350MW火力发电机组锅炉水循环方式研究

       汽包锅炉的水循环方式分强制循环和自然循环两种，强制循环又有多次强制循环和一次强制循环（即直流锅炉）。多次强制循环锅炉配备炉水循环泵，水冷壁上升管入口处加装节流圈（控制循环），水循环压头大，质量流速充足，循环稳定。自然循环锅炉靠水冷壁与下降管的重度差产生压头，压头小但设备结构简单，运行操作容易掌握而且比较安全。本文结合华能大连电厂一期#1、#2机组为多次强制循环锅炉（文中简称强制循环锅炉），二期#3、#4机组为自然循环锅炉的生产实际，对这两种锅炉水循环方式的原理、结构和设计思想进行了比较研究，总结出实际生产运行中二者的特性和优缺点及具体运行操作方式的不同，以求达到对电厂运行人员的实际操作有所帮助的目的。
关键词：自然循环 强制循环 炉水循环泵
       1　前言
       汽包锅炉蒸发设备的水循环，分自然循环和强制循环两种。[1]华能大连电厂一期#1、#2机组锅炉为三菱—CE单汽包辐射再热控制循环露天锅炉，二期#3、#4机组锅炉为英国Babcock公司制造的辐射式放热、平衡通风、自然循环、再热式锅炉。
       2　水循环原理

      图1为简单自然循环回路的示意图，给水由省煤器进入汽包与炉水相混合后，通过下降管及下联箱进入水冷壁，水在水冷壁中吸收炉膛火焰和烟气的热量达到饱和温度并产生部分蒸汽，而下降管为饱和或欠热水。由于汽水混合物的重度小于下降管中水的重度，下联箱左右两侧将产生压力差，推动上升管中汽水混合物向上流动，进入汽包，并在汽包内进行汽水分离，分离出来的蒸汽送往过热器，分离出来的水继续参加循环。这种利用工质本身的重度差所产生的循环称为自然循环。[2]随着锅炉蒸汽参数的提高，锅炉中的汽水重度差越来越小，在亚临界参数下，自然循环所产生的动压头一般只有0.05～0.1Mpa，这就使得工质在循环回路中的流动越来越困难。一般当汽压超过18.6 Mpa时，自然循环锅炉已不能可靠的工作，而必须采取强制循环，即借助水泵的压头使工质在循环回路中流动。这种用水泵强制锅炉进行循环的方式称为强制循环（如图2）。强制循环锅炉的结构与自然循环锅炉基本相同，也有汽包，所不同的是在下降管中增加了循环泵，做为强制循环的动力。

       3　锅炉结构与设计思想
       强制循环锅炉的汽包沿整个长度设置了内套筒，上升管束来的汽水混合物从汽包顶部进入汽包内套筒，由上往下流动，均匀的对汽包上下壁同时进行加热或冷却，使汽包上下壁温度在启停机或升降负荷的过程中，能保持一致的温度，为机组快速启停和提高升降负荷速率创造了条件。例如华能大连电厂一期锅炉，启动阶段炉水温度变化率可达220℃/h。而自然循环锅炉的循环推动力为下降管和上升管中流动工质的重度差，它所产生的动压头在高参数机组中比较小，不足以让上升管束来的汽水混合物克服汽包高度产生的静压从顶部进入，而要从汽包中部进入。汽包内套筒也不象强制循环锅炉那样是个环形，而是一个半环形，设置在汽包下半部，汽水混合物无法对汽包的上下壁进行均匀加热，使得汽包上下壁温差成为限制锅炉起停速度和负荷变化率的一个重要因素。华能大连电厂二期锅炉启动时炉水饱和温度的上升速率被限制在1.5℃/min以下，并在任何工况下不允许汽包上下壁温度超过56℃。
       强制循环锅炉设置了炉水泵，锅炉低负荷运行及停炉时，水冷壁能够得到工质足够的冷却而不致被烧坏。在对锅炉进行设计时，可以选择合适的炉膛形式，充分发挥燃烧性能，并能采用较小直径的水冷壁管，减轻锅炉重量。炉膛内的热负荷分布不均匀，所以强制循环锅炉在水冷壁的入口设置了节流圈，节流圈的尺寸依管子所受热负荷的大小来定，通过调整各根上升管中的流量分配，避免了在蒸发系统中出现水的脉动、停滞及倒流等循环故障，减轻了水冷壁管子的热偏差，保证了水冷壁温度的均匀分布。[3]而自然循环锅炉靠流体重度差驱动工质循环，循环回路中无法装设任何流量控制阀，所以水冷壁各管汽水含量不均匀，这就要求锅炉设计中要保证足够的循环流量，避免出现传热恶化。
       强制循环锅炉循环压头高（40m），足够克服环形通道和汽水分离装置形成的阻力，可采用直径小、效率高、旋转强度大的旋风分离器；循环倍率低（一期锅炉的循环倍率在两台炉水泵运行时为2，三台运行为2.4，二期锅炉的循环倍率在4～6之间），汽水混合物中分离出来的水量少，分离设备的数量和体积可以相应减少，从而使汽包直径、壁厚和体积减小。一期锅炉旋风分离器是2排68只，汽包内径1675mm，二期旋风分离器是三排132只，汽包前部一排52只，后部两排40只，汽包内径1830mm。
       强制循环锅炉用水包代替了自然循环锅炉蒸发受热面下联箱，水包设有锅炉运行中定期排出炉水水渣和锈垢的排污管。自然循环锅炉严禁在锅炉运行中对下降管或下联箱排污，因为那将破坏水循环，导致上升管汽水混合物停滞和水冷壁管烧损。自然循环锅炉必须对给水和炉水的品质严格控制，避免水渣和铁锈在水冷壁下联箱沉积，二期机组在凝结水泵出口设有一套除铁系统，其内部为以聚丙烯纤维为过滤材质的滤元，用以去除铁和铜腐蚀物，保证水质。
       锅炉启动时，省煤器进水不连续，若省煤器中的水不流动，就可能导致管壁超温。强制循环锅炉可以在低负荷或点火升压时，依靠炉水泵的压力对省煤器进行再循环，保护省煤器。而自然循环锅炉对省煤器进行再循环比较困难，在锅炉设计中就要充分考虑省煤器的安全问题，或降低省煤器入口烟气温度，或提高省煤器管材规格。在机组启动初期进行给水调节时，要保证省煤器有足够冷却，避免省煤器给水停滞干烧。
       炉水泵要求必须能耐高静压，电机能防水、能隔热，轴承能防止杂质进入，其辅助系统，尤其冷却系统要求也就高些，华能大连电厂一期的轴冷水泵，电压6000V、功率350Kw、扬程53m，而二期轴冷水泵电压仅400V，功率147Kw，扬程33.55m。再者，强制循环锅炉对控制系统的要求也比自然循环锅炉高。所以强制循环锅炉的初投资要大，运行中维护、检修、监视等方面的投入也大些。
       4　实际的运行操作
       华能大连电厂二期锅炉的汽包水位是一个极重要参数，反映锅炉水循环的安全，它的异常直接触发锅炉MFT。一期锅炉水位低于可视水位以下时，只要炉水泵运行正常，差压和电流未异常摆动或偏低，水循环就不会被破坏，锅炉还可以持续上水至正常水位，其MFT条件是炉水泵差压异常。
        二期锅炉启动中须严格遵守厂家给定的升压曲线，控制升压速度。尤其升压初期，水循环较差，汽包壁受热不均匀，上、下部，内、外壁都有温差。所以一定要控制好油枪投停与分布，除氧器水温，主、再热蒸汽管疏水及连排的开度，保证汽包上下壁温差不超限，升压率小于规定值。一期锅炉炉水泵在点火前已启动，水循环建立早，炉水的强制流动，使各承压部件得到了均匀的加热，故可以适当的提高升压升温速度，缩短锅炉启动时间。
         停炉冷却时，由于炉水循环泵一直转到锅炉压力降至5×102kpa才停止，所以一期锅炉的汽包和水冷壁可以得到均匀、快速冷却，炉水温度的下降率最高可达165℃/h，有利于炉内检修的较快进行。二期锅炉必须控制降压降温的速度，饱和温度的下降率不能大于55℃/h，汽包上下壁温差要小于50℃，还得不断上水，保持汽包高水位，利用锅炉余热建立的微弱水循环对锅炉进行均匀冷却。
        一期锅炉水循环压头高，循环倍率小，流速大，水冷壁吸热量大，升负荷炉膛热量的增加，水冷壁辐射吸热占份额比较大，所以蒸汽压力变化迅速，机组在负荷变化时可以采用较快的升速率。同样采用3MW/min升速率的升负荷过程中，一期机组蒸汽压力与滑压曲线吻合很好，实际压力与设定值平均偏差在0.1～0.2MPa左右，超调量也小。二期机组由于汽包容积大，相应锅炉水容量和蓄热能力大，负荷变化时，蒸汽压力变化速度慢，幅度大。[3]升负荷时往往先一个明显下降，然后随着煤量大幅增加快速增长，最后超出设定值很多再慢慢回头，实际压力与设定值偏差常在0.3MPa以上，超调量较大。
         强制循环锅炉优点很多，但也有它的困难，英国有研究单位认为：强制循环锅炉有循环泵，总是复杂的，而且在超高压以下显示不出优越性，只有压力高于15.68MPa才合算，所以还是自然循环锅炉好一些。[3]炉水泵的安全运行是强制循环锅炉安全运行的保证，它启动和正常运行时操作和监视的内容多，自然循环锅炉设备精炼，操作和监视的内容少，但只要严格按照操作规程和厂方说明对锅炉进行操作和精心维护，这两种锅炉都可以成功地完成发电和长期安全运行的任务。华能大连电厂#1、#3机组曾分别长周期安全稳定运行510天和633天就说明了这一点。