MW超臨界鍋爐帶循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)與運(yùn)行

1、600 MW超臨界鍋爐帶循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)與運(yùn)行    日期：2005-09-26     來(lái)自：上海鍋爐廠有限公司梁國(guó)燦 摘要:介紹了帶循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)的工作原理,并提出了控制設(shè)計(jì)方法及運(yùn)行特點(diǎn),供熱工控制工程師設(shè)計(jì)控制邏輯及調(diào)試工程師在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)參考。作者簡(jiǎn)介:梁國(guó)燦(1963 - ) ,男,高級(jí)工程師,畢業(yè)于哈爾濱科技大學(xué)電子技術(shù)專(zhuān)業(yè),現(xiàn)在上海鍋爐廠有限公司設(shè)計(jì)處從事鍋爐保護(hù)及控制的設(shè)計(jì)工作。綜觀世界鍋爐制造商,直流鍋爐的啟動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)

2、又可分為擴(kuò)容器式、疏水熱交換式及循環(huán)泵式,對(duì)于帶循環(huán)泵啟動(dòng)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(dòng)系統(tǒng),而且循環(huán)泵與給水泵為串聯(lián)布置的啟動(dòng)系統(tǒng)的工作原理、控制思想及運(yùn)行特點(diǎn),鍋爐最低直流負(fù)荷不大于30 %BMCR。    鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)(鍋爐型號(hào):SG1953P25.402M95X) 見(jiàn)表1。1 帶循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)的組成      在鍋爐的啟動(dòng)及低負(fù)荷運(yùn)行階段,爐水循環(huán)確保了在鍋爐達(dá)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(shí),一次通過(guò)的爐膛水冷壁質(zhì)量流速能夠?qū)λ浔谶M(jìn)行足夠的冷卻。在爐水循環(huán)中,由分離器分離出來(lái)的水往下流到鍋爐啟動(dòng)循環(huán)泵的入口,通過(guò)泵提高壓力來(lái)克服系統(tǒng)的流動(dòng)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(guò)省煤器最小流量控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的,即使當(dāng)一次通過(guò)的蒸汽量小于此數(shù)值時(shí),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(dòng)和低負(fù)荷時(shí)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(dòng)時(shí)所需的體積流量,在啟動(dòng)過(guò)程中,并不需要像簡(jiǎn)單疏水?dāng)U容器系統(tǒng)那樣往擴(kuò)容器進(jìn)行連續(xù)的排水,循環(huán)泵的設(shè)計(jì)必須提供足夠的壓頭來(lái)建立冷態(tài)

4、和熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)循環(huán)所需的最小流量。從控制閥出來(lái)的水通過(guò)省煤器,再進(jìn)入爐膛水冷壁,總體流程見(jiàn)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(jìn)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(dòng)和熱態(tài)再啟動(dòng)) 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(dòng)階段汽水膨脹時(shí)疏水所需要的靜壓頭。在圖1 啟動(dòng)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(diǎn):(1) 進(jìn)入循環(huán)泵的水來(lái)自下降管或鍋爐給水泵或同時(shí)從這兩者中來(lái)。這樣的布置使得在各個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中,總是有水流過(guò)循環(huán)泵,泵的流量恒定,無(wú)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(shí),疏水流量為零,但此時(shí)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(wú)須在此時(shí)進(jìn)行循環(huán)泵的關(guān)停操作。2 帶循環(huán)泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與簡(jiǎn)單疏水?dāng)U容啟動(dòng)系統(tǒng)相比,帶再循環(huán)泵系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn):(1) 可降低給水泵在啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行的功率。(2) 啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),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(guò)與汽機(jī)蒸汽流量相關(guān)的給水控制來(lái)完成的,在通常情況下,不需要使用啟動(dòng)系統(tǒng)的排放閥門(mén),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(dòng)系統(tǒng)與簡(jiǎn)單疏水型啟動(dòng)系統(tǒng)相比,能夠回收更多的熱量,同時(shí)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(dòng)的大部分時(shí)間內(nèi),幾乎沒(méi)有什么熱損失和工質(zhì)損失。帶泵的啟動(dòng)系統(tǒng)與疏水型啟動(dòng)系統(tǒng)在排放水量上有巨大區(qū)別,后者在鍋爐整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中,從爐膛水冷壁來(lái)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(dòng)系統(tǒng)只需要在鍋爐啟動(dòng)的早期汽水膨脹階段排水到擴(kuò)容器中,在此時(shí)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(huì)有工質(zhì)在擴(kuò)容器中被蒸發(fā)掉。   

7、;   簡(jiǎn)單疏水型啟動(dòng)系統(tǒng)是通過(guò)給水泵來(lái)提供必須的水冷壁最小流量,而帶泵的啟動(dòng)系統(tǒng)則是通過(guò)循環(huán)泵來(lái)實(shí)現(xiàn)的,對(duì)于疏水型的啟動(dòng)過(guò)程,所有最小流量的水都在爐膛中被加熱,沒(méi)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(kuò)容器中,帶泵的啟動(dòng)系統(tǒng)由于很小的排放水量,其熱損失也很小,其啟動(dòng)過(guò)程中總的熱損失約為疏水型啟動(dòng)系統(tǒng)的3 %。由于帶循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)在啟動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中能100 %吸收疏水熱量,可有效縮短冷態(tài)和溫態(tài)啟動(dòng)時(shí)間,相比于簡(jiǎn)單疏水?dāng)U容啟動(dòng)系統(tǒng),當(dāng)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí),點(diǎn)火至汽機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)間可縮短7080min 溫態(tài)啟動(dòng)可縮短1020 mi

8、n ,該系統(tǒng)更適合于頻繁啟動(dòng)、帶循環(huán)負(fù)荷和二班制運(yùn)行機(jī)組。循環(huán)系統(tǒng)采用1 臺(tái)濕式馬達(dá)啟動(dòng)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(gè)出口(控制循環(huán)泵有兩個(gè)出口) ,泵的揚(yáng)程也要比控制循環(huán)泵高的多。3 鍋爐循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)的控制      當(dāng)鍋爐最初啟動(dòng)沒(méi)有蒸汽產(chǎn)生時(shí),給水泵可以不帶負(fù)荷,此時(shí)進(jìn)入省煤器和蒸發(fā)器的水完全來(lái)自分離器的疏水;一旦有蒸汽產(chǎn)生,分離器中的水位開(kāi)始下降,給水泵需啟動(dòng)補(bǔ)充給水,控制原理見(jiàn)圖2 ,以維持分離器水位,而此時(shí)進(jìn)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(jìn)入直流運(yùn)行方式,進(jìn)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(lái)自于給水。3. 1 啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行方式      在濕態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下,給水是通過(guò)分離器的水位和蒸汽量來(lái)控制,其控制方法類(lèi)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(dòng)初期階段汽水膨脹時(shí)分離器水位過(guò)高,飽和水進(jìn)入過(guò)熱器,除了給水控制水位外,還設(shè)置了大氣擴(kuò)容式系統(tǒng),在擴(kuò)容器進(jìn)口設(shè)置有兩個(gè)高水位調(diào)節(jié)閥(HWL21P2) ,其功能與簡(jiǎn)單疏水啟

10、動(dòng)系統(tǒng)相同,另外當(dāng)循環(huán)泵發(fā)生故障時(shí),該系統(tǒng)也能啟動(dòng)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(guò)程在維持省煤器和蒸發(fā)器最小流量的同時(shí),對(duì)于燃燒率的控制也是很重要的,在濕態(tài)運(yùn)行期間,省煤器和蒸發(fā)器中的流量保持恒定值,此時(shí)燃燒率要漸漸地增長(zhǎng)以滿(mǎn)足產(chǎn)汽量的要求。當(dāng)負(fù)荷增長(zhǎng)時(shí),為了維持分離器中的壓力,燃燒率也要相應(yīng)增長(zhǎng),在整個(gè)濕態(tài)運(yùn)行過(guò)程中,分離器中的壓力需要一直監(jiān)視,而燃燒率的增長(zhǎng)通過(guò)分離器的溫度來(lái)體現(xiàn)。      最低直流負(fù)荷是啟動(dòng)系統(tǒng)的隔離點(diǎn)和鍋爐進(jìn)入干

11、態(tài)運(yùn)行的起始點(diǎn),在此負(fù)荷以下,當(dāng)燃燒率增長(zhǎng)的時(shí)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(diǎn),燃燒率和給水量達(dá)到一個(gè)預(yù)先設(shè)定的點(diǎn)。      當(dāng)逼近最低直流負(fù)荷時(shí),分離器水位消失進(jìn)入干態(tài),此時(shí)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(diǎn),為了避免溫度控制失效重新使啟動(dòng)系統(tǒng)投入運(yùn)行,分離器出口蒸汽焓值要保持一定的過(guò)熱度是很重要的,同時(shí)鍋爐負(fù)荷應(yīng)按升速率直接通過(guò)最低直流負(fù)荷點(diǎn),過(guò)熱度決定于汽機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)的壓力,對(duì)于一臺(tái)已設(shè)計(jì)的鍋爐,冷態(tài)啟動(dòng)汽機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)的壓力為8. 4 MPa ,

12、過(guò)熱溫度約15 。在直流方式運(yùn)行時(shí),通過(guò)控制煤水比來(lái)調(diào)節(jié)分離器出口溫度,根據(jù)鍋爐性能計(jì)算,在BRL 工況下當(dāng)燃料量及給水溫度不變時(shí),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(shí),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(dòng)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(dòng)控制方式的過(guò)程。圖3 從水位控制到溫度控制的切換過(guò)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(dòng)方式,順序啟動(dòng)鍋爐及相關(guān)的鍋爐輔機(jī),循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)投運(yùn);分離器水位由控制鍋爐母管給水流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。      第一階段:省煤器入口的給水流量保持在某個(gè)最小常數(shù)值;當(dāng)燃料量逐漸增加時(shí),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(gè)最小常數(shù)值,此時(shí)分離器入口的濕蒸汽的焓值增加。點(diǎn):分離器入口蒸汽干度達(dá)到1 ,飽和蒸汽流入分離器,此時(shí)沒(méi)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(gè)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(guò)熱(此時(shí)分離器壓力不變) ,分離器出口實(shí)際溫度仍低于設(shè)定值,溫度控制還未起作用。所以此時(shí)增加的燃燒率不是用來(lái)產(chǎn)生新的蒸汽,而是用來(lái)提高直流鍋爐運(yùn)行方式所需的蒸汽蓄熱。點(diǎn):分離器出口的蒸汽溫度達(dá)到設(shè)定值,進(jìn)一步增加燃燒率,使溫度超過(guò)設(shè)定值。第二階段:進(jìn)一步增加燃燒率,給

15、水量也相應(yīng)增加,鍋爐開(kāi)始由定壓運(yùn)行轉(zhuǎn)入滑壓運(yùn)行,溫度控制系統(tǒng)投入運(yùn)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(jí)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(yùn)行。      在干態(tài)自動(dòng)方式時(shí),循環(huán)泵自動(dòng)停,循環(huán)泵停運(yùn)后,電動(dòng)閥(V2503) 自動(dòng)關(guān)閉。在完成切換后,循環(huán)泵與給水泵串聯(lián)運(yùn)行,此時(shí)如將循環(huán)泵停運(yùn),由于循環(huán)泵提升壓頭的消失,會(huì)產(chǎn)生壓力擾動(dòng),不利于鍋爐安全運(yùn)行。若循環(huán)泵仍保持運(yùn)行,隨著鍋爐負(fù)荷上升,省煤器進(jìn)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(guò)給水母管止回閥壓差,止回閥通路打開(kāi),二路并行工作,隨著鍋爐負(fù)荷進(jìn)一步上升,循環(huán)泵出口的調(diào)節(jié)閥前后壓差進(jìn)一步增加,會(huì)使泵的提升壓頭對(duì)循環(huán)泵通路趨向于零,此時(shí)循環(huán)泵停運(yùn),可避免壓力擾動(dòng),根據(jù)循環(huán)泵的具體運(yùn)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(dòng)運(yùn)行方式,由溫度控制切換到水位控制的過(guò)程。第一階段:鍋爐負(fù)荷指令同時(shí)減少燃燒率和

17、給水流量,鍋爐處于滑壓運(yùn)行,溫度控制系統(tǒng)投入運(yùn)行;當(dāng)鍋爐主蒸汽流量降至設(shè)定值以下,干態(tài)信號(hào)消失。點(diǎn):給水流量達(dá)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(guò)熱度降低,開(kāi)始有水分離出。點(diǎn):蒸汽過(guò)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(jí)噴水減溫器的前后溫差回路切除。      第二階段: 進(jìn)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(kāi)始積水,當(dāng)分離器水位上升到一定高度,循環(huán)泵啟動(dòng)條件之一滿(mǎn)足,當(dāng)給水母管流量(

18、 FE0) 小于設(shè)定值時(shí),控制系統(tǒng)能自動(dòng)切換為濕態(tài)運(yùn)行,則電動(dòng)閥(V2503) 會(huì)自動(dòng)或手動(dòng)開(kāi)啟;當(dāng)V2504PV2508 在全開(kāi)位且分離器水位大于1 米,手動(dòng)或順控啟動(dòng)循環(huán)泵,水位控制開(kāi)始動(dòng)作,水位由鍋爐給水自動(dòng)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(shí)給水母管給水可為零,但實(shí)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(huì)上升,當(dāng)分離器水位上升到一定

19、高度,調(diào)節(jié)閥(HWL21PHWL22) 會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)分離器水位在規(guī)定值以?xún)?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(dòng),再循環(huán)泵出口設(shè)置有一個(gè)控制省煤器進(jìn)口最小流量的調(diào)節(jié)閥(V2507) ,該調(diào)節(jié)閥是通過(guò)測(cè)量得到的省煤器進(jìn)口流量(FE1) 與最小流量比較信號(hào)和測(cè)量的循環(huán)泵壓差(DPT) 與設(shè)定壓差的比較信號(hào)來(lái)控制(見(jiàn)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(hù)循環(huán)泵。4. 2. 

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

21、#160;(2) 自動(dòng)濕態(tài)方式啟動(dòng)循環(huán)泵; (3) 運(yùn)行人員啟動(dòng)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(jī)腔溫度大于設(shè)定值; (3) 電動(dòng)閥V2504 關(guān); (4)電動(dòng)閥V2508 關(guān)。當(dāng)循環(huán)泵啟動(dòng)后,如下任一指令自動(dòng)停運(yùn)循環(huán)泵:(1) 機(jī)組順控要求停運(yùn)循環(huán)泵; (2) 自動(dòng)干態(tài)方式停運(yùn)循環(huán)泵; (3) 運(yùn)行人員停運(yùn)循環(huán)泵; (4)電氣故障停運(yùn)循環(huán)泵; (5) 循環(huán)泵已啟但省煤器進(jìn)口給水流量小于循環(huán)泵要求的最小設(shè)定值停運(yùn)循環(huán)泵。4. 3 分離器下降管電動(dòng)閥V2503 的控制滿(mǎn)足如下任一條件且沒(méi)有“關(guān)”指令時(shí)開(kāi)V2503 電動(dòng)閥:(1) 當(dāng)自動(dòng)濕態(tài)方式;(2) 手動(dòng)按鈕;(3) 機(jī)組順控要求。滿(mǎn)足如下任一條件關(guān)系時(shí)關(guān)閉電動(dòng)閥V2503(1) 自動(dòng)干態(tài)方式且循環(huán)泵已停;(2) 手動(dòng)按鈕且循環(huán)泵已