多工況參數(shù)的汽輪機(jī)試驗(yàn)用蒸汽鍋爐的研制

黃 堅(jiān) 克雷登熱能設(shè)備(浙江)有限公司

多工況參數(shù)的汽輪機(jī)試驗(yàn)用蒸汽鍋爐的研制

黃 堅(jiān) 克雷登熱能設(shè)備(浙江)有限公司

隨著汽輪機(jī)市場(chǎng)不斷向好，各種參數(shù)的汽輪機(jī)不斷開發(fā)，在其開發(fā)和出廠前均要用蒸汽進(jìn)行試驗(yàn)，蒸汽參數(shù)和試驗(yàn)工況均較復(fù)雜。一般蒸汽壓力要求在6.4MPa到2.5MPa范圍，蒸汽量和蒸汽溫度隨著汽輪機(jī)的規(guī)格不同而不同。空載試驗(yàn)蒸汽量可在30～0.5 t/h之間，過熱蒸汽溫度在485～300℃范圍內(nèi)，加上每臺(tái)汽輪機(jī)試驗(yàn)時(shí)都有急關(guān)汽門而關(guān)斷用汽工況，造成對(duì)供汽管路和供汽設(shè)備的汽錘沖擊。在其他的應(yīng)用領(lǐng)域，如一些熱動(dòng)力試驗(yàn)、閥門試驗(yàn)、新能源透平制冷等都存在類似蒸汽鍋爐的需求，因而設(shè)計(jì)開發(fā)出能較好地響應(yīng)復(fù)雜工況參數(shù)蒸汽鍋爐很有必要。

1 試驗(yàn)工況與要求

1）用熱工況（見表1）

表1 試驗(yàn)汽輪機(jī)端用熱工況

2）典型汽輪機(jī)(空載)試驗(yàn)用汽變化(如圖1所示)。

圖1 汽輪機(jī)空載試驗(yàn)用汽量

3）在保證鍋爐設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行前提下，提供如下三種范圍內(nèi)的供汽：

參數(shù)一：（表1中Ι～I(xiàn)II工況用汽）

供汽壓力：6.4MPa，供汽溫度：485℃，供汽量：3.6～10t/h。

參數(shù)二：（表1中Ⅸ工況用汽）

供汽壓力：2.5MPa，供汽溫度：350℃，供汽量：10～30t/h。

參數(shù)三：（表1中IV～VIII工況用汽）

供汽壓力：2.5MPa，供汽溫度：230℃～300℃，供汽量：0.4～1.5t/h。

4）鍋爐結(jié)構(gòu)應(yīng)能適應(yīng)頻繁啟停、經(jīng)常性冷啟動(dòng)的試驗(yàn)用汽狀況。

5）鍋爐應(yīng)具有在各種運(yùn)行工況下，試驗(yàn)機(jī)組突然停止用汽時(shí)的安全檢測(cè)和保護(hù)功能，特別是在大流量用汽（30t/h）突然關(guān)斷的情況下，鍋爐及整個(gè)系統(tǒng)能承受其產(chǎn)生的反沖壓力。

2 鍋筒式水管鍋爐方案與存在的問題

2.1 鍋筒式水管鍋爐方案

能夠響應(yīng)這種蒸汽量的蒸汽鍋爐的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是水管鍋爐，而以這種參數(shù)最直接應(yīng)對(duì)的就是SZS或DZS型蒸汽鍋爐。為響應(yīng)不同的參數(shù)，整臺(tái)鍋爐的設(shè)計(jì)必須按額定蒸汽壓力6.4MPa過熱蒸汽溫度485℃進(jìn)行，蒸汽量則至少滿足2.5MPa/350℃條件下30t/h，大致設(shè)計(jì)構(gòu)想為：

以工況Ⅸ蒸發(fā)量D=3 0 t/h，蒸汽壓力P=2.5MPa，蒸汽溫度t=350℃為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，配燃油燃燒器2臺(tái)，一臺(tái)對(duì)應(yīng)出力20t/h，一臺(tái)對(duì)應(yīng)出力10t/ h，鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行，完全容易滿足工況Ⅸ的參數(shù)要求。

對(duì)于工況Ι、Ⅱ、Ⅲ，要在前述設(shè)計(jì)配套的基礎(chǔ)上再增加一只過熱蒸汽再加熱燃燒器。因?yàn)樨?fù)荷D=8.2t/h時(shí)過熱蒸汽溫度只能達(dá)到344℃，只有配再加熱燃燒器，才能達(dá)到要求的460℃；同樣，負(fù)荷D=3.7t/h和D=9.5t/h時(shí)，過熱蒸汽溫度達(dá)不到所需溫度，也必須進(jìn)行再加熱。

對(duì)于工況Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ： 壓力溫度參數(shù)與工況Ⅸ基本相同，但蒸發(fā)量過小，即使鍋爐可以在10%的低負(fù)荷運(yùn)行，但是其輸出還是有2～3t/h，鍋爐只能是工作于低熱效率的低負(fù)荷頻繁啟停方式下。

2.2 存在的問題

模擬構(gòu)建一個(gè)響應(yīng)前述各種工況的鍋爐設(shè)計(jì)方案，然而在實(shí)現(xiàn)過程中將碰到諸多問題。

1）一臺(tái)用于汽輪機(jī)試驗(yàn)的SZS20-2.5/350-Y型燃油鍋爐，進(jìn)行到跳閘試驗(yàn)時(shí)，由于此種型式鍋爐產(chǎn)汽的熱慣性，使得跳閘后送來的蒸汽量還在大量增加而被壓縮，到一定能量時(shí)向源端造成反向沖擊，熱慣性越大反沖擊的能量越高；而又由于上下鍋筒間汽水是自然循環(huán)，上升與下降管的介質(zhì)密度差較大，這種反向沖擊作用將使得上升管中低密度介質(zhì)被壓縮，而造成鍋筒水位大輻被壓低（即假水位)，出現(xiàn)低水位報(bào)警；反之當(dāng)汽輪機(jī)立即開機(jī)用汽時(shí)反壓能量被快速釋放時(shí)，原來被壓縮的上升管內(nèi)汽水密度又隨之而快速釋放，又造成鍋筒出現(xiàn)超高水位報(bào)警，同樣也是假水位的情況。

2）鍋爐在次高壓條件下工作時(shí)，由于蒸汽量太小，原來布置的蒸發(fā)熱面是按30t/h設(shè)置的，即使只啟動(dòng)所配的10t/h燃燒器，過多的蒸發(fā)熱面，必然造成過熱器吸熱量的嚴(yán)重不足，還會(huì)存在蒸發(fā)熱面上的大量熱量損失。在這種情況下，過熱器采用獨(dú)立燃燒器補(bǔ)充熱量是必要的，但過熱溫度的控制存在較大難度，過熱器的熱偏差難以避免。

3）在試驗(yàn)小汽輪機(jī)，蒸汽量極低時(shí)完全靠啟停爐這種非正常工作方式供汽，無法保證合格的蒸汽參數(shù)，且30t/h鍋爐在10t/h低負(fù)荷下運(yùn)行的熱效率只有70%左右。

4）冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，不適宜頻繁啟停。

3 克雷登過熱蒸汽發(fā)生器

3.1 克雷登蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)

克雷登過熱蒸汽發(fā)生器為單管盤管式強(qiáng)制循環(huán)、逆流換熱、底部室燃式鍋爐。

鍋爐本體——盤管，由上中下三部分組成，如圖2所示。給水從上部進(jìn)入低溫段盤管，低溫段是由十幾層蚊香狀的盤管層疊串聯(lián)而成；然后跳過中部的過熱段盤管進(jìn)入下部幾層蚊香狀層疊串聯(lián)的盤管，然后進(jìn)入爐膛水冷壁盤管(螺旋狀密排筒型結(jié)構(gòu))，產(chǎn)生汽水混合物，進(jìn)入不受熱的汽水分離器進(jìn)行分離，輸出99.5%的干飽和蒸汽。飽和蒸汽送入中部的過熱盤管段進(jìn)一步吸熱，再輸出過熱蒸汽；分離下來的飽和水主要從下部輸出到除氧器，進(jìn)行熱力除氧。為調(diào)節(jié)過熱蒸汽的溫度，從汽水分離器的下部，將飽和水引到過熱蒸汽入口，利用飽和水與飽和蒸汽溫度、壓力相等，而焓差大的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)。下半部水冷壁盤管形成的內(nèi)空腔即為燃燒室。

圖2 克雷登蒸汽發(fā)生器

燃燒器布置在底部，鍋爐給水從頂部盤管入口注入，與煙氣形成逆流，從而保證了較高的熱交換效率。

3.2 克雷登過熱蒸汽發(fā)生器特點(diǎn)

盤管結(jié)構(gòu)，管子平滑，極少有變截面和分叉導(dǎo)致的應(yīng)力集中點(diǎn)；受熱后能自由伸縮，運(yùn)行中產(chǎn)生的熱膨脹對(duì)其影響很小，特別適應(yīng)經(jīng)常冷爐啟動(dòng)、啟停頻繁、突關(guān)突開的工況，抗低周疲勞性好。

因直流強(qiáng)制循環(huán)，沒有水位顯示，且無大的汽水鍋筒，因而可承受特殊工業(yè)試驗(yàn)必須經(jīng)受的、由負(fù)荷波動(dòng)給鍋爐帶來的水位沖擊和熱疲勞。

因過熱蒸汽采用飽和水從過熱盤管入口送入減溫，利用中間點(diǎn)溫度前饋控制，過熱盤管段將不會(huì)有超溫的可能，過熱受熱面安全性得以保證。

因單管直流逆流換熱的結(jié)構(gòu)形式，體積小，便于模塊化，并且安全與節(jié)能效果非常顯著。

3.3 可以滿足汽輪機(jī)空載試驗(yàn)要求

從克雷登過熱蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以較好地響應(yīng)試驗(yàn)工況的需要，并克服本文“2.2”所述的大部分問題。但是如果這種鍋爐也做到單臺(tái)30t/h，不同負(fù)荷的調(diào)節(jié)也將存在問題，如果把各種工況拆分成3臺(tái)10t/h的模塊，利用上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，由此提出系統(tǒng)的模塊化解決方案。

根據(jù)不同鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出，如果雙鍋筒式鍋爐也拆分成模塊式，前述“問題一”和“問題四”仍然存在；“問題二”可以緩解部分熱效率低的問題，但是補(bǔ)熱的燃燒器仍然需要配置，不同工況的熱偏差仍然存在；“問題三”可以通過另配一臺(tái)單獨(dú)的小鍋爐而把問題解決掉；如果真的做成模塊式還會(huì)因其體積而使得鍋爐房面積大為超出，系統(tǒng)的控制將變得更加復(fù)雜。

4 響應(yīng)試驗(yàn)要求的模塊化蒸汽鍋爐系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)構(gòu)想

為滿足試驗(yàn)需要，以三套蒸汽發(fā)生器模塊化組合成一臺(tái)套30t/h過熱蒸汽鍋爐（型號(hào)可以暫定為EO3M-2786/6.4/485），在克雷登獨(dú)有的蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，依托可靠的自動(dòng)控制，在這一臺(tái)套鍋爐上分別實(shí)現(xiàn)表中工況Ι、Ⅱ、Ⅲ、Ⅸ，向試驗(yàn)汽輪機(jī)端供應(yīng)規(guī)定參數(shù)的過熱蒸汽。為避免大馬拉小車，使蒸汽發(fā)生器運(yùn)行更為穩(wěn)定可靠，針對(duì)工況Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ參數(shù)，配置一臺(tái)出力1.5t/h型號(hào)為EO-126/2.5/300的小型蒸汽發(fā)生器（額定蒸汽壓力2.5MPa蒸汽溫度300℃)。

工況Ι、Ⅱ、Ⅲ均由鍋爐三個(gè)蒸汽發(fā)生器之一的EO-946/6.4/485型過熱蒸汽發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)，由于是直流鍋爐，因而可以很方便地通過給水量、燃料量與供風(fēng)量的調(diào)節(jié)來滿足不同參數(shù)下蒸汽的輸出。

工況Ⅸ可以將該臺(tái)鍋爐的三個(gè)蒸汽發(fā)生器全部投運(yùn)，由于直流鍋爐蒸汽壓力取決于出口背壓，柱塞式給水泵則可通過變頻器調(diào)節(jié)給水，這樣，三個(gè)蒸汽發(fā)生器的供汽既獨(dú)立控制、單獨(dú)運(yùn)行，又可以方便地實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，在模塊式的上層設(shè)置上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)視，從而滿足管網(wǎng)不同用汽需要。

工況Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ均小于1.5t/h且大于0.3t/h（即1.5t/h的20%)，若小于此數(shù)值，也可以通過啟停來適應(yīng)工況變化。

本方案的亮點(diǎn)在于，通過燃燒、給水產(chǎn)汽與送風(fēng)的各自分解，化繁為簡(jiǎn)、化整為零，將原本復(fù)雜的工況因?yàn)楦魉酒渎殹⒅骶€清晰明了、調(diào)節(jié)比例合適而變得極易操控，即響應(yīng)快速、控制平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)便。真正達(dá)到保證鍋爐及整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行不僅安全可靠、并且節(jié)能，最終滿足工況的需要。

4.2 鍋爐規(guī)格與相關(guān)設(shè)計(jì)

● 4.2.1 鍋爐規(guī)格參數(shù)（見表2）

表2 鍋爐規(guī)格與參數(shù)

● 4.2.2 相關(guān)設(shè)計(jì)說明

方案的關(guān)鍵在于EO-946/6.4/485型過熱蒸汽發(fā)生器模塊要能滿足工況Ι、Ⅱ、Ⅲ的供汽要求，還要滿足工況Ⅸ時(shí)輸出10t/h、2.5MPa/350℃蒸汽。由于其為存在過量水的直流鍋爐，水量和燃料量可以隨參數(shù)不同而方便調(diào)節(jié)。雖然三個(gè)10t/h模塊設(shè)置成完全相同的盤管，但運(yùn)行不同的參數(shù)，都可以通過水/燃料量的調(diào)節(jié)整定到要求的輸出。例如：鍋爐按10t/h 、6.4MPa/485℃設(shè)計(jì)，降壓到10t/h、2.5MPa/350℃運(yùn)行通常帶來的問題，汽水蒸發(fā)的加熱段將增加，導(dǎo)致的結(jié)果是蒸發(fā)量可能不足，但直流鍋爐原本沒有明確的蒸發(fā)段和過熱段的區(qū)分，蒸發(fā)加熱不夠部分就可以在原來的過熱段內(nèi)繼續(xù)蒸發(fā)，系統(tǒng)中用飽和水減溫正好補(bǔ)充這一部分的蒸汽量；再就是核算降壓下設(shè)計(jì)的受熱面，當(dāng)受熱面布置足夠，一般通過調(diào)節(jié)燃料量和給水量的供給便可得到補(bǔ)償。根據(jù)計(jì)算結(jié)果表明，降壓到2.5MPa后，經(jīng)過在過熱段內(nèi)繼續(xù)加熱，過熱的蒸汽出口溫度滿足350℃的過熱要求。兩種工況下的熱工數(shù)據(jù)見表3，其他各種工況經(jīng)校核均能滿足要求。

表3 兩種工況的熱工數(shù)據(jù)

4.3 優(yōu)化比較

● 4.3.1 安全

全盤管對(duì)接的結(jié)構(gòu)，承壓裕度大，水側(cè)無爆炸的危險(xiǎn)；不結(jié)水垢，不會(huì)發(fā)生氧腐蝕；過熱熱面也因特殊的減溫方式不會(huì)超溫。

燃燒控制可靠，燃燒控制件配有美國(guó)FM、UL安全認(rèn)證。無回轉(zhuǎn)煙室煙道，沒有引風(fēng)機(jī)、煙氣側(cè)也無爆炸危險(xiǎn)。

系統(tǒng)所選用進(jìn)口國(guó)際知名品牌閥門、儀表，自控系統(tǒng)能避免運(yùn)行無誤操作，設(shè)計(jì)選型充分考慮操作的安全性。

系統(tǒng)連接、焊接工藝、無損檢測(cè)，均按30年使用壽命考慮，所以管系可靠。

● 4.3.2 工況響應(yīng)性好

能很好地響應(yīng)各種特殊工況要求，并且在相應(yīng)工況下具有很好的自動(dòng)調(diào)節(jié)性能。

設(shè)備能較好地適應(yīng)非連續(xù)工作頻繁啟停的用汽需要，啟動(dòng)升壓升溫較雙鍋筒式鍋爐快很多。

● 4.3.3 節(jié)能、環(huán)保

滿負(fù)荷時(shí)熱效率92%，低負(fù)荷時(shí)可達(dá)94%。若僅按出力10t/h，每天4h/d和出力3t/h，每天3h/d計(jì)算較91%雙鍋筒鍋爐節(jié)約燃油100kg/d，年計(jì)節(jié)油25t。如加上5～7min啟動(dòng)工期每年節(jié)省的費(fèi)用以百萬計(jì)，對(duì)于先期投資的費(fèi)用僅需5-6年即可回收。

● 4.3.4 啟動(dòng)快

此蒸汽發(fā)生器啟動(dòng)快，10多分鐘即可進(jìn)入額定供汽狀態(tài)，能大量節(jié)省燃料、工時(shí)、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

模塊化配置可以同時(shí)進(jìn)行三種不同工況的測(cè)試，如圖3所示，可提高測(cè)試效率。

圖3 三種工況同時(shí)測(cè)試

三條管線可同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，而單臺(tái)雙鍋筒鍋爐只能同時(shí)進(jìn)行一種測(cè)試。

5 結(jié)束語

本文就多種蒸汽參數(shù)和特殊工況要求進(jìn)行了初步的探討，尋求以克雷登模塊化鍋爐系統(tǒng)較好地解決這種要求，闡明這種蒸汽鍋爐系統(tǒng)在此類工況參數(shù)復(fù)雜、啟停頻繁的試驗(yàn)用蒸汽方面的固有優(yōu)勢(shì)，也為解決類似問題提供了一個(gè)較好的范本。

1 劉復(fù)田.中國(guó)鍋爐壓力容器安全.對(duì)克雷登鍋爐安全與節(jié)能的分析.2004,4

2013－08－29）