级、承受高压差。所有调节阀能在各种起动工况下，满足不同组合运行方式时的流量调节要求。截止阀能承受高压差、关闭严密、不泄漏。 启动分离器为立式筒体，共4只，布置在锅炉前部的上方，距前水冷壁的中心线距离为3.575m，分离器间的距离为5.52m。分离器外径为φ610mm，壁厚为65mm，筒身高度为8.363m，材料为WB36。从水平烟道侧包墙和管束出口集箱出来的介质经6根下倾15°的切向引入管在分离器的顶端引入，在本生负荷下汽水混合物在分离器内高速旋转，并靠离心作用和重力作用进行汽水分离。在分离器内的中部偏上位置布置有脱水装置，其作用是消除介质旋转和向下的动能，使分离器及与之相连的贮水箱中的水位稳定。在分离器的底端布置有水消旋器并连接一根φ324×50出口导管，将分离出来的水引至贮水箱；在分离器的上端布置有蒸汽消旋装置并连接1根φ324×55出口导管，每根出口导管通过6根φ219×35的顶棚入口集箱连接管将蒸汽引至顶棚过热器入口集箱。每只分离器通过两根吊杆悬吊在锅炉顶板上。 贮水箱数量为1只，也是立式筒体，外径为φ610mm，壁厚为65mm，筒身高度为10m，材料为WB36，在其下部共有4根来自分离器的径向连接管分两层引入分离器的疏水。 本工程贮水箱和4只分离器平行、并联布置，因此分离器和分离器出水管都提供一定的有效贮水容积，使得贮水箱的体积相对减小。由于贮水箱和分离器并联可能因相互间的压力不均衡而引起各自的水位波动，因此在贮水箱上部引出4根φ76×10MWT的压力平衡管与分离器相连来保持压力的平衡。 贮水箱中水被再循环泵循环排至省煤器入口管道，与给水混合以维持水冷壁中的本生流量，或当水位高出循环泵的控制区段经溢流管上溢流阀排到疏水扩容器中。贮水箱沿高度从下到上分成如下几个控制区段： 1) 从最低的水侧水位取样点开始向上的2.35m。此区段为保护循环泵的最小水位； 2) 4.05m的循环泵出口的再循环管路调节阀的控制区段； 3) 0.3m自由区段； 4) 0.95m溢流阀控制区段； 5) 到最高的汽侧水位取样点为止的1.25m的备用区段。见下图： 循环泵流量和贮水箱水位控制 启动和升负荷期间，贮水箱水位与循环泵流量特性参见下图。在稳定状态下，循环流量是由贮水箱水位确定的，给水泵流量是本生流量与循环流量之间的差值。 循环泵流量控制 在燃烧器点火前，循环流量基于初始水位，随后泵的流量将遵循水位与流量的曲线。给水流量补充本生流量的缺口。在蒸发开始前，系统中没有水的损失，水位将升高直到循环泵的循环水量与本生流量相等。 燃烧器点火之后，给水流量为3%BMCR的最小流量，贮水箱水位由于汽水膨胀将升高到6700mm以上，溢流阀开启，维持水位在规定的范围内。 当蒸发开始后，水冷壁中的汽水混合物在分离器中分离，饱和蒸汽进入过热器，饱和水返回到贮水箱。由于产生蒸汽，贮水箱水位下降，循环流量减少，增加给水流量去维持进入水冷壁的本生流量。 当负荷增加到本生负荷时，贮水箱水位降到最低，循环泵控制阀关闭，当循环流量降低到约20%泵的设计流量时，最小流量截止阀开启，泵在最小流量下运行。随后锅炉完全在纯直流状态下运行，给水流量与蒸汽流量相匹配。 循环流量与给水流量关系
循环泵在40%BMCR负荷下自动停运或在贮水箱低水位下跳闸，贮水箱水位由水位控制切换到限制流量模式下运行。 降负荷期间 在超临界压力范围内运行期间（负荷约在75％THA以上）贮水箱中没有可见水位。当压力降至临界压力以下时，贮水箱中将有一个清晰的水位。 由于从泵和溢流阀暖管管路流入的水可能使水位很高，此时在限制流量控制下,正常水位控制被闭锁，因为不闭锁可能导致突然的或不必要的排水。 在降负荷的时候，循环泵在约35%BMCR负荷下自动启动。此时水位可能是高的，或者在最低水位以上泵的控制范围内，此时要求循环泵的流量与水位相关，而锅炉仍以直流方式运行时不要求泵有流量。因此，在这种情况下循环阀保持关闭，泵仅仅在最小流量下运行。 贮水箱水位控制范围 当负荷降低到33％BMCR负荷以下，循环阀开启。适量的循环流量引起给水流量下降。当分离器仍在过热蒸汽参数下运行时将导致贮水箱内水位下降。 在负荷降低到本生负荷以下时，水冷壁出口将是湿蒸汽状态。分离下来的水返回贮水箱，流量等于本生流量与锅炉蒸汽量之差。然而，贮水箱仍有纯水损失，因为限制流量总是要求循环流量超过进入贮水箱的水流量3％。 当水位降到某一点时，限制流量将等于产生的流量。在这点上，一个信号选择器将水位控制切换到正常运行，亦即循环流量仅基于贮水箱水位。 贮水箱溢流阀 在启动升压和低负荷运行期间，由于水的膨胀，水位会升高到超出泵控制范围之外，开启小溢流阀及其隔离阀以降低水位。 冷态启动初期，汽水膨胀将使水位升高到6400mm以上。在水位达到6700mm之前，除了泵保持循环之外没有其它措施去防止水位升高。在6700mm和7650mm之间，溢流阀逐步开启。 对于温态、热态和极热态启动，膨胀引起的水损失减少。对于热态启动，由于启动压力增高，相应对于给定的阀开度通流量也相应增加，对于热态启动溢流阀是足够的。 对于极热态启动，主汽压力大约在14Mpa，溢流阀打开，总的通流量很大，以致使贮水箱排空，疏水箱超负荷。为了防止发生这种情况溢流阀约在20MPa时，联锁强迫关闭。这个压力值需要在实际调试时确认。 再循环泵出口调节阀根据贮水箱中的相应水位将再循环流量控制在零到30%BMCR范围。溢流阀的动作和调节同样根据贮水箱中相应的控制水位范围来进行的。大溢流管路设计用于锅炉水冲洗，大溢流管路上的电动闸阀在锅炉正常启动后将对其闭锁，以避免对疏水扩容器造成冲击。小溢流阀在整个亚临界压力范围内都可以投用，控制逻辑将其设计在压力大于20MPa时闭锁。 锅炉起动过程中为避免因负荷变化率过大而使贮水箱产生过大的应力，在贮水箱上设置了两只热电偶分别监测内、外壁金属温度。通过监测温度变化率来限制机组的负荷变化率。贮水箱内外壁温差限制在25℃以内，内壁金属温度变化率限制在5℃/min，超过以上限制值将报警。 贮水箱悬吊于锅炉顶部框架上，下部装有导向装置，以防其晃动。 从贮水箱下部引出的溢流管的规格为φ324×50、材料为SA-335 P12。此根溢流管作为公用溢流管在锅炉右侧运转层以下又分成两路，一路规格为φ324×55的冲洗管路，另一路规格为φ219×35溢流管路，并均与疏水扩容器相接。冲洗管路上设置有手动闸阀和电动闸阀及节流孔板各一只。溢流管路上设置有手动闸阀、电动闸阀、启动调节阀（即溢流阀）和节流孔板各一只。由于锅炉启动过程中汽水膨胀发生的时间短，在贮水箱中水位升高迅速，因此要求溢流阀的动作时间快，溢流阀全开关时间为10s。安装在溢流阀后的节流孔板将控制溢流管路的压降和水量，并防止溢流阀发生汽蚀，因此溢流管路上的阀门和节流孔板应尽可能靠近疏水扩容器布置。 贮水箱的出口设有消旋器，并直接与φ457×50、WB36的循环泵吸入管连接。在泵吸入管上布置有来自给水操纵台后给水管道引出的φ114×20循环泵过冷水管路，当循环泵运行时，用来自给水管道的给水与贮水箱中的近饱和水混合，避免循环泵入口发生汽蚀。在循环泵入口前的吸入管上布置有热电偶，监控泵入口水温。如果贮水箱运行压力下的饱和水温度与泵吸入管中水温相差小于20℃，过冷管上的电动截止阀打开，温差大于30℃时该阀关闭。过冷管的设计通流能力为3%BMCR，并在管路上装有一只流量元件，用于监测过冷水流量。 三、启动系统的运行 启动系统的汽水流程为：给水进入省煤器入口集箱，经过省煤器、炉膛到汽水分离器，分离后的水通过分离器下部的贮水箱由再循环泵再次送入省煤器。分离后的蒸汽进入锅炉尾部包墙，然后依次流经一级过热器、屏式过热器、末级过热器，最后由主蒸汽管道引出。在30%以上的负荷，启动系统关闭，锅炉进入直流运行状态。此时给水量与进入汽机的蒸汽量相等。 锅炉冷态启动时，首先通过给水泵给锅炉上水。在此期间省煤器放气阀打开，以便排除省煤器中的空气。当贮水箱中的水位达到高水位后，高水位控制阀（341）开启，经过疏水扩容器的扩容减压后排入凝汽器，以控制贮水箱中的水位。 在点火之前，给水品质应符合标准所推荐的要求。如果给水品质不良，比如在长时间停炉之后，可以用给水泵将水送入炉膛，经汽水分离器后，由贮水箱排至冷凝器，此时的流量约为30％BMCR。不合格的水可以根据污染程度的不同，或是经冷凝器送入水处理设备，或是就地排放。 给水品质满足要求后，可减小给水泵流量，其中4％BMCR的流量直接进入省煤器，另外3％BMCR流量经过冷水管道进入贮水箱，此时再循环泵启动，建立循环。进入省煤器的流量为30％。贮水箱水位由高水位控制阀控制。 如果所有的联锁保护就绪，锅炉就可以点火。本锅炉在炉膛出口装有烟温探针，在过热器和再热器建立了足够的蒸汽流量之前，燃料的投放量一定要控制，并确保炉膛出口的烟气温度不高于538℃。 锅炉点火后，水在炉膛中被迅速加热，形成气泡，并迅速膨胀。此时应将两个高水位控制阀打开，以控制贮水箱中的水位。 随蒸汽流量的增加，给水泵应逐渐加大负荷以维持锅炉负荷增加的需要。当汽机主汽阀前的蒸汽压力达到汽机冲转所需的最低压力后，汽机可以进行冲转。当过热器和再热器内的流量大于最大流量的15%时，减温器可以投入运行来控制蒸汽温度。 随燃烧率和负荷的提高，进入汽水分离器的蒸汽质量百分比也逐渐增加。在锅炉负荷提高到本生点以上后，进入汽水分离器的将全部是蒸汽。此时锅炉进入直流运行模式，再循环泵停运。锅炉启动系统由暖管系统维持一定的温度，作为热备用。 锅炉和汽机在30%BMCR～84%BMCR之间采用滑压运行模式运行。锅炉机组的停运与启动是两个相反的过程。在锅炉停炉过程中，锅炉和汽机的负荷在本生点以上是不断降低的。当负荷降至30％BMCR时，应开启再循环泵。随着燃烧率和负荷的持续下降，在汽水分离器中将有水被分离出来。随负荷进一步降低，越来越多的水从分离器中被分离出来。此时应逐渐降低给水泵的出力，同时增加再循环泵的出力，以达到维持锅炉炉膛最低工质流量的要求，并且贮水箱的水位应保持在适当高度。在汽机达到最小负荷时，锅炉和汽机可以停运。 四、启动循环泵 1. 立式单级启动循环泵 启动循环泵电动机采用密封型。锅炉炉水循环泵是启动系统的重要组成部分，采用KSB的无泄漏泵。无泄漏泵的主要结构特点是将泵的叶轮和电机转子装在同一主轴上，置于相互连通的密封压力壳体内，泵与电机结合成一整体，没有通常泵与电机之间连接的那种联轴器结构，没有轴封，这就从根本上消除了泵泄漏的可能性。无泄漏泵电机的定子和转子用耐水耐压的绝缘导线做成绕组，浸沉在高压冷却水中，电机运行时所产生的热量就由高压冷却水带走，并且该高压冷却水通过电机轴承的间隙，既是轴承的润滑剂又是轴承的冷却介质。泵体与电机是被分隔的两个腔室，中间虽有间隙不设密封装置使压力可以贯通，但泵体内的锅水与电机腔内的冷却水是两种不同的水质，两者不可混淆。由于电机的绝缘材料是一种聚乙烯塑料，不能承受高温，温度超过80℃绝缘性能就明显恶化，因此绕流电机内部的高压冷却水温度必须加以限制。由于绕组及轴承的间隙极为紧密，因此高压冷却水中不得含有颗粒杂质，在高压水管路中必须设有过滤器。高压冷却水的水质要比锅水干净得多，其水温也要比锅炉锅水的温度低得多，为了带走电机运行产生热量和泵侧传到电机的热量，保证电机的安全运行，必须配有一套冷却高压水的低压冷却水系统。结构如下图 炉水循环泵简图 1. 炉水循环泵注意事项： 1) 冲水管路清洗 锅炉循环泵电机轴承需冷却水润滑，电机是靠水来冷却的，所以在泵投入前必须对电机进行充水。水润滑轴承的润滑膜非常薄，容不得任何细小杂志混入，必须在进行电机充水前应进行冲水管路的开放冲洗，待冲洗合格后才能与电机接通。充水水源取自凝结水泵出口的凝结水，其水质浊度小于20ppm，铁含量＜3.00ppb。对电机充水后也需进一步对电机冲洗，并将储存在电机腔内的空气排净为止。因为电机腔内水中含有空气，轴承与空气接触得不到水的润滑与冷却，使轴承冷却，所以泵启动前充水排气是非常重要的，而且其操作要自下而上缓慢进行，直至把电机内空气排净为止。 对电机充水和清洗分为两个步骤进行：第一补充水阶段，在锅炉尚未进水前，电机首先必须充水排气，直至泵体疏水门排除不含空气的连续水流。第二部为清洗阶段，在锅炉上水过程必须将清洗水连续不断地注入电机，以保证清洗水连续从电机溢出，而不能从让锅炉的锅水到灌入电机。以上称为静态清洗。静态清洗后再进行动态清洗，首先将出口门保持开启，将锅炉进水至正常水位，然后对炉水泵进行点动三次，第一次点动5s,间隔15分钟后再点动，其目的是提高清洗效果和进一步驱赶电动机中残留空气。 2) 高压冷却水 一次冷却水有分别取自凝结水和给水母管或高压冷却水泵来的高压水源。低压一次冷却水供管路冲洗、电机充水、清洗以及炉水循环泵电机注水用。正常运行时，电机内的水循环流动，不需要补充水。如果一旦高压冷却水系统中偶尔某处漏泄，而使电机内循环水量不足，而导致高温高压的锅水导入电机，导致电机腔室温度升高，需高压一次冷却水应紧急注入补充，以维持电机温度在正常值。来自高压水经过一次冷却器后，使其温度降至45℃以下。（注水时应严格控制一次门的开度及注水温度，防止高温给水进入电机。） 3) 低压冷却水系统 低压冷却水，冷却隔热栅和高冷器冷却水，实现恒定温度和进水、回水稳定差压的自动调节。正常运行时必须保证冷却水量充足，作为泵启动条件之一。要求冷却水泵电源必须接在保安电源上，确保厂用电中断时冷却水仍能正常运行。 4) 过滤器 过滤器是过滤杂质（即沉淀物腐蚀产物及金属微粒），这些杂质会影响轴承表面甚至影响正常运转所要求的良好润滑。过滤器现多为内置式。要求运行时必须保证水质满足要求，否则，杂质多冷却效果差，电机温度高，降低绝缘寿命，而且运行时不能清洗。 5) 循环泵电机冷却水系统 电机冷却水作用：消除由于电机在运转时绕组的铜损和铁损发热、转动件的摩擦生热，以及从高温的泵侧传过来的热量而造成电机温升的不安全影响。 电机冷却水循环回路：高压一次冷却水从电机底部进入，经由电机下部的推力盘带动辅助叶轮，靠电机旋转带动，推动冷却水循环流动，流经电机转子和静子绕组及轴承间隙，从电机上端的出水口流出，温度升高了的高压一次水经外置冷却器（闭式水）冷却，然后再进入电机，如此循环形成一个回路。 6) 锅炉升压到一定值时，循环泵注水清洗结束，各路注水门一定关闭严密。防止逆止门不严，高温高压炉水顺电机泄露到低压侧，而烧损电机。现在KSB泵一般一次注水，保证五年内不用再注水，这要求炉水水质必须保证能够合格。 7) 循环泵初次启动判断转向，通过出口压力或者泵出入口差压来判断，厂家说明书应给出泵关门启动时扬程。调试时出口压力和出入口差压测点一定清洗干净，变送器校核准确。 五、启动系统的控制
启动系统控制图 1. 概述 启动系统控制如图所示，主要包括贮水箱水位控制，锅炉循环水量控制，及过冷水量控制。为了防止因个别变送器发生故障时，造成自动控制失去或控制装置误动，启动系统的控制点均设置三个独立的测点，并经适当的修正，取中间值作为连锁及控制信号。另外，每个测点的值均能显示，当任何一个测点的值偏离中间值±3％时报警，并进行检查。 2. 各主要控制元件的控制方式 1) 锅炉循环泵启动允许条件： a. 循环泵冷却水量正常。 b. 382再循环阀开启。 c. 贮水箱中水位正常。 d. 泵入口管和泵壳温差小于50℃。 e. 泵入口门开启。 f. 泵电机温度正常。 2) 循环泵跳闸条件: a. 贮水箱水位低。 b. 入口门关闭。 c. 电机内水温度高。 d. 机组负荷高于本生点负荷。 3) 省煤器放气（302管线） 当锅炉上水时，省煤器放气阀（302－1，302－2）开启，放掉省煤器中的空气。当MFT复位时，此阀连锁关闭，避免运行过程中阀门开放引起事故。 4) 贮水箱疏水（387管线） 当循环泵关闭，系统处于直流运行状态时，暖管系统应投入运行，同时通过387阀门用来控制贮水箱中的水位，将贮水箱累积的少量水定期地疏至中间过热器喷水减温。当循环泵处于运行状态或减温器截止阀关闭时，387阀连锁关闭。387阀受一个比例调节器控制，水位为L3时全关，水位为L3’时全开（见图5-3）。 5) 循环泵过冷水调节（383管线） 循环泵过冷水系统将少量给水送至贮水箱，为循环泵提供过冷水及净压头，并防止省煤器内发生沸腾。当炉水达到要求的品质后，可建立正常的循环，锅炉开始点火，此时383阀门处于开启位置，向贮水箱提供近3%MCR给水流量。当381阀门即将关闭时，383阀门流量将减至0。过冷水流量的调节首先应满足循环泵压头的要求。除贮水箱水位高或MFT动作时，383阀的开度被强制为0%，其他情况下控制系统根据冷却水流量、NPSH差压、381阀指令等来计算383阀开度。阀门开关根据贮水箱在运行压力下的饱和温度与泵吸入管中的水温差值来开关，当相差小于20℃时，过冷管截止阀打开，温差大于30℃时该阀关闭。 6) 暖管系统（384管线）
暖管系统是当锅炉处于直流运行，启动系统停运时，从省煤器出口引出少量相对高温的水至循环泵及高水位控制管道，使启动系统处于热备用状态。当负荷降低，启动系统投运时，可减少热冲击。384阀根据省煤器出口压力自动调整开度。当炉循环泵运行、341-B阀开、机组负荷小于40%MCR时，384阀应该保护关闭。手动阀380和388用来分配炉循环泵和341阀的暖管流量。 1) 贮水箱高水位控制（341管线） 当循环泵未投运时，341阀用来控制贮水箱的高水位，并且当381阀或387阀控制贮水箱水位时，341阀仍然作为贮水箱的高水位保护。其控制范围见图5-3。当水位达到L2’时，341-1及341-2全开，水位为L2时，两阀全关。 锅炉点火后不久，炉膛中的水被加热，产生气泡，并迅速膨胀，此时341阀有预动作以保证汽水膨胀时能迅速开启。 当341阀需要开启或机组负荷小于35％，阀341B-1及341B-2应连锁开启。 2) 炉膛循环流量控制（381管线） 当启动系统运行时，炉膛给水流量由炉循环泵来的循环流量和炉给水泵供应的给水流量组成，满足最小炉膛给水流量的要求。当通过分离器的蒸汽流量等于锅炉给水泵流量（约7％BMCR负荷）时，341阀关闭，381阀将控制贮水箱的水位。其控制范围见图5-7，当贮水箱水位达到L1’时，381阀全开；水位为L1时，381阀全关。当循环泵停运时，381阀和381-SC阀应始终处于关闭位置。循环泵启动后1分钟，381阀被复位，可以被控制、开启以控制贮水箱水位，381-SC阀开启。 3) 循环泵再循环（382管线） 循环泵再循环管路用来保证循环泵的最小流量，以免循环泵内发生汽化。在机组启动期间，随着立式分离器接近干态，在从炉循环泵来通过381阀的流量达到循环泵允许的最小流量时，382阀将自动开启。当通过381阀门的流量超过循环泵最小流量一定裕度时，382阀门将自动关闭。 六、启动系统的优点 启动系统的优点主要表现在以下几个方面： 1. 减少工质损失和热损失。 2. 提高电厂的经济性。 3. 有利于大气环境、水环境和土地环境保护。 4. 可以减少对锅炉的热冲击。 5. 控制灵活快速。在各种启动条件下，由于汽水膨胀的产生，水位会突然膨胀和收缩，为控制水位，本系统可以借循环泵和高水位控制阀立即作出反应，维持水箱水位和炉内必要的最小循环流量，因而保证锅炉的正常启动及运行。 6. 启动时间更短，可以满足周末停机及两班制运行方式。 |
|
|
