350 MW超临界机组FCB功能实现可行性分析

李 辉,赵雅旋

(河北省电力勘测设计研究院,石家庄 050031)

350 MW超临界机组FCB功能实现可行性分析

李 辉,赵雅旋

(河北省电力勘测设计研究院,石家庄 050031)

针对摩洛哥Jerada 350 MW超临界机组现状,提出FCB功能系统配置及机组联锁保护设计方案,分析FCB功能系统配置的关键技术,认为通过设置60%高低压串联旁路及40%BMCR容量PCV阀,可以使该机组实现FCB功能。

350 MW超临界机组;FCB功能;系统配置

1 概述

近年来,一些发达国家和地区,包括美国、俄罗斯、英国、意大利,法国和德国等相继发生了电网故障并导致大面积停电的严重事故,社会生活和经济等各方面损失巨大[1]。目前,国外电厂设计大多存在具备FCB功能的要求,因此,有关FCB的相关系统设计、设备选择等研究越来越受到国内电力设计领域人员的重视[2]。

摩洛哥Jerada 350 MW超临界机组燃煤电站工程锅炉为超临界锅炉,最低稳燃负荷30%BMCR。BMCR工况下最大出力为1 117 t/h,过热蒸汽压力25.4 MPa,温度571℃,再热蒸汽出口压力5.063 MPa,温度569℃,给水温度290.9℃。汽轮机采用超临界空冷汽轮机,TMCR工况主蒸汽流量为1 063.2 t/h,VWO工况主蒸汽流量为1 117 t/h。汽轮机额定功率350 MW。TMCR工况下主蒸汽压力24.2 MPa,温度566℃,再热蒸汽压力4.687 MPa,温度566℃,高压缸排汽压力5.15 MPa,温度338.4℃,额定背压12 k Pa。汽轮机启动方式为中压缸启动,配置高压缸排汽通风阀。系统配置60% BMCR容量的高低压串联旁路,给水系统采用3台50%容量电动调速给水泵,凝结水泵采用3台50%容量电动定速凝结水泵,除氧器为无头卧式除氧器。凝结水补充水系统设置一个150 m3的水箱和2台100%的凝结水补充水泵。

2 FCB功能系统配置方案

FCB是指机组快速甩负荷至带厂用电运行,也就是常说的小岛运行。FCB的基本功能是指机组在正常运行工况下,由于系统原因造成机组与电网解列后,机组投入FCB功能,快速甩负荷带厂用电运行,并在电网许可的情况下,重新并网向系统供电。机组小岛运行期间,应保证机组的运行参数在安全范围内,不引起保护动作,不危及设备安全[3]。

2.1 主蒸汽、再热蒸汽及旁路蒸汽系统

为了成功实现FCB功能,主蒸汽、再热蒸汽及旁路系统进行如下设计:再热冷段的设计温度不考虑高压缸排汽跳闸温度,高压缸排汽跳闸温度为430℃,但是高压缸排汽出口2根支管材质按此温度选型,为A691材质;高压旁路出口设计温度不再考虑由于高压旁路阀先开而喷水阀事故未打开的情况,此时高压旁路出口由高压旁路进口温度等焓温降达到486℃,高压旁路出口到第1个弯头处仅考虑混温段,采用A691,整个冷段除上述2处采用A691以外全部采用A672;在壁厚计算时,高压缸排汽出口至母管止回阀处建议按430℃校核壁厚,止回阀后至再热器入口、高压旁路出口至冷段按486℃校核壁厚;高低压旁路路阀后的管径按旁路容量加减温水量核算。

2.2 主要阀门

本工程高压旁路容量60%,低压旁路容量85%。旁路系统容量的定义采用锅炉BMCR工况参数下的通流能力与相应的锅炉蒸发量之比。高压旁路容量等于锅炉BMCR工况主蒸汽参数下高压旁路阀全开流量与锅炉BMCR工况主蒸汽流量比值,低压旁路容量等于锅炉BMCR工况再热蒸汽参数下低压旁路阀全开流量与锅炉BMCR工况下再热蒸汽流量比值[4]。锅炉PCV阀为4台10%BMCR排放量。再热器可调安全阀无需设置。

2.3 辅助蒸汽系统

参考国内百万机组具备FCB功能热力系统设计,考虑从冷段单独引一路至除氧器。这样设计有2个问题,其一,系统复杂,常规设计低负荷时,40%～70%机组负荷,采用冷段至辅助蒸汽供汽,此时启动锅炉停运,除除氧器加热用汽外其他辅汽汽源由冷段提供。40%负荷以下辅助蒸汽至除氧器加热,采用定压加热。可以采用增大冷段至辅助蒸汽联箱,联箱至除氧器,使其满足FCB瞬态至稳态过程除氧器需要加热蒸汽量的要求。如果单独增加冷段至除氧器,造成系统复杂性。其二,根据二十五项反措,严禁高压汽源进入除氧器,以防止压力容器爆破。因此,本工程不再单独设置冷段至除氧器加热管路。为了满足除氧器在FCB工况加热汽量要求,辅助蒸汽联箱至除氧器管径增大为ϕ508 mm×9.53 mm (美标)的管道。冷段至辅助蒸汽联箱管径增大为调节阀后ϕ508 mm×9.53 mm(美标)的管道,调节阀前ϕ273.1 mm×9.27 mm(美标)的管道,辅助蒸汽联箱管径增大为ϕ711.2 mm×9.53 mm(美标)的管道。除氧器考虑FCB瞬态工况,增加为4个安全阀,安全阀总排放量按不小于除氧器最大进汽量考虑。辅助蒸汽联箱增加为4个安全阀,安全阀总排放量不小于最大辅助蒸汽用量。

2.4 凝结水系统

FCB工况下,凝结水泵流量不必增大即可满足要求。为避免除氧器及凝汽器热井水位保护动作引起汽轮机跳闸,FCB工况下必须同时快速启动凝汽器补水系统,凝结水补充水泵联锁投入运行。凝结水补充水泵容量选择时考虑FCB工况的要求。

2.5 给水系统

给水泵出口流量按VWO+3%工况1.05倍与FCB功能下锅炉蒸发量与高压旁路减温水之和,两者选择较大者作为给水泵容量选择依据,优化了给水泵容量。除氧器有效容积设定为6 min BMCR流量的要求,满足FCB瞬态到稳态时水位波动。为提高温度及回收工质,减少对锅炉扰动,切负荷时,2号高压加热器应投入运行。此时,2号高压加热器汽源来自冷段。TMCR工况,2号高压加热器蒸汽量为103.5 t/h,FCB瞬态时2号高压加热器加热蒸汽量为21 t/h。因此,2段抽汽流量仍按额定流量计算即可。考虑到切负荷时联锁要求,2号高压加热器隔离阀采用液动,而其他各段抽汽,除布置在排汽装置喉部外均为电动。2号高压加热器除正常设计的疏水系统外,还设置专门至除氧器的越级疏水。

3 机组联锁保护设计

该工程的锅炉、汽轮机、发电机大联锁将采用单向联锁方式:停线(路)不停电,即FCB;停电(发电机)不停机,即甩负荷;停机不停炉。也就是说锅炉跳闸后联跳汽轮机、发电机(主变压器);汽轮机跳闸时不向前联跳锅炉,只向后联跳发电机(主变压器);发电机故障则跳发电机出口断路器及灭磁,但不联跳锅炉及汽轮机。若系统出现故障,只跳主变压器出口断路器,不联跳锅炉、汽轮机,即可以停机不停炉;或不联跳锅炉、汽轮机、发电机,迅速转为减少锅炉负荷并稳定燃烧,维持带厂用电的孤岛运行方式,使系统实现FCB功能[5]。

4 FCB功能系统配置关键技术分析

4.1 过热器PCV阀和旁路阀

该工程在FCB瞬态工况,锅炉出力按BRL工况,即汽轮机TMCR工况,相当于95.2%BMCR。该工程高压旁路容量为60%。汽轮机为中压缸启动,FCB瞬态高压缸不进汽。锅炉PCV阀为4台10%BMCR排放量。工质平衡可知,95.2%-40%-0%=55.2% BMCR。此时PCV排放量为40%BMCR,旁路容量为55.2%BMCR即可满足要求。

为了提高FCB运行的经济性,尽量降低通过PCV阀的工质排放量,建议高压旁路仍选择60% BMCR。关于旁路系统折算容量,旁路减压阀前后的压力差较大,蒸汽流至阀座时已达临界流速,蒸汽流量与阀前的压力及比容有关,且正比于(P/V)。瞬态工况低压旁路进汽量最大,折算到BMCR工况低压旁路容量49.3%即可满足要求。此时高压旁路容量为55.2%,由于参数同TMCR工况,因此不需要折算。虽然FCB稳态工况工质流量低于瞬态工况流量,但是由于此时进汽压力比TMCR工况小,比容较大,折算到BMCR工况高压旁路容量为40.8%,低压旁路容量为41.5%。FCB重新升负荷工况,由于高压缸进汽量增大,进入高压旁路蒸汽量较少,这是降低高压旁路容量的有利因素。对于低压旁路容量来说,进口压力维持稳态时的1.2 MPa即可,为了平衡推力,此时中压缸也应相应增加进汽量,对低压旁路容量来说,也是降低低压旁路容量的有利因素。FCB稳态结束升负荷工况类似于机组极热态启动工况,旁路容量低于稳态工况旁路容量。综上所述,从FCB 3个典型工况分析,旁路折算容量仅考虑FCB瞬态工况和稳态工况即可,经计算旁路容量均小于55.2%。针对旁路容量具体选型,需要核实冷、温、热、极热态启动时旁路容量。极热态启动时,高压旁路阀容量为42.7%,低压旁路阀的容量为53.8%。结合FCB 3个工况和4个启动工况,高压旁路容量均小于55.2%。因此,选定高压旁路容量为60%,按标准工况,即参数均为TMCR工况时计算,高压旁路容量为60%,低压旁路容量为85%。

4.2 高压缸排汽通风阀

高压缸排汽通风阀的作用在中压缸启动时,防止高压缸鼓风过热。经过咨询汽轮机厂家,高压缸排汽通风阀的设计通流能力为40～70 t/h。在FCB瞬态和稳态工况下,高压缸不进汽,高压缸排汽通风阀的蒸汽量微乎其微。在FCB结束升负荷时,需要切至高压缸,此时考虑若高压缸排汽后的压力不足以冲开止回阀,则需要一部分蒸汽通过高压缸排汽通风阀排至疏水扩容器。

4.3 再热器可调安全阀

再热器可调安全阀是一种起跳压力、回座压力及开度可调的安全阀。一般采用西门子-西屋技术的汽轮机,都要求此时高压旁路出口压力给定值不超过0.88 MPa。经核实,FCB稳态结束升负荷时,切高压缸时,高压缸排汽出口压力没有上限值的要求。FCB重新升负荷工况,由于高压缸进汽量增大,进入高压旁路蒸汽量较少,这是降低高压旁路容量的有利因素。对于低压旁路容量来说,由于没有高压缸高调门打开需要降低高压旁路出口压力的上限值,因此压力不必减少,维持稳态时的压力即可,为了平衡推力,此时中压缸也应相应增加进汽量,中压缸增加进汽也是降低低压旁路容量的有利因素。经核算,升负荷工况旁路容量满足要求,不必考虑增加再热器可调安全阀。

4.4 给水泵

在FCB瞬态工况,锅炉负荷仍按TMCR工况流量考虑,此时考虑汽轮机防进水因素,高压旁路阀先打开,给水泵同时提供高压旁路减温水,给水流量大幅增大。本工程,高压旁路容量按60%计算。考虑国际公认的FCB工况定义为100%TMCR下甩负荷孤岛运行。VWO工况不会出现FCB工况。根据《大中型火力发电厂设计规范》,给水泵出口总流量直流锅炉按BCMR流量1.05倍考虑,对具有FCB功能的机组,还应包括高压旁路减温水流量。考虑到FCB发生在TMCR工况,而不是VWO工况对应的BMCR工况,两者若直接相加势必造成给水泵流量选型过大。因此,给水泵选型时泵出口最大流量的取值按VWO+3%工况(根据合同要求,辅机选型按此工况选择)的1.05倍,与TMCR工况+高压旁路减温水的流量相比,取较大值。经计算,按VWO+ 3%工况,1 150.5×1.05=1 208 t/h。按TMCR+高压旁路减温水,1 063.2×1.05+83=1 200 t/h。因此,按前者作为给水泵选型工况。一些工程按BMCR流量乘以1.05加高压旁路减温水量,造成给水泵选型过大。本工程给水泵出口流量为604 t/h,2台给水泵出口总流量约为BMCR流量的108%倍。

4.5 除氧器有效容积

在FCB瞬态工况,除氧器工质不平衡,差值为336 t/h。参考锅炉负荷阶跃降负荷率,FCB从瞬态至稳态运行保守估算,需要时间为9 min。此时间段内,除氧器减水50.4 t,相当于BMCR给水流量的2.7 min。本工程在除氧器技术规范中要求,除氧器有效容积满足6 min BMCR流量的要求。因此, FCB从瞬态到稳态期间,由于PCV阀排放,导致除氧器水位下降,通过设置6 min BMCR流量的有效容积,除氧器水位满足控制要求。例如,外高桥二期除氧器水箱容量为5 min锅炉蒸发量,从调试阶段的停机不停炉和FCB试验情况来看,其容量明显不足。外高桥三期改为6 min的锅炉蒸发量。

4.6 热井有效容积

根据汽轮机技术协议,热井放置于低压缸排汽装置下部,正常水位时满足最少3 min的容量, 100%存储容量时最少6 min BMCR流量。在FCB瞬态工况,热井工质不平衡,差值为111.3 t/h。9 min时间段内,热井减水16.7 t,相当于BMCR凝结水流量的约1.25 min。因此,FCB从瞬态到稳态期间,热井水位满足控制要求。4.7 凝结水泵

本工程为3台50%容量的凝结水泵,考虑在FCB瞬态工况下,由于给水泵流量增大,凝结水泵出口流量需要增大,此时可以考虑开启第3台备用凝结水泵,但通过咨询厂家,凝结水泵从关闭出口闸阀开启泵到满负荷需要约70 s的时间。因此在70 s时间内,肯定仍是2台凝结水泵运行。凝结水泵在没有开启第3台备用泵时,除氧器6 min的有效容积仍能满足FCB给水量的要求。况且,FCB信号启动时,锅炉负荷按一定的负荷率降低,这样给水流量则可以相应减少。因此,凝结水泵按2台50%容量开启考虑,热井水位仍能满足FCB瞬态到稳态下水位波动的要求。另外,此时配合凝结水补充水泵,完全可以满足FCB的运行要求。因此,凝结水泵容量不必增大。

4.8 凝结水补充水泵

凝结水补充水泵选择时,扬程按不低于锅炉水冷壁出口分离器最高标高,加上沿程阻力,并考虑一定的余量。本工程扬程经估算为120 m。流量的选择,考虑到本工程为直接空冷机组,背压较高,常规湿冷机组的虹吸管不能满足要求,因此需要设置2台水泵,一运一备。机组正常运行时,正常补水量按1.5%,即17 t/h。FCB瞬态工况下,热井工质差为105.5 t/h。锅炉点火前冷态冲洗考虑按30%BMCR流量,335 t/h,此时水量要求最大,按2台泵同时投运,因此每台泵流量按167.5 t/h考虑。

5 结束语

通过对摩洛哥Jerada 350 MW超临界机组FCB功能配置的关键技术进行分析,认为该机组通过设置60%高低压串联旁路及40%BMCR容量PCV阀,可以使该机组实现FCB功能。

a.空冷机组采用3台50%容量电动调速给水泵方案,厂用电较高。

b.锅炉最低稳燃负荷为30%,负荷率较低。

c.高压缸排汽通风阀的设置。本工程采用中压缸进汽带厂用电运行方式,高压缸不进汽,而且高压缸排汽通风阀设计时排放量很小,只需考虑高压缸鼓风或一些轴封漏汽。

d.PCV阀的设置。本工程旁路容量为60% BMCR,此时要求PCV阀设计容量较大,因为FCB瞬态PCV阀排放量与高压旁路容量之和为锅炉蒸发量。

e.瞬态工况高压缸排汽出口压力无上限要求,这样进入低压旁路的蒸汽容积流量不必增大很多,避免了由此引起的需要设置再热器可调型安全阀来排放多余蒸汽的问题。

[1] 冯伟忠.大机组实现快速甩负荷的现实性及技术分析[J].动力工程,2008(4):532-536.

[2] 毕雪峰,郭晓克.结合MADRAS工程谈系统FCB设计[J].热机技术,2012(116):51-56.

[3] 刘海燕.300 MW汽轮发电机组的小岛运行试验[J].电站系统工程,2011(3):45-46.

[4] 郑 赟.印度工程汽轮机旁路容量的选型设计[J].热力透平, 2012,41(3):209214.

[5] 宁继宏.1 000 MW火电机组FCB功能与系统配置探讨[J].广西电力,2009,32(4):6367.

本文责任编辑:杨秀敏

Feasibility Analysis on FCB Fuction Implementing of 350 MW Supercritical Unit

In view of the present situation of Morocco Jerada 350 MW supercritical unit,this paper puts forward system configuration and interlocking protection design proposal for FCB function,analyses the key technology of FCB system configuration,considers that it is completely feasible to realize FCB function by means of 60%high and low pressure series bypass valve and 40%BMCR superheater outlet PCV. Key words:350 MW supercritical unit;FCB fuction;system configuration

TM621.2

B

1001-9898(2014)02-0051-04

2013-11-26

李 辉(1980-),男,高级工程师,主要从事火电厂热机专业设计工作。