350MW火力发电机组锅炉水循环方式研究应用.doc

350MW火力发电机组锅炉水循环方式研究

　　出处：辽宁大连华能大连电厂运营部　作者：周　民　上传时间：[-4-2217:16:00]

摘要：汽包锅炉水循环方式分强制循环和自然循环两种，强制循环又有多次强制循环和一次强制循环（即直流锅炉）。多次强制循环锅炉配备炉水循环泵，水冷壁上升管入口处加装节流圈（控制循环），水循环压头大，质量流速充分，循环稳定。自然循环锅炉靠水冷壁与下降管重度差产生压头，压头小但设备构造简朴，运营操作容易掌握并且比较安全。本文结合华能大连电厂一期#1、#2机组为多次强制循环锅炉（文中简称强制循环锅炉），二期#3、#4机组为自然循环锅炉生产实际，对这两种锅炉水循环方式原理、构造和设计思想进行了比较研究，总结出实际生产运营中两者特性和优缺陷及详细运营操作方式不同，以求达到对电厂运营人员实际操作有所协助目。
核心词：自然循环强制循环炉水循环泵
1　前言
汽包锅炉蒸发设备水循环，分自然循环和强制循环两种。[1]华能大连电厂一期#1、#2机组锅炉为三菱—CE单汽包辐射再热控制循环露天锅炉，二期#3、#4机组锅炉为英国Babcock公司制造辐射式放热、平衡通风、自然循环、再热式锅炉。
2　水循环原理

图1为简朴自然循环回路示意图，给水由省煤器进入汽包与炉水相混合后，通过下降管及下联箱进入水冷壁，水在水冷壁中吸取炉膛火焰和烟气热量达到饱和温度并产生某些蒸汽，而下降管为饱和或欠热水。由于汽水混合物重度不大于下降管中水重度，下联箱左右两侧将产生压力差，推动上升管中汽水混合物向上流动，进入汽包，并在汽包内进行汽水分离，分离出来蒸汽送往过热器，分离出来水继续参加循环。这种运用工质自身重度差所产生循环称为自然循环。[2]随着锅炉蒸汽参数提高，锅炉中汽水重度差越来越小，在亚临界参数下，自然循环所产生动压头普通只有0.05～0.1Mpa，这就使得工质在循环回路中流动越来越困难。普通当汽压超过18.6Mpa时，自然循环锅炉已不能可靠工作，而必要采用强制循环，即借助水泵压头使工质在循环回路中流动。这种用水泵强制锅炉进行循环方式称为强制循环（如图2）。强制循环锅炉构造与自然循环锅炉基本相似，也有汽包，所不同是在下降管中增长了循环泵，做为强制循环动力。

3　锅炉构造与设计思想
强制循环锅炉汽包沿整个长度设立了内套筒，上升管束来汽水混合物从汽包顶部进入汽包内套筒，由上往下流动，均匀对汽包上下壁同步进行加热或冷却，使汽包上下壁温度在启停机或升降负荷过程中，能保持一致温度，为机组迅速启停和提高升降负荷速率创造了条件。例如华能大连电厂一期锅炉，启动阶段炉水温度变化率可达220℃/h。而自然循环锅炉循环推动力为下降管和上升管中流动工质重度差，它所产生动压头在高参数机组中比较小，局限性以让上升管束来汽水混合物克服汽包高度产生静压从顶部进入，而要从汽包中部进入。汽包内套筒也不象强制循环锅炉那样是个环形，而是一种半环形，设立在汽包下半部，汽水混合物无法对汽包上下壁进行均匀加热，使得汽包上下壁温差成为限制锅炉起停速度和负荷变化率一种重要因素。华能大连电厂二期锅炉启动时炉水饱和温度上升速率被限制在1.5℃/min如下，并在任何工况下不容许汽包上下壁温度超过56℃。
强制循环锅炉设立了炉水泵，锅炉低负荷运营及停炉时，水冷壁可以得到工质足够冷却而不致被烧坏。在对锅炉进行设计时，可以选取适当炉膛形式，充分发挥燃烧性能，并能采用较小直径水冷壁管，减轻锅炉重量。炉膛内热负荷分布不均匀，因此强制循环锅炉在水冷壁入口设立了节流圈，节流圈尺寸依管子所受热负荷大小来定，通过调节各根上升管中流量分派，避免了在蒸发系统中浮现水脉动、停滞及倒流等循环故障，减轻了水冷壁管子热偏差，保证了水冷壁温度均匀分布。[3]而自然循环锅炉靠流体重度差驱动工质循环，循环回路中无法装设任何流量控制阀，因此水冷壁各管汽水含量不均匀，这就规定锅炉设计中要保证足够循环流量，避免浮现传热恶化。
强制循环锅炉循环压头高（40m），足够克服环形通道和汽水分离装置形成阻力，可采用直径小、效率高、旋转强度大旋风分离器；循环倍率低（一期锅炉循环倍率在两台炉水泵运营时为2，三台运营为2.4，二期锅炉循环倍率在4～6之间），汽水混合物中分离出来水量少，分离设备数量和体积可以相应减少，从而使汽包直径、壁厚和体积减小。一期锅炉旋风分离器是2排68只，汽包内径1675mm，二期旋风分离器是三排132只，汽包前部一排52只，后部两排40只，汽包内径1830mm。
强制循环锅炉用水包代替了自然循环锅炉蒸发受热面下联箱，水包设有锅炉运营中定期排出炉水水渣和锈垢排污管。自然循环锅炉禁止在锅炉运营中对下降管或下联箱排污，由于那将破坏水循环，导致上升管汽水混合物停滞和水冷壁管烧损。自然循环锅炉必要对给水和炉水品质严格控制，避免水渣和铁锈在水冷壁下联箱沉积，二期机组在凝结水泵出口设有一套除铁系统，其内部为以聚丙烯纤维为过滤材质滤元，用以去除铁和铜腐蚀物，保证水质。
锅炉启动时，省煤器进水不持续，若省煤器中水不流动，就也许导致管壁超温。强制循环锅炉可以在低负荷或点火升压时，依托炉水泵压力对省煤器进行再循环，保护省煤器。而自然循环锅炉对省煤器进行再循环比较困难，在锅炉设计中就要充分考虑省煤器安全问题，或减少省煤器入口烟气温度，或提高省煤器管材规格。在机组启动初期进行给水调节时，要保证省煤器有足够冷却，避免省煤器给水停滞干烧。
炉水泵规定必要能耐高静压，电机能防水、能隔热，轴承能防止杂质进入，其辅助系统，特别冷却系统规定也就高些，华能大连电厂一期轴冷水泵，电压6000V、功率350Kw、扬程53m，而二期轴冷水泵电压仅400V，功率147Kw，扬程33.55m。再者，强制循环锅炉对控制系统规定也比自然循环锅炉高。因此强制循环锅炉初投资要大，运营中维护、检修、监视等方面投入也大些。
4　实际运营操作
华能大连电厂二期锅炉汽包水位是一种极重要参数，反映锅炉水循环安全，它异常直接触发锅炉MFT。一期锅炉水位低于可视水位如下时，只要炉水泵运营正常，差压和电流未异常摆动或偏低，水循环就不会被破坏，锅炉还可以持续上水至正常水位，其MFT条件是炉水泵差压异常。
二期锅炉启动中须严格遵守厂家给定升压曲线，控制升压速度。特别升压初期，水循环较差，汽包壁受热不均匀，上、下部，内、外壁均有温差。因此一定要控制好油枪投停与分布，除氧器水温，主、再热蒸汽管疏水及连排开度，保证汽包上下壁温差不超限，升压率不大于规定值。一期锅炉炉水泵在点火前已启动，水循环建立早，炉水强制流动，使各承压部件得到了均匀加热，故可以恰当提高升压升温速度，缩短锅炉启动时间。
停炉冷却时，由于炉水循环泵始终转到锅炉压力降至5×102kpa才停止，因此一期锅炉汽包和水冷壁可以得到均匀、迅速冷却，炉水温度下降率最高可达165℃/h，有助于炉内检修较快进行。二期锅炉必要控制降压降温速度，饱和温度下降率不能不不大于55℃/h，汽包上下壁温差要不大于50℃，还得不断上水，保持汽包高水位，运用锅炉余热建立薄弱水循环对锅炉进行均匀冷却。
一期锅炉水循环压头高，循环倍率小，流速大，水冷壁吸热量大，升负荷炉膛热量增长，水冷壁辐射吸热占份额比较大，因此蒸汽压力变化迅速，机组在负荷变化时可以采用较快升速率。同样采用3MW/min升速率升负荷过程中，一期机组蒸汽压力与滑压曲线吻合较好，实际压力与设定值平均偏差在0.1～0.2MPa左右，超调量也小。二期机组由于汽包容积大，相应锅炉水容量和蓄热能力大，负荷变化时，蒸汽压力变化速度慢，幅度大。[3]升负荷时往往先一种明显下降，然后随着煤量大幅增长迅速增长，最后超过设定值诸多再慢慢回头，实际压力与设定值偏差常在0.3MPa以上，超调量较大。
强制循环锅炉长处诸多，但也有它困难，英国有研究单位以为：强制循环锅炉有循环泵，总是复杂，并且在超高压如下显示不出优越性，只有压力高于15.68MPa才合算，因此还是自然循环锅炉好某些。[3]炉水泵安全运营是强制循环锅炉安全运营保证，它启动和正常运营时操作和监视内容多，自然循环锅炉设备精炼，操作和监视内容少，但只要严格按照操作规程和厂方阐明对锅炉进行操作和精心维护，这两种锅炉都可以成功地完毕发电和长期安全运营任务。华能大连电厂#1、#3机组曾分别长周期安全稳定运营510天和633天就阐明了这一点。
[参照文献]
[1]陆述超、续世爱等编，锅炉设备运营技术，水利电力出版社，1985年，第一版，202页
[2]范从振主编，锅炉原理，中华人民共和国电力出版社，1986年，第一版，232页
[3]容栾恩，袁镇福等编，电站锅炉原理，中华人民共和国电力出版社，1997年，第一版，11、9、250页