1000MW超超临界机组主汽再热疏水系统设计研究

摘要： 本文结合国内外1000MW等级超临界机组的设计经验，经分析论证，提出了电厂三大蒸汽管道疏水采用温差信号（蒸汽过热度）来代替负荷信号控制三大蒸汽管道疏水阀的启闭的方案，该方案不仅具有更好的安全可靠性，同时还实现了工程的节能减排。

Abstract： Combined with the design experience of 1000MW supercritical units at home and abroad， and through analysis and demonstration， this paper proposes a program that three hydrophobic steam pipes of power plant using temperature difference signal （steam superheating degree） instead of load signal to control the opening and closing of traps. The program not only has better security and reliability， but also achieve the energy saving project.

关键词： 疏水阀；控制；负荷信号；温差信号

Key words： trap；control；load signal；temperature difference signal

中图分类号：TM621.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）17-0063-02

0 引言

在超临界机组中，主蒸汽、低温再热蒸汽、高温再热蒸汽管道及与之相配的汽机旁路管道（简称三大蒸汽管道）的疏水及辅助系统的设计是否合理，对机组的安全与经济运行有很大的影响，其关键是疏水阀的控制时机与控制信号的选取。

就此问题，国内外的专家做了大量的研究和实践，取得了很多的理论和现实成果。

1 三大蒸汽管道系统简介

1.1 主蒸汽系统

主蒸汽管道从过热器两出口集箱左右两侧分别接出两根支管，两根支管于锅炉钢架内分别汇合成两根主蒸汽主管，引至汽机房在汽轮机机头分别接入两个主汽门。两路主蒸汽主管道在汽机房内合适的位置设有相互之间压力平衡的连通管。

1.2 再热蒸汽系统

高压缸排气口双管接出再热冷段管道合并成单管后引至锅炉侧，然后分为两路进入再热器左右两侧的入口联箱。

再热热段管道，自再热器两出口联箱左右两侧各接出两支根，两根支管于锅炉钢架内汇分别合成再热热段主管后引入汽机房，接入汽轮机左右侧再热汽门，两路再热蒸汽主管在锅炉侧立管上合适的位置设有相互之间压力平衡的连通管。

1.3 旁路蒸汽系统

为了改善机组的启动性能，本文暂定采用高中压缸联合启动方式的汽轮机，并且设置了旁路系统，这样不仅缩短了启动时间以及减少了汽轮机的循环寿命损耗，更有利于保护再热器不超温。暂按高、低压二级串联启动旁路系统，容量为40%考虑。高压旁路阀一只，低压旁路阀两只。

为了防止汽轮机进水，三大蒸汽管道系统均设有完善的疏水系统。主汽门前两路主管的低点设置疏水点；低温再热蒸汽管道在汽机排汽逆止阀前后设置疏水点；高温再热蒸汽管道进汽机前低点、高压旁路阀前低点设置疏水点。

2 三大蒸汽管道系统疏水阀的常规控制方法及问题

通常情况下，在一次启动再热式汽轮发动机组的过程中，当机组负荷升至10%的额定负荷或其他设定值时，应当将中压调门之前的汽机本体疏水阀关闭；当升至20%额定负荷或其他设定值时，应当将中压调门之后的汽机本体疏水阀关闭。

相反，在停机过程中，当机组负荷降到20%的额定负荷或其他设定值时应当将中压调门之后的汽机本体疏水阀开启，降至10%的额定负荷或其他设定值的时候应当将中压调门之前的汽机本体疏水阀关闭。

因此，机组负荷控制着汽机本体疏水阀的启闭控制信号。

由此一来，由于在机组的启停过程中能够及时排出汽机本体内的疏水，因此，能够有效防止在汽机内发生汽水冲击事故。由于汽机本体疏水阀在汽机跳闸时能够自动开启，所以能够将积存在导气管和汽缸内的蒸汽排到凝汽器，从而有效防止了机组超速。

此外，设置在再热冷段蒸汽管道上的疏水罐能够靠其水位对疏水阀的启闭进行控制，因此，有效防止了再热冷段蒸汽管道的疏水返回汽机。

受汽机本体疏水阀启闭控制方式的影响，目前，超超临界机组在设计时也顺其自然地用机组的设定负荷（一般是10%的额定负荷）来控制两大蒸汽管道（主蒸汽及再热热段蒸汽，以下同）疏水阀的启闭。虽然采用机组负荷的方式控制两大蒸汽管道疏水阀具有控制方式简单的优点，但同时也存在以下问题：

①主蒸汽的过热度不能低于50℃是启动机组时，允许汽机冲转的条件。但是从汽机冲转到机组负荷升至10%的额定负荷或其他设定值期间，由于开启主蒸汽管道疏水阀排放的是高温高压蒸汽，因此，在主蒸汽管道内没有水可疏，因此，除了增加热量损失外，还增加了高压疏水扩容器的负担。

②由于机组在停机过程中会低于10%的额定负荷或其他设定值，因此，在开启两大蒸汽管道疏水阀时，储存于锅炉和两大蒸汽管道内的高温蒸汽将会排入高压疏水扩容器，不仅增加了机组的热量损失以及高压疏水扩容器的负担，还降低了高压疏水扩容器的寿命，同时还对机组的安全构成了严重的威胁。如果机组发生突然解列就会导致蒸汽参数几乎接近正常运行时机组的参数，从而会使问题更加突出。

综合来看，产生上述问题的主要原因是以某一负荷作为疏水阀启闭条件的简单粗放控制方式。这种方式带来的问题可能在亚临界及以下机组表现的并不突出，但在超（超）临界机组却上却表现的日益明显。

鉴于以上原因，对主汽、再热系统的疏水系统进行技术优化，选择合理、经济的疏水系统以增加机组整体运行的安全性和可靠性，是非常有必要的。

因此，本文建议采用温差信号控制三大蒸汽管道疏水阀的启闭，可提高机组整体运行的安全可靠性。

3 主蒸汽、再热蒸汽疏水系统优化研究

我们知道，机组负荷控制了主蒸汽管道疏水阀的启闭，因此，当汽机冲转到机组负荷升到10%的额定负荷期间，开启主蒸汽管道疏水阀后会排放出高温蒸汽，由于其已经失去了疏水功能，因此，采用机组负荷对主蒸汽管道疏水阀的启闭进行控制是不合理的。

所以，在对主蒸汽管道疏水阀启闭进行控制的时候，拟考虑采用汽机侧主蒸汽管道内蒸汽温度与直流锅炉汽水分离器出口蒸汽温度的差值来进行，即在机组启动的过程中，当两处蒸汽温差大于50-60℃的时候，自动关闭主蒸汽管道疏水阀。如果此时的蒸汽参数不能够满足汽机冲转的要求，此时为了满足机组启动要求，应当加大汽机旁路流量来提高主蒸汽参数。在机组正常的停机过程中，当两处的蒸汽温差小于60-50℃的时候应当自动开启主蒸汽管道疏水阀。

当汽机跳闸时，除了急需要对主蒸汽管道零部件进行检修时打开疏水阀外，在其他情况下没有必要开启疏水阀，此时能够通过储存管内蒸汽和热量来减缓管道的冷却速度，从而在缩短机组在启动时主蒸汽管道的暖管时间外，还能够缩短机组的启动时间。

由于主蒸汽管道是金属制成的，因此能够储存较多的热量，因此，需要相当长的时间进行自然散热，如果再考虑保温材料储存的热量，那么冷却时间就会更长。因此，只有当主蒸汽管道发生意外进水事故，主蒸汽管道才能出现积水，这说明用机组负荷对主蒸汽管道疏水阀进行启闭控制也是不合理的。

此外，由于再热热段蒸汽管道的管径大且管壁厚，因此，能够储存较多的热量。对于跳闸后的再热热段蒸汽管道而言，在相当长的时间内过热度大且压力低的高温再热蒸汽不能够凝结成水，此时可以考虑采用汽机侧再热热段蒸汽管道内的蒸汽温度与再热冷段蒸汽管道内的蒸汽压力对应的饱和温度差来控制再热热段蒸汽管道的疏水阀。在不考虑由蒸汽压力计算饱和温度的前提下，在对再热段蒸汽管道的疏水阀进行控制的时候也考了采用再热热段蒸汽的温度与在冷段蒸汽的温度差进行。即在机组的启动过程中，当再热冷段和热段蒸汽温度之差大于50-60℃时，会自动关闭再热热段蒸汽管道的疏水阀；当机组停运后，两者温度差小于60-50℃的时候就会自动开启再热热段蒸汽管道的疏水阀。

除了对再热冷段蒸汽管道的疏水阀采用疏水罐的水位来控制其关闭外，还应当保证在汽机负荷小于规定值时，该阀门能够自动开启。由于再热器事故喷水倒流和用再热冷段蒸汽管道加热的高压加热器管子发生爆破后高压给水倒流会引起汽机进水事故，因此，为了降低汽机进水的可能性，必须对高压缸排气逆止阀下游的疏水阀进行控制，此时可以采用炉侧再热冷段蒸汽管道事故喷水减温器上游的蒸汽温度信号和高压加热器汽侧的水位信号对其进行超前控制。

此外，为了防止再热器事故喷水过量以及高压加热器给水倒流事故的发生，还应当加强措施，如：为了防止再热器事故喷水过量，选用可控性好的事故喷水调节阀；为了防止给水沿抽气管道倒流进再热冷段蒸汽管道，当高压加热器汽侧水位达到高Ⅲ时，高压加热器应当切除运行。

总之，在对三大蒸汽管道疏水阀进行启闭控制的时候采用蒸汽的过热度，不仅能够对疏水时间进行更加安全有效的控制，还能够有效避免疏水时蒸汽返回汽缸对汽机产生的伤害，更重要的是利用储存于管内的蒸汽热量能够有效减缓管道的冷却速度，从而减少机组再次启动的暖管时间。

4 结论

综上所述，对主汽、再热系统的疏水系统的优化措施如下：

①在对主蒸汽管道疏水阀启闭的控制方面，采用汽机侧主蒸汽管道内的蒸汽温度与直流锅炉汽水分离器出口蒸汽温度之差的控制取代过去的用机组预定负荷控制；用机组负荷控制疏水阀也可作为备用手段以确保安全。

②将疏水罐设置在再热热段蒸汽管道的汽机低点，在对疏水阀的启闭进行控制的时候采用汽机侧再热热段管道内的蒸汽温度和再热冷段管道内蒸汽压力对应的饱和温度之差进行，为了方便，也可以用再热热段蒸汽与再热冷段蒸汽的温差来控制；用机组负荷控制疏水阀也可作为备用手段以确保安全。

③再热冷段管道在管道的低点设疏水罐，疏水阀的启闭用现有的控制方式，即由疏水罐水位来控制。

另外，汽机旁路阀（尤其高旁阀）前宜设暖管，以防止旁路阀前的疏水阀经常处于开启状态或减少旁路阀之前的疏水阀的启闭次数。

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