直流锅炉的启动

19.1.4　直流锅炉的启动

1.直流锅炉的启动特点

（1）需要启动旁路

直流锅炉无锅筒，各受热面之间无固定分界线，在升火期间，开始送出的是热水，然后是汽水混合物、饱和蒸汽和过热蒸汽，最后，过热温度逐步达到额定值。直流锅炉启动时，升火后就必须不间断地向锅炉进水，以建立起足够的工质流速和压力，保证给水连续地强迫流经所有受热面并使其得到足够冷却。因此直流锅炉在启动之前就须建立起一定的启动流量和启动压力，甚至采用全压启动。直流锅炉的启动过程主要是工质的升温过程。另外，在机炉成套启动的单元制系统中，汽轮机暖机和冲转对进入的工质有一定要求，如蒸汽必须有一定的过热度，一般规定，相应进汽压力下过热50℃以上的蒸汽才能进入以防止低温蒸汽进入汽轮机后，在尚处于冷态下的汽轮机内凝成水滴，造成汽轮机叶片受水击。因此，启动过程中排出的热水、汽水混合物，饱和蒸汽以及过热度不足的过热蒸汽统统都不得进入汽轮机。因此，直流锅炉必须带有一个专门的启动旁路系统，并与汽轮机旁路一起组成机组的启动系统。汽轮机旁路也称旁路站或减温减压站，它也是现代单元机组热力系统中的一个重要组成部分。当锅炉与汽轮机的运行工况不相匹配时，锅炉送出的蒸汽量的多余部分经旁路站减温减压后直接引入凝汽器。这种功能在机组启动、降负荷或甩负荷时是十分需要的。

直流锅炉的启动旁路系统，由启动分离器（升火分离器）及其汽侧、水侧的所有连接管道及阀门组成，有时还包括疏水热交换器和辅助循环泵。此旁路系统用于排除锅炉启动过程中产生的不合格水、汽。由于纯直流锅炉通常需在25%～30%额定蒸发量下启动（与其对应的给水量称为启动流量），因此，启动时的凝结水损失和热量损失均大。旁路系统的设计必须最大可能地回收工质和热量。

启动分离器是一圆筒形压力容器，作为扩容与分离蒸汽之用。仅在启动过程中使用，正常运行时不投入。分离出来的蒸汽除通往锅炉出口外，还直接通往凝汽器、除氧器或高压加热器等。设计压力的选择主要考虑分离器能供应高焓蒸汽，并在滑压启动时能足以克服分离器之后受热面内工质的流动阻力。此设计压力一般取3.4～4.4MPa，亚临界或超临界压力机组中也有用7MPa。

旁路系统的型式很多，可按过热器是否充水分类，也可按分离器在汽水流程中的位置分类。各类系统的目的都是为了改善启动条件。

根据启动分离器的布置位置和疏水循环方式，启动旁路系统主要可区分为机组进入正常运行工况时切除分离器和不切除分离器两类^［2，3］。

图19.6　需切除分离器的启动系统^［2］

图19.6所示为需切除分离器的启动旁路系统，该系统中，启动分离器设置在一、二级过热器之间。配置这种启动系统的直流锅炉的启动由建立启动流量、点火、分离器升压、过热器通汽和最后切除分离器等主要操作过程组成。

①建立循环流量、进行循环清洗。关闭图19.6中所示的阀门1、3、4、5，将温度约为104℃的除氧水送入锅炉，开启调节门2，给水流经节流管束，使水冷壁内建立起一定的流量（约为额定流量的30%）和压力（约为40%的额定压力）的介质流动，进行冷态清洗。进入分离器的水或排至地沟（不合格的水）或排至除氧器（质量合格的水）。

②点火与分离器升压。点火后，继续维持30%的额定流量，并一直保持到切除分离器后汽轮机加负荷为止。工质温度逐渐升高，在进入分离器的工质温度达到260～280℃时，由于在此温度下水中铁离子的溶解度较大，需要维持一段时间进行热态清洗，不合格的水经过分离器排至地沟，少量蒸汽排至凝汽器或除氧器。直至水质合格，结束热态清洗。

当炉膛辐射受热面中某处达到相应压力下饱和温度时，工质即开始汽化。由于管内工质体积突然增大，出现直流锅炉启动中特有的汽水膨胀现象，使汽化点后的水高速排出。当分离器前受热面出口温度也达到饱和温度时，膨胀过程就会结束，但如果瞬时的膨胀量过大，分离器的水位和压力将难以控制。为防止引起满水或超压，在膨胀过程中，必须注意控制锅炉的燃烧率。

③向过热器通汽。当分离器的压力上升到一定值后，逐步关小调节门2，逐步全开调节门3，以提高进入分离器的工质温度。当分离器中的压力接近至4MPa（对亚临界压力机组）时，保持水冷壁内压力不变，再逐步关小调节门2、3，开启过热器截止门5，可向过热器通汽，并进行暖管、冲转汽轮机及低速暖机等操作。

④切除分离器。锅炉逐步增加燃料量及给水量，继续升温、升压。当分离器出口工质与低温过热器出口蒸汽焓值相等时，开大过热器截止门5，全关调节门2、3，实现在等焓下切除分离器，以避免在切换时的汽温突然下降。之后，锅炉呈直流运行，继续升温、升压、升负荷，直至锅炉满负荷运行。

直流锅炉一般启动程序如图19.7所示。

不需切除分离器的启动系统如图19.8所示。启动分离器装在过热器之前的主通道上，并带有疏水热交换器，故又称为内置式启动分离器。启动过程的主要区别在分离器的操作上，其它大致相同。

图19.7　直流锅炉启动程序^［3］

a.建立循环流量，进行循环清洗。点火前上水至启动分离器的最低水位，水冷壁内建立启动流量，进入分离器的水从下部排出，并保持水位，进行冷态清洗。

b.点火与分离器升压。点火后分离器内的蒸汽全部进入过热器，分离器内的水经热交换后视水质情况排至扩容器（不合格的水）或排至除氧器。

c.分离器状态转换。随着锅炉逐步增加燃料量及给水量，继续升温、升压，进入分离器的工质干度逐渐增大，直到进入分离器的工质为微过热蒸汽时，分离器中的水位消失。此时可全关分离器排水门，启动分离器转为干态运行，仍作为蒸汽通道中的一个容器而不被切除。

该系统具有简单、阀门少等特点，没有从旁路系统向直流运行过渡的操作。在任何情况下，只要水冷壁出口工质干度小于1.0，分离器均将可靠地分离汽水，有水位出现时，也可通过排放系统自动控制水位。同时，分离器的疏水热交换器，可将启动过程中和低负荷时分离器疏水所含热量的大部分传给锅炉给水，热量损失小。

（2）启动快

图19.8　不需切除分离器的启动系统^［2］

由于直流锅炉没有锅筒，启动速度可大大提高。

（3）需要一定的启动压力

自然循环锅筒锅炉在冷态点火前无压力，点火后工质被加热，产生蒸汽，建立压力，并逐步升压至额定值。而直流锅炉为保证水动力稳定性，在点火前就要求建立一定压力，并可根据启动各阶段需要进行调整，使锅炉升压或维持在一定数值。自然循环锅筒锅炉产生脉动现象时，能很快被锅筒空间吸收。直流锅炉在启动过程中，启动压力往往低于正常工作压力，故很可能发生脉动现象。为防止脉动，直流锅炉的启动压力不宜太低。

自然循环锅筒锅炉水冷壁受热弱的管子可能会发生停滞或倒流现象。直流锅炉的垂直上升蒸发管屏在启动过程中，由于工质质量流速低、传热偏差大，部分管子也可能发生停滞、倒流现象。为防止个别管中发生停滞、倒流，在启动过程中必须保证一定的给水流量，即启动流量，一般为额定蒸发量的30%，以保证一定的质量流速。

（4）点火前必须对受热面进行清洗

点火前，锅筒锅炉受热面一般不必进行清洗，炉水中含有的杂质可在启动过程中用定期排污的方法去除。对于直流锅炉，由于进入锅炉的给水一次蒸发完毕，其中的杂质或沉积在锅炉管子内壁或被蒸汽带往汽轮机，对锅炉和汽轮机的安全工作构成极大的危害。因此，在点火之前，直流锅炉必须建立一定的流量对受热面进行清洗，直到水质合格后才能点火。

（5）需要考虑汽水膨胀问题

与自然循环锅筒锅炉不同，直流锅炉各段受热面是在启动过程中逐步形成的，当水冷壁内某点的工质温度达到饱和温度时，开始产生蒸汽，但其后受热面内仍为水，由于蒸汽比容比水大很多，引起局部压力升高，将后面的水挤压出去，从而使锅炉出口的流量大大超过给水量，当沸腾点后部受热面中的水全部被汽水混合物代换后，锅炉出口流量才回复到和给水量一致。这种现象称为启动过程中的汽水膨胀。这是直流锅炉启动过程中的特殊问题。如果对膨胀过程控制不当，将会引起锅炉超压危险。虽然自然循环锅筒锅炉也有类似于“膨胀”的现象，但由于锅筒的作用。膨胀结果只引起水位的升高，故在点火前宜将锅筒维持较低水位。直流锅炉受热面中汽水膨胀的开始点即为工质达到饱和温度发生汽化的起始点，其位置与锅炉受热面的结构和吸热工况有关。膨胀开始点一般出现在炉膛的下辐射区，也可能出现在中辐射区，甚至上辐射区。汽化一旦开始，很快会有大量工质从锅炉的出口排出；最初排出过冷水；随出口水温逐渐升高并达到饱和温度，最后排出含汽率逐渐增大的汽水混合物，当锅炉出口工质温度接近饱和温度时，膨胀过程结束。膨胀发生前后锅炉内部工质储量的变化量称为膨胀量。锅炉的工作压力对汽水膨胀有很大的影响，压力低则蒸汽的比容大，膨胀量大，开始膨胀的时间提前。因此，启动时，宜选择较高的压力，使膨胀发生在较高压力下，以缩短膨胀持续时间、减轻汽水膨胀量。直流锅炉受热面中贮水量愈多，膨胀量就愈大，燃烧强度的增加速度（燃料量的投入速度）愈大，膨胀量亦愈大，膨胀开始时间也愈早，在相同的传热条件下，锅炉给水温度增高，膨胀量增大，启动压力愈低，膨胀量愈大。

（6）需要仔细选择启动参数

启动参数主要指启动压力和启动流量。为了保证管内工质流动稳定性，缓和膨胀现象，避免启动初期工质汽化，因此在点火之前就需建立一个足够高的启动压力（指启动分离器之前受热面内的压力）。启动压力的选择，与水动力稳定性、膨胀现象、升火节流阀（分离器进口阀）的磨蚀有关。在阀门质量允许的前提下，启动压力应尽量选得高些，甚至采用全压启动（即锅炉额定压力启动）。复合循环锅炉及超临界压力锅炉采用全压启动方式，亚临界压力直流锅炉采用0.4～0.7倍的额定压力作为启动压力。

为了确保直流锅炉受热面在启动时的冷却，要求有足够大的启动流量，保证管内质量流速ρw≥500～700kg/（m²·s），但若存在其它保证受热面能够得到足够冷却的措施，这一要求可降低。过大的启动流量又会造成启动损失大，且膨胀量也大，要求分离器的容量也大。所以，启动流量的选择原则是，在可靠冷却水冷壁的前提下，根据管壁金属温度工况、启动时间、启动损失等因素进行综合考虑，启动流量尽量选得小些。一般直流锅炉通常将额定给水量的25%～30%定为启动流量，复合循环锅炉通常为10%。

值得指出的是，从启动过程到直流运行工况的切换条件是过热器中间阀门两边工质焓尽量接近，以实现等焓切换，使末级过热器出口蒸汽流量及汽温不发生突变，从而可保证汽轮机运行工况的稳定。

2.单元机组的启动系统

随着锅炉型式的发展以及机组在电网中的带负荷情况，机组的启动系统有很多型式，共同目的是期望简化启动程序，达到经济、快速和有控制地启动，并为过热器和再热器提供充分的冷却。

直流锅炉启动系统按分离器正常运行时是否参与系统工作可以分为内置式分离器启动系统和外置式分离器启动系统。内置式分离器启动系统是指在正常运行时，从水冷壁出来的微过热蒸汽经过分离器，进入过热器，此时分离器仅起一连接通道作用。内置式分离器启动系统大致可分：①扩容器式（大气式、非大气式两种）；②启动疏水热交换器式；③再循环泵式（并联和串联两种）。

图19.9　600MW超临界参数锅炉启动系统

1—省煤器；2—蒸发系统；3—汽水分离器；4—过热器；5—再热器；6—汽轮机；7—凝汽器；8—凝结水泵；9—凝结水除盐装置；10—低压加热器；11—给水箱及除氧器；12—给水泵；13—高压加热器；14—低压减温器；15—再循环管道；16—大气扩容器；17—回收箱；18—回收水泵；19—再热器安全阀；20—除氧器安全阀，流量按满负荷工况并ANB阀门全开时设计；BP—100%MCR的高压旁路；BPE—高压旁路喷水阀；BD—减温水减压阀；NBP—低压旁路阀；UE—过热器喷水减温阀；ZUE—再热器喷水减温阀；SBD—给水箱压力控制阀；SW—给水控制阀；AA—汽水分离器疏水阀；AN—汽水分离器液位控制阀；ANB—汽水分离器液位控制旁路阀

图19.9为石洞口二电厂600MW超临界压力机组直流锅炉大气式扩容器启动系统简图^［6］。锅炉为超临界一次再热、螺旋管圈、变压运行直流锅炉。锅炉启动旁路系统包括汽水分离器、疏水扩容器（箱）、疏水控制阀等。汽水分离器为内置式的，布置在蒸发受热面与过热器之间，是启动系统中的一个关键部件。在启动过程中和低于直流负荷运行时（＜35%MCR），启动分离器就相当于锅筒型锅炉中的锅筒，起汽水分离作用，分离出来的疏水进入疏水扩容器或除氧器加以回收。在高于直流负荷运行时，汽水分离器为干态运行，起到一个蒸汽集箱作用。与外置式分离器的最大不同点是内置式汽水分离器在运行时为全压，与锅炉的运行压力相同。汽水分离器是厚壁部件，它既要实现从亚临界压力到超临界压力的启动，又要能适应快速负荷变动和各种状态启动。因此采用高强度的耐高温钢材，并装置了许多温度测点，对其进行热应力的监控^［7］。

冷态、温态启动过程中，可将进入启动分离器的疏水通过从阀排至大气式疏水扩容器。冷态和温态启动时，通过AA阀控制启动分离器的水位使之不超过最高水位，以防止启动分离器满水以致水冲入过热器，危及过热器甚至汽轮机的安全。

冷态和温态启动时，AN阀辅助AA阀排放启动分离器的疏水，当AA阀关闭后，由AN和ANB阀共同排除启动分离器疏水，并控制启动分离器水位。利用ANB阀回收工质和热量，即使在冷态启动工况下，只要水质合格和满足ANB阀的开启条件，即可通过ANB阀疏水进入除氧器水箱。ANB阀保持启动分离器的最低水位。

该启动系统适用于带基本负荷，允许辅机故障带部分负荷和电网故障带厂用电运行。由于采用大气扩容器，如果经常频繁启停及长期极低负荷运行，将有较大的热损失和凝结水损失。另外，此系统只能回收经ANB阀排出的疏水热，而通过AN及从阀的疏水热却无法回收，故工质热损失大也是其缺点之一^［8］。

图19.10　带启动疏水热交换器的启动系统^［8］

1—除氧器水箱；2—给水泵；3—高压加热器；4—给水调节阀；5—启动疏水热交换器；6—省煤器；7—水冷壁；8—启动分离器；9—分离器水位控制阀（ANB阀）；10—分离器水位阀（AN阀）；11—分离器疏水阀（AA阀）；12—疏水箱；13—冷凝器；14—疏水泵；15—低压加热器；16—旁路隔绝阀

带启动疏水热交换器式的启动系统如图19.10所示。

启动过程中汽水分离器的疏水通过启动疏水热交换器后分为两路，其中一路经ANB阀流入除氧器水箱；另一路经过并联的AN阀和AA阀流入冷凝器之前的疏水箱，而后进入冷凝器。启动疏水热交换器，在省煤器及水冷壁中吸收了烟气热量的汽水分离器疏水和锅炉给水进行热交换，减少了启动疏水热损失。

启动分离器的疏水经再循环泵送入给水管路的启动系统，按再循环泵在系统中与给水泵的连接方式分串联和并联两种型式。部分给水经混合器进入循环泵的称为串联系统，给水不经循环泵的称为并联系统。带再循环泵的两种布置方式见图19.11。

该系统适用于带中间负荷、滑压运行或两班制运行；一般使用再循环泵与锅炉给水泵并联的方式，这样可以不必使用特殊的混合器，当循环泵故障时无需首先采用隔绝水泵，也不致对给水系统造成危害。缺点是再循环泵充满饱和水，一旦压力降低有汽化的危险。

再循环泵与锅炉给水泵的并联布置方式可用于变压运行的超临界机组启动系统，也可应用于亚临界压力机组部分负荷或全负荷复合循环（又称低倍率直流锅炉）的启动系统中。采用带再循环泵的启动系统，可减少启动工质及热量的损失。泵的参数选择及运行方式是该系统应考虑的主要问题。

图19.11　两种再循环泵启动系统的布置^［8］

（a）串联；（b）并联

1—给水调节阀；2—旁路给水调节阀；3—再循环泵；4—流量调节阀；5—混合器；6—省煤器；7—水冷壁；8—启动分离器；9—疏水和水位调节阀