2×600MW超临界机组热工控制系统的研究

随着我国电力事业的发展，'降低机组每千瓦设备费用、基建投资、'运行维护管理费用，提高机组的经济效益越来越引起人们的重视。而近一、两年来，国家采取或正在实行的将厂、网分开，竞价上网的措施，又促使人们尽量采用先进技术，达到提高机组运行的安全经济性。新建机组的蒸汽参数提高到超临界，则是提高机组热效率的有效方法之一。 工业国家的研究及实践证明，无论从对电网调峰要求的适应能力(尤其是两班制调峰运行)，还是机组正常运行时变负荷能力，快速启／停能力，可用率以及机组的经济性，超临界机组都要优于亚临界机组。研究报告表明，对600MW机组，若将蒸汽压力从亚临界参数(16.9Mpa、538℃)提高到超临界参数(24.6Mpa、538℃)，则机组的热效率将提高1.7 %；若再将再热蒸汽温度从538℃提高到566℃，则机组的热效率又能提高0.8％。 因此，有必要对超临界机组的特点从设计、制造、运行等方面进行研究。近年来，我国先后从美国、德国、前苏联等国引进了一批超临界机组，如石洞口二厂(2×600MW)、营口发电厂(2×300MW)、绥中发电厂(2×800MW)等。这些电厂的安装、调试及运行对我国研究、设计、制造超临界机组将有极大的帮助。 本文正是本着这样的观点，浅显地论述超临界锅炉所特有的与热工控制有关的启动及运行调节特点。 1超临界锅炉  自然循环锅炉其蒸发受热面中工质的流动是依靠下降管和上升管之间工质的密度差来进行的。随着锅炉容量的增大，特别是压力的提高，大大增加了自然循环和汽水分离的困难。因为根据水蒸汽性质，压力愈高，汽水密度差愈小，所以自然循环形成就愈困难和愈不可靠，特别当压力达到甚至超过临界压力时，自然循环无法形成。在此情况下，锅炉蒸发受热面中工质的流动只有依靠外来能量(水泵)来进行，超临界锅炉就是这种依靠外来能量建立强迫流动的锅炉。 1.1 直流锅炉的工作原理和特点  直流锅炉的工作原理如图l所示，我们把水在沸腾之前的受热面称为加热段；水开始沸腾(x=0)至全部变为于饱和蒸汽(x=1.0)的区段为蒸发段，蒸汽开始过热至额定的过热温度称为过热段。直流锅炉蒸发受热面中工质的流动全部依靠给水泵的压头来实现。给水在给水泵的压力作用下，顺次连续流过加热、蒸发、过热各区段受热面，一次将给水全部加热成过热蒸汽。故直流锅炉在稳定流动时给水量应等于蒸发量。直流锅炉的结构与自然循环 锅炉不同，它没有汽包。所以加热、蒸发和过热各区段之间就不像汽包锅炉那样有固定分界点。图1中的曲线表示沿管子长度工质的状态和参数大致的变化情况：在加热段，水的焓和温度逐渐增高，比容略有加大，压力则由于流动阻力而有所降低：在蒸发段，由于水的蒸发而使汽水混合物的焓继续提高，比容急剧增加，压力降低较快，相应的饱和温度随压力的 降低而降低；在过热段，蒸汽的焓、温度和比容均在增大，压力则由于流动阻力较大而突降 。在锅炉运行中，无论何种原因引起工况变动，都可能影响汽水管道内各点的工质参数，从而改变了加热、蒸发和过热三区段的长度。这一情况便决定了直流锅炉一系列主要的工作特性。其中，直流锅炉的启动系统及其蒸汽参数调节的特殊性对机组的控制系统有比亚临界汽包锅炉的控制系统更复杂的要求。

1.2 超临界锅炉类型  超临界锅炉的类型从水冷壁的结构型式分有许多类型。但这里只从与热工控制有关的启 动系统型式来分类，即按分离器在正常运行时是参与系统工作，还是解列与系统之外，分为 内置式分离器启动系统和外置式分离器启动系统两大类型。 1.2.1 外置式分离器启动系统  图2为LP型直流锅炉外置式分离器启动系统。其中过热器旁路为外置式启动分离器系统，汽轮机为两级旁路系统。低温过热器与高温过热器之间串隔离阀200及其旁路调节阀门20l 。低温过热器进口和出口各有一管路通至启动分离器。低温过热器进口至启动分离器管路上装有节流管束16、隔离阀门203和节流调节阀门202：低温过热器出口至启动分离器管路上装有调节阀门207。高温过热器进口、200阀门之后有一管路与启动分离器汽侧连接，在管路上装有隔离阀门205。在启动分离器上还接有汽水工质热量回收系统，汽侧至除氧器调节阀门230、至凝汽器调节阀门240、至高压加热器调节阀门220，水侧至除氧器调节门231、至凝汽器调节阀门241、至地沟调节阀门250。 外置式分离器启动系统解决了锅炉汽轮机启动工况不同要求的矛盾，它即能保证锅炉的启动压力和启动流量，又能送给汽轮机需要的一定流量、压力与温度的蒸汽，还能回收启动中排放的工质和热量。外置式分离器只是在启动初期投入运行(阀门200关闭，205开启，202 ，207调节)，待发展到一定阶段就要从系统中切除(开200阀门，关205、202、207阀门)，故又称为"启动分离器"。 图3为FW型直流锅炉两级压力的外置式分离器启动系统。它在水冷壁出口和低温过热器之间串联w、Y减压阀门，低温过热器之与高温过热器之间串联隔离阀门V，阀门V的进口和出口通过P、N阀门与立式启动分离器连接。分离器水、汽侧还连接热量和工质回收系统。该系统的启动特点与上述UP型直流锅炉的外置式分离器系统基本相同。 1.2.2 内置式分离器启动系统  1.2.2.1 螺旋管圈直流锅炉内置式分离器启动系统  螺旋管圈直流锅炉都设有内置式分离器，螺旋管圈型水冷壁适宜变压运行，分离器与水冷壁、过热器之间的连接无任何阀门。在35％MCR负荷以下，由水冷壁进入分离器的为汽水混合物，在分离器中进行汽水分离，蒸汽直接送入过热器，分离器疏水通过疏水系统回收工质、热量或排放大气、地沟。当负荷>35％MCR时，由水冷壁进入分离器的工质为蒸汽，分离器只起通道的作用，蒸汽通过分离器进入过热器。 分离器疏水系统有三种类型，见图4，扩容式(a)图、疏水热交换器式(b)图和辅助循环泵式(c)图。下面进行说明。 扩容式疏水系统如图4(a)所示，分离器疏水水质合格时通过AND阀门排入除氧器水箱回收工质和热量：当分离器大流量疏水(如工质膨胀峰值)或水质不合格时疏水通过AA阀门排入大气式扩容器4，扩容器的疏水可回收入凝汽器或排放地沟。

1-省煤器、水冷璧；2-低温过热器；3-高温过热器；4-汽轮机高压缸；5-汽轮机中低压缸；6-凝汽器；7-凝

结水泵；9-凝结水除盐装置；10-凝升泵；11-低压加热器；12-除氧器及水箱；13 -给水泵；14-高压加热器；15-启动分离器；16-节流管束；17-地沟；18-高压旁路；19-低压旁路

1-省煤器；2-低温过热器；3-高温过热器；4-再热器；5-汽轮机；6-凝汽器；7-分离器；8-汽轮机旁路；9-低压加热器；10-除氧器；11-给水泵；12-高压加热器 疏水热交换器式系统如图4(b)，分离器疏水通过热交换器加热给水回收热量：通过热交换器后的合格疏水可由AND阀门排人除氧器。除氧器热量饱和时由AA阀门排入凝汽器，水质不合格时也通过AA阀门排入凝汽器；为了适应工质膨胀峰值大流量疏水的需要，设置一热水热交换器旁路，以减小排放阻力。 辅助循环泵式系统如图4(c)。分离器疏水质量合格时通过辅助循环泵打入给水系统，维持水冷壁最低质量流速，减少给水流量；当疏水不合格时可通过扩容器排放或送入凝汽器。

(a)扩容式；(b)疏水热交换器式；(c)辅助循环泵式 1-汽轮机；2-水冷璧；3-分离器；4-扩容器；5-热交换器；6-再循环泵；7-过热器；8-再热器 我国第一台600MW超临界螺旋管圈型直流锅炉(石洞口二厂)配置的就是内置式分离器扩容式启动系统，100％MCR高压旁路和65％MCR低压旁路，过热器出口不装安全阀门，再热器进出口装100％MCR安全阀门。该系统如图5所示。

1-水冷璧；2-汽水分离器；3-低温过热器；4-高温过热器；5-汽轮机；6-再 热器；7-凝汽器；8-凝结水泵；

9-凝结水除盐装置；10-低压加热器；11-除氧器及给水箱；12-给 水泵；13-高压加热器；14-疏水箱；15-疏水扩容器；16-汽轮机旁路减温减压器，高压 旁路100%MCR，低压旁路65%MCR 系统中AA，AN及ANB阀门用以排放分离器疏水，三阀门的功能有所不同，AA阀门可把大量疏水排入疏水扩容器，保证膨胀峰值流量排放：AN阀门可辅助AA反门排放疏水， 当AA关闭时，AN与ANB共同控制分离器水位；ANB阀门把疏水排入除氧器，回收工质和热量。 1.2.2.2 FW型直流锅炉内置式分离器启动系统  为了适应机组带中间负荷频繁启动的要求，FW型直流锅炉也有其自己特点的内置式分离器启动系统，如图6所示。 该系统与图3一样，仍有减压阀门w、Y，但取消了隔绝阀门V。在减压阀门出口设置一组内置式分离器7，其蒸汽送往过热器2和3、疏水送入扩容器8，汽水工质与热量回收系统连接于扩容器。该系统同样在正常运行时分离器不切除而成为通道，该系统阀门少，启动操作简单，并容易实现自动化。

1-省煤器与水冷璧；2-低温过热器；3-高温过热器；4-再热器；5-汽轮机；6-凝汽器 ； 7-内置式分离器；8-扩容器；9-凝结水泵；10-低压加热器；11-除氧器及水箱 ； 12-给水泵；13-高压加热器；14-凝结水除盐装置；15-汽轮机旁路 1.3 超临界锅炉启动特点  如上所述，超临界锅炉与亚临界自然循环锅炉的结构和工作原理不同，因此，启动方法也有较大的差异。超临界锅炉与自然循环锅炉相比，有如下启动特点： 1.3.1 需要设置专门的启动旁路系统  直流锅炉在启动、停炉或事故情况下，都必须使用启动旁路系统。其目的在于冷却锅炉受热面、排走不合格的工质，回收工质和热量、保护再热器等，它对直流锅炉的启、停，起到安全和经济的保证作用。 汽包锅炉在启动前，汽包水位保持在点火水位，在相当长的升火时间内不需要向锅炉补充给水。水冷壁可依靠工质的自然循环来冷却：省煤器处在低温烟道内，不一定需要冷却，如需要冷却时，可以开启省煤器再循环管上的再循环门来保护省煤器：过热器可以用锅炉产生的蒸汽"排汽冷却"。由于汽包的水容积大，可允许有较长时间的排汽而不至使水位太低。在冷态启动时，汽包锅炉的工质开始是没有压力的，随点火后燃料量的增多，给水开始蒸发，压力逐渐升高，所以汽包锅炉的启动与升温升压同时进行的，是一个升温升压的过程 。 直流锅炉的启动特点则是在锅炉点火前就必须不间断地向锅炉进水，建立起足够的启动流量，以保证给水连续不断地强制流经有关受热面，使其得到冷却。有的直流锅炉甚至还采用全压启动。因此，直流锅炉的启动过程实质上是工质的升温过程。 汽包锅炉的汽包，在蒸汽生产过程中实际上是加热、蒸发和过热三阶段的大致分界点。而直流锅炉则不同，点火前，直流锅炉各受热面内全部是水，点火后，随着燃料量的增加，开始送出的是水，然后是湿蒸汽、饱和蒸汽和过热蒸汽，最后过热度才达到设计值。启动过程中，送出的工质状态不断发生变化，与之相对应的锅炉受热面由开始时全部作为加热段，当产生蒸汽后，全部受热面即分成加热和蒸发两区段，最后当锅炉出口的蒸汽过热后，全部受热面才分成加热、蒸发、过热三区段。 一般高参数大容量的直流锅炉都采用单元制系统 。在单元制系统启动中，汽轮机要求暖机、冲转的蒸汽在相应的进汽压力下具有50℃以上的过热度，其目的是防止低温蒸汽送入汽轮机后凝结，造成汽轮机的水击。因此，直流锅炉启动过程中最初排出的热水、汽水混合物、饱和蒸汽和过热度不足的过热蒸汽都不能进汽轮机，所以，直流锅炉就需要设置专门的启动旁路系统来排除这些不合格的工质。 另外，启动时的热量损失和凝结水耗量很大，设置启动旁路系统也是为了回收这部热量和工质，同时，在启动初期还可以通汽冷却再热器，使再热器得到保护。 1.3.2 需要配置汽水分离器和疏水回收系统  超临界锅炉运行在正常范围时，正如其名称所述，是运行在"纯直流"状态。锅炉给水靠给水泵压头直接流过省煤器、水冷壁和过热器。直流运行状态的负荷从锅炉满负荷到直流最小负荷，直流最小负荷一般为