600 MW超临界锅炉带循环泵启动系统的控制设计与运行

      综观世界锅炉制造商,直流锅炉的启动系统不管其形式如何变化,一般可分为内置式和外置式两种,而内置式启动系统又可分为扩容器式、疏水热交换式及循环泵式,对于带循环泵启动系统,就其布置形式有并联和串联两种。本文主要介绍600 MW超临界参数锅炉所带循环泵启动系统,而且循环泵与给水泵为串联布置的启动系统的工作原理、控制思想及运行特点,锅炉最低直流负荷不大于30 %BMCR。
    锅炉的主要设计参数(锅炉型号:SG1953P25.402M95X) 见表1。

1  带循环泵启动系统的组成
      在锅炉的启动及低负荷运行阶段,炉水循环确保了在锅炉达到最低直流负荷之前的炉膛水冷壁的安全性。当锅炉负荷大于最低直流负荷时,一次通过的炉膛水冷壁质量流速能够对水冷壁进行足够的冷却。在炉水循环中,由分离器分离出来的水往下流到锅炉启动循环泵的入口,通过泵提高压力来克服系统的流动阻力和省煤器最小流量控制阀(V2507) 的压降,水冷壁的最小流量是通过省煤器最小流量控制阀来实现控制的,即使当一次通过的蒸汽量小于此数值时,炉膛水冷壁的质量流速也不能低于此数值。炉水再循环提供了锅炉启动和低负荷时所需的最小流量,选用的循环泵能提供锅炉冷态和热态启动时所需的体积流量,在启动过程中,并不需要像简单疏水扩容器系统那样往扩容器进行连续的排水,循环泵的设计必须提供足够的压头来建立冷态和热态启动时循环所需的最小流量。从控制阀出来的水通过省煤器,再进入炉膛水冷壁,总体流程见图1。在循环中,有部分的水蒸汽产生,然后此汽水混合物进入分离器,分离器布置靠近炉顶,这样可以提供循环泵在任何工况下(包括冷态启动和热态再启动) 所需要的净吸压头,分离器的较高的位置同样也提供了在锅炉初始启动阶段汽水膨胀时疏水所需要的静压头。
在图1 启动系统中,循环泵和给水泵是串联布置,这样的布置具有以下优点:
(1) 进入循环泵的水来自下降管或锅炉给水泵或同时从这两者中来。这样的布置使得在各个启动过程中,总是有水流过循环泵,泵的流量恒定,无须设置任何最小流量的循环回路及其必须的控制设备。
(2) 锅炉给水的欠焓可增加循环泵的净吸压头。当分离器由湿态转向干态时,疏水流量为零,但此时循环泵能从给水管道中得到足够的流量,可保证分离器平滑地从干态转向湿态,无须在此时进行循环泵的关停操作。

2  带循环泵系统的优点
与简单疏水扩容启动系统相比,带再循环泵系统具有如下优点:
(1) 可降低给水泵在启动和低负荷运行的功率。
(2) 启动和低负荷运行时,不但能回收全部工质,还可100 %回收疏水热量。
(3) 由于带再循环泵系统分离器的水位控制是通过与汽机蒸汽流量相关的给水控制来完成的,在通常情况下,不需要使用启动系统的排放阀门,这样可以减小系统的热量和工质的损失。
(4) 带泵的启动系统与简单疏水型启动系统相比,能够回收更多的热量,同时也可减小工质损失,炉水再循环确保了炉水本身所带的热量都回到炉膛水冷壁,在启动的大部分时间内,几乎没有什么热损失和工质损失。带泵的启动系统与疏水型启动系统在排放水量上有巨大区别,后者在锅炉整个启动过程中,从炉膛水冷壁来的水被连续地排放导致了大量的热损失和工质损失,与此相比,带泵的启动系统只需要在锅炉启动的早期汽水膨胀阶段排水到扩容器中,在此时间段,由于排放的水是处于大气压力下的饱和水,所以热损失很小,而且排放水的焓值也较低,不会有工质在扩容器中被蒸发掉。
      简单疏水型启动系统是通过给水泵来提供必须的水冷壁最小流量,而带泵的启动系统则是通过循环泵来实现的,对于疏水型的启动过程,所有最小流量的水都在炉膛中被加热,没有蒸发成水蒸气的部分则携带着从炉膛吸收的热量被排到扩容器中,带泵的启动系统由于很小的排放水量,其热损失也很小,其启动过程中总的热损失约为疏水型启动系统的3 %。由于带循环泵的启动系统在启动的整个过程中能100 %吸收疏水热量,可有效缩短冷态和温态启动时间,相比于简单疏水扩容启动系统,当冷态启动时,点火至汽机冲转时间可缩短70～80min ;温态启动可缩短10～20 min ,该系统更适合于频繁启动、带循环负荷和二班制运行机组。
循环系统采用1 台湿式马达启动泵,型式与常规亚临界控制循环的炉水循环泵基本相同,但泵只有一个出口(控制循环泵有两个出口) ,泵的扬程也要比控制循环泵高的多。
3  锅炉循环泵启动系统的控制
      当锅炉最初启动没有蒸汽产生时,给水泵可以不带负荷,此时进入省煤器和蒸发器的水完全来自分离器的疏水;一旦有蒸汽产生,分离器中的水位开始下降,给水泵需启动补充给水,控制原理见图2 ,以维持分离器水位,而此时进入省煤器和蒸发系统的流量发生变化由纯粹的疏水变成给水和疏水的混合物,这样的状态一直要维持到最低直流负荷,在该负荷以上锅炉进入直流运行方式,进入蒸发器的水全部变成蒸汽,而省煤器和蒸发器的流量完全来自于给水。

3. 1  启动系统运行方式
      在湿态运行状态下,给水是通过分离器的水位和蒸汽量来控制,其控制方法类同亚临界控制循环锅炉,分离器的水位需要连续地监视。为了防止启动初期阶段汽水膨胀时分离器水位过高,饱和水进入过热器,除了给水控制水位外,还设置了大气扩容式系统,在扩容器进口设置有两个高水位调节阀(HWL21P2) ,其功能与简单疏水启动系统相同,另外当循环泵发生故障时,该系统也能启动锅炉,只是工质和热量损失较多。

从水位控制到温度控制的切换过程在维持省煤器和蒸发器最小流量的同时,对于燃烧率的控制也是很重要的,在湿态运行期间,省煤器和蒸发器中的流量保持恒定值,此时燃烧率要渐渐地增长以满足产汽量的要求。当负荷增长时,为了维持分离器中的压力,燃烧率也要相应增长,在整个湿态运行过程中,分离器中的压力需要一直监视,而燃烧率的增长通过分离器的温度来体现。
      最低直流负荷是启动系统的隔离点和锅炉进入干态运行的起始点,在此负荷以下,当燃烧率增长的时候,省煤器和蒸发器中的流量却是固定不变的。在最低直流负荷点,燃烧率和给水量达到一个预先设定的点。
      当逼近最低直流负荷时,分离器水位消失进入干态,此时蒸汽温度控制投入使用。在切分期间,以分离器出口蒸汽温度作为导前控制点,为了避免温度控制失效重新使启动系统投入运行,分离器出口蒸汽焓值要保持一定的过热度是很重要的,同时锅炉负荷应按升速率直接通过最低直流负荷点,过热度决定于汽机冲转时的压力,对于一台已设计的锅炉,冷态启动汽机冲转时的压力为8. 4 MPa ,过热温度约15 ℃。在直流方式运行时,通过控制煤水比来调节分离器出口温度,根据锅炉性能计算,在BRL 工况下当燃料量及给水温度不变时,分离器出口蒸汽温度改变±1 ℃,相应的给水量改变约±10 tPh ,才能维持分离器出口蒸汽温度基本不变。在BRL 工况下当给水量及给水温度不变时,分离器出口蒸汽温度+ 1 ℃,相应的燃料量(低位发热量约23400 kJPkg) 改变约- 1. 2tPh ,才能维持分离器出口蒸汽温度基本不变。
图3 表明由锅炉给水自动控制分离器水位,负荷逐渐增加,一直到纯直流负荷方式后切换到温度自动控制方式的过程。

 

图3  从水位控制到温度控制的切换过程
      在第一阶段以前,按照冷态、温态、热态及极热态启动方式,顺序启动锅炉及相关的锅炉辅机,循环泵启动系统投运;分离器水位由控制锅炉母管给水流量来实现。
      第一阶段:省煤器入口的给水流量保持在某个最小常数值;当燃料量逐渐增加时,随之产生的蒸汽量也增加,从分离器下降管返回的水量逐渐减小,锅炉给水流量应逐渐增加,以保证省煤器入口的给水流量保持在某个最小常数值,此时分离器入口的湿蒸汽的焓值增加。
①点:分离器入口蒸汽干度达到1 ,饱和蒸汽流入分离器,此时没有水可分离,锅炉给水流量(FE0) 等于省煤器入口的给水流量(FE1) ,但仍保持在某个最小常数值。
切换阶段:省煤器入口的给水流量仍不变,燃烧率继续增加,在分离器中的蒸汽慢慢地过热(此时分离器压力不变) ,分离器出口实际温度仍低于设定值,温度控制还未起作用。所以此时增加的燃烧率不是用来产生新的蒸汽,而是用来提高直流锅炉运行方式所需的蒸汽蓄热。
②点:分离器出口的蒸汽温度达到设定值,进一步增加燃烧率,使温度超过设定值。第二阶段:进一步增加燃烧率,给水量也相应增加,锅炉开始由定压运行转入滑压运行,温度控制系统投入运行,由“煤水比”控制分离器出口的蒸汽温度及分隔屏出口的一级喷水减温器的前后温差,该温差是锅炉负荷的函数,当锅炉主蒸汽流量增加至设定值,锅炉正式转入干态运行。
      在干态自动方式时,循环泵自动停,循环泵停运后,电动阀(V2503) 自动关闭。在完成切换后,循环泵与给水泵串联运行,此时如将循环泵停运,由于循环泵提升压头的消失,会产生压力扰动,不利于锅炉安全运行。若循环泵仍保持运行,随着锅炉负荷上升,省煤器进口给水流量增加,循环泵通流量也增加,循环泵出口的调节阀前后压差增加,当循环泵通路的阻力超过给水母管止回阀压差,止回阀通路打开,二路并行工作,随着锅炉负荷进一步上升,循环泵出口的调节阀前后压差进一步增加,会使泵的提升压头对循环泵通路趋向于零,此时循环泵停运,可避免压力扰动,根据循环泵的具体运行特性,循环泵通路提升压头趋向于零的负荷一般要求大于45 %BMCR。

3. 1. 2  从温度控制到水位控制的切换
      图4 表明负荷降低,从纯直流锅炉方式后切换到启动运行方式,由温度控制切换到水位控制的过程。
第一阶段:锅炉负荷指令同时减少燃烧率和给水流量,锅炉处于滑压运行,温度控制系统投入运行;当锅炉主蒸汽流量降至设定值以下,干态信号消失。
①点:给水流量达到最低直流负荷流量。
切换阶段: 给水流量仍不变,燃烧率继续减小,在分离器中的蒸汽过热度降低,开始有水分离出。

②点:蒸汽过热度完全消失,流入分离器的蒸汽呈饱和状态,由“煤水比”控制分离器出口的蒸汽温度及分隔屏出口的一级喷水减温器的前后温差回路切除。
      第二阶段: 进一步减小燃烧率,给水流量不变,分离器入口蒸汽湿度增加,分离器中开始积水,当分离器水位上升到一定高度,循环泵启动条件之一满足,当给水母管流量( FE0) 小于设定值时,控制系统能自动切换为湿态运行,则电动阀(V2503) 会自动或手动开启;当V2504PV2508 在全开位且分离器水位大于1 米,手动或顺控启动循环泵,水位控制开始动作,水位由锅炉给水自动调节。
      第二阶段以后,随着负荷的降低,蒸汽量减少,母管给水量也减少。从理论上讲,当产汽量为零时给水母管给水可为零,但实际工程应用中,母管给水量应保持约为5 %BMCR 不变,直到停炉。当循环泵系统故障解列,分离器水位会上升,当分离器水位上升到一定高度,调节阀(HWL21PHWL22) 会自动调节分离器水位在规定值以内;当分离器水位上升到MFT设定值,锅炉跳闸。

3. 2  循环泵的控制
      循环泵随给水泵后启动,再循环泵出口设置有一个控制省煤器进口最小流量的调节阀(V2507) ,该调节阀是通过测量得到的省煤器进口流量(FE1) 与最小流量比较信号和测量的循环泵压差(DPT) 与设定压差的比较信号来控制(见图2) ,这样的控制,既可保证省煤器的最小流量要求,又可以保护循环泵。
4. 2. 1  循环泵的启动条件
(1) 冷却水流量满足; (2)V2504 开; (3)V2508开; (4) 省煤器进口给水流量大于循环泵自身启动设定值或分离器水位大于设定值且电动阀(V2503) 已开; (5) 无停循环泵指令。
当上述循环泵的启动条件全部满足后,则发指令要求循环泵出口的调节阀(V2507) 的开度满足循环泵最小流量; 当循环泵出口的调节阀(V2507) 的开度已满足循环泵最小流量要求,则如下任一指令可开启循环泵:
(1) 机组顺控要求启动循环泵;
(2) 自动湿态方式启动循环泵;
(3) 运行人员启动循环泵。
4. 2. 2  循环泵的跳闸条件
(1) 循环泵已启,但差压小于设定值;
(2) 电机腔温度大于设定值;
(3) 电动阀V2504 关;
(4)电动阀V2508 关。
当循环泵启动后,如下任一指令自动停运循环泵:
(1) 机组顺控要求停运循环泵;
(2) 自动干态方式停运循环泵;
(3) 运行人员停运循环泵;
(4)电气故障停运循环泵;
(5) 循环泵已启但省煤器进口给水流量小于循环泵要求的最小设定值停运循环泵。
4. 3  分离器下降管电动阀V2503 的控制
满足如下任一条件且没有“关”指令时开V2503 电动阀:
(1) 当自动湿态方式;
(2) 手动按钮;
(3) 机组顺控要求。
满足如下任一条件关系时关闭电动阀V2503
(1) 自动干态方式且循环泵已停;
(2) 手动按钮且循环泵已停。
4. 4  循环泵进口电动阀V2504 的控制
满足如下任一条件且没有“关”指令时开启电动阀V2504 :
(1)MFT;
(2) 手动按钮;
(3) 机组顺控要求。
满足如下任一条件时关闭电动阀V2504 :
(1) 循环泵跳闸;
(2) 手动按钮且循环泵已停。
4. 5  循环泵出口电动阀V2508 的控制
  满足如下任一条件且没有“关”指令时开启电动阀V2508 :
(1)MFT;
(2) 手动按钮;
(3) 机组顺控要求。
满足如下任一条件关电动阀V2508 :
(1) 循环泵跳闸;
(2) 按手动按钮且循环泵已停。
4. 6  电动隔离阀V2512PV2515 的控制
满足如下任一条件且没有“关”指令时开启电动阀:
(1) MFT;
(2) 手动按钮;
(3) 自动湿态方式;
(4) 主蒸汽流量小于x %BMCR ;
(5) 分离器水位大于1 m。
满足如下任一条件关电动阀:
(1) 主蒸汽流量大于xx %BMCR ;
(2) 按手动按钮且主蒸汽流量大于yy %
BMCR ;
(3) 按手动按钮且给水泵全停且循环泵停且火检无火。
5  结 语
带循环泵的启动系统由于能适应频繁启动、带循环负荷和二班制运行等优点,随着带该系统的大容量超(超) 临界机组锅炉商业应用增多,理解该系统的控制工艺和运行方法具有明显的应用价值。