快速启动锅炉的结构特点和运行特性
第38卷第3期2007年5月
锅 炉 技 术
BOIL ER T ECH NO L OGY
Vol. 38, No. 3M ay. , 2007
文章编号: CN31-1508(2007) 03-0054-04
快速启动锅炉的结构特点和运行特性
忻 祎
(上海交通大学机械与动力工程学院, 上海200240)
关键词: 快速启动锅炉; 结构特点; 运行特性; 变化趋势; 启动条件
摘 要: 叙述了从法国AL ST O M 公司引进的110t/h 、50M Pa 、315e 快速启动锅炉的主要结构特点及其系统, 与普通常规锅炉的区别。介绍了在快速启动时体现出的运行特性, 从热备用状态切为运行状态升负荷, 2min 内可达100%负荷, 归纳了2min 内各重要参数的变化趋势, 并分析了快速升负荷的必要条件。认为快速启动锅炉对于化工区内的热电联供电厂的配置是一个很好的补充和完善。中图分类号: T K 226 文献标识码: B
1 前 言
上海漕泾热电有限责任公司是上海化学工业区内的热电联产电厂, 装备了由美国GE 公司引进的2套F 级大型燃料气-蒸汽联合循环供热发电机组, 容量为2@300M W 。在生产电能的同时, 按/热电联供, 以热定电0的原则, 集中向化学工业区内各大型化工企业提供优质蒸汽。由于化工热用户要求集中供热的可靠性极高, 因此为了满足集中供热可靠性的要求, 漕泾热电有限责任公司从法国ALST OM 工业锅炉公司引进了3套110t/h 、50M Pa 、315e 快速启动热备用锅炉及其辅助设施。正常情况下, 快速启动锅炉处于热备用状态, 仅消耗较少的燃料, 维持出口蒸汽压力与热网一致。一旦联合循环机组发生事故被迫停运时, 快速启动锅炉可以在2min 内从热备用状态迅速升负荷至额定出力, 保证不中断对外供汽。
作为快速启动锅炉, 其结构特点和运行特性自然会与普通的电站锅炉有着一些明显的区别。
上升管中受热蒸发, 产生一部分蒸汽, 形成汽水混合物。由于下降管中水的密度大于上升管中汽水混合物的密度, 依靠这个密度差, 使水沿着下降管向下流动, 而汽水混合物则沿着上升管向上流动, 形成了自然循环的流动。如图1所示。
图1 快速炉汽水系统自然循环示意图
快速炉汽内径约2000mm , 长约11152mm 。其汽包内径甚至大于亚临界压力自然循环锅炉。常规启动锅炉中压(3. 0~5. 0M Pa) , 汽包内径在1300~1500mm, 一般的600MW 亚临界压力自然循环锅炉, 其汽包内径也仅为1800mm 。采用大直径汽包的主要作用是满足快速升负荷的要求, 在快速升负荷的工况下, 由于系统对蒸汽的需求瞬时增加, 容易引起汽包内水位的瞬时大幅度变化, 为了不致引起由于水位变动幅
2 快速启动锅炉的主要特点
2. 1采用大直径汽包
快速炉属于自然循环锅炉, 汽水部分主要由省煤器-下降管-下集箱-上升管-上集箱-导汽管-汽包-过热器的循环过程组成。水在
收稿日期:2006-11-22
作者简介:忻祎(1975-) , 男, 上海交通大学热能动力专业毕业, 上海电力股份有限公司南市发电厂工作, 负责运行生产管理, 现上
海交通大学机械与动力学院动力工程硕士研究生。
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度大而出现蒸汽带水或下降管带汽, 影响蒸汽品质和锅炉及汽轮机组运行的安全性, 因此采用大直径汽包。
2. 2水冷壁上集箱采用分流导汽管 分流导汽管在进入汽包前有汽、水预分离作用。上集箱顶部引出的导汽管将蒸汽含量较多的汽水混合物引入汽包汽空间。而其水平侧引出的导汽管则将蒸汽含量较少的汽水混合物引入汽包水空间。汽水混合物在进入汽包前就进行汽、水预分离, 蒸汽不象在普通锅炉中那样通过水表面, 这就极大地减少了蒸汽内遗留水量, 从而改善了蒸汽品质。由于汽包的水中没有蒸汽, 可有效地防止汽包内水位大的起伏, 避免在快速负荷时, 上集箱的汽水混合物进入汽包后, 对汽包水位造成过大的影响。2. 3选用较大的循环倍率
为了保证快速升负荷时水特循环稳定可靠, 不影响水冷壁的安全性, 快速炉选用23~25左右相对较大的循环倍率, 这样可以保证在绝大多数的情况下, 水冷壁管内都有足够的水流量。常规启动锅炉中压(3. 0~5. 0M Pa) 的循环倍率约为20~22。
以上的3项结构特点是快速启动锅炉最主要的特点, 也是普通同等级自然循环锅炉所没有的。
用, 辅送风机则用于热备用状态。
省煤器布置在过热器出口, 采用内螺纹管以加大热交换面积。烟气在省煤器中垂直向上流动。过热器布置在对流烟道出口, 过热器为膜式结构, 逆流布置。为了避免锅炉负荷的大范围波动或快速升负荷时烟气温度对过热器造成影响, 快速炉将喷水减温装置布置在过热器出口。在水平燃烧室布置垂直水冷壁, 配合2组蒸发受热面, 水冷壁均为膜式。下降管垂直布置在燃烧室外部, 其同时作为锅炉的支撑件。而常规启动锅炉的过热气减温装置在高、低温过热之间。3. 2燃烧系统
快速炉由于其设计上的要求, 燃料只能为天然气与轻油。其采用3台燃烧器(枪) , 均为旋流式燃烧器。其中主燃烧器为双燃料燃烧器, 快速炉处于运行状态时使用; 辅燃烧器为天然气与轻油燃烧器各1个, 快速炉处于热备用状态/根据燃料选择使用。主燃烧器与天然气辅燃烧器结合为一体, 而轻油辅燃烧器则布置在主燃烧器外侧。
轻油模式投用前必须经过油枪吹扫, 以及燃烧前经由空压机产生的压缩空气冲击雾化, 这样能够使轻油尽可能地完全燃烧, 降低烟雾与有害气体(NO x , CO 等) 的排放量。
值得一提的是, 快速炉从热备用状态切至运行状态(包括快速启动) , 只允许切换燃烧器, 而不能够切换燃料类型(辅气一主气或辅油一主油) 。只有在运行状态下燃料才可互相切换(主气-主油或主油-主气) 。
天然气系统气压正常为(0. 3? 10%) MPa 。根据使用情况分为点火气体(为确保可靠性设计了丙烷气与之并联) 、辅燃烧器燃料、主燃烧器燃料3路。
轻油系统入口正常压力在0. 8~0. 1MPa 之间。根据使用情况分为辅燃烧器燃料和主燃烧器燃料2路。
3. 3压缩空气系统
共4台空压机, 向系统提供压力为0. 5M Pa 的压缩空气, 根据使用情况分为2路:
(1) 向轻油燃烧系统提供雾化空气。(2) 向快速炉气动执行机构提供仪用空气, 作为各气动阀门的动力源。3. 4给水系统
给水系统采用母管制, 3台快速炉共配置423 快速启动锅炉的其它系统
3. 1炉膛及换热系统
炉膛水平布置, 对流烟道采用垂直布置, 长10. 01m , 宽4. 54m, 高4. 8m , 相对体积并不大。如图2
所示。
图2 快速炉炉膛烟道结构示意图
设计采用微正压燃烧, 只有送风机, 而没有
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(用于热备用模式) , 6台泵共用1个除氧器。运行状态升负荷, 可在2min 内达到100%额定锅炉负荷。快速启动具有牵一发而动全身的特点, 图3是快速炉控制系统示意图, 其通过DCS 自动调整负荷调节量, 带动除氧器补水、补汽控制、汽包补水控制、主蒸汽减温水控制、主蒸汽压力流量控制、燃料流量控制、燃烧风量控制等众
多调节量的变化。
4 快速炉运行特性
快速炉在正常运行状态与冷态启动时的特
性与普通锅炉相差并不大, 其运行特性主要体现在快速启动时。
快速启动是指热备用状态的锅炉快速切为
图3 快速炉控制系统示意图
快速启动的允许条件为快速炉处于热备用状态、汽包水位低于56%以及蒸汽压力高于5. 1MPa 这3点。快启被限制在2m in, 也就是120s 内, 其计时以按下DCS 操作画面上的快启开始键为标志。与此同时, 控制逻辑自动将负荷调节量放至20%(最低负荷) , 开始点火顺控程序, 并启动主风机。约6s 后点火成功, 快速炉开始切至运行状态, 风量基本达到20%。约20s 后完全进入运行状态, 逻辑强制启动一台主给水泵, 并且开始增加负荷调节量, 与负荷直接相关的风量在主送风机挡板的调节下逐步上升, 带动燃料量调阀开度随之上升。需要注意的是在蒸发量快速上升的这段时间里, 汽包水位也会较快上升, 极易造成汽包水位高跳闸的情况。约80s 后负荷调节量升至100%, 蒸汽流量基本达到额定流量, 主蒸汽调门在此间自动将压力维持在4. 9~5. 0M Pa, 至120s 时, 燃料量、风量与蒸汽流量、压力基本达到平衡与稳定, 快速启动至此完成。
快速启动2min 内各重要参数变化趋势已总结归
纳于图4
。
图4 快速启动2min 内各重要参数变化趋势图
5 快速启动的必要条件
从以上快速启动过程可以分析得到锅炉快速升负荷至额定值的必要条件:5. 1大直径且足够长度的汽包
额定蒸发量为110t/h, 折算到每分钟的蒸
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发量为2t 不到, 即锅炉接受到快速升负荷指令后, 要在1min 内提供2t 左右蒸汽。这主要就靠大直径汽包水空间内0. 1m 高的水容积来提供蒸汽源。
由于汽包直径大、长度长, 其断面积S =D @L =2. 0@11. 152m=22. 3m 2, 高度为0. 1m 的水容积即为S @h =22. 3m @0. 1m=2. 23m , 就相当于2. 23m 3的水容积, 即使省煤器的给水流量瞬时供应不上, 依靠这一部分水容积在一定压力下转化成蒸汽, 也能满足快速升负荷的要求。而大直径汽包内的水位由于补偿蒸发量而有所下降, 由于直径大, 并且给水能够迅速跟上, 几乎不会影响水循环的安全性。
5. 2燃烧器(天然气或轻油) 能够迅速由辅切主 燃烧由备用状态快速切为运行状态是开始提升负荷的必要前提, 因此燃烧器切换的速度对于快速启动的总消耗时间有着直接的影响。5. 3稳定迅速地调整风量
由于快速启动时, 风量上升较快, 极易造成燃料量跟得慢或风量波动而导致的熄火, 因此风量在上升中的稳定比迅速更重要。
5. 4快速启动中保持除氧器温度并且及时调整给水量
快速启动时汽包承受着短时间内巨大蒸发量的考验, 虽然快速炉采用了较大直径与长度的汽包来弥补这一问题, 但尽早向汽包提供高质量给水仍然非常重要。一方面, 汽包在蒸发量快速
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上升的情况下急需补充给水; 另一方面, 给水温度过低的话会在一定程度上导致汽包蒸发量下降, 进而加快汽包水位上升速度。因此, 维持除氧器温度在最佳范围内也是提高快速启动效率的重要环节。
5. 5主蒸汽调阀能够控制出口压力维持在允许值 其最主要优点是可以控住蒸发量。如果蒸汽压力太高, 则后续蒸发量出不来, 升负荷的速度就会变慢, 还容易导致过热器出口超温。如果蒸汽压力太低, 其品质首先就不高, 而且后续蒸发量跟不上, 造成汽包水位高跳闸等等问题也会接踵而来。因此主蒸汽调节阀的压力控制对于快速启动来说是极为关键的。
6 结 论
作为满足集中供热可靠性而引进的快速启动锅炉, 由于其在结构上与普通电站锅炉有着显著区别, 从而在快速启动时体现出独特的运行特性。在2m in 内从热备用状态迅速升负荷到额定出力, 对化工区内的热电联供电厂的配置是一个很好的补充和完善。参考文献:
[1]上海化学工业区热电联供电厂工初步设计[R]. 上海:华东
电力设计院, 2003.
[2]快速启动锅炉运行规程[R]. 上海:上海电力股份有限公司
南市发电厂, 2004.
Cons t ruct ion and Operat ional Charact er
of Quick -s t art -boiler
XIN Wei
(Instiute o f M echamical and P ower Eng ineering , Shang hai Jiaot ong
U niv ersity , Shang hai 200240, China)
K e y w ords:
quick -start -boiler; construction characteristic; operational char acter;
chang e of par am eter; nesessary conditions
Abst ract :T he article introduces the 110t/h 、5. 0M Pa 、315e Quick -Star t -Bo iler (QSB ) im po rted from ALSTOM French, the main construction sharacteristic and system o f QSB, the differ ences betw een QSB and g eneral bo iler. Introduces the o peratio nal character in the quick -start procedure, the state fr om standby to run can achiev e 100%lo ad in 2m inutes, and summarizes the change of all impo rtant parm eter in 2minutes. The nesessary conditions ar e analysised in quick start. T he QSB is very useful for the cogeneration config uration of shang hai chem ical industry park.