800 MW超临界参数锅炉水冷壁及启动系统分析

      介绍原苏联800 MW超临界参数机组锅炉的垂直管屏水冷壁系统、启动系统。分析超临界参数下工质的热物理特性与水冷壁系统运行特性的关系，以及防止水动力多值性、减小热偏差、避免类膜态沸腾的关键技术。
关键词：超临界参数；水冷壁；启动系统；工质热物理特性
　　超临界参数锅炉的水动力特性主要决定于水冷壁型式、工质的热物理特性、运行方式、水冷壁热流密度的大小及其分布等因素的影响。其中工质的热物理特性是指超临界参数下工质在拟临界温度左右的一定范围内受到大比热特性的影响，比容发生急剧变化的特性。超临界压力下工质的热物理特性显著地影响着直流锅炉水动力的稳定性和下辐射区水冷壁出口工质的温度，进一步影响到自动调节性能。引进的500 MW、600 MW、800 MW级超临界参数机组相继投入运行，将为我国发展和研究超临界机组的技术性能、锅炉水动力特性及传热特性提供良好的条件。

1　超临界压力800 MW锅炉的整体布置简介　　
　　原苏联红色锅炉厂设计制造的800 MW超临界参数机组锅炉为T型布置，全悬吊结构。炉膛断面为30．986 m×15．472 m，两侧对流竖井断面为30．986 m×8．152 m，冷灰斗中心标高为12．55 m，锅炉顶棚标高为75 m。锅炉炉膛为膜式水冷壁气密结构，采用平衡通风方式，顶棚及对流竖井也为膜式壁结构。在炉膛的两侧墙上布置四层双蜗壳旋流式燃烧器，形成对冲燃烧方式，每层燃烧器的数量为12个。燃烧器中心线标高从22．9 m延伸至35．8 m。相邻两层燃烧器中心线距离为4．3 m。采用固态排渣方式。炉膛断面热负荷为4．186 8×106 W／m2，炉膛容积热负荷为84．90×103 W／m3。每排燃烧器的壁面热负荷为0．90×106 W／m2，燃用烟煤。
　　位于炉膛出口部位布置的腮管是由水冷壁管拉大间距而形成的。腮管之后是屏式过热器、对流过热器、垂直再热器，两侧对流竖井布置水平再热器和省煤器。1台锅炉配置3台空气预热器，其中1台是一次风空气预热器，另外2台是二次风空气预热器。
　　锅炉的汽水系统分为两个独立的流程，汽水分相区在炉膛内。主蒸汽温度调节方式由煤水比和喷水减温来实现，再热蒸汽温度的调节由汽—汽热交换器、事故喷水减温来实现，此外还设置烟气再循环。烟气再循环对于本台锅炉并不是主要的汽温调节手段，其主要作用是控制辐射受热面的热负荷，同时还可以降低炉膛高温燃烧区的烟气温度，减少氧化氮等污染物的生成量以及防止结渣。锅炉设置2台再循环风机，再循环烟气温度为390℃。烟气再循环量为18％，其中炉膛出口处送入6％，燃烧器区域送入12％。各受热面的管子规格和金属材料见表1。

2　800 MW超临界参数锅炉水冷壁的工作特点　　
　　位于辽宁省葫芦岛市附近的绥中电厂引进了前苏联800 MW超临界压力锅炉，水冷壁全部采用垂直管屏。锅炉汽水系统分为2个完全独立的调节流程，每个流程的水冷壁下辐射区为二次垂直上升。锅炉给水温度为277℃，经过省煤器及悬吊管加热后，温度提高至320℃，进入水冷壁下辐射区。在下辐射区水冷壁的一次垂直上升管屏（即　　第一流程）中，工质温升为55℃，下辐射区水冷壁的二次垂直上升管屏（即第二流程）中，工质温升为25℃，工质到达下辐射区水冷壁出口处时被加热到400℃。上辐射区水冷壁也采用二次垂直上升管屏，下辐射区水冷壁出口的工质经过混合，进入上辐射区水冷壁继续加热后，工质温升为26℃。在水冷壁出口处工质温度达到429℃。水冷壁中工质温度大约上升了109℃。锅炉设计时为了保证下辐射区的水冷壁安全工作，控制下辐射区水冷壁出口工质的最高温度不超过410～430℃，下辐射区水冷壁出口处的工作压力为31．5MPa左右，这一压力下对应的定压比热最大处的拟临界温度约为410℃左右。因此控制极限温度实际上是为了防止相变点下移到燃烧器区域。主要目的是避免水冷壁发生类膜态沸腾，避免由于工质比容急剧变化导致的水动力多值性以及防止过热器超温。
　　在超临界压力下，水冷壁管中工质温度不像亚临界压力下那样具有相同的沸腾温度，即各管中的工质温度是不同的，这将导致各管中工质的膨胀量不尽相同，工质膨胀量过大时，将会产生水动力的多值性。为了保证水动力的稳定性，一次垂直上升管屏中工质的重量流速在100％MCR时，高达2 339 kg／（m2·s），二次垂直上升管屏中的重量流速仍然保持在2 000 kg／（m2·s）以上。为了避免低负荷运行时的水动力不稳定和脉动问题，锅炉采用全压启动方式。
　　800 MW超临界参数锅炉的水冷壁只有在启动初期起水冷壁的作用，当启动分离器转入干态运行后，水冷壁和过热器的作用基本相近，只不过工质温度低一些。本文给出了水冷壁系统流程图1、下辐射区水冷壁流程图2、过热器系统的流程图3。

　　表2给出了锅炉主要受热面的工作参数、工质焓增和吸热量数值。

　

　
　　分析800 MW超临界参数锅炉的特点，可以知道：
　　（1）在防止水动力多值性和脉动方面，主要采取了以下的措施：
　　·将水冷壁分为2个独立的流路（即2个汽水系统），独立控制2个流路的给水流量及温度。

    ·采用较高的重量流速及全压启动方式。
　　·控制下辐射区水冷壁出口的温度，使工质大比热区避开热负荷较高的燃烧器区域，以避免工质比容剧烈变化引起过大的汽水膨胀量。
（2）在消除热偏差方面采取以下措施：
　　·采用工质旁路，减小下辐射区水冷壁第一回路和第二回路中工质温度偏差。
        ·减小下辐射区水冷壁第二回路工质温升。　

  　·沿水冷壁流程，工质进行了多次混合和左右交叉。
　　·采用较高的重量流速和全压启动、定压运行方式。
　　（3）在防止发生类膜态沸腾导致的水冷壁超温方面，主要采取了以下措施：
　　·控制下辐射区水冷壁出口的温度，使工质大比热区避开热负荷较高的燃烧器区域，以避免吸热最强区域中工质热物理特性剧烈变化。
        ·采用较高的重量流速和定压运行方式。

    ·水冷壁采用耐温能力较高的合金钢管。　　

    ·采用烟气再循环，降低燃烧器区域水冷壁的热负荷，使炉内烟气温度分布趋于均匀。
　　（4）启动系统简化，不设低压旁路和高压旁路，只设置大旁路（快速启动旁路），使自动控制系统简化，并简化启动操作。因此，原苏联800 MW超临界参数直流锅炉的启动过程及启动操作方式与其它型式的直流锅炉并不相同。

3　垂直管屏水冷壁的优点和问题
　　垂直管屏水冷壁以其结构简单，容易实现膜式壁结构的优势被广泛采用。为了保证炉膛下辐射区水冷壁管内的重量流速，下辐射区水冷壁的流路一般设计成二次垂直上升。两个流路之间用不受热的下降管相连接。由于出现中间联箱，使工质重新分配且第一流路出口的工质温度升高，比容增大，故进入第二流路的工质流量分配就可能不均匀，尤其是在低负荷工况变压运行时，这种现象更为明显。这是因为在低负荷变压运行时，一方面工质经过亚临界压力区，工质比容变化很大，导致流量分配不均；另一方面工质流量减少，重量流速降低，使得工质流量分配的不均匀程度增大。这些不利因素叠加在一起，有可能导致受热较强的水冷壁管中流量反而减少，使个别管子处于危险的工作状态。因此垂直管屏水冷壁不适合变压运行的要求。

4　800 MW锅炉启动系统的主要特点
　　图4中ДР1、ДР2、ДР3均为减压阀，公称直径为275 mm，ВЗ为内置式闸阀，公称直径为325mm，它们的工作参数均为P＝28．4 MPa，t＝510℃。

　　整台锅炉配置4台内置式汽水分离器，分离器规格为D426×50。
　　温态启动时，内置式汽水分离器中的压力为3．23 MPa。热态启动时，内置式汽水分离器中的压力为4．21 MPa。
　　该启动系统只设置一级大旁路系统。高温再热器用1Cr18Ni12Ti制造，极限耐温700℃，只要控制进入再热器的烟温不高于700℃，可以干烧，不需要介质冷却。低温再热器用12Cr1MoV制造，极限耐温600℃。因此，该系统的快速启动旁路的主要功能是实现冷、热态启动和工质回收。
　　因为启动系统的快速旁路系统额定参数25　　MPa、545℃时的容量1 000 t／h，为额定负荷（2 650 t／h）的38％，而安全门动作（27．5 MPa、545℃）时的最大排汽能力为1 110 t／h，为额定负荷的42％。因此，该启动旁路系统在机组甩负荷时，不具有代替安全阀以及停机不停炉的作用。　　

5　800 MW锅炉启动系统的工作过程
（1）点火启动时的工作过程
　　锅炉点火时的启动流量为额定负荷的30％，约为800 t／h，给水压力为24．5 MPa。点火初期，关闭内置式闸阀ВЗ，开启减压阀ДР1及ДР2，通过节流阀ДР1保持额定压力，使给水量与30％额定负荷的点火启动流量相一致，保证锅炉内置式闸阀前受热面温度和汽水流动工况的可靠性。从水冷壁来的水经ДР1减压后，压力降至1．98～2．94 MPa。此后，水经过汽水分离器排至启动扩容器，使工质和热量得到回收。
　　汽水分离器分离出来的蒸汽量由进入汽水分离器的汽水混合物的湿度来决定。通过燃烧调节，可使汽水混合物的湿度稳定在所需要的水平上。
（2）切换汽水分离器的工作过程
　　当汽水分离器内压力和温度分别达到1．98～2．94MPa、t≤300℃时，标志着水冷壁来的工质已变为汽水混合物，且干度达到了一定程度（0．08～0．1），此时可开启内置式闸阀ВЗ，关闭ДР1阀，锅炉进入纯直流运行状态。
（3）机组甩负荷时的工作过程
　　在机组甩负荷时，锅炉出口的主蒸汽通过快速旁路排至凝汽器，但是当甩负荷至0时，旁路容量不足，此时，安全门将动作。
　　安全门的额定出力为800 t／h，每台炉装2个。快速旁路系统开启再加上2个安全门的动作，其总流量可达到1 000＋2×800＝2 600 t／h，可满足排放锅炉生产的全部蒸汽的需要。安全门的起座压力高于锅炉出口额定蒸汽压力的10％，约为27．5 MPa。安全门具有快速反应能力，其压力从25 MPa升至27．5 MPa，时间约为10 min。锅炉保护动作时，快速旁路投入，同时安全门动作。
（4）停机时的工作过程
　　正常停机过程最显著的特点是内置式闸阀前锅炉的通路暂时被切断，内置式闸阀之后的过热蒸汽管道和中间再热系统中无蒸汽通过。
　　本文研究的800 MW直流锅炉正常停炉之前，首先要降负荷，按运行规程逐渐减小给水流量和燃烧量。在终止向锅炉给水后，给水阀、内置式闸阀ВЗ和分离器出口的ДР3阀以及汽水分离器全部关闭，同时打开旁路阀，把过热器管路通过快速旁路与凝汽器连接起来。这样，过热器中的凝结水就可通过快速旁路直接被排放掉，以利下次锅炉点火。

6　结束语
　　超临界参数锅炉的技术关键是水冷壁。根据超临界压力下工质的热物理特性，在控制下辐射区工质温度方面，采用螺旋管圈水冷壁和采用垂直管屏水冷壁基本相同。两者都需要控制大比热区，使其避开热负荷最高的燃烧器区域，都需要设置工质温度变化的前馈点——中间点温度，作为汽温调节的参考点。采用垂直管屏水冷壁不适合变压运行。工质的流动阻力在最大负荷时可达5．9 MPa左右。采用螺旋管圈水冷壁可变压运行，工质的流动阻力在最大负荷时约为4．3MPa。垂直管屏水冷壁和螺旋管圈水冷壁都具有一定优势，关键是要有统筹规划。大功率机组作为主力机组，主要是提高可靠性和简化控制系统以及简化启动操作，不一定要求变压运行。