600MW机组单机运行跳闸后安全停机及启动的可行性分析

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  【摘 要】本文从单机运行跳闸后可供利用的汽源及各汽源用户的用汽量,综合分析通过吹灰系统管路利用锅炉余热余汽,以实现机组在单机运行状态下因事故停机的安全停机及快速启动可行性方法。
  【关键词】单机运行;轴封;吹灰管路;安全停机;快速启动
  0.引言
  随着国内超临界和超超临界大型机组的不断涌现,600MW级机组将会承担越来越多的调峰任务,在节日长假期间,各个大电厂单机运行方式类似情况机在以后可能还会出现,而在机组单机运行时,一旦发生跳闸,其自带的辅汽汽源就将失去,机组要重新启动就有它的特殊性,即无汽启动的可行性。因此,在电厂设计和运行期间进行充分优化论证,以实现单机的安全运行,并且在单机运行时,一旦发生机组跳闸,也能实现快速启动。
  1.设备概况
  浙江浙能乐清发电责任有限公司(下称乐清电厂)目前共安装了四台机组,其一期#1,2机组为两台上海汽轮机有限公司制造的,型号为N600—24.2/566/566,超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、反动凝汽式汽轮机,#1,2锅炉为上海锅炉厂有限公司生产的SG-1913/25.4-M956,超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉,而发电机为600MW发电机。二期#3,4机组为两台上海汽轮机有限公司出产,型号为N660—25/600/600,超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、反动凝汽式汽轮机,其锅炉为上海锅炉厂有限公司生产的SG-2031/26.15-M623,超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉,而发电机为660MW发电机。锅炉与汽轮机热力系统的布置为单元制。辅汽系统可由机组四抽或再热冷段供汽,也可由投产初期安装的启动燃油锅炉供汽。
  2.单机运行遇到的问题
  在单机运行时,辅助蒸汽由本机组的四抽或冷再进行供汽,调度要求机组带低于机组技术出力负荷时辅汽的压力将直接影响到汽泵运行安全性, 一旦机组发生跳闸时辅汽压力将很快失去,机组将被迫破坏真空紧急停机,同时也给第一台机组重新启动带来困难。
  如采用小锅炉带辅汽运行,这是一种很不经济的被动的运行方式。通过在一期调试冲管过程中发现(当时一期电泵由于电源原因问题无法启动),小锅炉带一台小机轴封及一台汽泵汽量基本到极限状态。并且启动锅炉的设备基本处于停役状态,随着设备老化问题日益突出,维护、保养工作量随之增大,就目前情况启动锅炉能否供主机及一台小机轴封及满足一台汽泵的汽量还是期待的问题,如果在单台运行机组跳闸后再启动小锅炉,时间是关键,将威胁到主设备的安全,所以在特定“无汽”情况下能否实现机组的可行性值得探讨。
  3.对现有辅助蒸汽系统进行的分析论证
  乐清电厂其全厂辅汽可分别由四台机的四抽或冷再分别供汽,其辅汽母管设计参数为:压力1.27MPa,温度376℃。
  3.1 辅助蒸汽各用户及使用对照表
  (详见表1)
  3.2对现有辅汽系统用户分析
  根据表2.1进行分析统计,在单机运行发生跳闸后,重新恢复时,所必需的辅汽用户只有主机与小机轴封用汽,对于浙能乐清电厂一期工程的#1,2机组,各配有一台35%负荷的电泵,因而,在启动初期可以使用电泵建立启动流量,小机可以通过辅汽冲转,转至备用。因而,对于一期机组在单机运行时,只要能保证跳闸后主机和汽机轴封汽用量,不但可以保持机组跳闸后的机组真空,为机组的安全停运提供了保证,也可为跳闸后机组快速恢复创造了条件。
  而对于乐电二期机组单机运行,一旦发生机组跳闸,如果只提供主机和小机的轴封用汽,则只能保证机组安全停机,如要使机组跳闸后快速恢复,则还需提供一台小机低负荷时的小机用汽。一期主机的轴封用汽量根据减温减压装置设计为7.2t/h,加上二台小机轴封用汽,所用汽量小于15t/h;而根据浙江中试所提供的有关数据,#3,4机主机及小机轴封用汽量在启动初期及低负荷时,所需汽量小于15t/h。
  3.3单机跳閘后,辅汽来源的选择
  由于单机运行时,原辅汽由机组自身的四抽或冷再进行供汽,一旦机组跳闸,这部份的辅汽将立即失去,因而我们需要另外再寻找可替代的汽源。此时,我们将目光放到机组锅炉本体上。虽然,此时机组已跳闸,但锅炉本体的一次汽水系统还充满着热水与热汽。锅炉本体内的过热器系统中还是具有大量的过热蒸汽,如果我们能将这部份的热汽利用起来,导入到辅汽系统,就可解决辅汽来源的问题。根据上海锅炉厂提供的一期和二期锅炉说明书,一期#1,2锅炉一次系统总容量为331m3,其中过热器的容量为115m3,二期#3,4锅炉一次系统的总容量为485 m3,其中过热器的容量为259 m3,也就是说在机组跳闸后,锅炉本体内还拥有大量的过热蒸汽可供利用。
  此时可以有以下多种方法利用锅炉的余汽
  a.通过锅炉各受热面疏水管路或主汽门前疏水
  由于疏水管路管径都较小,可能需要多路疏水管,同时由于主汽门前疏水和锅炉各段受热面疏水处的蒸汽温度和压力都远高于辅汽设计参数,因此,需要加装减温减压装置才能得到需要的蒸汽。
  b.通过旁路系统
  可以开启高压旁路,然后再通过冷再供辅汽。此种方法具有一定的风险性,因为高旁减温水取自给水系统,一旦给泵跳闸,高旁就无法开启。若高旁在减温水能投运情况下(如一期电泵启动后),高旁能开启,调节再热器压力、温度至所需的辅汽参数需要低旁的配合,受到高旁、低旁及减温水阀门特性及诸多因素的制约。
  c.通过锅炉本体吹灰蒸汽
  乐电#1-4炉锅炉本体吹灰蒸汽都取自后屏出口,其减温减压后再用于本体吹灰。由于吹灰系统在设计时就已经具有减温减压装置,吹灰母管里的蒸汽其设计参数与辅汽系统的设计参数较接近。
  3.4 锅炉余汽利用的可行性计算
  乐清电厂的吹灰管路其吹灰母管上的设计参数为压力3.0MPa,温度为400℃,与辅汽母管的参数相比较,由于压力相差较大,且设计温度也略高于辅汽母管的设计温度。如欲将吹灰母管上的蒸汽接至辅汽母管还需另采用其他的技术手段相连接,如下图1所示。   以乐清电厂#1炉为例,自本体吹灰气动调整门后吹灰母管上接出管路,通过#1炉吹灰蒸汽至扩容器调整门至扩容器6进行扩容减压,在降压的过程中同时减温(扩容器为全厂公用,以减少投资),再经扩容器至全厂辅汽母管电动门5至全厂辅汽母管。通过阀门2调节扩容器的压力,进而调节辅汽压力。
  现对乐电锅炉的吹灰系统的蒸汽流量进行计算是否能满足辅汽用量。乐电一、二期锅炉在设计时,其吹灰系统管路统一由江苏丹阳电站锅炉配件厂设计并提供,吹灰器由上海克莱德贝尔格曼机械有限公司提供。根据丹阳电站锅炉配件厂所提供的管道及阀门数据规范,并利用以流动连续性方程和伯努利方程为基础的,加以修正的流量计算公式:
  --质量流量,kg/s;
  --体积流量,m3/s;
  C--流出系数;
  ε--可膨胀性系数;
  β--直径比,β=d/D;
  d--工作条件下节流件的孔径,或喉部直径,m;
  D--工作条件下上游管道内径,m;
  △P--差压,Pa;
  ρ--流体密度,kg/m3。
  根据国标选取适当的ε和C,计算得流量可达100t/h,但这只是计算得到,计算值与ε和C的选取有着很大的关系。
  在吹灰管路的设计中,在二条主吹灰管路上及空预器管路上各设置了一套流量测量装置,以保证实际吹灰流量不小于吹灰器枪管所需的最小冷却流量。根据乐电运行人员在吹灰器投运过程中的使用经验:在正常进行锅炉本体吹灰时,吹灰母管压力维持在1.5MPa,可同时投入二支空预器吹灰及二支半长吹式吹灰器。同时由上海克莱德贝尔格曼机械有限公司提供的技术参数,在四支吹灰器同时工作时,三个流量测量装置所累加流量能达到30t/h以上,且此时吹灰系统中的调门尚未全部开启,还具有额外的容量。
  综上所述,每台锅炉的吹灰系统在流量上完全可以满足各自主机、小机的轴封系统用汽,也就是说如果将锅炉吹灰蒸汽接至全厂辅汽母管能够保证在单机运行跳闸时能安全的停机。
  3.5 单机运行跳闸后热态(极热态)启动的可行性分析
  在机组安全停机后,如很快查出故障原因并处理完毕,符合机组热态或极热态启动条件时,此套系统能否满足机组启动呢?
  由于一期和二期锅炉、汽机启动系统有着较大差别,一、二期机组在单机运行跳闸后,锅炉余汽供辅汽应能满足机组热态启动要求。以下将分别进行分析:
  3.5.1 一期设备热态(极热态)启动的可行性分析
  一期给水系统拥有一台35%容量的电泵,其一期锅炉启动系统图如下图2所示:
  锅炉的启动流量由给水泵建立,分离器的水位分别由#1,2,3号调门进行控制,而#3调门接至除氧器,进行工质和热量的回收,而#1,2号调门则将工质接至大气扩容器,进行部分工质的回收。由于一期有电泵,则启动流量可以完全由电泵建立,而汽泵转为热备。当锅炉点火成功,旁路系统投入后,此时机组辅汽汽源中的冷再汽源已经具备,则可以将冷再至辅汽转至热备用或将冷再至辅汽投入运行。至此,机组可以不用再担心辅汽汽源的问题。
  3.5.2 二期设备热态(极热态)启动的可行性分析
  二期给水系统并没有电泵,只有二台汽泵,而其锅炉启动系统则如下图3所示:
  二期启动系统与一期启动系统相比,多增设了一台炉水循环泵,而减少了#3调门至除氧器这一路,有着较大的区别。在启动初期锅炉的启动流量也不是由给水泵建立,而主要依靠炉水循环建立启动流量,给水泵只是进行适当的炉水补充,因此,在启动初期的给水泵出力很小,只需保证给水泵有最小出力即可。一旦锅炉点火,旁路系统投入使用,也可以将辅汽系统切至冷再供汽,以满足小机汽源的要求。
  由于小机厂家并未给出小汽机在保证最小出力时所需的蒸汽量,因此,只能根据实际运行过程中所需汽量进行对比。
  表2为近段时间#3,4机在330MW时,小机的一些数据。根据表2我们可以认为在启动初期时,单台小机所需汽量应小于15t/h。(可考虑将另一个小机的轴封汽隔离)
  根据单台小机启动初期用汽量与主机与小机轴封用汽量,理论上可以通过吹灰系统利用锅炉余汽满足机组热态(极热态)启动用汽。
  4.应用预想
  4.1 单机运行跳闸后注意点:
  (1)三台机组停机,另一台机组单机运行,在机组跳闸时将失去辅助蒸汽汽源。
  (2)在单机运行时将吹灰蒸汽至辅汽供汽汽源投入热备用状态或投入。在机组跳闸后,除正常进行停机操作外,必须立即检查吹灰蒸汽至辅汽已投入,并设专人监视和调整辅汽压力和温度,密切注意辅汽压力与轴封压力、温度和机组真空变化,确保机组不失去轴封及轴封温度正常。
  (3)在机组跳闸时,由于除氧器加热汽源失去,一台小机跳闸,另一臺小机汽源将切至辅汽供汽,应加强对除氧器压力和给水泵的运行监视,在锅炉水冷壁金属温度不超温的情况下减小锅炉上水流量,防止冷水进入锅炉后冷却炉膛,同时要避免除氧器水位及压力大幅度波动。
  (4)机组跳闸后,必须注意做好防止汽轮机上下缸温差增大工作。
  4.2 单机运行跳闸后处理原则:
  (1)机组跳闸后,应立即汇报值长,按事故停机处理。
  (2)机组跳闸后应立即检查主机油系统,并确保油压正常。
  (3)检查确认厂用电联动正常。
  (4)发生机组跳闸时:
  a: 吹灰汽源并入辅汽系统:如果不是锅炉大面积爆管引起压力突变情况下,辅汽系统运行正常,可及时启动给水泵,重新点火。
  b: 吹灰汽源未并入辅汽系统:应迅速破坏真空,同时必须加强吹灰汽至扩容器疏水后及时投入吹灰蒸汽至辅汽,并设专人监视辅汽的压力、温度及轴封系统,尽快使机组恢复轴封。
  (5)如一期启动电泵,锅炉控制给水略大于最小流量。如二期利用吹灰汽至辅汽冲汽泵运行正常后,及时启动炉水泵。
  (6)检查汽轮机本体各疏水门开启。
  (7)控制除氧器、凝汽器水位稳定。
  (8) 检查机组振动、轴向位移、差胀、轴承温度、真空等变化,注意倾听机组各部分声音及记录惰走时间,待转速至零后投入主机盘车
  (10)按照规程完成停机的其它操作。
  4.3 单机运行机组重新启动注意事项
  事故原因查明并排除或得值长令;对机组全面检查具备启动条件;确认轴封供回汽、主机及小机真空正常;如果机组跳闸,根据情况可采用油枪进行锅炉点火;如果机组停运时间较长,主、再蒸汽温度下降较多应尽早投入旁路系统;其它启机操作应按规程执行。
  4.4 节能效果评价
  如未进行改造前,在跳机后由于机组很快失去辅助蒸汽,只能破坏真空停机。即使立即查明事故原因并重新启动,就只能等待小锅炉点火升压,加强疏水后并入辅汽系统后方满足条件。延长恢复时间,因此使停机的经济损失大大降低。如果改造后利用吹灰汽源供辅汽,可能会节省时间,达到相对理想的效果。
  5.结论
  要实现机组单机运行时出现跳闸后快速启动功能,应在电厂设计和运行期间进行充分优化论证。通过吹灰系统供辅汽改造后,实现单机运行时出现跳闸后快速启动功能对机组的安全性和经济性均有很大提高,应引起高度重视,并在机组实际运行中制定切实可行的措施加以保证。
  参考文献:
  [1]浙能乐清电厂SG-2031/26.15-M623 锅炉使用说明书.
  [2]浙能乐清电厂SG-1913/25.4-M956 锅炉使用说明书.
  [3]浙能乐清电厂 吹灰管路技术协议书.
  [4]浙能乐清电厂 主设备调研报告.
  作者简介:
  潘晓辉(1979-),浙江温州人,工程师,热动硕士,值长,从事集控运行及管理工作。
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