超临界锅炉冷态启动蒸汽参数合理控制

超临界锅炉冷态启动蒸汽参数合理控制
摘要：单元机组启动过程中主汽温度和压力参数的合理控制，对汽轮机安全经
济运行的影响举足轻重。

本文探讨在保持省煤器前流量不变的前提下，分别改变
风量、炉水再循环流量和高加来给水流量，来实现超临界机组在冷态启动过程中
的蒸汽参数的合理控制问题。

关键词：省煤器前流量；给水流量；风量；烟气热焓分配；主汽压力、温度；蒸汽参数匹配[Abstract] The reasonable control of main steam temperature and pressure parameter for boiler-turbine unit is very important of the turbine safe andeconomic operation. This article will research for realizing the reasonable control
of the steam parameter during super-critical unit cold startup by keeping thefeed
water flow before economizer and change the air flow, boiler water recycle flow and feed water from HP heater.[Keyword] Feed Water Flow before Economizer, Feed Water Flow, Air Flow, Flue Gas Enthalpy Distribution, Main Steam Pressure and Temperature,Steam Parameters Matching
1 引言众所周知，超临界机组的启动是指从锅炉点火、升温、升压、蒸汽参
数达到要求，汽轮机进行暖管、冲转、暖机、定速，发电机并网带基本负荷，逐
渐增加至满负荷的过程。

其实质是火焰、烟气及蒸汽向锅炉和汽轮机金属部件传
热的复杂交换过程。

一般都采用定-滑-定的启动方式，冲转参数要选用适当，从
冲转到额定转速的全过程，蒸汽参数基本保持不变，通过控制进汽量来达到控制
汽轮机转速的目的。

主蒸汽温度高而压力低会引起金属材料性能破坏缩短某些部
件的使用寿命，如主汽阀、调节阀、轴封、法兰、螺栓以及高压管道等；主蒸汽
温度低而压力高会引起末几级叶片湿度的增加，增大了湿汽损失，同时也加剧了
末几级叶片的冲蚀，直接威胁到汽轮机的安全运行。

在实际投运的超临界机组冷态启动时，普遍存在主汽、再热蒸汽温度高，而
主汽压力低的现象，容易造成屏式过热器超温，对机组冷态启动的安全性十分不利，因此探讨超临界机组冷态启动过程中蒸汽参数的合理控制与匹配有着重要意义。

2 超临界直流锅炉启动系统的主要任务与工作过程本文所要探讨的问题，主
要是针对启动系统内部及炉内过程发生的一些变化，在此先介绍一下启动系统。

设置启动系统的主要目的就是在锅炉启动、低负荷运行及停炉过程中，通过启动
系统建立并维持炉膛内的最小流量，保护水冷壁，满足机组启动及低负荷运行的
要求，同时可以回收锅炉启动初期排出的工质和热量。

本文所讲的为内置式启动
系统，如图1。

图1 内置式启动系统启动系统的工作过程是：给水经过省煤器、水冷壁到汽
水分离器，分离后的水通过分离器下部的储水箱由炉水循环泵再次送入省煤器，
分离后的蒸汽进入锅炉尾部包墙，然后依次流经各级过热器，最后由主蒸汽管道
引出。

锅炉冷态启动时，首先通过给水泵给锅炉上水。

当贮水箱中的水位达到一
定高度后，启动炉水循环泵，建立循环，在此过程中水位调节阀用来控制储水箱
水位，高水位时开启。

锅炉点火后，可以通过增大或减小给水泵流量，以达到提
供足够流量或者减少工质溢流损失的目的。

在锅炉负荷提高到本生点以上后，进
入汽水分离器的将全部是蒸汽，锅炉进入直流运行模式，停止炉水循环泵。

3 实际运行案例简介
温再热器的壁温时有超温和温差过大现象。

管壁温度温升过大，易造成受热
不均匀；蒸汽温度过高，可能引起管壁超温、金属产生蠕变加速、降低金属的持
久强度和使用寿命。

蒸汽温度上升过快，为了控制汽温，往往提前投用减温水，
容易引起氧化皮脱落，如氧化皮在“U”型管弯头沉降，易引起堵管，严重时甚至
发生爆管，威胁机组的安全运行。

图2 机组冷态启动曲线4 原因分析本文主要讨论锅炉负荷低于本生点情况下，影响过热蒸汽温度、压力的几种主要因素。

直流锅炉在本生负荷点以下，水的加热、蒸发，蒸汽的过热阶段分界点是汽水分离器；高温烟气在与工质热交换过程中，在炉膛内的传热量与在烟道内的传热量份额发生变化，可引起水的吸热量与
蒸汽吸热量变化，从而造成主蒸汽参数变化速率发生不同程度的变化；如控制得当，主蒸汽参数匹配就会合理。

下面从烟气侧和工质侧分别进行讨论。

4.1 单位燃料烟气热能（烟焓）的分配对工质参数的影响4.1.1 单位燃料燃烧
产生的热能储存在高温火焰及烟气中，以不同的传热形式传递给工质，以辐射形
式传递的热量主要是传递给炉膛水冷壁，用于锅水的加热、蒸发，产生蒸汽，以
提升蒸汽压力；以对流形式传递的热量主要传给炉膛出口及烟道内过热器、再热
器受热面，用于蒸汽的过热、再热，以提高蒸汽温度。

若辐射份额f Q 小，用于
给水加热、蒸发的热量将减少，而用于蒸汽加热的热量增加，导致主蒸汽、再热
蒸汽温度高而主蒸汽压力低。

4.1.2 过量空气系数对主汽参数的影响（1）风量增大，进入炉膛的低温介质多，炉膛理论燃烧温度降低，致使炉膛烟气温度降低，单位燃料热能的辐射份额
减少，对流传热份额增加。

锅水在水冷壁中加热蒸发吸热量减少，蒸汽在过热器、再热器内吸热量增加，主蒸汽温度、再热蒸汽温度高，而主蒸汽压力低。

1）炉膛理论燃烧温度近似计算公式：
由公式（4-3）可知，进入省煤器的给水温度与给水流量决定了液体热的大小，当给水温度降低，给水流量大，液体热yt Q 将增大，水冷壁加热段延长，蒸发点
后移，蒸发面积减少；由公式（4-4）可知，给水流量大，主蒸汽压力低，单位饱和水的汽化热r Q 就大；由公式（4-5）、（4-6）可知，在保持辐射热量不变时，所需总蒸发热量增加时，水冷壁产汽量会减少；如果保持所需总蒸发热量不变，
辐射热减少，水冷壁的产汽量同样减少，单位蒸汽的吸热量将增加，导致过热蒸
汽温度高而压力低。

5 现场验证下面是某厂600MW 超临界锅炉冷态启动冲转前的某一时刻的工况，以下就上述几个影响主汽温度、压力的因素进行现场试验，保证省煤器前流
量不变，通过对给水泵出口流量、炉水再循环流量以及风量的不同调整，探索维
持主蒸汽温度、压力参数在较理想的匹配范围的方法。

5.1 保持省煤器前流量不变，风量不变，改变给水泵出口流量和炉水再循环
流量：调节给水泵出口流量是为了满足产汽量和蒸汽温度控制的要求。

在启动和低于本生负荷（30%BMCR）运行时，直流锅炉一直处于湿态运行方式，以保证水冷壁管在任何时候都有足够的冷却。

为了减少排到疏水扩容器的水量，应适当减少给水泵出口流量，同时为了水冷壁的安全，省煤器和水冷壁必须
维持30%BMCR 的最小通流量。

某厂600MW 超临界锅炉冷态启动冲转前，维持旁路开度不变（高压旁路阀
门开度维持在46%，低压旁路阀门开度维持在41%），风量（维持在1156t/h 左右），省煤器前流量（维持在660t/h）稳定，适当调整给水泵出口流量和炉水再
循环流量，主蒸汽温度和压力参数如下表：
表1 调整给水泵出口流量和炉水再循环流量时的参数从表1 中可以看出，当
给水流量增加时，经过省煤器加热后从炉循泵出来的再循环流量就会减少，由于
省煤器前流量保持不变，省煤器内的介质温升减小，即省煤器出口水焓值下降，
导致由于加热段延长、蒸发段减小，水冷壁蒸发量下降，最终导致汽压下降、汽
温上升，当给水流量增加到一定值时，炉水再循环流量接近于零，一部分热水由
于储水箱水位过高而溢出到疏水箱，造成工质流失的损失。

当给水流量减少时，为了保证足够的省煤器前流量，应适当增加炉水再循环
流量，这样就相当于提高了给水焓值，因而加热段前移、蒸发段增大，水冷壁蒸
发量增大，导致主蒸汽温度上升较慢，主蒸汽压力上升较快，当给水泵出口流量
减小到一定数值时，就需要足够多的炉水再循环流量来维持省煤器前流量。

对照
上面的冷态启动曲线图，结合以上两种情况分析可以看出，在维持省煤器前流量
不变的情况下，应该保持给水泵出口流量和炉水再循环流量有一定比例关系，适
当的增加炉水再循环流量，以控制主汽温度上升速度，提高主汽压力，才能保证
合理的蒸汽参数，提高机组运行的安全性和经济性。

5.2 保持给水泵出口流量和炉水再循环流量不变，改变风量：锅炉冷态启动
冲转前，维持旁路开度不变（高压旁路阀门开度维持在46%，低压旁路阀门开度
维持在41%），省煤器前流量（维持在660t/h）稳定，给水泵出口流量（105t/h）和炉水再循环流量（560t/h）左右，适当调整风量，主汽温度和压力参数如下表2：
表2 调整风量时的参数从表2 可以看出，维持省煤器前水量不变，风量大，
锅炉排烟损失增大，同时会因冷风的增加导致炉膛温度下降，辐射式受热面的吸
热量减少，对流过热器的吸热量增加，但由于风量增加对流受热面的影响比较大，所以主汽温度总体是上升的；风量减少时，由于进入炉膛的冷风量减少，炉膛温
度呈上升趋势，但由于风量减少导致对流传热的下降，主汽温度上升速度下降。

因此减少风量能够起到控制蒸汽温度过高的作用，但实际运行中应该适当调整，
防止风量过低造成不完全燃烧，导致机组效率降低。

5.3 保持省煤器前流量不变，改变给水泵出口流量和炉水再循环流量，同时
改变风量：锅炉冷态启动冲转前，维持旁路开度不变（高压旁路阀门开度维持在46%，低压旁路阀门开度维持在41%），省煤器前流量（维持在668t/h）稳定，
适当调整给水泵出口流量、炉水再循环流量和风量，主汽温度和压力的参数如下表：
从上表可以看出，在减小给水量、增加再循环流量，减小风量的情况下，主汽、再热汽参数与启动曲线基本一致。

6 启动初期采取的正确调整方法6.1 保持适当的省煤器进水流量保持适当的
省煤器进水流量，以便保证水冷壁得到充分的冷却，省煤器进口流量在600-650
t/h。

若省煤器进口流量大，在省煤器及水冷壁吸热量一定的情况下，单位液体的
焓增将减小，即省煤器温升减小，水在水冷壁中加热过程加长，蒸发点向后移，
蒸发面积减小，产汽量减少，汽压上升慢；由于蒸汽量小，单位蒸汽吸热量相对
增加，汽温上升较快，其结果是主汽压力低，主汽、再热汽温度偏高。

若省煤器
进口流量太小，水冷壁得不到很好的冷却，容易造成水冷壁超温。

故要保持适当的省煤器进口流量。

6.2 尽量增加再循环流量份额再循环的炉水水温比较高，在保持省煤器进口
流量一定的情况下，尽量增加炉水再循环流量，尽量减少低温的给水流量，以便
提高省煤器进口水的焓值，在省煤器及水冷壁吸热量一定的情况下，单位液体的
焓增将增加，水在水冷壁中加热过程缩短，沸腾点向前移，蒸发面积增加，产汽
量增加，主蒸汽压力上升较快；由于蒸汽量大，单位蒸汽吸热量相对减少，汽温
上升较慢，其结果主汽压力，主汽、再热汽温度匹配较合理。

6.3 适当控制总风量在燃料量一定的情况下,风量大,炉膛温度低,炉膛辐射热量小,对流热量增加,造成用于加热、蒸发炉水的热量减少，用于加热蒸汽的热量增加，引起主蒸汽压力低,而温度高。

6.4 尽量投用下层燃烧器投用下层燃烧器，可以降低火焰中心高度，增加炉
膛辐射热量，易于主汽压力、温度的合理匹配。

6.5 启动过程燃用较好的煤质，并在初期适当增加点火能量；控制磨煤机通
风量，采用外来蒸汽加热磨煤机热风，以提高一次风温。

在煤场储存部分较干燥、挥发分较高，发热量较高的启动用煤。

7 结论实际投运的超临界机组，冷态启动时普遍存在主、再热蒸汽温度高，
而主蒸汽压力低的现象，运行人员通过采取适当的措施，调整给水和炉水再循环
流量以改变省煤器入口的给水焓值、通过改变风量调整对流受热面和辐射式受热
面的热量分配，达到控制主蒸汽温度的目的，并使主蒸汽温度和压力达到了较好
的匹配效果，提高了机组运行的安全性和经济性。

参考文献：［1］朱全利《超临界机组锅炉设备及系统》.北京：化学工业出
版社，2008.［2］景朝晖《热工理论及应用》.北京：中国电力出版社，2006［3］樊泉桂《锅炉原理》.北京：中国电力出版社，2008本文表1-表3 中数据均来自
现场试验。