李 輝,趙雅旋

(河北省電力勘測設(shè)計研究院,石家莊 050031)

350 MW超臨界機組FCB功能實現(xiàn)可行性分析

李 輝,趙雅旋

(河北省電力勘測設(shè)計研究院,石家莊 050031)

針對摩洛哥Jerada 350 MW超臨界機組現(xiàn)狀,提出FCB功能系統(tǒng)配置及機組聯(lián)鎖保護設(shè)計方案,分析FCB功能系統(tǒng)配置的關(guān)鍵技術(shù),認為通過設(shè)置60%高低壓串聯(lián)旁路及40%BMCR容量PCV閥,可以使該機組實現(xiàn)FCB功能。

350 MW超臨界機組;FCB功能;系統(tǒng)配置

1 概述

近年來,一些發(fā)達國家和地區(qū),包括美國、俄羅斯、英國、意大利,法國和德國等相繼發(fā)生了電網(wǎng)故障并導(dǎo)致大面積停電的嚴(yán)重事故,社會生活和經(jīng)濟等各方面損失巨大[1]。目前,國外電廠設(shè)計大多存在具備FCB功能的要求,因此,有關(guān)FCB的相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備選擇等研究越來越受到國內(nèi)電力設(shè)計領(lǐng)域人員的重視[2]。

摩洛哥Jerada 350 MW超臨界機組燃煤電站工程鍋爐為超臨界鍋爐,最低穩(wěn)燃負荷30%BMCR。BMCR工況下最大出力為1 117 t/h,過熱蒸汽壓力25.4 MPa,溫度571℃,再熱蒸汽出口壓力5.063 MPa,溫度569℃,給水溫度290.9℃。汽輪機采用超臨界空冷汽輪機,TMCR工況主蒸汽流量為1 063.2 t/h,VWO工況主蒸汽流量為1 117 t/h。汽輪機額定功率350 MW。TMCR工況下主蒸汽壓力24.2 MPa,溫度566℃,再熱蒸汽壓力4.687 MPa,溫度566℃,高壓缸排汽壓力5.15 MPa,溫度338.4℃,額定背壓12 k Pa。汽輪機啟動方式為中壓缸啟動,配置高壓缸排汽通風(fēng)閥。系統(tǒng)配置60% BMCR容量的高低壓串聯(lián)旁路,給水系統(tǒng)采用3臺50%容量電動調(diào)速給水泵,凝結(jié)水泵采用3臺50%容量電動定速凝結(jié)水泵,除氧器為無頭臥式除氧器。凝結(jié)水補充水系統(tǒng)設(shè)置一個150 m3的水箱和2臺100%的凝結(jié)水補充水泵。

2 FCB功能系統(tǒng)配置方案

FCB是指機組快速甩負荷至帶廠用電運行,也就是常說的小島運行。FCB的基本功能是指機組在正常運行工況下,由于系統(tǒng)原因造成機組與電網(wǎng)解列后,機組投入FCB功能,快速甩負荷帶廠用電運行,并在電網(wǎng)許可的情況下,重新并網(wǎng)向系統(tǒng)供電。機組小島運行期間,應(yīng)保證機組的運行參數(shù)在安全范圍內(nèi),不引起保護動作,不危及設(shè)備安全[3]。

2.1 主蒸汽、再熱蒸汽及旁路蒸汽系統(tǒng)

為了成功實現(xiàn)FCB功能,主蒸汽、再熱蒸汽及旁路系統(tǒng)進行如下設(shè)計:再熱冷段的設(shè)計溫度不考慮高壓缸排汽跳閘溫度,高壓缸排汽跳閘溫度為430℃,但是高壓缸排汽出口2根支管材質(zhì)按此溫度選型,為A691材質(zhì);高壓旁路出口設(shè)計溫度不再考慮由于高壓旁路閥先開而噴水閥事故未打開的情況,此時高壓旁路出口由高壓旁路進口溫度等焓溫降達到486℃,高壓旁路出口到第1個彎頭處僅考慮混溫段,采用A691,整個冷段除上述2處采用A691以外全部采用A672;在壁厚計算時,高壓缸排汽出口至母管止回閥處建議按430℃校核壁厚,止回閥后至再熱器入口、高壓旁路出口至冷段按486℃校核壁厚;高低壓旁路路閥后的管徑按旁路容量加減溫水量核算。

2.2 主要閥門

本工程高壓旁路容量60%,低壓旁路容量85%。旁路系統(tǒng)容量的定義采用鍋爐BMCR工況參數(shù)下的通流能力與相應(yīng)的鍋爐蒸發(fā)量之比。高壓旁路容量等于鍋爐BMCR工況主蒸汽參數(shù)下高壓旁路閥全開流量與鍋爐BMCR工況主蒸汽流量比值,低壓旁路容量等于鍋爐BMCR工況再熱蒸汽參數(shù)下低壓旁路閥全開流量與鍋爐BMCR工況下再熱蒸汽流量比值[4]。鍋爐PCV閥為4臺10%BMCR排放量。再熱器可調(diào)安全閥無需設(shè)置。

2.3 輔助蒸汽系統(tǒng)

參考國內(nèi)百萬機組具備FCB功能熱力系統(tǒng)設(shè)計,考慮從冷段單獨引一路至除氧器。這樣設(shè)計有2個問題,其一,系統(tǒng)復(fù)雜,常規(guī)設(shè)計低負荷時,40%～70%機組負荷,采用冷段至輔助蒸汽供汽,此時啟動鍋爐停運,除除氧器加熱用汽外其他輔汽汽源由冷段提供。40%負荷以下輔助蒸汽至除氧器加熱,采用定壓加熱?？梢圆捎迷龃罄涠沃凛o助蒸汽聯(lián)箱,聯(lián)箱至除氧器,使其滿足FCB瞬態(tài)至穩(wěn)態(tài)過程除氧器需要加熱蒸汽量的要求。如果單獨增加冷段至除氧器,造成系統(tǒng)復(fù)雜性。其二,根據(jù)二十五項反措,嚴(yán)禁高壓汽源進入除氧器,以防止壓力容器爆破。因此,本工程不再單獨設(shè)置冷段至除氧器加熱管路。為了滿足除氧器在FCB工況加熱汽量要求,輔助蒸汽聯(lián)箱至除氧器管徑增大為?508 mm×9.53 mm (美標(biāo))的管道。冷段至輔助蒸汽聯(lián)箱管徑增大為調(diào)節(jié)閥后?508 mm×9.53 mm(美標(biāo))的管道,調(diào)節(jié)閥前?273.1 mm×9.27 mm(美標(biāo))的管道,輔助蒸汽聯(lián)箱管徑增大為?711.2 mm×9.53 mm(美標(biāo))的管道。除氧器考慮FCB瞬態(tài)工況,增加為4個安全閥,安全閥總排放量按不小于除氧器最大進汽量考慮。輔助蒸汽聯(lián)箱增加為4個安全閥,安全閥總排放量不小于最大輔助蒸汽用量。

2.4 凝結(jié)水系統(tǒng)

FCB工況下,凝結(jié)水泵流量不必增大即可滿足要求。為避免除氧器及凝汽器熱井水位保護動作引起汽輪機跳閘,FCB工況下必須同時快速啟動凝汽器補水系統(tǒng),凝結(jié)水補充水泵聯(lián)鎖投入運行。凝結(jié)水補充水泵容量選擇時考慮FCB工況的要求。

2.5 給水系統(tǒng)

給水泵出口流量按VWO+3%工況1.05倍與FCB功能下鍋爐蒸發(fā)量與高壓旁路減溫水之和,兩者選擇較大者作為給水泵容量選擇依據(jù),優(yōu)化了給水泵容量。除氧器有效容積設(shè)定為6 min BMCR流量的要求,滿足FCB瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)時水位波動。為提高溫度及回收工質(zhì),減少對鍋爐擾動,切負荷時,2號高壓加熱器應(yīng)投入運行。此時,2號高壓加熱器汽源來自冷段。TMCR工況,2號高壓加熱器蒸汽量為103.5 t/h,FCB瞬態(tài)時2號高壓加熱器加熱蒸汽量為21 t/h。因此,2段抽汽流量仍按額定流量計算即可?？紤]到切負荷時聯(lián)鎖要求,2號高壓加熱器隔離閥采用液動,而其他各段抽汽,除布置在排汽裝置喉部外均為電動。2號高壓加熱器除正常設(shè)計的疏水系統(tǒng)外,還設(shè)置專門至除氧器的越級疏水。

3 機組聯(lián)鎖保護設(shè)計

該工程的鍋爐、汽輪機、發(fā)電機大聯(lián)鎖將采用單向聯(lián)鎖方式:停線(路)不停電,即FCB;停電(發(fā)電機)不停機,即甩負荷;停機不停爐。也就是說鍋爐跳閘后聯(lián)跳汽輪機、發(fā)電機(主變壓器);汽輪機跳閘時不向前聯(lián)跳鍋爐,只向后聯(lián)跳發(fā)電機(主變壓器);發(fā)電機故障則跳發(fā)電機出口斷路器及滅磁,但不聯(lián)跳鍋爐及汽輪機。若系統(tǒng)出現(xiàn)故障,只跳主變壓器出口斷路器,不聯(lián)跳鍋爐、汽輪機,即可以停機不停爐;或不聯(lián)跳鍋爐、汽輪機、發(fā)電機,迅速轉(zhuǎn)為減少鍋爐負荷并穩(wěn)定燃燒,維持帶廠用電的孤島運行方式,使系統(tǒng)實現(xiàn)FCB功能[5]。

4 FCB功能系統(tǒng)配置關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 過熱器PCV閥和旁路閥

該工程在FCB瞬態(tài)工況,鍋爐出力按BRL工況,即汽輪機TMCR工況,相當(dāng)于95.2%BMCR。該工程高壓旁路容量為60%。汽輪機為中壓缸啟動,FCB瞬態(tài)高壓缸不進汽。鍋爐PCV閥為4臺10%BMCR排放量。工質(zhì)平衡可知,95.2%-40%-0%=55.2% BMCR。此時PCV排放量為40%BMCR,旁路容量為55.2%BMCR即可滿足要求。

為了提高FCB運行的經(jīng)濟性,盡量降低通過PCV閥的工質(zhì)排放量,建議高壓旁路仍選擇60% BMCR。關(guān)于旁路系統(tǒng)折算容量,旁路減壓閥前后的壓力差較大,蒸汽流至閥座時已達臨界流速,蒸汽流量與閥前的壓力及比容有關(guān),且正比于(P/V)。瞬態(tài)工況低壓旁路進汽量最大,折算到BMCR工況低壓旁路容量49.3%即可滿足要求。此時高壓旁路容量為55.2%,由于參數(shù)同TMCR工況,因此不需要折算。雖然FCB穩(wěn)態(tài)工況工質(zhì)流量低于瞬態(tài)工況流量,但是由于此時進汽壓力比TMCR工況小,比容較大,折算到BMCR工況高壓旁路容量為40.8%,低壓旁路容量為41.5%。FCB重新升負荷工況,由于高壓缸進汽量增大,進入高壓旁路蒸汽量較少,這是降低高壓旁路容量的有利因素。對于低壓旁路容量來說,進口壓力維持穩(wěn)態(tài)時的1.2 MPa即可,為了平衡推力,此時中壓缸也應(yīng)相應(yīng)增加進汽量,對低壓旁路容量來說,也是降低低壓旁路容量的有利因素。FCB穩(wěn)態(tài)結(jié)束升負荷工況類似于機組極熱態(tài)啟動工況,旁路容量低于穩(wěn)態(tài)工況旁路容量。綜上所述,從FCB 3個典型工況分析,旁路折算容量僅考慮FCB瞬態(tài)工況和穩(wěn)態(tài)工況即可,經(jīng)計算旁路容量均小于55.2%。針對旁路容量具體選型,需要核實冷、溫、熱、極熱態(tài)啟動時旁路容量。極熱態(tài)啟動時,高壓旁路閥容量為42.7%,低壓旁路閥的容量為53.8%。結(jié)合FCB 3個工況和4個啟動工況,高壓旁路容量均小于55.2%。因此,選定高壓旁路容量為60%,按標(biāo)準(zhǔn)工況,即參數(shù)均為TMCR工況時計算,高壓旁路容量為60%,低壓旁路容量為85%。

4.2 高壓缸排汽通風(fēng)閥

高壓缸排汽通風(fēng)閥的作用在中壓缸啟動時,防止高壓缸鼓風(fēng)過熱。經(jīng)過咨詢汽輪機廠家,高壓缸排汽通風(fēng)閥的設(shè)計通流能力為40～70 t/h。在FCB瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)工況下,高壓缸不進汽,高壓缸排汽通風(fēng)閥的蒸汽量微乎其微。在FCB結(jié)束升負荷時,需要切至高壓缸,此時考慮若高壓缸排汽后的壓力不足以沖開止回閥,則需要一部分蒸汽通過高壓缸排汽通風(fēng)閥排至疏水?dāng)U容器。

4.3 再熱器可調(diào)安全閥

再熱器可調(diào)安全閥是一種起跳壓力、回座壓力及開度可調(diào)的安全閥。一般采用西門子-西屋技術(shù)的汽輪機,都要求此時高壓旁路出口壓力給定值不超過0.88 MPa。經(jīng)核實,FCB穩(wěn)態(tài)結(jié)束升負荷時,切高壓缸時,高壓缸排汽出口壓力沒有上限值的要求。FCB重新升負荷工況,由于高壓缸進汽量增大,進入高壓旁路蒸汽量較少,這是降低高壓旁路容量的有利因素。對于低壓旁路容量來說,由于沒有高壓缸高調(diào)門打開需要降低高壓旁路出口壓力的上限值,因此壓力不必減少,維持穩(wěn)態(tài)時的壓力即可,為了平衡推力,此時中壓缸也應(yīng)相應(yīng)增加進汽量,中壓缸增加進汽也是降低低壓旁路容量的有利因素。經(jīng)核算,升負荷工況旁路容量滿足要求,不必考慮增加再熱器可調(diào)安全閥。

4.4 給水泵

在FCB瞬態(tài)工況,鍋爐負荷仍按TMCR工況流量考慮,此時考慮汽輪機防進水因素,高壓旁路閥先打開,給水泵同時提供高壓旁路減溫水,給水流量大幅增大。本工程,高壓旁路容量按60%計算。考慮國際公認的FCB工況定義為100%TMCR下甩負荷孤島運行。VWO工況不會出現(xiàn)FCB工況。根據(jù)《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》,給水泵出口總流量直流鍋爐按BCMR流量1.05倍考慮,對具有FCB功能的機組,還應(yīng)包括高壓旁路減溫水流量?？紤]到FCB發(fā)生在TMCR工況,而不是VWO工況對應(yīng)的BMCR工況,兩者若直接相加勢必造成給水泵流量選型過大。因此,給水泵選型時泵出口最大流量的取值按VWO+3%工況(根據(jù)合同要求,輔機選型按此工況選擇)的1.05倍,與TMCR工況+高壓旁路減溫水的流量相比,取較大值。經(jīng)計算,按VWO+ 3%工況,1 150.5×1.05=1 208 t/h。按TMCR+高壓旁路減溫水,1 063.2×1.05+83=1 200 t/h。因此,按前者作為給水泵選型工況。一些工程按BMCR流量乘以1.05加高壓旁路減溫水量,造成給水泵選型過大。本工程給水泵出口流量為604 t/h,2臺給水泵出口總流量約為BMCR流量的108%倍。

4.5 除氧器有效容積

在FCB瞬態(tài)工況,除氧器工質(zhì)不平衡,差值為336 t/h。參考鍋爐負荷階躍降負荷率,FCB從瞬態(tài)至穩(wěn)態(tài)運行保守估算,需要時間為9 min。此時間段內(nèi),除氧器減水50.4 t,相當(dāng)于BMCR給水流量的2.7 min。本工程在除氧器技術(shù)規(guī)范中要求,除氧器有效容積滿足6 min BMCR流量的要求。因此, FCB從瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)期間,由于PCV閥排放,導(dǎo)致除氧器水位下降,通過設(shè)置6 min BMCR流量的有效容積,除氧器水位滿足控制要求。例如,外高橋二期除氧器水箱容量為5 min鍋爐蒸發(fā)量,從調(diào)試階段的停機不停爐和FCB試驗情況來看,其容量明顯不足。外高橋三期改為6 min的鍋爐蒸發(fā)量。

4.6 熱井有效容積

根據(jù)汽輪機技術(shù)協(xié)議,熱井放置于低壓缸排汽裝置下部,正常水位時滿足最少3 min的容量, 100%存儲容量時最少6 min BMCR流量。在FCB瞬態(tài)工況,熱井工質(zhì)不平衡,差值為111.3 t/h。9 min時間段內(nèi),熱井減水16.7 t,相當(dāng)于BMCR凝結(jié)水流量的約1.25 min。因此,FCB從瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)期間,熱井水位滿足控制要求。4.7 凝結(jié)水泵

本工程為3臺50%容量的凝結(jié)水泵,考慮在FCB瞬態(tài)工況下,由于給水泵流量增大,凝結(jié)水泵出口流量需要增大,此時可以考慮開啟第3臺備用凝結(jié)水泵,但通過咨詢廠家,凝結(jié)水泵從關(guān)閉出口閘閥開啟泵到滿負荷需要約70 s的時間。因此在70 s時間內(nèi),肯定仍是2臺凝結(jié)水泵運行。凝結(jié)水泵在沒有開啟第3臺備用泵時,除氧器6 min的有效容積仍能滿足FCB給水量的要求。況且,FCB信號啟動時,鍋爐負荷按一定的負荷率降低,這樣給水流量則可以相應(yīng)減少。因此,凝結(jié)水泵按2臺50%容量開啟考慮,熱井水位仍能滿足FCB瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)下水位波動的要求。另外,此時配合凝結(jié)水補充水泵,完全可以滿足FCB的運行要求。因此,凝結(jié)水泵容量不必增大。

4.8 凝結(jié)水補充水泵

凝結(jié)水補充水泵選擇時,揚程按不低于鍋爐水冷壁出口分離器最高標(biāo)高,加上沿程阻力,并考慮一定的余量。本工程揚程經(jīng)估算為120 m。流量的選擇,考慮到本工程為直接空冷機組,背壓較高,常規(guī)濕冷機組的虹吸管不能滿足要求,因此需要設(shè)置2臺水泵,一運一備。機組正常運行時,正常補水量按1.5%,即17 t/h。FCB瞬態(tài)工況下,熱井工質(zhì)差為105.5 t/h。鍋爐點火前冷態(tài)沖洗考慮按30%BMCR流量,335 t/h,此時水量要求最大,按2臺泵同時投運,因此每臺泵流量按167.5 t/h考慮。

5 結(jié)束語

通過對摩洛哥Jerada 350 MW超臨界機組FCB功能配置的關(guān)鍵技術(shù)進行分析,認為該機組通過設(shè)置60%高低壓串聯(lián)旁路及40%BMCR容量PCV閥,可以使該機組實現(xiàn)FCB功能。

a.空冷機組采用3臺50%容量電動調(diào)速給水泵方案,廠用電較高。

b.鍋爐最低穩(wěn)燃負荷為30%,負荷率較低。

c.高壓缸排汽通風(fēng)閥的設(shè)置。本工程采用中壓缸進汽帶廠用電運行方式,高壓缸不進汽,而且高壓缸排汽通風(fēng)閥設(shè)計時排放量很小,只需考慮高壓缸鼓風(fēng)或一些軸封漏汽。

d.PCV閥的設(shè)置。本工程旁路容量為60% BMCR,此時要求PCV閥設(shè)計容量較大,因為FCB瞬態(tài)PCV閥排放量與高壓旁路容量之和為鍋爐蒸發(fā)量。

e.瞬態(tài)工況高壓缸排汽出口壓力無上限要求,這樣進入低壓旁路的蒸汽容積流量不必增大很多,避免了由此引起的需要設(shè)置再熱器可調(diào)型安全閥來排放多余蒸汽的問題。

[1] 馮偉忠.大機組實現(xiàn)快速甩負荷的現(xiàn)實性及技術(shù)分析[J].動力工程,2008(4):532-536.

[2] 畢雪峰,郭曉克.結(jié)合MADRAS工程談系統(tǒng)FCB設(shè)計[J].熱機技術(shù),2012(116):51-56.

[3] 劉海燕.300 MW汽輪發(fā)電機組的小島運行試驗[J].電站系統(tǒng)工程,2011(3):45-46.

[4] 鄭 赟.印度工程汽輪機旁路容量的選型設(shè)計[J].熱力透平, 2012,41(3):209214.

[5] 寧繼宏.1 000 MW火電機組FCB功能與系統(tǒng)配置探討[J].廣西電力,2009,32(4):6367.

本文責(zé)任編輯:楊秀敏

Feasibility Analysis on FCB Fuction Implementing of 350 MW Supercritical Unit

In view of the present situation of Morocco Jerada 350 MW supercritical unit,this paper puts forward system configuration and interlocking protection design proposal for FCB function,analyses the key technology of FCB system configuration,considers that it is completely feasible to realize FCB function by means of 60%high and low pressure series bypass valve and 40%BMCR superheater outlet PCV. Key words:350 MW supercritical unit;FCB fuction;system configuration

TM621.2

B

1001-9898(2014)02-0051-04

2013-11-26

李 輝(1980-),男,高級工程師,主要從事火電廠熱機專業(yè)設(shè)計工作。