MW超臨界鍋爐帶循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的控制設(shè)計與運行

1、600 MW超臨界鍋爐帶循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的控制設(shè)計與運行    日期：2005-09-26     來自：上海鍋爐廠有限公司梁國燦 摘要:介紹了帶循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的工作原理,并提出了控制設(shè)計方法及運行特點,供熱工控制工程師設(shè)計控制邏輯及調(diào)試工程師在現(xiàn)場調(diào)試時參考。作者簡介:梁國燦(1963 - ) ,男,高級工程師,畢業(yè)于哈爾濱科技大學(xué)電子技術(shù)專業(yè),現(xiàn)在上海鍋爐廠有限公司設(shè)計處從事鍋爐保護及控制的設(shè)計工作。綜觀世界鍋爐制造商,直流鍋爐的啟動系統(tǒng)不管其形式如何變化,一般可分為內(nèi)置式和外置式兩種,而內(nèi)置式啟動系統(tǒng)

2、又可分為擴容器式、疏水熱交換式及循環(huán)泵式,對于帶循環(huán)泵啟動系統(tǒng),就其布置形式有并聯(lián)和串聯(lián)兩種。本文主要介紹600 MW超臨界參數(shù)鍋爐所帶循環(huán)泵啟動系統(tǒng),而且循環(huán)泵與給水泵為串聯(lián)布置的啟動系統(tǒng)的工作原理、控制思想及運行特點,鍋爐最低直流負(fù)荷不大于30 %BMCR。    鍋爐的主要設(shè)計參數(shù)(鍋爐型號:SG1953P25.402M95X) 見表1。1 帶循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的組成      在鍋爐的啟動及低負(fù)荷運行階段,爐水循環(huán)確保了在鍋爐達到最低直流負(fù)荷之前的爐膛

3、水冷壁的安全性。當(dāng)鍋爐負(fù)荷大于最低直流負(fù)荷時,一次通過的爐膛水冷壁質(zhì)量流速能夠?qū)λ浔谶M行足夠的冷卻。在爐水循環(huán)中,由分離器分離出來的水往下流到鍋爐啟動循環(huán)泵的入口,通過泵提高壓力來克服系統(tǒng)的流動阻力和省煤器最小流量控制閥(V2507) 的壓降,水冷壁的最小流量是通過省煤器最小流量控制閥來實現(xiàn)控制的,即使當(dāng)一次通過的蒸汽量小于此數(shù)值時,爐膛水冷壁的質(zhì)量流速也不能低于此數(shù)值。爐水再循環(huán)提供了鍋爐啟動和低負(fù)荷時所需的最小流量,選用的循環(huán)泵能提供鍋爐冷態(tài)和熱態(tài)啟動時所需的體積流量,在啟動過程中,并不需要像簡單疏水?dāng)U容器系統(tǒng)那樣往擴容器進行連續(xù)的排水,循環(huán)泵的設(shè)計必須提供足夠的壓頭來建立冷態(tài)

4、和熱態(tài)啟動時循環(huán)所需的最小流量。從控制閥出來的水通過省煤器,再進入爐膛水冷壁,總體流程見圖1。在循環(huán)中,有部分的水蒸汽產(chǎn)生,然后此汽水混合物進入分離器,分離器布置靠近爐頂,這樣可以提供循環(huán)泵在任何工況下(包括冷態(tài)啟動和熱態(tài)再啟動) 所需要的凈吸壓頭,分離器的較高的位置同樣也提供了在鍋爐初始啟動階段汽水膨脹時疏水所需要的靜壓頭。在圖1 啟動系統(tǒng)中,循環(huán)泵和給水泵是串聯(lián)布置,這樣的布置具有以下優(yōu)點:(1) 進入循環(huán)泵的水來自下降管或鍋爐給水泵或同時從這兩者中來。這樣的布置使得在各個啟動過程中,總是有水流過循環(huán)泵,泵的流量恒定,無須設(shè)置任何最小流量的循環(huán)回路及其必須的控

5、制設(shè)備。(2) 鍋爐給水的欠焓可增加循環(huán)泵的凈吸壓頭。當(dāng)分離器由濕態(tài)轉(zhuǎn)向干態(tài)時,疏水流量為零,但此時循環(huán)泵能從給水管道中得到足夠的流量,可保證分離器平滑地從干態(tài)轉(zhuǎn)向濕態(tài),無須在此時進行循環(huán)泵的關(guān)停操作。2 帶循環(huán)泵系統(tǒng)的優(yōu)點與簡單疏水?dāng)U容啟動系統(tǒng)相比,帶再循環(huán)泵系統(tǒng)具有如下優(yōu)點:(1) 可降低給水泵在啟動和低負(fù)荷運行的功率。(2) 啟動和低負(fù)荷運行時,不但能回收全部工質(zhì),還可100 %回收疏水熱量。(3) 由于帶再循環(huán)泵系統(tǒng)分離器的水位控制是通過與汽機蒸汽流量相關(guān)的給水控制來完成的,在通常情況下,不需要使用啟動系統(tǒng)的排放閥門,這樣可以

6、減小系統(tǒng)的熱量和工質(zhì)的損失。(4) 帶泵的啟動系統(tǒng)與簡單疏水型啟動系統(tǒng)相比,能夠回收更多的熱量,同時也可減小工質(zhì)損失,爐水再循環(huán)確保了爐水本身所帶的熱量都回到爐膛水冷壁,在啟動的大部分時間內(nèi),幾乎沒有什么熱損失和工質(zhì)損失。帶泵的啟動系統(tǒng)與疏水型啟動系統(tǒng)在排放水量上有巨大區(qū)別,后者在鍋爐整個啟動過程中,從爐膛水冷壁來的水被連續(xù)地排放導(dǎo)致了大量的熱損失和工質(zhì)損失,與此相比,帶泵的啟動系統(tǒng)只需要在鍋爐啟動的早期汽水膨脹階段排水到擴容器中,在此時間段,由于排放的水是處于大氣壓力下的飽和水,所以熱損失很小,而且排放水的焓值也較低,不會有工質(zhì)在擴容器中被蒸發(fā)掉。   

7、;   簡單疏水型啟動系統(tǒng)是通過給水泵來提供必須的水冷壁最小流量,而帶泵的啟動系統(tǒng)則是通過循環(huán)泵來實現(xiàn)的,對于疏水型的啟動過程,所有最小流量的水都在爐膛中被加熱,沒有蒸發(fā)成水蒸氣的部分則攜帶著從爐膛吸收的熱量被排到擴容器中,帶泵的啟動系統(tǒng)由于很小的排放水量,其熱損失也很小,其啟動過程中總的熱損失約為疏水型啟動系統(tǒng)的3 %。由于帶循環(huán)泵的啟動系統(tǒng)在啟動的整個過程中能100 %吸收疏水熱量,可有效縮短冷態(tài)和溫態(tài)啟動時間,相比于簡單疏水?dāng)U容啟動系統(tǒng),當(dāng)冷態(tài)啟動時,點火至汽機沖轉(zhuǎn)時間可縮短7080min 溫態(tài)啟動可縮短1020 mi

8、n ,該系統(tǒng)更適合于頻繁啟動、帶循環(huán)負(fù)荷和二班制運行機組。循環(huán)系統(tǒng)采用1 臺濕式馬達啟動泵,型式與常規(guī)亞臨界控制循環(huán)的爐水循環(huán)泵基本相同,但泵只有一個出口(控制循環(huán)泵有兩個出口) ,泵的揚程也要比控制循環(huán)泵高的多。3 鍋爐循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的控制      當(dāng)鍋爐最初啟動沒有蒸汽產(chǎn)生時,給水泵可以不帶負(fù)荷,此時進入省煤器和蒸發(fā)器的水完全來自分離器的疏水;一旦有蒸汽產(chǎn)生,分離器中的水位開始下降,給水泵需啟動補充給水,控制原理見圖2 ,以維持分離器水位,而此時進入省煤器和蒸發(fā)系統(tǒng)的流量發(fā)生變化

9、由純粹的疏水變成給水和疏水的混合物,這樣的狀態(tài)一直要維持到最低直流負(fù)荷,在該負(fù)荷以上鍋爐進入直流運行方式,進入蒸發(fā)器的水全部變成蒸汽,而省煤器和蒸發(fā)器的流量完全來自于給水。3. 1 啟動系統(tǒng)運行方式      在濕態(tài)運行狀態(tài)下,給水是通過分離器的水位和蒸汽量來控制,其控制方法類同亞臨界控制循環(huán)鍋爐,分離器的水位需要連續(xù)地監(jiān)視。為了防止啟動初期階段汽水膨脹時分離器水位過高,飽和水進入過熱器,除了給水控制水位外,還設(shè)置了大氣擴容式系統(tǒng),在擴容器進口設(shè)置有兩個高水位調(diào)節(jié)閥(HWL21P2) ,其功能與簡單疏水啟

10、動系統(tǒng)相同,另外當(dāng)循環(huán)泵發(fā)生故障時,該系統(tǒng)也能啟動鍋爐,只是工質(zhì)和熱量損失較多。      從水位控制到溫度控制的切換過程在維持省煤器和蒸發(fā)器最小流量的同時,對于燃燒率的控制也是很重要的,在濕態(tài)運行期間,省煤器和蒸發(fā)器中的流量保持恒定值,此時燃燒率要漸漸地增長以滿足產(chǎn)汽量的要求。當(dāng)負(fù)荷增長時,為了維持分離器中的壓力,燃燒率也要相應(yīng)增長,在整個濕態(tài)運行過程中,分離器中的壓力需要一直監(jiān)視,而燃燒率的增長通過分離器的溫度來體現(xiàn)。      最低直流負(fù)荷是啟動系統(tǒng)的隔離點和鍋爐進入干

11、態(tài)運行的起始點,在此負(fù)荷以下,當(dāng)燃燒率增長的時候,省煤器和蒸發(fā)器中的流量卻是固定不變的。在最低直流負(fù)荷點,燃燒率和給水量達到一個預(yù)先設(shè)定的點。      當(dāng)逼近最低直流負(fù)荷時,分離器水位消失進入干態(tài),此時蒸汽溫度控制投入使用。在切分期間,以分離器出口蒸汽溫度作為導(dǎo)前控制點,為了避免溫度控制失效重新使啟動系統(tǒng)投入運行,分離器出口蒸汽焓值要保持一定的過熱度是很重要的,同時鍋爐負(fù)荷應(yīng)按升速率直接通過最低直流負(fù)荷點,過熱度決定于汽機沖轉(zhuǎn)時的壓力,對于一臺已設(shè)計的鍋爐,冷態(tài)啟動汽機沖轉(zhuǎn)時的壓力為8. 4 MPa ,

12、過熱溫度約15 。在直流方式運行時,通過控制煤水比來調(diào)節(jié)分離器出口溫度,根據(jù)鍋爐性能計算,在BRL 工況下當(dāng)燃料量及給水溫度不變時,分離器出口蒸汽溫度改變±1 ,相應(yīng)的給水量改變約±10 tPh ,才能維持分離器出口蒸汽溫度基本不變。在BRL 工況下當(dāng)給水量及給水溫度不變時,分離器出口蒸汽溫度+ 1 ,相應(yīng)的燃料量(低位發(fā)熱量約23400 kJPkg) 改變約- 1. 2tPh ,才能維持分離器出口蒸汽溫度基本不變。圖3 表明由鍋爐給水

13、自動控制分離器水位,負(fù)荷逐漸增加,一直到純直流負(fù)荷方式后切換到溫度自動控制方式的過程。圖3 從水位控制到溫度控制的切換過程      在第一階段以前,按照冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)及極熱態(tài)啟動方式,順序啟動鍋爐及相關(guān)的鍋爐輔機,循環(huán)泵啟動系統(tǒng)投運;分離器水位由控制鍋爐母管給水流量來實現(xiàn)。      第一階段:省煤器入口的給水流量保持在某個最小常數(shù)值;當(dāng)燃料量逐漸增加時,隨之產(chǎn)生的蒸汽量也增加,從分離器下降管返回的水量逐漸減小,鍋爐給水流量應(yīng)逐漸增加,以保證省煤器入口的給水流量

14、保持在某個最小常數(shù)值,此時分離器入口的濕蒸汽的焓值增加。點:分離器入口蒸汽干度達到1 ,飽和蒸汽流入分離器,此時沒有水可分離,鍋爐給水流量(FE0) 等于省煤器入口的給水流量(FE1) ,但仍保持在某個最小常數(shù)值。切換階段:省煤器入口的給水流量仍不變,燃燒率繼續(xù)增加,在分離器中的蒸汽慢慢地過熱(此時分離器壓力不變) ,分離器出口實際溫度仍低于設(shè)定值,溫度控制還未起作用。所以此時增加的燃燒率不是用來產(chǎn)生新的蒸汽,而是用來提高直流鍋爐運行方式所需的蒸汽蓄熱。點:分離器出口的蒸汽溫度達到設(shè)定值,進一步增加燃燒率,使溫度超過設(shè)定值。第二階段:進一步增加燃燒率,給

15、水量也相應(yīng)增加,鍋爐開始由定壓運行轉(zhuǎn)入滑壓運行,溫度控制系統(tǒng)投入運行,由“煤水比”控制分離器出口的蒸汽溫度及分隔屏出口的一級噴水減溫器的前后溫差,該溫差是鍋爐負(fù)荷的函數(shù),當(dāng)鍋爐主蒸汽流量增加至設(shè)定值,鍋爐正式轉(zhuǎn)入干態(tài)運行。      在干態(tài)自動方式時,循環(huán)泵自動停,循環(huán)泵停運后,電動閥(V2503) 自動關(guān)閉。在完成切換后,循環(huán)泵與給水泵串聯(lián)運行,此時如將循環(huán)泵停運,由于循環(huán)泵提升壓頭的消失,會產(chǎn)生壓力擾動,不利于鍋爐安全運行。若循環(huán)泵仍保持運行,隨著鍋爐負(fù)荷上升,省煤器進口給水流量增加,循環(huán)泵通流量也增加,循環(huán)泵出口的調(diào)節(jié)

16、閥前后壓差增加,當(dāng)循環(huán)泵通路的阻力超過給水母管止回閥壓差,止回閥通路打開,二路并行工作,隨著鍋爐負(fù)荷進一步上升,循環(huán)泵出口的調(diào)節(jié)閥前后壓差進一步增加,會使泵的提升壓頭對循環(huán)泵通路趨向于零,此時循環(huán)泵停運,可避免壓力擾動,根據(jù)循環(huán)泵的具體運行特性,循環(huán)泵通路提升壓頭趨向于零的負(fù)荷一般要求大于45 %BMCR。3. 1. 2 從溫度控制到水位控制的切換      圖4 表明負(fù)荷降低,從純直流鍋爐方式后切換到啟動運行方式,由溫度控制切換到水位控制的過程。第一階段:鍋爐負(fù)荷指令同時減少燃燒率和

17、給水流量,鍋爐處于滑壓運行,溫度控制系統(tǒng)投入運行;當(dāng)鍋爐主蒸汽流量降至設(shè)定值以下,干態(tài)信號消失。點:給水流量達到最低直流負(fù)荷流量。切換階段: 給水流量仍不變,燃燒率繼續(xù)減小,在分離器中的蒸汽過熱度降低,開始有水分離出。點:蒸汽過熱度完全消失,流入分離器的蒸汽呈飽和狀態(tài),由“煤水比”控制分離器出口的蒸汽溫度及分隔屏出口的一級噴水減溫器的前后溫差回路切除。      第二階段: 進一步減小燃燒率,給水流量不變,分離器入口蒸汽濕度增加,分離器中開始積水,當(dāng)分離器水位上升到一定高度,循環(huán)泵啟動條件之一滿足,當(dāng)給水母管流量(

18、 FE0) 小于設(shè)定值時,控制系統(tǒng)能自動切換為濕態(tài)運行,則電動閥(V2503) 會自動或手動開啟;當(dāng)V2504PV2508 在全開位且分離器水位大于1 米,手動或順控啟動循環(huán)泵,水位控制開始動作,水位由鍋爐給水自動調(diào)節(jié)。      第二階段以后,隨著負(fù)荷的降低,蒸汽量減少,母管給水量也減少。從理論上講,當(dāng)產(chǎn)汽量為零時給水母管給水可為零,但實際工程應(yīng)用中,母管給水量應(yīng)保持約為5 %BMCR 不變,直到停爐。當(dāng)循環(huán)泵系統(tǒng)故障解列,分離器水位會上升,當(dāng)分離器水位上升到一定

19、高度,調(diào)節(jié)閥(HWL21PHWL22) 會自動調(diào)節(jié)分離器水位在規(guī)定值以內(nèi);當(dāng)分離器水位上升到MFT設(shè)定值,鍋爐跳閘。3. 2 循環(huán)泵的控制      循環(huán)泵隨給水泵后啟動,再循環(huán)泵出口設(shè)置有一個控制省煤器進口最小流量的調(diào)節(jié)閥(V2507) ,該調(diào)節(jié)閥是通過測量得到的省煤器進口流量(FE1) 與最小流量比較信號和測量的循環(huán)泵壓差(DPT) 與設(shè)定壓差的比較信號來控制(見圖2) ,這樣的控制,既可保證省煤器的最小流量要求,又可以保護循環(huán)泵。4. 2. 

20、;1 循環(huán)泵的啟動條件(1) 冷卻水流量滿足; (2)V2504 開; (3)V2508開; (4) 省煤器進口給水流量大于循環(huán)泵自身啟動設(shè)定值或分離器水位大于設(shè)定值且電動閥(V2503) 已開; (5) 無停循環(huán)泵指令。當(dāng)上述循環(huán)泵的啟動條件全部滿足后,則發(fā)指令要求循環(huán)泵出口的調(diào)節(jié)閥(V2507) 的開度滿足循環(huán)泵最小流量; 當(dāng)循環(huán)泵出口的調(diào)節(jié)閥(V2507) 的開度已滿足循環(huán)泵最小流量要求,則如下任一指令可開啟循環(huán)泵:(1) 機組順控要求啟動循環(huán)泵;&

21、#160;(2) 自動濕態(tài)方式啟動循環(huán)泵; (3) 運行人員啟動循環(huán)泵。4. 2. 2 循環(huán)泵的跳閘條件(1) 循環(huán)泵已啟,但差壓小于設(shè)定值; (2) 電機腔溫度大于設(shè)定值; (3) 電動閥V2504 關(guān); (4)電動閥V2508 關(guān)。當(dāng)循環(huán)泵啟動后,如下任一指令自動停運循環(huán)泵:(1) 機組順控要求停運循環(huán)泵; (2) 自動干態(tài)方式停運循環(huán)泵; (3) 運行人員停運循環(huán)泵; (4)電氣故障停運循環(huán)泵; (5) 循環(huán)泵已啟但省煤器進口給水流量小于循環(huán)泵要求的最小設(shè)定值停運循環(huán)泵。4. 3 分離器下降管電動閥V2503 的控制滿足如下任一條件且沒有“關(guān)”指令時開V2503 電動閥:(1) 當(dāng)自動濕態(tài)方式;(2) 手動按鈕;(3) 機組順控要求。滿足如下任一條件關(guān)系時關(guān)閉電動閥V2503(1) 自動干態(tài)方式且循環(huán)泵已停;(2) 手動按鈕且循環(huán)泵已