超（超）临界火电机组取消炉水循环泵的可行性研究.pdf

摘 要超 超 f临界火力发电机组中的炉水循环泵主要用来回收从直流炉分离器分离出来的水。国内目前还不能生产可靠的 炉水循环泵 ，炉水循环泵的供货周期较 长，影响 了机组的建设速度 。同时炉水循 环泵的运行 、维护比较复杂，炉水循环泵出 故障后，维修 困难。文章根据炉水循环泵的作用，探索寻找替代炉水循环泵的方法，研究取消炉水循环泵的可行性。 关键词 直流锅 炉；汽水分 离器 ；炉水循环泵 ；回收 中图分类号 T K 2 2 3 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 9 0 0 6 2 0 1 0 0 2 0 0 0 1 0 4 F e a s i b i l i t y S t u d y o f B o i l e r W a t e r Ci r c u l a t i n g P u mp C a n c e l l e d i n Ul t r a s u p e r c r i t i c a l Un i t MA ∞ 一 l o n g ,WA NG J u n 1 ． Xi ’a n T h e r md P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e ， 7 1 0 0 3 2 ， X i ’ a n ， C h i n a ； 2 ． D o n g f a n g B o i l e r G r o u p C o ． ， L t d ． ， 6 1 1 7 3 1 ， C h e n g d u ， C h i n a A b s t r a c t T h e b o i l e r w a t e r c i r c u l a t i n g p u mp s B WC P 1 i n U l t r a s u p e r c r i t i c a l t h e r m a l p o w e r u n i t s a r e ma i n l y u t i l i z e d t o r e c y c l e w a t e r f r o m St e a m wa t e r s e p a r a t o r ．Th e l o we r r e l i a bi l i t y a nd l o ng e r d e l i v e r y pe r i o d o f BW CP u s e d t o d e l a y t he s c he d u l e o f ma n u f a c t u r i n g o f un i t s a nd p r o g r e s s o f p r o j e c t s ． T h i s i s a l s o a c c o m p a n i e d b y m o r e c o m p l e x O M m a n u a l s a n d d i ffic u l t y i n f i x i n g t h e f a i l u r e s ． B a s e d o n t h e f u n c t i o n o f BW CP， t he a l t e r n a t i v e me t ho d o f t h e s a me i s e x p l o r e d a n d t he f e a s i b i l i t y o f c a n c e l i n g BW CP i s s t ud i e d i n t hi s a r t i c l e． Ke y wo r d so n c e t h r o u g h b o i l e r ； s t e a m wa t e r s e p a r a t o r ； b o i l e r w a t e r c i r c u l a t i n g p u mp ； r e c y c l e 1 超 超 临 界 火 力 发 颤 组 炉 水 循 环 泵 的 作 用 1 ． 1 超超临界火力发 电机组的启动系统 超临界火力发 电机组 中的锅 炉一般为为直流 锅炉 ，直流锅炉 的主要特点是水在给水泵的作 用 下 ，依 次经过省煤器 、水冷壁 、过热器 ，完成 水 的加热 、蒸发和蒸汽的过热等过程 ，如图 1 所示 。 三段受热面没有 固定的分界 ，随着 给水流量 、燃 烧率 的波动而波动。蒸发段 的前移会使过热汽温 偏高 ，蒸发段 的后移则 引起汽温偏低 。但锅炉在 设计时各段 的换热特性 、热量分配及管材相对 固 垫 鐾 垫 鏊 垄 墨 垫 亘 垫 量 垫亘 流 动 方 向 广 一 一一 一 】 ／ _ _ _ _ ． | ． | ． | 一一一 一 ／ 图1 直流锅炉受热面分布- 隋况 定 ，这就要求蒸发段不能偏移太多 。在直流锅炉 中 ，蒸发受热面和过热受热面通常设一个相对固 定 的分界点 ，那就是汽水分离器。通 过汽水 分离 器 ，将水冷壁 出来 的汽水混合物分离 ，蒸 汽进入 过热器 ，水从分离器底部排出。 直流锅炉没有水循环 ，从 汽水混合物 的流动 结构来看 ，要保 证受热面的换热效果 ，就要保证 水的连续流动 ，要求启 动一开始就必须建立起足 够的启动流量 和启 动压力 ，以保证所有受热面 的 冷却和水冷壁内水动力的稳定性。 锅 炉启动 时的最 低给水 流量称 为启动 流量 ， 它 由水冷壁安全质量流速决定 。启 动流量 一般为 2 0 ％一 3 0 ％ B MC R给水流量 。锅炉启动时 的压力称 为启动压力 。一次上升型直流锅炉启动压 力何 时 建立 、如何建立 、压力水平 如何 等 ，与水 冷壁安 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 2 6 作者简介 马晓珑 1 9 7 1 一 ，男 ，1 9 9 4年西安交通大学锅炉专业毕业 ，工学学士 ；2 0 0 3年华东科技大学管理学硕十毕业。高级工程师 ，从事 电站调试工作 。 1 7 全启 动 、启动过程各工况 、系统 中各阀门性能及 给水泵特性等有关 ，要通过全 面分析来 确定 。它 首先要获得锅炉最佳启 动过程 、还应符合给水泵 压头 、系统各 阀门合理压降的要求。 锅炉启动是需要 一定 过程的 ，锅 炉热负荷 的 增加是在一定速率的限制下进行的。在启 动的初 期 ，锅炉热负荷较小 的情况下 ，给水经过省煤器 和水冷壁后不 能完成汽化 ，在水冷壁 出 口只能形 成汽水混合物 。通过在蒸发受 热面和过热受热面 之 间的汽水分离器 ，将水分离出来 ，蒸汽进入过 热器完成过热。 启动系统 的作用就是启动初期 ，在水经过省 煤器 、水冷壁后不能完成完全汽化的阶段 ，将 汽 水混合物 中的水汽分离 ，汽进入过热器 ，完成蒸 汽的过热，分离出来的水则进行回收或排放。 1 ． 2 启动系统的组成及工作过程 启动系统一般 由汽水分离器 、储 水罐 、炉水 循环泵 、水的 回收或排放 系统等组成 。 目前超超 临界火电机组的典型启动系统如图 2所示。 一 步排 向机组排水槽 。在运行过程 中为 了防止 炉 水循环泵和 3 6 1阀发生汽蚀 ，通过主给水向储水 箱注入一定过冷水 ，保 证储水箱派 出的水有一 定 过冷度 。储水箱通常要 保证一定水位 ，水位通过 炉水循环泵 出口调节 门 、再循环 门及 3 6 1阀进行 调节。 随着锅炉热负荷的增加 ，进 入分离器 的汽水 混合物 中汽的成分越来越多 ，水的成分越来越少 ， 直至最后进入分离器 的工质全部变成有一定过热 度的蒸汽，3 6 1 阀全部关闭 、炉水循环泵出口调 门 全关 ，这时锅炉从湿态转为干态运行 ，启动系统 将退出运行 。从省煤器出 口有 管道分别引到炉水 循环泵出 口和 3 6 1阀，分别提供暖泵水和暖阀水 ， 其作用是在启动系统退出运行后 ，保证炉水 泵和 3 6 1阀处于热态 ，以便炉水泵和 3 6 1 阀能够随时投 人运行 。 在停机过程 中，随着机组负荷 的降低 ，锅炉 热负荷 降低 ，从水冷壁排 出的丁质又变成 了汽水 混合物 ，储水箱水 位不 断上升 ，这时启动系统又 图2超超 临界锅炉启动系统 在图 2中，水经 过省煤器加热 ，在水 冷壁 中 蒸发，在水冷壁出口形成汽水混合物进入汽水分 离器进行分离 ，汽进入过热器进 一步吸热 ，形成 过热蒸汽。水进入储水箱 中。水质 合格 的水 ，通 过炉水循环泵增压进人省煤器人 口，与来 自主给 水系统 的水一起进入省煤器 ，继续进行加热和蒸 发 。当储水箱 中的水 质不合 格时 ，视水质情 况 ， 全部或者部分通过 3 6 1阀排人疏水 扩容器 中，进 1 8 要投入运行。 由此可见炉水循环泵 的作用 就是将汽水分离器 储水箱 中的水 打人省煤器人 口，在 保证省煤器 入 口一定 流量 的前提下 ，回收合 格的高温 、高压的水。 2 目 前 启 动 紊 螺 在 的 普 遍 问 题 启 动系统 在工作过程 中，炉 水循环泵 的工质有较高的温度和 压力 ，对炉水循环泵质量要求较 高 ，目前我们 国内的超 超 临界 锅炉 的炉水循环 泵 主要靠进 口。 进 口炉水循环泵费用较高而且订货周期较长 ，目 前火力发 电发展迅速 ，炉水循环泵供货往往不能 满足 电厂建设的需要 。例如华能井 冈山电厂在整 套启动开始时，炉水循环泵尚未到货。 炉水循环泵电机腔室的冷却水水质要求很高， 在很 多电厂都发生过 由于 电机腔 室内滤 网堵塞 ， 致使炉水泵电机温度高而不得不停炉检修 例如巢 湖电厂 。 炉水循环泵 对冷却水 的可靠性要求很 高 ，在 一 些 电厂 曾经 发生过 由于 电机腔室 冷却水 泄露 ， 炉 内的高温水进入炉水循环泵电机 腔室 ，使得炉 水循环泵 电机线圈烧毁 ，不得不停炉检修 例如芜 湖电厂 。 炉水循环泵的检修 比较麻烦 。由于炉水循环 泵 主要靠进 口，很多设备供应商提 出的检修条件 比较苛刻 ，很多电厂无法达到检修要求 。曾经有 很多 电厂 由于电机腔室滤 网堵塞 ，而将整台炉水 泵空运返厂清理滤 网 ，历时 1个月 ，费用 浪费巨 大 例如伊敏电厂 。 鉴于超 超 临界发 电机组 中启动 系统 的很 多 问题都与炉水循环泵有关 ，对启动系统进行优化 ， 取消炉水循环泵的设计优化很为迫切。 通过分析超超临界锅炉启动系统的作用及炉 水循环泵在启 动系统中的作用可 以发现 ，炉水循 环泵 的主要作用在 于回收从汽水分离器 分离出来 的高温高压 的水 ，以达到节约用水 、减 少热量损 失 的 目的。因此 只要能够对分离器分离 出来 的水 进行 回收 ，同时能够尽量降低热量损失 ，便 可以 从启动系统 中将炉水循环泵取掉。 3 ． 1 汽水分离器储水箱中水的参数 碰 样 嬗 汽水分离器储水箱中的水是从汽水混合物分离 出来 的，因此这些水是对应锅炉压力下 的饱和水。 目前超超临界锅炉的运行方式是滑 一定 一滑 一定。 图 3是 6 6 0 MW超超临界发电机组的启动曲线。 由图 3的启动 曲线可 以看 出 ，超超 临界发 电 机组在 3 0 ％负荷之前 已经转为干态运行 给水流量 与主汽流量重叠 ，而 6 6 0 MW 超超 临界发电机组 在 3 0 ％负荷之前的压力在 8 ． 0 MP a 左右 ，对应于启 动分离器水箱中水为 8 ． 0 M P a 压力下的饱和水 ，温 度大约为 2 9 4 o C 左右。 在锅炉 点火之前 ，锅炉处 于冷 态冲洗 阶段 ， 水从水 冷壁 出来后直接进人分离器水箱 ，因此点 火之前的回收水 即为锅炉给水 。锅炉点火后 ，在 起压之前 ，炉水温度上升 ，有少 量蒸 汽进入过热 器及 汽机管道 ，随着疏水排汽排走 。当温度达到 I O 0 C 左 右 ，锅炉压力和温度同时上升 ，水冷壁最 高热负荷处工质温升最快 ，当工质温度升至饱和 温度时开始汽化。此 时 ，汽化点 以后 的受热 面内 的工质仍为水 。由于蒸 汽密度 比水小得多 ，汽化 点附近 的局部压力 升高 ，将汽化点 以后 的水排挤 出去 ，使锅炉排 出的质量流量大大超过给水质量 流量 ，这种现象称为直流锅炉启动 中的工质膨胀 。 当汽化点 以后 的受热面 中的水都被汽水混合物排 挤 出锅炉后 ，锅炉排 出流量恢复到与给水 流量一 ， UU 主 温 乏 6 0 ℃ 6 0 0 ／ 主 流 { 1 9 r 5 00 ／ ．0 M P a ／，一 一 ／ | 气 压 力 ／ ／ j ／ 4 0 0 ／ | I ／ 负 10 ％ L 3 0 0 ／ 转 速 1 0 0 0 r ／ mi ／ ／ j ／ ／ ， 2 0 0 ／ | ／ ， | ．．／ 。 ／ ／ ／ ，_ ／ ／ ， 1 0 0 ／ f ／ 水罚 量 2 O L ／ ／ ／ ／ 锅 炉点火 - 6 0 rai n △ △ 并 网 2 0m i n 图3 冷态启动 曲线 额 荷时 mi 间 n 1 9 帕 O 致。图 4为某 6 6 0 MW 超超临界锅炉启动过程 中储 水箱排出水量 、水冷壁 出口混合集箱温度 、主蒸 汽压力、负荷之问的关系。 由图 4可 以看 出 ，在锅炉点火初期 ，炉水循 环泵 回收水量大约为 2 5 0 t ／ h 。在混合集箱 出 口温 度在 1 2 7 o C、主汽压 力 0 ． 2 MP a时 ，工质 开始膨 胀 ，膨胀 时炉水循环泵 回收水量最大 4 3 0 t ／ h ，膨 胀过程持续 了 1 h左 右 ，在锅炉压力 1 ． 4 MP a ，混 合集箱温度 2 0 0 1 ] 左 右 ，膨胀完成。膨胀完成后 ， 炉水泵 回收水量在 3 0 0 t ／ h左右 ，随后随着压力及 混合集箱温度的升高 ，回收水量在持续下降 ，在 主蒸汽压力到达 8 ． 0 M P a 左右 ，压力基本恒定 ，混 合集箱 的温度也基本稳定 。在机组并 网后 ，炉水 循环泵 回收水量大约在 2 2 0 t ／ h 。在机组带 2 0 ％负 荷左右，主蒸汽压力 9 ． 0 MP a 左右 ，混合集箱温度 3 0 0 C 左右 ，炉水泵回收水量 2 0 0 t ／ h左右 ，锅炉开 始了湿干态转换 。在锅炉负荷 2 5 ％左右 ，完成 了 湿态 向干态 的转换 ，炉水循环 泵不再 回收水量 ， 主蒸汽压力 、温度 、负荷持续上升。 在图 4中，由于水 质还没有合格 ，炉水循环 泵 回收水量大约为分离器排放量 的 6 0 ％，其余工 质通过 3 6 1阀排放到 了锅炉定排扩容器 。可 以粗 略估计 ，分离器 排放水量最大 为 7 2 0 t ／ h ，此时排 放水 的参数为 1 4 0 C、0 - 3 MP a 。分离器排 放水的 参数最高为 9 ． 9 MP a 、3 0 8 o C，此时 的排放水量 为 3 6 0t ／ h。 3 ． 2 启动分离器水箱中水的可能排放途径 2 0 由于高压给水系统 的压力总是要高 于分离器 储水箱压力 ，在炉水循 环泵取 消后 ，分离器储水 箱 中的水无法 回收到高 压给水系统 中 省煤器入 口 。 由图 2可以看 到 ，储 水箱 中的水通 过 3 6 1阀 减压后也可 以排入锅炉疏 水扩容器 中 ，疏水扩容 器中的水质合格后可 以排往凝 汽器 ，不合格 的水 排往机组排水槽 。这种方式虽然能满足锅炉启动 过程 中分离 出水 的排放问题 ，但是储水箱 中接近 饱和的高压水，经过疏水扩容器扩容后 ，一部分 通过扩容器的排汽排人 空中 ，能够 回收 的一部分 水也 只能是常压下的饱 和水 ，造成 了水量和热量 的浪费。 从 3 6 1阀后接管路 直接排入凝 汽器 ，虽然能 够对全部水量进行 回收 ，但热量不能 回收 ，造成 热量浪费 。另外储水箱 的压力 比较高 ，直接排往 凝汽器 ，容易造成管道 冲击 ，管道的支 固比较困 难 。 从 3 6 1阀后接 管路 直接排人低加汽侧 ，可 以 回收全部水量和全部热量 ，但 由于储水箱压力和 温度与低压加热器汽侧压力和温度相差比较悬殊 ， 容易引起低加超压 ，且低加 汽侧疏水量较小 ，如 果要对其换 热面积和相应 管道进行改造 ，_T作量 较大。 从 3 6 1阀后接管到直接进入 除氧器 ，可以回 收全部水量 和热量 ，但 由于储水箱压 力和温度 与 除氧器的压力和温度相差比较悬殊 ， 下转第2 3页 2 ． 2叶片工作状态叶身应力分析结果 在动态重心优化后 ，该 叶片最大等效应力部 位没有发生变化 ，拉金凸台下部最大峰值应力下 降到 7 3 1 MP a 见 图 6 ，根部截面 内弧部位峰值 应力下降到 6 8 8 MP a 见图 7 。 3 果 分 析 童 i 通过对 1 2 0 0 mm叶片动态重心优化前后叶身 应力水平的分析后发现 ，进行动态重心优化后的 叶身应力水平有大幅降低 ，在拉金 凸台部位峰值 等效应力下降了 9 ． 2 ％；叶身根部 内弧部位峰值等 效应力下降了 1 0 ． 3 ％。 4结 语 -- 对于末级长叶片的设计 ，特别是对于平均应 力水平接近材料的许用极 限强度 的末级动叶片设 计 ，必须考虑叶片_ [ 作时 的复杂三维变型 ，采用 三维有限元分析的方法 ，分析出叶片的动态重心 ， 优化叶片静态下 的重心位置 ，以减小 附加 的扭转 恢复应力 和离心力产生的偏心弯应力 ，增加 叶片 的安全裕度。 图6 优化后 叶片局部等效应力云图 拉 金下部 图7 优化后叶片局部等效应力云图 内弧根部 十 一一” 。 一 一”一一”十一“”*”十“一- 一一一 一十一”-一一一一十一一 十一十一一 一一十一一十。一 十-一- 。 - 卜 一 一 - t - 卜 一 一 上 接 第 2 0页 容易引起除氧器超压 。而且除氧器对水位的要 求 比较严格 ，储水箱的排水进入除氧器后 ，对除氧 器 内部的水冲击较大，容易引起除氧器水位波动。 高加汽侧 的温度 和压力相对 较高 ，而且其疏 水能力与储水箱的排水能力比较接近 ，并且 2 、3 高加本身有接收上级高加疏水 的接入 口，在接人 I ． u形管 ；2 ． 拉杆和定矩 管 ；3 ． 疏水 冷却段端 板 ；4 ．疏 水冷却 段进 口；5 ．疏水冷却段隔板； 6 ． 给水进口；7 ． 人孑 L 密封板；8 独立的分流 隔板 ；9 ．给水 出口；1 O ． 管板；l 1 ．蒸汽冷却段遮热板 ；I 2 ． 蒸汽进 口； I 3 ． 防冲板；1 4 ． 管束保护环 ；】 5 ． 蒸汽冷却段隔板；1 6 ． 隔板；】 7 ． 疏 水进 口；1 8 ． 防冲板；1 9 ．疏水 出口 图5 高压加热器结构示意图 口内部设置 了防冲板 ，如 图 5所示 。根据储水箱 水的参数 ，对 高加相关管道略作修改 ，便 可以很 安全地回收储水箱排水的全部水量和热量 。 4结 语 j 超超 临界火力发 电机组 启动系统可 以进行如 下设计优化 ，即取消炉水循环泵 ，将从汽水分离 器分离 出来的水 回收至 2 、3 高加汽侧 。通过这 样 的设计优化可以降低机组造价 ，减少机组运行 维护费用 ，并 可以减少 由于炉水循环泵 目前不能 国产化所带来的设备供货 、维护等方面的制约。 参考文献 [ 1 ]孟颖琪 ，等． 国产 超临界机组起动调试 的特点 及主要问题 的分 析处理[ J ] ．热力发 电，2 0 0 5 ，3 5 1 2 [ 2 ]胡志宏 ，等． 超超I临界 1 0 0 0 M W 机组直流锅炉的调试及运行 [ J ] ． 热 力发 电，2 0 0 9 ， 5 [ 3 ]王新生． 华能玉环 电厂超超临界 1 0 0 0 MW 机组锅炉特点[ ． 热 力发电 ，2 0 0 9， 3 23 ～ ＼开 T