660MW超临界直流锅炉启动系统方案的优化

宋矿伟，　赖　晖

上海电气电站集团　上海　201199



660MW超临界直流锅炉启动系统方案的优化

宋矿伟，赖晖

上海电气电站集团上海201199

在进一步追求安全和节能的要求下，综合考虑超临界直流锅炉启动系统采用锅炉启动循环泵、大气式扩容器、361阀和背包疏水扩容器等设备的优缺点，对典型锅炉启动疏水系统进行设计优化，最终方案得到了实施验证，节水节能效果非常明显。

超临界； 直流； 启动疏水系统； 锅炉启动循环泵； 361阀； 节水

印度某6×660MW超临界燃煤机组电站项目是印度目前最大的发电项目，业主是印度诚信公司，其动力岛由上海某工程公司成套设计供货。由于印度市场的特殊性和印度业主对安全性、便利性、节约用水等方面要求苛刻，在锅炉启动疏水系统设计过程中，通过优化设计，一方面满足锅炉启动的灵活性要求，另一方面尽可能满足节约用水的要求，经实际投运后证明，效果明显，最终得到了业主的认可。

1　锅炉启动疏水系统介绍

启动分离器系统根据疏水回收系统的不同，可分为扩容器式、循环泵式和不带循环泵式三种[1]。

1.1上海锅炉厂常规锅炉启动系统方案

上海锅炉厂的设计方案中，大多采用有锅炉启动循环泵和大气式扩容器的方案(如图1所示)，满足锅炉清洗和启动的要求[2]。系统运行的流程为： 给水系统来水到混合器，通过启动循环泵进入省煤器；在省煤器和水冷壁加热后，经汽水分离器进行汽水分离，蒸汽进入过热系统，水经贮水箱(或连接球体)返回至混合器，与给水系统来水一起进入下一个循环；同时，从贮水箱出口引出一路至大气式扩容器，此路一方面配合启动循环泵、锅炉给水泵等参与分离器贮水箱水位控制，另一方面满足锅炉清洗调节水质要求；大气式扩容器降压降温之后，饱和水可以返回凝汽器回收工质，也可以直接排至循环水系统。

这种带启动循环泵的内置式启动系统，在机组启动初期疏水不合格时，通过水冲洗管路将疏水排入锅炉疏水扩容器，再通过疏水泵排入系统外的水处理装置(工业废水处理系统)；在水质基本合格后，用循环泵将疏水打入水冷壁进行再循环，实现工质和热量的回收。启动流量通过锅炉给水泵来调节。

在启动循环泵投入运行时，贮水箱出口的饱和水主要通过循环泵直接进入锅炉循环加热，这种运行方式同时回收了工质和热量，从而使锅炉启动时间缩短，同时也节约能源。另外，在锅炉循环泵处在事故状态时，贮水箱出口水通过大气式扩容器回收至凝汽器，机组也可以实现无启动循环泵的运行模式。

大气式扩容器运行时会有大量工质直接排空，浪费很大，并且调试期间会造成锅炉区域有大量的雾气生成，影响环境。

图1　启动循环泵和大气式扩容器方案

1.2361阀无循环泵的启动系统方案

东方锅炉厂大多采用361阀无循环泵启动系统方案，即汽水分离器分离出来的水进入贮水箱，贮水箱出口水通过2个并联的气动调节阀，即361阀进入启动疏水系统。由于该调节阀是有效控制贮水箱水位的主要手段，紧急情况下可实行快开快关，同时该阀门起到减压的作用，因此对该阀门调节和快速反应等特性的要求非常高。在361阀后，系统分2路疏水，当水质不合格时，排往锅炉疏水扩容器；当水质合格时，排往凝汽器回收工质。

361阀和疏水扩容器的方案能较好地解决回收工质的问题，但是汽水分离器分离的水直接排至凝汽器，无法回收该工质热量，启动过程中热损失较大[3]。同时，由于阀后存在气液两相流问题，存在管路振动、噪声增大等风险[4]。另外，工质进入凝汽器，会引起凝汽器背包式疏水扩容器超压、凝结水温升高等风险。

1.3系统方案分析及项目面临的问题

该项目原则上采用上海锅炉厂的建议方案[5]，在此基础上进行进一步优化。锅炉启动系统主要是完成锅炉启动清洗(水冲洗)和锅炉运行方式干湿态转换的工作。对于上海锅炉厂的典型方案，锅炉启动清洗主要有冷态开式清洗、冷态闭式清洗、热态开式清洗和热态闭式清洗。推荐清洗流量为25%～30%BMCR(锅炉最大连续蒸发量)。开式清洗的流程是： 凝汽器→低加→除氧器→高加→启动循环泵→省煤器→水冷壁→分离器→贮水箱→大气式扩容器→地沟/循环水管。闭式清洗的流程是： 凝汽器→凝结水精处理→低加→除氧器→高加→启动循环泵→省煤器→水冷壁→分离器→贮水箱→大气式扩容器→凝汽器。

当停炉长于150h时，为了清理受热面和给水管道系统中存在的杂物、沉积物和因腐蚀而生成的氧化铁等，启动前必须对管道系统和锅炉本体进行冷态和热态清洗。首先对锅炉进行冷态开式清洗，一般清洗1次，约3h。当贮水箱出口水质Fe含量小于500μg/L、SiO2含量小于100μg/L时，启动锅炉疏水泵，投入凝结水精处理，改善水质，锅炉进行冷态循环清洗。当贮水箱出口水质Fe含量小于100μg/L、SiO2含量小于50μg/L时，锅炉冷态循环清洗结束。冷态循环清洗每天12h，共4～5d。然后锅炉进入热态清洗阶段。锅炉点火后，当水冷壁出口水温达到150℃(或190℃)时，锅炉开始进行热态开式清洗。热态开式清洗1次，约5h。当贮水箱出口水质Fe含量小于100μg/L、SiO2含量小于50μg/L时，进行热态闭式循环清洗。热态闭式循环清洗每天12h,共6～7d。

锅炉冲洗过程中，在水质合格的时候，饱和水经大气式扩容器，部分蒸汽直接排入大气，工质有部分损失，按照120℃冷态清洗计算，损失约3.8%，在150℃热态清洗时，损失约9.5%，而在190℃热态清洗时，损失达到17.3%。根据锅炉供货商提供的冲洗要求及建议，一台2000t/h的锅炉在冷态启动时的冲洗水损失约7000t。

在锅炉和汽轮机启动过程中，一般当过热器出口压力达8.4～8.9MPa时才开始冲转，并且一直维持在该压力下达到30%BMCR流量负荷，然后逐渐提高负荷至35%～40%BMCR，完成湿态运行模式向干态运行模式的转换。在此运行过程中，贮水箱出口压力约8.1MPa。启动循环泵投入运行时，能够很好地回收工质和能量，这正是循环泵的优势所在。但是当无泵启动时，8.1MPa的饱和水被大气式疏水扩容器减压到0.1MPa，蒸汽损失约40%。按照厂家推荐的启动要求，启动过程中水质损失约1000t。

综上分析，大气式疏水扩容器对工质的损失是巨大的，锅炉补给水制水能力一直是锅炉启动的一个瓶颈，同时这些蒸汽进入大气，造成锅炉区域水雾现象非常严重。因此，如何在机组启动过程中降低水质损失，已成为业主非常关注的一个问题。尽量满足顾客需求也是上海电气一直坚持的原则，为此，上海电气组织设计院、供货商等技术人员对锅炉启动疏水系统进行研究，并借鉴其它先进经验，对启动疏水系统进行了优化，并取得了很好的效果。

2　优化方案及分析

2.1优化系统的目的及方向

通过对原系统的研究，确认其工质损失主要是由于大气疏水扩容器的工作原理所导致的，并且工质主要损失在热态清洗过程中，因此方案优化的主要目标就是如何能够尽量降低热态清洗过程中的工质损失，兼顾保证无泵运行模式能够安全运行。回收工质的主要解决方案就是把蒸汽引入凝汽器进行冷凝回收，因此，优化方案主要是采用361阀、节流阀和三级减温减压器等进行工质回收，即在传统方案的基础上对疏水系统进行优化。

2.2优化方案介绍

最终采用的优化方案如图2所示。贮水箱疏水通过两个361阀进行减温减压后进入疏水系统，控制阀后压力在0.6MPa。在361阀后，采用φ426mm×55mm的加厚管道，两条管路合并至一条母管内，该母管内的疏水一路至凝汽器出口的循环水回水管上，另一路至凝汽器进行工质回收。

(1) 至循环水的支管路。该支路在冷态开式清洗和热态开式清洗时投用，其它情况下该支路处于关闭状态，该支路采用φ426mm×13mm的管道，为方便操作和防止循环水倒灌，支路上依次设置了电动关断阀、逆止阀和手动关断阀，然后通过节流孔板，节流面积约50%，压力进一步降低到0.2MPa左右，排入循环水管，同时对入口处循环水管采取了补强措施。

参照1.3中的介绍，清洗过程中最大工况为190℃下热态清洗，清洗水量按640t/h考虑。此工况作为该支路的设计工况，在此工况下，疏水管路存在气液两相流，361阀后管道流速为15m/s，去循环水管前支路流速约30m/s，满足规程要求。

(2) 至凝汽器支管路。另一路至凝汽器支管路上，采用两个三级减温减压器排入凝汽器，在锅炉冷态闭式清洗、热态闭式清洗和不投用循环泵运行等工况下此路投入使用。三级减温器前采用φ426mm×13mm的管道，在三级减温减压器上设置喷水。

参照锅炉和汽轮机的启动要求，锅炉启动后逐步增大燃烧率，建立过热蒸汽流量，通过旁路控制压力，维持主蒸汽压力为8.5MPa，然后维持并调节过热蒸汽温度等，并开始冲转。根据分析，该系统在主蒸汽压力达到8.5MPa时，进入贮水箱的饱和水热负荷达到最大，此时贮水箱出口压力为8.1MPa，流量为514t/h。综合热态清洗工况和无泵启动工况，压力8.1MPa、流量514t/h这个工况更加恶劣，可作为支管路的设计工况。根据计算，361阀后流速最大约90m/s，进入三级减温减压器前管道流速约60m/s，满足安全运行的要求。为了保证凝汽器运行，要求减温减压器出口蒸汽温度低于80℃。减温减压器设计参数为： 汽侧工作压力0.6MPa，温度158.8℃，流量2×257t/h；喷水工作压力2.0MPa，设计温度50℃，流量80t/h。

图2　优化后的节水方案

3　结论

根据优化方案所建议的系统方案，启动初期水质不合格排至循环水回水管路，水质合格后通过减温减压器排至凝汽器，热量和工质全部回收，解决了大气式扩容器排放及热量损失问题。这一系统方案在印度项目的多台机组上已实施，机组在多次启动过程中安全平稳，没有发生异常现象，回收工质节水效果非常明显。另外，这一方案对热量进行回收，缩短了锅炉启动时间，同时也节约启动期间的煤耗。这一优化设计方案同时得到了锅炉厂的认同和印方业主的赞赏，可以在类似项目，特别是缺水地区机组中推广。

[1] 朱全利.国产600MW超临界火力发电机组技术丛书： 锅炉设备及系统[M].北京： 中国电力出版社，2006.

[2] 刘刚，周忠涛，黄辉，等.蒲圻电厂1000MW超超临界机组锅炉启动系统调试与运行实践[J].上海电气技术，2015，8(3)： 52-55，57.

[3] 王军，李彦臻，王硕，等．超临界直流锅炉启动系统特点及经济性分析[J]．华北电力技术，2008(5)： 1-3.

[4] 旷仲和.600MW超临界机组锅炉汽水分离器启动疏水回收的解决方案[J].中国电力，2006，39(8)： 33-36.

[5] 上海锅炉厂有限公司.SG-1910/25.4-M951型超临界压力直流锅炉使用说明书[Z].

In the case of further pursuit of safety and energy, a design optimization for typical draining system for startup of the boilers was completed in comprehensive consideration of the pros and cons of the equipment such as the adoption of startup circulating pump in the startup system of supercritical monotube boiler, atmospheric flasher, 361 valve & backpack drainage etc. The final plan is implemented and the result shows significant water-saving & energy-saving performances.

Supercritical; Monotube; Startup Draining Sytem; Startup Circulating Pump for Boiler; 361 Valve; Water-saving

2015年11月

宋矿伟(1981—)，男，本科，工程师，主要从事电站项目开发的技术管理工作、电厂节能高效方向的研究工作，

E-mail: songkw@shanghai-electric.com

TK229.5+4

A

1674-540X(2016)01-005-04