CN109654471B - 一种超临界锅炉低负荷灵活性运行的启动再循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种超临界锅炉低负荷灵活性运行的启动再循环系统，通过使用更大容量的启动再循环泵，保持给水泵的给水流量不变，通过提高再循环泵的循环流量值来增加锅炉水冷壁中的质量流量，可以将锅炉最低稳定工作负荷保持在20～30％BMCR以上，同时确保锅炉水冷壁受热面的安全运行。同时该启动再循环系统结合中间联箱内加设的笛形管的设计，来保证超临界锅炉垂直管屏水冷壁在高负荷和低负荷下不同入口干度和质量流速组合条件也能有均匀和足够的质量流量来保证水冷壁的安全运行，同时机组保持较高的循环热效率。

Description

一种超临界锅炉低负荷灵活性运行的启动再循环系统

技术领域

本发明属于常规发电技术领域，具体涉及一种超临界锅炉低负荷灵活运行的启动再循环系统。

背景技术

随着风能和太阳能等可再生能源发电接入电网容量比例的不断提高，需要燃煤机组深度参与电网调峰来平衡由于可再生能源发电的间歇性带来的负荷变化。国家发展改革委、能源局于2016年6月发布《关于下达火电灵活性改造试点项目的通知》，对开展火电灵活性改造提出明确要求，我国实施2.2亿千瓦燃煤机组的灵活性改造，使机组具备深度调峰能力，并进一步增加负荷响应速率，部分机组具备快速启停调峰能力。各地电网陆续出台了各种燃煤机组参与深度调峰的辅助服务规定。从国外发展来看，2017年底，欧洲的可再生能源发电量已经超过了燃煤机组的发电量，燃煤机组参与灵活性运行成为不可逆转的趋势。

超临界锅炉是我国燃煤发电的主力机组，因此，提高超临界锅炉低负荷下的灵活性运行能力，尤其是低负荷稳定工作能力是超临界锅炉灵活性运行必须解决的问题。超临界锅炉低负荷工作能力主要包括两方面：第一，超临界锅炉低负荷稳定燃烧能力；第二，超临界锅炉低负荷水动力安全运行能力。其中超临界锅炉低负荷水动力安全运行能力主要牵涉到超临界水冷壁在低负荷下水冷壁内工质质量流量的大小以及流量分配问题，这影响着超临界锅炉在低负荷下水冷壁受热面的安全运行。尤其是垂直布置的水冷壁区域，在低负荷下管内的质量流速降低，结合炉内热负荷分布的不均匀性问题，水冷壁的安全工作问题尤为显著。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的启动再循环系统，来解决超临界锅炉在低负荷灵活运行时由于水冷壁中质量流速较低、热负荷分布不均引起的水冷壁安全运行的问题，从而保证超临界锅炉在低负荷长期运行下，垂直管段水冷壁的安全运行。

本发明的技术方案为：一种超临界锅炉低负荷灵活性运行的启动再循环系统，包括省煤器、锅炉水冷壁、内置式启动分离器、过热器、贮水箱、再循环泵、给水泵、高压加热器，其特征在于：在运行时，保持所述给水泵的给水流量不变，通过提高所述再循环泵的循环流量值增加锅炉水冷壁中的质量流量。

进一步，需要更换容量更大的再循环泵。

进一步，超临界锅炉的中间联箱加装笛形管来保证垂直水冷壁管内的流量分配均匀。

进一步，所述笛形管的设计为，所述中间联箱内部安装有内套筒，其支撑位于所述中间联箱的中心部位，所述中间联箱的入口管通过一个连接管与位于联箱中部的内套筒连接，工质进入所述笛形管内套筒中，然后通过与出口分支管相对应的内套筒下部的开孔进入内套筒与所述中间联箱的环形空间，通过左右两侧的并联分支管进入垂直管屏水冷壁中。

本发明的有益效果为：

改进了现有超临界锅炉启动再循环系统，采用提高启动系统的循环流量方法来保证超临界锅炉在低负荷灵活性运行下垂直管水冷壁的流量分配不均问题，通过结合中国专利申请ZL201810647657.5一种内套筒的中间联箱流量分配装置，提高超临界锅炉不同入口干度范围内，垂直管水冷壁内流量分配的均匀性，解决目前超临界锅炉水冷壁由于低负荷灵活性运行状态下，中间联箱入口运行状态偏离设计状态时引起的流量偏差和并联分支管内流量分配的问题，降低直流锅炉最低稳定运行负荷达到20％～30％BMCR。

附图说明

图1为本发明实施例某600MW超临界机组启动再循环系统简图；

图2为本发明实施例某600MW超临界锅炉启动过程中的流量- 机组负荷变化曲线；

图3为本发明实施例某600MW超临界锅炉启动过程中的压力- 机组负荷变化曲线。

图中：1-省煤器，2-锅炉水冷壁，3-内置式启动分离器，4-过热器，5-贮水箱，6-再循环泵，7-给水泵，8-高压加热器。

具体实施方法

下面将结合附图和实施例对本发明进行说明。

超临界锅炉在低负荷灵活运行时，根据温度测点显示，中间联箱出口处的温度已经基本达到饱和温度。在低负荷运行时，垂直管段水冷壁中工质的质量流速较低，炉膛内的燃烧热负荷较低，不能保持锅炉四面水冷壁热负荷均匀分布，可能出现锅炉燃烧火焰中心向一侧墙或两面墙热负荷偏移。在这种情况下，热负荷偏移的一侧水冷壁管内的工质由于受热体积迅速膨胀，在管段两端压降一定时，该水冷壁管中的流量变得更低，从而导致水冷壁管组之间的壁温出现差异，影响水冷壁的安全运行。

为本发明提出，在保持给水泵给水流量不变的情况下，通过提高超临界锅炉启动系统内的循环流量，同时可以提高锅炉启动系统工作压力，使用该启动再循环系统设计，锅炉水冷壁水循环动力安全性得到提高，减小运行中燃烧中心偏移对垂直水冷壁管的流量偏差的影响，可以很容易将锅炉灵活性运行的最低工作负荷保持较低水平。

本发明提出的启动再循环系统具体实施时，再循环泵工作最大流量需要比现有设计容量提高才能满足本发明提出的启动再循环系统要求。

但是本发明在增大循环流量后，可能引起水冷壁中间联箱入口干度降低引起的流量分配不均匀问题，所以本发明的启动再循环系统为了克服该项缺点，要采用中国专利申请ZL201810647657.5的设计，将中间联箱加装内部笛形管，方可以保证实现预定性能。

在中国专利申请ZL201810647657.5的设计中，中间联箱内部安装有内套筒，其支撑位于所述中间联箱的中心部位，所述中间联箱的入口管通过一个连接管与位于联箱中部的内套筒连接，工质进入所述笛形管内套筒中，然后通过与出口分支管相对应的内套筒下部的开孔进入内套筒与所述中间联箱的环形空间，通过左右两侧的并联分支管进入垂直管屏水冷壁中。

针对某超临界直流锅炉启动原再循环系统，结合本发明提出的新启动再循环系统和运行方式，对启动系统的设备和运行方式进行改造，下面结合具体实施例进行说明。

某600MW超临界锅炉为一次中间再热、超临界压力变压运行内置式带再循环泵启动系统的本生(Benson)直流锅炉，该系统为单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、π型布置。

该超临界锅炉工作的主要参数如下表所示：

表1某600MW超临界锅炉主要设计参数

名称	单位	BMCR	BRL
				过热蒸汽流量	t/h	1950	1789.9
过热器出口蒸汽压力	MPa(g)	25.4	25.2
				过热器出口蒸汽温度	℃	571	571
再热蒸汽流量	t/h	1653.4	1516.8
				再热器进口蒸汽压力	MPa(g)	4.75	4.35
再热器出口蒸汽压力	MPa(g)	4.56	4.17
				再热器进口蒸汽温度	℃	321	311
再热器出口蒸汽温度	℃	569.0	569.0
				省煤器进口给水温度	℃	285	279

图1为本发明实施例某600MW超临界机组启动再循环系统简图。内置式启动分离器3布置在锅炉的前部上方，其进口为水平烟道侧墙出口和水平烟道对流管束出口连接管，下部与贮水箱5相连。在直流负荷(30％BMCR)以下，汽水混合物在内置式启动分离器3中分离，蒸汽从内置式启动分离器3顶部引出到顶棚包墙和过热器4中，分离下来的水经内置式启动分离器3进入贮水箱5中。当贮水箱5中的水位在正常范围内，水经再循环泵6排入到省煤器1入口的主给水管道中，经过锅炉水冷壁2进行再循环；当水位高于正常水位时，通过打开溢流管的溢流调节阀将水排至疏水扩容器中。

在图1所示的超临界机组启动再循环系统简图中，这种系统结构为目前普遍应用的超临界锅炉启动再循环系统，本发明也基于这种基本的热力系统形式。其中锅炉水冷壁2中工质在启动过程中的循环流量保持固定质量流量的流速很低。在图1的带再循环泵式启动系统中，根据本发明的方法，采用了提高带再循环泵式启动系统循环流量的办法，将原系统通过省煤器1和锅炉水冷壁2的最低循环流量 570t/h，提高到了767.1t/h，目的是通过提高锅炉水冷壁循环流量，克服由于低负荷灵活性长期运行和炉内热负荷分布的不均匀性条件下，导致垂直水冷壁壁温上出现了很大的温差影响垂直水冷壁安全运行问题，通过提高锅炉水冷壁内部质量流量，使更多汽水两相混合物流量通过锅炉水冷壁，起到冷却超温区域的温度目的。在低负荷时增大与启动分离器3和贮水箱5连接的再循环泵6的水循环流量，在保持给水泵7给水流量不变的情况下，增大省煤器1和水冷壁2中的循环流量达到767.1t/h来改善垂直水冷壁区域的较高壁温差引起的安全性问题，同时由于提高了整个启动系统定压工作压力，降低了水冷壁区域的吸热量，提高了锅炉出口烟气温度，对于低负荷灵活性运行保持较高SCR脱硝温度也很有利。

除了以上结构和运行条件的差异，本系统采用中间联箱几何结构和启动系统运行方式不同于原超临界锅炉启动系统，中间联箱必须以采用专利ZL201810647657.5提出的笛形管中间联箱系统作为支撑，才能保证在低负荷灵活性运行下由于提高了循环流量后引起的中间联箱入口干度低造成的垂直管水冷壁流量分配不均匀问题，保证锅炉水冷壁在不同负荷范围内都有足够流量流过。

图2所示的是超临界锅炉启动过程中的流量-机组负荷变化曲线。超临界锅炉启动系统的直流本生点的转换负荷约为30％BMCR，这时省煤器1和锅炉水冷壁2中的循环流量为570t/h。采用了本发明的启动再循环系统，水冷壁中的循环流量提升到更高的767.1t/h，对应的可以将直流本生点的转换点提高至40％BMCR。再结合笛形管中间联箱解决由于直流转换点提高后，水冷壁中间联箱流量分配问题，可以使锅炉在20～30％BMCR范围内实现低负荷灵活性运行，而不用担心由于锅炉低负荷工作引起的垂直水冷壁内流量过低的问题，将低负荷稳定燃烧和水动力循环解耦，大大方便了运行人员低负荷运行调整的压力。

图3显示为该新带再循环泵式启动系统在转直流前和后的锅炉工作压力与机组负荷变化曲线，原启动系统的直流本生点的压力由 8.92MPa提升至14.8MPa。由朗肯循环可知，启动压力升高后，机组的循环效率提高，有利于锅炉低负荷下SCR脱硝窗口烟气温度提升和锅炉受热面的安全运行。

本发明改进了现有启动再循环系统几何结构和运行方式，通过改变再循环泵6的循环流量来增大锅炉水冷壁2中的循环流量。同时在中间联箱内部安装笛形管均流器，在低负荷灵活运行时，增大水冷壁中的质量流量，改善两相流在中间联箱各分支管中的分配特性。降低垂直管屏水冷壁因流量过小以及流量分配不均导致的各垂直管屏管热应力过大的风险，达到减少锅炉损耗，保证锅炉水冷壁安全运行的目的。本专利的定压运行数据是根据具体的超临界锅炉设计情况确定，当锅炉设备、燃料种类和工作参数改变时，这些定压工作压力和启动再循环流量会进行相应调整，也属于本专利申请范围。

Claims (1)

1.一种超临界锅炉低负荷灵活性运行的启动再循环系统，包括省煤器、锅炉水冷壁、内置式启动分离器、过热器、贮水箱、再循环泵、给水泵、高压加热器，其特征在于：在运行时，保持所述给水泵的给水流量不变，通过更换容量更大的再循环泵，提高所述再循环泵的循环流量值增加所述锅炉水冷壁中的质量流量，超临界锅炉的中间联箱加装笛形管来保证垂直水冷壁管内的流量分配均匀，使所述锅炉在20～30％BMCR范围内实现低负荷灵活性运行；所述笛形管的设计为，所述中间联箱内部安装有内套筒，其支撑位于所述中间联箱的中心部位，所述中间联箱的入口管通过一个连接管与位于联箱中心的内套筒连接，工质进入所述笛形管内套筒中，然后通过与出口分支管相对应的内套筒下部的开孔进入内套筒和所述中间联箱的环形空间，通过左右两侧的并联分支管进入垂直管屏水冷壁中。

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