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超临界锅炉启动系统及运行控制分析 摘要本文介绍了扬州第二发电厂二期工程超临界锅炉的结构特点及启动方式，并对电厂调试及运行过程中发生的问题进行了总结，对于同类型电站锅炉的调试及运行工作具有一定的指导作用。关键词超临界锅炉启动0.前言扬州第二发电厂二期工程采用哈尔滨锅炉厂引进三井巴布科克能源公司技术生产的超临界变压运行直流锅炉。锅炉型号为HG1956/25.4-YM，型式为单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构型锅炉。锅炉以神府烟煤作为设计煤，以山西晋北烟煤作为校核煤。锅炉受热面布置如下图：图1 扬州第二发电有限责任公司二期工程锅炉受热面布置图1.锅炉汽水系统的主要结构特点锅炉的汽水流程以内置式汽水分离器为界设计成双流程，从冷灰斗进口一直到标高为46.46m的中间混合集箱之间为螺旋管圈水冷壁，再连接至炉膛上部的水冷壁垂直管屏和后水冷壁吊挂管，然后经下降管引入折焰角和水平烟道侧墙，再引入汽水分离器。从汽水分离器出来的蒸汽引至顶棚和尾部包墙系统，再进入一级过热器中，最后再流经屏式过热器和末级过热器。再热器分为低温再热器和高温再热器两段布置，低温再热器布置于尾部双烟道中的前部烟道，末级再热器布置于水平烟道中并逆、顺流混合换热。水冷壁为膜式水冷壁，下部水冷壁及灰斗采用螺旋管圈，上部水冷壁为垂直管圈。从炉膛出口至锅炉尾部，烟气依次流经上炉膛的屏式过热器、末级过热器、水平烟道中的高温再热器，在尾部双烟道中烟气分两路，一路流经前部烟道中的立式和水平低温再热器、省煤器，一路流经后部烟道的水平低温过热器、省煤器，最后进入下方的两台回转式空气预热器。2.锅炉启动系统2.1直流锅炉与汽包锅炉的主要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。直流锅炉在启动前必须由锅炉给水泵和炉水循环泵建立一定的启动流量，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，在启停或低负荷运行过程中有可能提供的不是合格蒸汽，而是汽水混合物，甚至是水。因此，直流锅炉必须配套一个启动系统，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。2.2扬州第二发电厂启动系统的配置锅炉设内置式启动系统，包括启动分离器、贮水箱、炉水循环泵、水位变送器、水位控制阀、截止阀、管道及附件等组成，系统主要构成如下：(系统布置图见图2)(1) 系统配有四只汽水分离器及其引入与引出管系统，在启动过程中起到汽水分离的作用，将经分离过的饱和蒸汽送入过热器系统；(2) 一只立式贮水箱用于汇集经分离后的饱和水，水箱维持最低水位以保证炉水循环泵的最低吸入压头，以防炉水循环泵发生汽蚀；(3) 由贮水箱底部引出的再循环泵入口管道及溢流总管，再循环管用于保障炉水循环泵运行所需的最小流量，以防循环泵发生小流量汽蚀。溢流在启动过程中辅助水位调节，当贮水箱水位过高时可打开溢流阀进行排放；(4) 在炉水循环泵热备用管用于将省煤器出口水引至炉水循环泵出口，当炉水循环泵停运后可对其进行暖泵，以保证循环泵随时处于热备用状态。同理，将一路省煤器出口水引至溢流管道，当溢流阀关闭时，该路水保证溢流管处于暖管状态，以保证溢流管随时处于备用状态；(5) 自省煤器入口引一路水至炉水循环泵入口管道作为冷却水，其流量约为12%的泵流量，过冷水保证炉水循环泵进口水温具有2030C的过冷度，以防炉水循环泵发生汽蚀。图2 锅炉启动系统系统图3.超临界锅炉启动系统运行控制扬州第二发电有限责任公司二期工程锅炉的本生点为30%BMCR，当锅炉负荷小于30%BMCR时，汽水分离器处于湿态运行。当锅炉负荷大于30%以上时，过热蒸汽通过汽水分离器，此时汽水分离器为干式运行方式，汽水分离器出口温度由煤水比控制，即由汽水分离器湿态时的液位控制转为温度控制。在湿态运行过程中锅炉的控制参数是分离器的水位和维持启动给水流量，在干态运行过程中锅炉的控制参数是煤水比控制和中间点温度及焓值控制，在湿干态转换中会发生蒸汽温度的变化，故在此转换过程中必须要保证蒸汽温度的稳定。在启动期间，靠炉水循环泵和给泵的协同控制来维持分离器的水位及锅炉最小循环流量。当锅炉发生水膨胀时在储水箱里会造成很高的液位，此时须靠溢流阀的排放来维持储水箱的正常水位。随着负荷的增加，更多的水转化成蒸汽，储水箱的液位降低，直到液位低时水泵跳闸为止，在本生负荷点以上，所有水都转化成蒸汽。根据英巴的控制策略，当储水箱的水位在23506400mm间时，由循环泵出口调节阀来维持储水箱的水位，循环泵出口流量控制和贮水箱的水位关系参见图4。当循环泵和调节阀正常运行而不能达到排除储水箱多余的水时，当贮水箱水位高于6700mm时溢流阀开启进行水位控制，溢流阀的开度指令为储水箱水位的函数，并采用储水箱压力进行修正。溢流阀的最大开度受储水箱压力的限制，当储水箱压力达到3.0MPa时，大容量溢流阀全关；当储水箱压力达到20.0MPa时，小容量溢流阀全关。(参见图3)根据英巴的设计原则，大溢流管路为冷态启动设计，运行参数为5MPag饱和水、最大体积流量0.09m3/s(约为324t/h)。小溢流管路为温态启动和热态启动设计，运行参数为16MPag饱和水、最大体积流量0.17m3/s(约为612t/h)。计算表明，锅炉贮水箱容积为2.161m3，分离器的容积为1.847m3，全部有效约容积为7m3，一期工程汽包的容积为665m3 ，因此直流炉启动时分离器水位变化很大，运行控制的难度较高。贮水箱为分离器布置有一定的重叠度，而在启动过程中运行人员必须将贮水箱水位控制于10000mm以下，此时分离器水位在4700mm以下，若超过这一水位，将导致分离器被水淹没，严重时将使过热器进水。图3 贮水箱水位控制示意图图4 贮水箱水位和炉水循环泵出口流量控制的曲线关系超临界锅炉的给水控制较为复杂，在本生点以下，锅炉给水流量和循环泵出口流量共同维持贮水量水位，同时保证省煤器入口流量大于501t/h，以保证受热面的安全。而从以上直流炉运行特性可知，在直流运行状态，给水流量变化将直接影响到主汽温、主汽流量及机组负荷，各个参数之间存在复杂的耦合关系，需要在控制回路中进行解耦。通过控制燃水比实现给水流量调节，是超临界锅炉控制汽温的主要手段，但对过热器出口蒸汽温度影响迟延大，而过热蒸汽一、二级减温喷水，能较快地改变出口汽温。给水调节与喷水减温配合使用，使汽温控制较好的调节性能，因此，直流锅炉在直流状态下运行时应严格控制燃水比，给水量的失调将引发主汽温严重偏离设计值，而哈锅的控制回路根据分离器出口焓值(反映能量)进行控制，采用这一手段可以更有效地精确控制分离器出口温度及主汽温。4.直流炉的运行特性由于直流炉在汽水流程没有汽包，在直流运行状态汽水之间没有一个明确的分界点，这造成燃料量、给水量、汽机调门开度发生变化时均会导致机组负荷、主汽压力、主汽温的变化，各个参数之间存在复杂的耦合关系，需要在控制回路中进行解耦。此外，在机组启动过程中，需对分离器水位进行控制，同时维持水冷壁安全运行所需的最小流量，在本生点负荷以下运行时，锅炉又具有汽包炉的一些特性。以下将对机组运行中主要扰动源对机组运行参数的影响进行分析。（参见图5）(1)汽机调门开度变化当汽机调门开度发生变化，影响了机组的功率，同时也直接影响了锅炉出口末端阻力特性，改变了锅炉的被控特性。由于没有汽包的缓冲，汽机侧对直流锅炉的影响远大于对汽包锅炉的影响。其特性不但影响了锅炉的出口压力，而且由于压力的变化引起了给水流量的变化，延长了锅炉侧汽水流程的加热段，导致了主汽温度的变化。(2)锅炉燃料量的变化燃料发生变化时，由于加热段和蒸发段缩短，锅炉储水量减少，在燃烧率扰动后经过一个较短的延迟，蒸汽量会向增加的方向变化；当燃烧率增加时，一开始由于加热段蒸发段的缩短而使蒸发量增加，也使压力、功率、温度增加。(3)给水流量的变化当给水流量扰动时，由于加热段、蒸发段延长而推出一部分蒸汽，因此开始时压力和功率是增加的，但由于过热段缩短使汽温下降，最后虽然蒸汽流量增加但压力和功率还是下降，主汽温经过一段时间的延迟后单调下降，最后稳定在一个较低的温度上。图5 直流炉运行特性5.机组调试过程中易发生的主要问题5.1调试过程中屏过多次发生爆管哈锅多台直流炉在调试过程中发生屏过爆管，其原因为屏过进口小集箱设计为带有节流孔的结构，制造加工的残留物易在屏过进口小集箱内会发生沉积，冲管并不能将其带走。针对这一情况，冲管结束后打开屏过进口集箱进行清理，可缓解这一问题，但要从根本上解决这一问题还需提高制造安装质量，避免杂物进行锅炉汽水系统。5.2炉水循环泵发生损坏超临界锅炉的炉水循环泵和电机形成一个封闭的耦联装置，泵和电机均充注液体，压力和整个系统压力相同。电机为潜水电机，泵和电机之间设有一个热屏蔽装置，其目的是将高温的泵和低温的电机隔开，将两者的热传导降至最低。由于炉水循环泵电机为潜水电机，整个泵的结构较为复杂。若发生冷却水中断或注水水质不合格会引起循环泵发生损坏，因此炉水循环泵使用中应注意以下问题，以防造成循环泵损坏：(1) 注水严格按操作说明书要求执行；(2) 注水后要进行点动启动以排尽气体；(3) 泵冷却水源要可靠；(4) 要保证注水水质；(5) 注水速度应控制好。5.3一次风机易发生失速目前国内各电厂新建机组一次风机一般均采用双级轴流，风机的效率有所提高，但易发生失速问题，尤其在机组发生RB时跳闸两台磨煤机后，由于此时一次风母管流量下降近200t/h，造成一次风母管压力上升，一次风机易进入喘振区。目前主要应通过以下措施防止一次风机发生失速：（1）严格控制风机制造安装质量：一次风机发生失速的主要原因为风机制造安装质量达不到设计要求，风机动叶的同级及级间角度偏差超过设计值，此外，风机叶片的叶顶间隙超过设计值也会造成风机的失速裕量下降；（2）建议一次风母管压力控制采取变压控制，低负荷时适当降低一次风母管压力，以防低负荷时一次风机进入失速区；（3）机组发生RB后，一次风机控制应增加一超驰回路，磨煤机跳闸后应立即关小一次风机动叶角度，确保RB后发生两台磨煤机跳闸后不会造成一次风机失速；（4）建议机组在调试过程中进行一次风机的失速性能试验，以确定一次风机的失速点是否能够达到设计值，提前发现设备隐患。5.4调试过程中空预器易发生卡涩机组调试过程中需对空预器间隙进行调整，若间隙调整过小易造成空预器发生卡涩，这一问题已在国内多家电厂调试过程中发生，为避免这一问题的发生，调试过程中应注意以下问题：（1） 空预器密封片的间隙调整应严格按照厂家说明书执行；（2） 调试过程中在升负荷过程中应严密监视空预器电流，当发现空预器电流晃动后应立即至就地进行检查，确定发生密封片磨擦的位置，并立即进行密封片间隙调整；（3） 定期执行受热面吹灰，以防受热面发生严重脏污后空预器进口烟温过高，从而导致空预器变形量过大造成动静部分发生碰磨；（4） 进行空预器LCS系统调试时应注意空预器电流变化，当发生电流晃动后应立即将空预器扇形板提至最高位。5.5采取中压缸启动的机组在进行倒缸时分离器水位波动过大发生这一问题的主要原因为汽机倒缸时高压缸进汽后会造成主汽压下降过快，汽机旁路不能及时关小。目前解决这一问题的方法是降低倒缸时负荷变化率，同时手动关小高压旁路，以稳定主汽压，减少虚假水位的影响。参考文献：1章臣樾 锅炉动态特性及其数学模型东南大学出版社2扬州第二发电厂锅炉说明书 哈尔滨锅炉厂有限责任公司