锅炉启动疏水扩容器及水箱设计

杨 军,刘 娜

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150046)

1 概 述

随着国内火电市场的发展,提高电厂燃煤锅炉的发电效率成为了头等重要的任务。为此,大容量高参数超临界、超超临界锅炉应运而生,成为了国内火力发电的主力机组。

超临界、超超临界锅炉与传统的亚、超临界锅炉相比减少了汽包,相应需要设置锅炉启动疏水扩容器及水箱,以回收锅炉启动工况下的锅炉疏水。

2 疏水扩容器及水箱设计

以某工程600MW超临界机组的锅炉启动过程中的疏水介质参数为基数值,介绍超临界机组锅炉启动疏水扩容器及水箱的选型设计。

2.1 极热态启动工况

过热器疏水系统:屏过疏水+其它疏水。在此启动工况下,尾部环形集箱和低过疏水一般不与屏过疏水同时运行,只考虑屏过疏水即可。

启动系统疏水:溢流管路疏水量,不必与上述的屏过疏水同时考虑。注意锅炉疏水在启动过程中会有“闪蒸”现象。所以,在扩容器选型时,只需考虑溢流管路的过度膨胀流量。

按以上二种工况下疏水量的最大值进行扩容器设计。

2.2 热态与常态的启动工况

(1)溢流管路疏水(流量为108.0kg/s,压力按9MPa,为饱和水);

(2)屏过疏水+尾部环形集箱疏水+低过疏水+其它疏水,其参数见表1。

按以上二种工况的最大值进行扩容器设计。

2.3 冷态启动

(1)溢流管路疏水(流量为71.3 kg/s,压力按9MPa,为饱和水);

(2)屏过疏水+尾部环形集箱疏水+低过疏水,其参数见表1。

表1 疏水参数表

按以上二种工况的最大值进行扩容器设计。

3.1 锅炉启动疏水扩容器容积计算

(1)热态与常态启动工况

根据物质守恒、能量守恒:

式中:G—溢流管路疏水,kg/s。

G1—进入扩容器后产生的疏水量,kg/s。

G2—进入扩容器后产生的汽量,kg/s。

I—溢流管路疏水焓值,kJ/kg。

I1—进入扩容器后产生的疏水焓值,kJ/kg。

I2—进入扩容器后产生的汽焓值,kJ/kg。

溢流管路疏水参数:流量G=108kg/s,压力9 MPa饱和水,焓为 I=1364kJ/kg。

取扩容器的工作压力为0.4MPa(a);

此时,饱和水温为144℃。

0.4 MPa(a)下的饱和水比容为 υ1=1.08×10-3m3/kg,焓为 I1=605kJ/kg。

0.4 MPa(a)下的饱和汽比容为υ2=0.4765 m3/kg,焓为 I2=2738kJ/kg。

由式(1)、(2),可计算得:

G1=69.6kg/s,G2=38.4kg/s。

式中:V1—疏水扩容器全容积,m3;

X —蒸发强度。

该疏水扩容器取蒸发强度为900。

由式(3),可计算得疏水扩容器全容积 V1=91.5m3。

(2)冷态启动工况

溢流管路疏水参数:流量G=71.3kg/s,压力9 MPa饱和水,焓为I=1364kJ/kg

由式(1)、(2),可计算得:

G1=45.9 kg/s,G2=25.4kg/s。

由式(3),可计算得:

疏水扩容器全容积V1=60.5m3。

(3)极热态启动工况

此工况只需要考虑屏过疏水。

屏过疏水参数:流量 G2=19.5 kg/s,压力11 MPa,温度 445°C(此介质为过热蒸汽)

由式(3),可计算得:

疏水扩容器全容积V1=46.5m3。

对比上述三个工况锅炉启动工况所需疏水扩容器容积,热态与常态启动工况,溢流疏水管路疏水时,所需疏水扩容器的容积最大为91.5m3。

故取疏水扩容器的容积为95m3。

核算扩容器内蒸汽上升速度:

式中:d—疏水扩容器直径,mm;

v—蒸汽流速,m/s。

取疏水扩容器的直径为3600mm。

由式(4),可计算得 v=1.8m/s。

可见,扩容器内蒸汽上升速度满足标准规定:小于2.44m/s

3.2 水箱容积计算

按照标准规定:水箱的有效容积要保证不小于5min疏水量。

热/温态启动工况溢流管路疏水时,疏水量最大。

此时疏水参数:流量为G1=69.6 kg/s,压力为0.4MPa(a)下的饱和水,比容为υ1=1.08×10-3m3/kg。

式中:V2—水箱所需有效容积,m3。

t—时间,s。

由式(5),可计算得V2=22.6m3。

取水箱有效容积35m3,12.4m3作为余量。

3.3 疏水扩容器排汽管径计算

热/温态启动工况溢流管路疏水时,产生汽量最大。

取疏水扩容器的直径为d=1400mm。

核算排汽管内蒸汽速度:

由式(4),可计算得V=12m/s。

可见,排汽管内蒸汽速度满足标准规定及系统设计:小于20m/s

4 疏水扩容器及水箱结构设计

4.1 疏水扩容器结构设计

疏水扩容器取立式,见图1。

图1 锅炉启动疏水扩容器结构简图

疏水扩容器的设计压力为1.2MPa,设计温度为400℃。

疏水扩容器内径为3600 mm,壁厚为28mm。

疏水扩容器主壳体材料为Q345R。

疏水扩容器全容积为95m3。

屏过疏水介质在进入疏水扩容器之前,先进行了9级节流,使屏过疏水介质压力、温度大幅降低。屏过疏水介质在进入疏水扩容器之后,设计了两级节流装置,进一步降低了屏过疏水介质压力、温度。同时,当屏过疏水介质进入疏水扩容器时,向疏水扩容器内喷射100t/h冷却水。上述措施保证了疏水扩容器运行的稳定、安全,噪声达到设计规定值。

4.2 水箱结构设计

水箱布置取卧式。

水箱的设计压力为1.2MPa,设计温度为300℃。

水箱内径为2600 mm,壁厚为16mm。

水箱主壳体材料为Q345R。

水箱有效容积为35m3。

水箱用于储存锅炉启动过程中的疏水。当疏水的品质合格时,疏水通过疏水泵被打回锅炉再次利用。当疏水的品质不合格时,疏水被排入地沟。

4.3 锅炉启动疏水扩容器系统设计

疏水扩容器与水箱之间采用U管连接,保证疏水扩容器有一个稳定的水位,同时保证不会有高温的蒸汽进入水箱。疏水扩容器与水箱之间设置了汽平衡管,保证疏水扩容器与水箱压力平衡,疏水顺利流入水箱。同时,在扩容器的上部设置了喷淋装置,当温度、压力较高的屏过管路疏水疏入扩容器时,喷淋装置会自动向扩容器内喷水,以降低扩容器的温度、压力,保证扩容器的安全。

5 结束语

超临界、超超临界机组已在我国新装机电站机组中占据绝对主导地位,故锅炉启动疏水扩容器及水箱设计的合理性、设备的安全性,对超临界、超超临界机组启动的安全、稳定有着重要的意义。

[1]杨世铭,陶文铨,传热学[M].高等教育出版社.

[2]王鸿昌.等,哈尔滨锅炉厂内部资料——标参133[R].