超臨界鍋爐啟動(dòng)疏水方式經(jīng)濟(jì)分析

吳一丁

張家口質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局

0 引 言

隨著我國(guó)電力事業(yè)的迅速發(fā)展,電力建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,電力結(jié)構(gòu)也在不斷調(diào)整.電站鍋爐主要是沿著大容量高參數(shù)低污染的方向發(fā)展.鍋爐的工作壓力已從高壓、超高壓、亞臨界壓力向超臨界壓力及超超臨界壓力發(fā)展.鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)是超臨界直流鍋爐的關(guān)鍵技術(shù),根據(jù)分離器正常運(yùn)行時(shí)是否參與系統(tǒng)工作可分為內(nèi)置式分離器系統(tǒng)和外置式分離器系統(tǒng)[1],而內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)又可分為擴(kuò)容器式、疏水熱交換式及循環(huán)泵式.

直流鍋爐在啟動(dòng)過(guò)程中必須保持最低的循環(huán)水流量,使水冷壁內(nèi)有足夠的水流量冷卻水冷壁.由于啟動(dòng)初期燃料量投入的少,爐內(nèi)溫度也相對(duì)較低,進(jìn)入鍋爐的水不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?這部分蒸汽還不能進(jìn)入過(guò)熱器中,故采用內(nèi)置分離器進(jìn)行汽水分離,并且由相應(yīng)管路組成啟動(dòng)系統(tǒng).另外,系統(tǒng)還可以在啟動(dòng)前作為循環(huán)清洗的回路,并在啟動(dòng)過(guò)程中回收工質(zhì)和熱量.本文通過(guò)對(duì)疏水?dāng)U容器式及循環(huán)泵式啟動(dòng)系統(tǒng)的比較,對(duì)其做出經(jīng)濟(jì)分析.

1 疏水方式的選擇

1.1 啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的疏水

600 MW超臨界直流鍋爐,一般冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間為5～6 h左右,溫態(tài)啟動(dòng)時(shí)間為2～3 h,熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)間為1～1.5 h,極熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)間小于1 h.據(jù)初步統(tǒng)計(jì),剛投運(yùn)的機(jī)組,由于水質(zhì)較臟,啟動(dòng)一次需排2 000～5 000 t疏水(含鍋爐啟動(dòng)合格與不合格爐水等),而且這部分疏水的焓值很高,例如華能汕頭電廠(chǎng)二期600 MW超臨界鍋爐汽水分離器啟動(dòng)疏水排放量在最大工況下流量達(dá)到為475 t/h、壓力8.99 Mpa,溫度為對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度304℃、熱焓1361 kJ/kg、密度705.4 kg/m3,經(jīng)過(guò)節(jié)流減壓后的壓力為0.852 MPa、熱焓2830 kJ/kg,此時(shí)的介質(zhì)為兩相流體[1].

簡(jiǎn)單地講,啟動(dòng)疏水主要是啟動(dòng)初期鍋爐清潔用水及氣溫壓力參數(shù)不合格而不能進(jìn)入過(guò)熱器的給水.超臨界機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中鍋爐排放的水和蒸汽的量是很大的,大量地排放疏水,將造成化水車(chē)間制水緊張;其次,造成運(yùn)行費(fèi)用的增加,對(duì)于缺乏淡水資源的電廠(chǎng),使用淡水的成本會(huì)更高,要根據(jù)國(guó)家規(guī)定還要被征收水資源費(fèi).

1.2 啟動(dòng)疏水的設(shè)計(jì)原則

疏水設(shè)計(jì)的目的:一是鍋爐汽水分離器啟動(dòng)疏水的排放不能引起設(shè)備超壓等一系列問(wèn)題,影響機(jī)組正常啟動(dòng);二是合格的啟動(dòng)疏水盡量回收,避免水質(zhì)浪費(fèi).三是應(yīng)合理減小疏水工質(zhì)的熱量損失.

根據(jù)我國(guó)國(guó)情,我國(guó)有關(guān)部門(mén)曾發(fā)布過(guò)很多防止除氧器爆炸的嚴(yán)厲文件.我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《火電發(fā)電廠(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》明確規(guī)定[2]:除氧器的啟動(dòng)汽源應(yīng)來(lái)自啟動(dòng)鍋爐或廠(chǎng)用輔助蒸汽系統(tǒng).故設(shè)計(jì)院一般不愿突破上述規(guī)定,將鍋爐汽水分離器啟動(dòng)疏水排除氧器,做除氧器的熱源.

1.3 啟動(dòng)熱回收及存在問(wèn)題

目前,國(guó)產(chǎn)超臨界機(jī)組一般都采用內(nèi)置式啟動(dòng)分離器系統(tǒng),給水途經(jīng)水冷壁加熱之后進(jìn)入啟動(dòng)分離器,分離成水和飽和蒸汽.在機(jī)組啟動(dòng)初期,嚴(yán)重不合格的水經(jīng)排污閥直接排至地溝,隨著啟動(dòng)過(guò)程的深人,從啟動(dòng)分離器出來(lái)的疏水被引人一儲(chǔ)水箱,儲(chǔ)水箱分別與大氣式擴(kuò)容器和除氧器相連.相對(duì)合格的水在啟動(dòng)分離器水位控制閥(361閥)的控制下,經(jīng)儲(chǔ)水箱進(jìn)人大氣式疏水?dāng)U容器中,由于壓力降低,一部分疏水汽化,其中蒸汽通過(guò)管道在爐頂上方排向大氣,其余水進(jìn)入擴(kuò)容器水箱內(nèi),經(jīng)疏水泵送到凝汽器,回收工質(zhì)和熱量.而帶循環(huán)泵的系統(tǒng),可以直接將合格的疏水回收到水冷壁進(jìn)口中,提高熱量的利用.

表1 疏水回收位置不同的熱量利用比較

疏水處理不當(dāng)往往會(huì)引起凝汽器內(nèi)原熱平衡的破壞,使凝汽器內(nèi)凝結(jié)飽和溫度提高,導(dǎo)致背壓升高,影響機(jī)組出力;還會(huì)引起沖擊、振動(dòng)、熱脹,造成冷凝管破損、殼體開(kāi)裂等問(wèn)題;嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞汽輪機(jī)葉片.

2 超臨界鍋爐啟動(dòng)疏水系統(tǒng)介紹

2.1 帶BCP循環(huán)泵啟動(dòng)疏水系統(tǒng)的組成

按再循環(huán)泵在系統(tǒng)中與給水泵的聯(lián)接方式,可分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種型式[3].一部分給水經(jīng)混合器進(jìn)入再循環(huán)泵水流的稱(chēng)為串聯(lián)式啟動(dòng)系統(tǒng),給水不經(jīng)再循環(huán)泵水流的稱(chēng)為并聯(lián)啟動(dòng)系統(tǒng).該啟動(dòng)系統(tǒng)主要由啟動(dòng)分離器水箱、再循環(huán)泵等組成,如圖1所示.

圖1 再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)示意圖

2.2 帶大氣擴(kuò)容器式啟動(dòng)系統(tǒng)[2,3]

啟動(dòng)初期為了清潔管道及檢驗(yàn)水質(zhì)利用AA和AN閥將不合格的水送入大氣擴(kuò)容器,經(jīng)過(guò)疏水箱排放地溝;水質(zhì)合格后疏水泵投入運(yùn)行,將水排入凝汽器回收工質(zhì).燃料投入后,汽水分離器分離出的水經(jīng)ANB閥排入除氧器,將工質(zhì)和熱量回收.僅在儲(chǔ)水箱水位超高時(shí)從AA和AN閥排入擴(kuò)容器并送回凝汽器.系統(tǒng)在使用ANB閥時(shí)通過(guò)除氧器可以回收全部熱量和工質(zhì),由于沒(méi)有使用再循環(huán)泵,廠(chǎng)用電不變,其機(jī)組經(jīng)濟(jì)性最高.當(dāng)壓力超過(guò)除氧器工作壓力時(shí),使用AA和AN閥只能將溢流水送回凝汽器回收工質(zhì)而不能回收熱量,如圖2所示.

水位控制閥(361閥)是疏水?dāng)U容式啟動(dòng)系統(tǒng)的核心部件,主要用于在直流負(fù)荷以下對(duì)儲(chǔ)水箱水位進(jìn)行調(diào)整.

圖2 帶大氣式擴(kuò)容器內(nèi)置式分離器啟動(dòng)系統(tǒng)示意圖

2.3 不回收熱量的啟動(dòng)疏水系統(tǒng)

此系統(tǒng)使啟動(dòng)疏水直接經(jīng)過(guò)擴(kuò)容器,然后經(jīng)水質(zhì)檢驗(yàn)合格后排至凝汽器,若水質(zhì)不合格則排入地溝.此種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不過(guò)由于工質(zhì)直接排入地溝或凝汽器,所以工質(zhì)損失和熱損失比較大,特別是對(duì)于啟動(dòng)經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間后,進(jìn)入擴(kuò)容器的工質(zhì)焓值較高時(shí),容易使工質(zhì)在擴(kuò)容器中蒸發(fā);另外,將此工質(zhì)引入了凝汽器中回收,也由于大溫差冷熱水的混合,造成比較大的能量損耗,產(chǎn)生較大火用損,所以從能量利用的角度來(lái)說(shuō),這種方法不能充分利用工質(zhì)的熱量.

3 三種系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)比較

3.1 啟動(dòng)時(shí)間比較

從啟動(dòng)時(shí)間看,配置一級(jí)旁路與鍋爐BCP循環(huán)泵是可以確保最短的啟動(dòng)時(shí)間;從鍋爐熱效率看,帶BCP循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)由于在啟動(dòng)時(shí)利用了高、低壓加熱器及爐內(nèi)的熱量,因此相比沒(méi)有BCP循環(huán)泵的系統(tǒng)而言,其熱效率要高.

由于在帶循環(huán)泵的系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中能回收絕大部分疏水熱量,因此可有效縮短冷態(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70～80 min;溫態(tài)啟動(dòng)可縮短10～20 min,故該系統(tǒng)更適合于頻繁啟動(dòng).

3.2 熱量利用及工質(zhì)回收比較

3.2.1 帶循環(huán)泵系統(tǒng)

帶循環(huán)泵的系統(tǒng)可降低給水泵在啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的功率,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.

帶BCP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)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.

3.2.2 疏水?dāng)U容式系統(tǒng)

疏水?dāng)U容式系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中,滿(mǎn)足除氧器參數(shù)時(shí)可以回收并利用大部分工質(zhì)和熱量,僅在儲(chǔ)水箱水位超高時(shí)有部分水排入凝汽器造成熱量損失,但是工質(zhì)可以回收,停爐過(guò)程中可以回收大部分熱量和全部工質(zhì).

3.2.3 不回收疏水熱量系統(tǒng)

不回收熱量的啟動(dòng)疏水系統(tǒng)沒(méi)有采用回收工質(zhì)熱量的措施,將啟動(dòng)初期由分離器分離出的水直接送入了凝汽器,僅收回了工質(zhì),熱量被冷卻循環(huán)水帶走,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.

3.3 初投資及運(yùn)行費(fèi)用比較

帶BCP循環(huán)泵的系統(tǒng)由于輔助系統(tǒng)多,設(shè)備費(fèi)用高,增加的投資大,特別是再循環(huán)泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造工藝要求高,運(yùn)行中增加了再循環(huán)泵的電耗,廠(chǎng)用電增加.而且系統(tǒng)的復(fù)雜隨之也帶來(lái)了每年必需的高額檢查維修費(fèi)用.

疏水?dāng)U容方式在低負(fù)荷和頻繁啟停時(shí)特性較差[4],但初投資較少,適用于帶基本負(fù)荷的電廠(chǎng);帶再循環(huán)泵的啟動(dòng)系統(tǒng)具有良好的極低負(fù)荷運(yùn)行和頻繁啟動(dòng)特性,適用于帶中間負(fù)荷和兩班制運(yùn)行,而且不用再循環(huán)泵,廠(chǎng)用電少.但是此系統(tǒng)初投資也大,系統(tǒng)復(fù)雜,設(shè)備較多,檢修工作量大.

不回收熱量的啟動(dòng)疏水系統(tǒng)由于啟動(dòng)和停運(yùn)期間熱量損失大,此機(jī)組不適于作為深度調(diào)峰,只能作為帶基本負(fù)荷或部分調(diào)峰機(jī)組[5],而且不宜經(jīng)常啟停.但是啟動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單,無(wú)再循環(huán)泵等設(shè)備,初投資少,檢修工作量小.我國(guó)的600 MW機(jī)組是作為帶基本負(fù)荷的主力機(jī)組工作的,只作部分調(diào)峰而不會(huì)經(jīng)常啟停,采用這種系統(tǒng)可以減少初投資并減少檢修工作量.

表2 超臨界鍋爐兩種啟動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)比較

4 經(jīng)濟(jì)分析

以某600 MW超臨界直流鍋爐啟動(dòng)旁路系統(tǒng)為例,計(jì)算在鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)初期工質(zhì)及熱損失情況,并進(jìn)行比較,確定不同啟動(dòng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性.

鍋爐啟動(dòng)初期,鍋爐保持啟動(dòng)流量以滿(mǎn)足鍋爐水冷壁的冷卻要求.由于啟動(dòng)初期投入的燃料量是逐漸增加的,前40分鐘水冷壁出口的工質(zhì)全部是水,隨著燃料量的增加,出口工質(zhì)為汽水混合物,鍋爐負(fù)荷達(dá)到啟動(dòng)負(fù)荷時(shí)進(jìn)入分離器的工質(zhì)全部為蒸汽.啟動(dòng)第1小時(shí)的工質(zhì)流動(dòng)及分布情況見(jiàn)表3.

表3 啟動(dòng)第1小時(shí)工質(zhì)分布

由冷態(tài)啟動(dòng)曲線(xiàn)可知,鍋爐啟動(dòng)的第1小時(shí)產(chǎn)生的蒸汽量較少,水冷壁出口基本上是水,產(chǎn)生的蒸汽量很少,故按平均產(chǎn)汽量約30%啟動(dòng)流量計(jì)算經(jīng)濟(jì)性.

為了減少計(jì)算誤差,除氧器壓力取啟動(dòng)初期參數(shù),并求取平均值.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4、5.

表4 三種系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

表5 系統(tǒng)熱量及工質(zhì)損失情況

5 結(jié) 論

(1)單獨(dú)用凝汽器回收工質(zhì)的的啟動(dòng)系統(tǒng)熱損失最大,疏水?dāng)U容式啟動(dòng)系統(tǒng)的熱量損失比不回收熱量的系統(tǒng)小,帶BCP循環(huán)泵機(jī)組的熱量損失最小.

(2)啟動(dòng)疏水回收位置的選擇要從熱量利用、壓力溫度條件、水質(zhì)等要求綜合考慮.

(3)采用循環(huán)泵的系統(tǒng),機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間快,適用于負(fù)荷的頻繁調(diào)節(jié),但初投資較高,且泵的運(yùn)行消耗廠(chǎng)用電率,不過(guò)可以節(jié)省給水泵的功率.

(4)啟動(dòng)時(shí)將工質(zhì)直接排入凝汽器的系統(tǒng)已不符合熱量利用的要求,現(xiàn)在大型機(jī)組主要采用循環(huán)泵式,將疏水選擇地補(bǔ)充回水冷壁入口或者是高壓除氧器之中.

[1]喬治國(guó),袁益超,劉幸拯.超臨界直流鍋爐的啟動(dòng)及其疏水回收.鍋爐技術(shù),2008,39(03):5～7

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[3]顧宇,趙樹(shù)成,祝洪青.超臨界直流鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)綜合分析.山東電力技術(shù),2008,5:58～62

[4]孫浩,楊文貴,周福貴.超臨界直流鍋爐啟動(dòng)系統(tǒng)介紹.鍋爐制造,2006,15～17

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