大型火电机组设计若干问题探讨

大型火电机组设计若干问题探讨发表时间:2002-5-31作者：任高摘要：摘要：从大型火电机组运行的实际情况出发，就目前—I：艺系统设汁中影响机组正常运行的局部设计方法和热控系统中2个常用保护联锁项的逻辑功能进行分析探讨，提出相应的解决办法，并对其可行性进行分析，针对目前大机组性能试验测点不列入常规设计带来的问题．指出将其列入机大型火电机组的设计是整个机组后续工作的基础，合理、完善、实用的设计方案是机组能够在基建期间顺利完成调试、高标准投产和长期安全、稳定、经济运行的前题条件。

近年来，大型火电机组执行“大火规”和优化设计，确实收到了很好效果。

但在实际工作中，仍有不少设计项目不尽合理，有些设计方法(功能)从理论上强调了某方面作用，但离运行的实际情况和要求有一定距离，给机组整体运行带来许多不便或不利，有些是设计标准不能满足现时要求。

本文提出一些带有普遍性、实际也有进一步完善和优化余地的问题进行分析探讨，供同行磋商并在新建和改造工程设计时参考。

1 工艺系统问题1．1 配中储制粉系统锅炉一次风管的布置300MW机组四角喷燃的锅炉，有不少配用中储式制粉系统，通常设置2个煤粉仓，5层20个喷燃器对应的一次风管按喷燃器的层分仓配置，各仓供10个喷燃器的煤粉，即甲粉仓供A、B层，乙粉仓供D、E层，C层4个喷燃器则由甲乙粉仓各2个供粉。

据与设计单位探讨，这样配置的好处是粉仓和喷燃器层(组)大部分有对应性。

特别是一个粉仓在检修时，另一个粉仓理论上可保证机组半负荷以上运行。

实际上这些好处对于中储式制粉系统的锅炉没有实质性意义，因为各喷燃器和给粉机一一对应，相互独立，控制回路也具有独立性，而各自的工作状态及给粉特性是只要煤粉仓有煤粉，与在哪个仓无关：另一方面，煤粉仓本身故障概率极小，假如出现单仓故障情况，实际也不一定能保证锅炉能半负荷运行，因此这样布置不具有必要性和充分性。

但这种布置存在的问题很多，给机组长期运行带来极为不利的影响。

(1)分仓布置一次风管走向如图l(a)所示。

对于同层喷燃器，一次风管携粉段的长度都不相同，加之增加不少弯头，数量又不等，使同层一次风动态调平极难。

无论在任一工况点上调平，只要一次风总管的风压、锅炉负荷或给粉量变化，都会引起各管风速以不同的数值变化，破坏原有的平衡。

又因为一次风管只设风压不设流速测量，因此在变工况后，依据风压动态调平同层一次风速几乎不可能，这是锅炉长期运行燃烧调整的难题。

(2)20根一次风管有8根要在炉前水平交叉，其中4根则要绕炉半周以上，最长的可达60m且至少有7个弯头，管道阻力极大。

为将一次风冷态调平，短管道一次风管在总风箱出口处的束流孔要调得很小，人为增加管道阻力。

由于管道总阻力大，一次风机能量一部分要损失在其上，因此在燃烧过程中明显会感到一次风力不足，往往造成一次风管道积粉堵塞，引发严重事故；另一方面，长线路多弯头造成的管道阻力和机械节流产生的管道阻力，在动态过程中变化差异极大，人为的动态调整不仅困难，效果也不好。

负荷变动越多，越困难。

(3)喷燃器出口着火点和火焰中心区在变负荷过程中前后移动，造成喷燃器火焰检测装置检火可靠性差，特别是低负荷时FSSS投入可靠性降低。

这是热控专业长期努力，实际无法根本解决的问题。

最根本的办法只能从一次风管道布置设计上完成。

如图1(b)所示，每个煤粉仓供锅炉一侧的喷燃器。

这样，一次风管道的总长度可减少到最小，整体管道阻力也会减至最小。

由于对称布置，炉同层左右侧喷燃器的一次风管道阻力具有对称相等的特点，同层同侧前后墙的喷燃器则只差一个10多米的水平距，通过管道的合理布置可调整到接近平衡，运行过程中同层一次风动态调整比传统布置少了许多不定因素，应较易调平。

一次风压头损失小、调节裕度大，风粉管中积粉堵管完全可避免。

实际上，这种布置方案不仅理论上可行，在多台炉传统布置方案中，C层喷燃器运行调整的实际状况，也可体现出上述特点，且不具有明鲜的缺点，配套的系统设计不需要大的变更。

对于已投产的机组或直吹式制粉系统，要进行这样的改进不可能，应考虑增设各一次风管道中风流速测量装置，为一次风动态调平和锅炉燃烧动态调整提供依据。

1．2 给水调整门的选用由于大型机组锅炉的给水泵采用调速泵，可在较低的转速下保证锅炉正常给水，因此，很多机组给水调整门的设置采用一个电动关断门(主给水门)并联一个15％锅炉容量的调整门(旁路调整门)设计方案。

从理论上讲，这一方案是可行的。

15％的锅炉额定给水量，已完全可进入单台给水泵的正常调整区内，2台给水泵运行也可通过再循环阀的配合满足给水泵都在正常工作区内。

更主要的是采用小流量调整门，比大流量门价格低得多，一次选用设备费用小，是个经济方案。

但这种配置在实际使用中，都造成机组启动过程中给水阀的切换难度极大，对有经验的一组运行人员，通过给水泵调速，开主给水门，关闭调节阀、开关汽包事故放水门等配合，在特定负荷段内完成给水阀的切换；否则将造成汽包缺水或满水，使锅炉频繁事故掉闸。

为解决这一问题，大都将主给水阀改为点动控制方式，使其具有调节作用。

配合旁路调节阀，泵调速和特定的机组负荷段，在较长时间内完成给水阀切换，可另外增加或换用30％的旁路门。

因此，这一配置方案并不实用。

虽然一次性设备选择可节约一笔可观费用，但在实际使用中，要以牺牲主给水门的寿命以增加二次投资做代价。

在一些锅炉上换用30％的旁路调节门或再并一个辅助调整门后，给水阀切换方式、切换条件大为简化，极为方便。

因此，合理的方案应是旁路调节阀流量选用锅炉给水量的30％为好，对运行操作要求低，提高了切换可靠性，也为实现全程给水控制奠定了基础。

2．1 FSSS的吹扫逻辑在锅炉安全监视系统FSSS中，有一炉膛吹扫功能。

在发生MFT动作后，要关闭所有燃料系统，适度开启二次风门，用引风机、送风机进行炉膛通风5min，保证将炉膛中未燃的悬浮煤粉及油雾抽出炉膛，防止锅炉再点火时爆燃破坏炉膛。

通常的设计逻辑简示为图2(a)任一信号使MFT动作后，首先要将锅炉调整到具备点火的条件，再延时吹扫5min，复归MFT重新点火。

但在这样的逻辑限制下，炉膛的实际吹扫时间远大于5 min。

如汽包水位低MFT动作，这时送引风机运行、二次风门开，燃料系统关闭，吹扫条件是完全满足的。

如果5—10min内调整汽包水位到正常值，锅炉实际已吹扫5-10 min，只是人为没有算吹扫。

这时再进行5 min的吹扫计时，炉膛实际吹扫时间是10-15 min；如果在5 min 计时内，冷风吹扫炉膛使锅炉内继续冷却，汽包水位再次低到MFT动作值，重新进行一次上述工作，时间会更长。

设置吹扫唯一目的是抽掉炉内悬浮燃料，但冷风吹扫对锅炉金属会产生较大的热应力，锅炉蓄热会大量损失等，这是吹扫的负作用，显然是不希望的。

对此，有的取消了吹扫功能、有的强制复归MFT等，实际上都不是可取的办法。

建议采用如图2(b)简示的逻辑框图。

只要吹扫条件满足，不管MFT动作的其它条件是否正常，自动进行吹扫计时，吹扫结束，记忆结果。

只要每次MFT动作后，没有重新点火(打开主油阀)，无论MFT是否再次动作，吹扫结果有效。

等待其它点火条件满足，或其它条件满足后，等待5 min吹扫结果，允许复归MFT重新点火，既保证炉内悬浮燃料抽净，又使冷风实际吹扫时间最短，对数台锅炉修改后运行人员亦乐于接受。

2．2 MFT动作联汽轮机掉闸传统设计方案中，MFT动作要联动汽轮机掉闸。

从防止汽轮机进汽温度变化过大，进湿蒸汽或带水角度说，这样做非常可靠。

特别是对于无人值班或一人值班运行的单元机组，无法进行配合有效抢救操作的情况下，是很适用的。

但如果按正常配备运行人员的单元机组，从机组整体运行、寿命损耗包括对电网的冲击来讲，实际上不够合理。

如果锅炉灭火后汽轮机掉闸，由于锅炉蓄热较大，首先要有短时超压过程，同时旁路自动打开，大量泄掉能量，锅炉参数较快下降直到再次冲转方可关闭旁路，这对于锅炉显然有害。

对于汽轮机，负荷甚至满负荷突然掉闸甩负荷时，汽轮机轴系必然产生强烈的扭应力，由于惯性又带动汽轮机进行一次超速过程。

对电网来说，在机组突然甩负荷，网内局部区域内潮流梯度极大，不仅引起电源品质降低，对网架薄弱的电网，还可能造成电网不稳定。

从上述分析中可看出，这种保护联锁方式过于保守和苛刻，很难在实际运行中发挥作用。

因此大多数机组都去掉了这一联动关系。

因为大机组锅炉炉膛火焰有工业电视监控，MFT动作后又有特殊的声光报警信号，一旦锅炉灭火运行人员立即手动降低汽机负荷，直至最低负荷3-5 MW，并维持汽温不变。

炉侧则尽快恢复锅炉点火，通常6-15 min可恢复锅炉点火，30 min内可以投煤粉燃烧。

针对这一运行方式，查看数台炉多次灭火后的运行记录，并进行试验，典型变化过程曲线如图3所示。

锅炉灭火后4-12s内手动开始减负荷，约1-2 min减到最小值，主蒸汽温度在10min内变化5-15℃，20min汽温变化最大13-27℃。

调速级后的温度变化极小，汽轮机振动、胀差、轴位移无异常；锅炉型式不同，汽温变化有所差异，低循环倍率塔式锅炉比汽包锅炉汽温变化要多3~4℃。

通常6-15 min可恢复点火，最长的21 min汽温下降29℃。

锅炉点火后汽温仍有一下降过程为1—3℃，然后开始回升，恢复正常。

从实际操作的统计结果看，这种运行方式是可行的，对机组损害较小，恢复时间很快，如果把FSSS吹扫逻辑如前述修改后，实际平均点火恢复时间会更短。

汽温变化将控制在更小范围。

为防止人为操作有误，对这种运行方式设厂后备联锁保护项目，作为安全界限。

联锁保护逻辑原理如图4所示.这一保护逻辑综合了各方面安全需要，对汽轮机的安全有足够裕度。

即使在特殊情况下，人的操作有延误，对汽轮机仍是安全的。

对锅炉的永久故障灭火后，用先降负荷后打闸的方法停机也有好处。

还应注意，对于纯直流锅炉则应当进行相应试验，确定延时时间，汽轮机电调或同步器手动操作速率应设在200~300MW／min范围内。

我国大型机组在完成基建调试工作和连续168 h联合试运转后，按照《火力发电厂基本建设工程启动及竣工验收规程(96版)》的规定，要转入半年试生产期间的性能调整和考核试验阶段。

此间要对机组进行全面的性能考核试验，考核设备制造厂的设备性能保证和基建期间施工、调试的完好程度。

然而，目前机组的设计，不考虑性能试验测点，造成后期试验单位在进行性能试验时，一部分要借用运行监视测点，运行点没有的要重新设计安装测点，不可能重新安装的要用其它参数间接代替性能试验规定用的参数。

从近几年实际试验情况看，确实有很多问题。

首先借用运行监视测点，有些重要的测量项目不一定能满足性能试验精度要求，试验结果如有偏差，各方会有争议，原因说不清，试验结果很难产生权威效力，减弱了性能试验的意义。