外接电源供电的紧急补水系统设计研究

周丛丛，李 磊

(中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063)

循环流化床锅炉以其燃烧的清洁、高效、稳定等优点得到了广泛应用，是目前有效的洁净煤燃烧技术之一。在循环流化床锅炉中，大量固体物料在强烈的湍流下进入炉膛，炉内热量、质量和动量传递过程十分强烈，具有一定的蓄热量。当发生全厂失电的极端工况时，即便切除外部的给料，蓄热也会造成炉内汽水混合物及水被不断加热，因此装有外置床的循环流化床锅炉，都需要设置紧急补水系统给锅炉提供补给水来排出蓄热量。目前主流的循环流化床锅炉，由于不带外置床，设置紧急补水系统与否，取决于锅炉厂的设计、选材及对安全性的保障措施。因系统造价高、使用频率低、维护费用高等问题，很多锅炉厂家不配置紧急补水系统。

某工程锅炉厂安全评估后，提出在全厂失电的情况下，水冷系统内的工质大约5分钟将会被蒸干，工质蒸干后将导致管壁温度升高较快，当达到管子最大容许壁温时，管子就要损坏甚至烧毁。为了对循环流化床的安全更有保障，考虑增设一套紧急补水系统，系统的设置基于现有给水系统配置，同时又有外接电源等特殊性。

紧急补水系统中造价最高的环节是增加一套柴油机驱动系统，而某工程的特点是具备外接电源，这样就不再需要增加新的柴油机作为备用电源，大大节省了设置紧急补水系统的成本。但此电源不能直接给电动给水泵供电向锅炉补水，因为某工程每台机组给水系统采用2台50%容量的汽动给水泵和1台30%容量的启动用电动给水泵，电动给水泵扬程太小，压头不能满足在全厂失电工况下向低温省煤器供水，所以必须设置紧急补水泵来给锅炉供水。本文就此结合某工程来分析一种具有外接电源供电的紧急补水系统的流程设计。

1 紧急补水系统的介绍

国内自主研发的一些300 MW循环流化床锅炉，如广东宝丽华300 MW机组、淮北临涣煤泥矸石电厂一期300 MW机组等工程参照引进技术也设置了紧急补水系统。常规紧急补水系统流程见图1，紧急补水系统的水源来自紧急补水箱，紧急补水进入紧急补水泵升压后接至锅炉高压给水管道上。

某工程紧急补水系统的水源来自凝结水储水箱。紧急补水先进入紧急补水泵前置泵，再进入紧急补水泵，升压后的紧急补水接至锅炉省煤器入口管道上(给水操作台后)。系统流程图见图2。

图1 循环流化床锅炉机组常规紧急补水系统流程图

2 紧急补水系统的设计

2.1 紧急补水水源

常规工程的紧急补水水源有以下3种：除氧器补水；紧急补水箱补水；凝结水储水箱补水。紧急补水可用除盐水，补水量应按照锅炉冷却水量、锅炉平衡闪蒸所需水量之和计算。

很多工程采用除氧器的水作为锅炉补给水，优点是水温度较高，与锅炉内给水温度接近，对锅炉材料较好。但其缺点也比较明显：水温度高，与锅炉束管温差小，除氧器中的水能带走的锅炉蓄热量太少；水量太少，某工程中除氧器的有效容积为110 m3。锅炉厂的安全评估计算得出高温床料温度降到不影响锅炉干烧所需补水总量约300 t。显然，除氧器中的水量远远不能满足锅炉补水需求。

图2 某工程紧急补水系统的流程图

如果增设一个紧急补水箱，有以下缺点：一次性投资成本增加；正常运行维护成本增加；锅炉厂安全评估水冷壁必须在2 min之内得到有效补水，紧急补水要满足锅炉突发状况的需求，水质必须达到除盐水的指标，这就意味着紧急补水箱要一直处于备用状态，需要增设一套紧急补水的水净化及水位监测系统。

某工程中凝补水箱的容量为2×300 m3，可以满足锅炉厂补水总量约300 t(单台炉)的需求。常温凝结水水温约20℃左右，通过省煤器进入锅炉本体后，冷热温差对锅炉本体管材性能影响不大；而且凝补水箱一直处于使用状态，水质完全能够达到锅炉补水的要求。

经以上对比综合分析考虑，某工程水源取自凝结水储存水箱，补水量为200 m3/h。

2.2 紧急补水泵的选择

紧急补水系统造价高、使用频率低，为了降低造价、提高利用率、达到高性价比的设计，采用多台炉合用一套紧急补水泵。某工程全厂设一台电动紧急补水泵(配电动前置泵)，两台机组合用，不设置备用泵。

紧急补水泵的扬程计算要考虑以下几点：补给水泵到省煤器进口介质流动总阻力，并加20%裕量；省煤器进口与补水箱水位的静压差；锅炉额定工况省煤器入口给水压力；补水箱额定工作压力。本工程计算出设计扬程为3040 m H2O。

某工程紧急补水泵设计流量：200 m3/h；设计扬程3040 m H2O。紧急补水泵组主泵参数见表1，紧急补水泵组前置泵参数见表2。

表1 紧急补水泵组主泵参数

表2 紧急补水泵组前置泵参数

2.3 前置泵的布置

常规工程的前置泵与补水泵是同轴布置在补水箱附近。

某工程中，前置泵与补水泵分开不同轴布置，前置泵布置在凝结水储水箱附近(零米)。某工程凝结水储水箱高度约7 m，凝结水储水箱最低水位距水箱紧急补水接口高度为3 m。一方面，布置在此可以保证足够的压头以防止前置泵的汽蚀；另一方面，前置泵升压后也能保证足够的压头以防止紧急补水泵的汽蚀。

2.4 紧急补水泵的布置

紧急补水泵的布置方案有三种：布置在储水箱附近；布置在汽机房内；布置在锅炉房内。

2.4.1 补水泵布置在储水箱附近

布置在储水箱附近的优点是储水箱位于A排外30 m处，周围空间大，方便泵的布置。

布置在储水箱附近的缺点包括：虽然本工程采购的泵为室外泵，但是放在室外长期来看还是不利于泵的保养；泵入口管道的管材为S30408，泵出口管道的管材为SA106－C，SA106－C材料价格相对较高，显然应尽量缩短泵出口的管道长度，节约成本；若泵放在储水箱附近，则泵出口的管道要跨过整个汽机房，泵出口管道数量会非常多。

2.4.2 补水泵布置在汽机房内

布置在汽机房内的优点包括：补水泵布置在汽机房两台机组中间，泵出口去两台炉的管道可以对称布置，而且距离两台炉都较近，便于管道布置；补水泵放在汽机房可以利用汽机房内的检修起吊，便于泵的检修及维护；泵出口的管道相比布置在储水箱附近大大缩短；泵放在汽机房内有利于泵的保养。

布置在汽机房内的缺点包括：被优化过的汽机房非常紧凑，布置补水泵位置空间上存在一定的难度；补水泵布置在汽机房BC跨内，泵入口的管道要从A排外一直接到BC跨，管道布置也存在一定的难度。

2.4.3 补水泵布置在锅炉房内

布置在锅炉房内的优点包括：补水泵布置在锅炉房两台机组中间，泵出口去两台炉的管道可以对称布置，而且距离两台炉都较近，便于管道布置；泵出口的管道相比布置在储水箱附近大大缩短。

该方式的缺点包括：补水泵布置在锅炉房不利于检修及维护；锅炉房是露天布置，泵放在锅炉房不利于泵的保养。

综合比较几种布置方案，始终遵循高性价比、低总投资的原则，补水泵布置在汽机房内是最佳方案。

2.5 紧急补水泵的驱动电源

规程中规定紧急补水泵应选用柴油机驱动的定速泵。某工程具有得天独厚的优势，处于煤矿工业广场北部，所以没有再配备柴油机，而是从厂区输煤6 kV配电装置供电；同时为满足全厂失电时锅炉紧急补水的要求，考虑从厂外矿区引一路10 kV电源，通过10/6.3 kV干式变压器降压到6 kV作为紧急补水泵的备用电源，变压器容量为2 500 kVA，阻抗4%。紧急补水泵跨接在厂区公用段和10/6.3 kV干式变压器低压侧。

2.6 紧急补水接入锅炉的接口位置

紧急补水管道接在锅炉范围内的高压给水管道且具体接入位置是设在锅炉低温省煤器入口管道上(给水操作台后)。接在此处意义重大：此位置旁路掉了所有的阀门组、设备，避免了所有可能出现的阀门及设备故障，导致补给水给水不畅的可能；最大程度地减少阻力，减少泵的扬程；此处距离锅炉低温省煤器位置最近，能及时对锅炉进行补水。

2.7 紧急补水管道材质的选择

紧急补水泵入口前管道接到储水箱，所以采用的是不锈钢S30408材质。紧急补水泵出口管道采用的是与高压给水管道材质一致的SA106C材料。

2.8 紧急补水系统造价

2.8.1 常规紧急补水系统

常规紧急补水系统是2台机公用1套紧急补水系统，配置1台大功率的柴油机，1套高压头低流量的水泵，1个1 000 m3的紧急补水箱等。其造价见表3。

表3 常规紧急补水系统设备配置(2×300 MW)

2.8.2 某工程紧急补水系统

某工程处于煤矿工业广场北部，所以可利用煤矿工程作为外部电源，不需要新增柴油发电机，这大大节省了投资成本。某工程造价见表4。

表4 某工程紧急补水系统设备配置(2×350 MW)

3 结语

某工程利用地理位置优势及特点设置的紧急补水系统具有系统简单、布置合理、设备最优化、最经济的优点；有稳定的外部电源即可代替柴油发电机组是紧急补水系统的一种新方法。但是，某工程紧急补水系统的设置也存在以下问题：

(1)补水取凝补水箱的凝结水，温度偏低，对于锅炉受热面存在热端差，对于材料不利。

(2)紧急补水泵与储水箱之间的管道常年存在积水，时间久了水质会变差。鉴于此，如补给水温度跟高压给水温度一致则补水效果最理想，并且最好设置一套除盐水自洁系统，并应定期维护，增加水质监测系统，确保水质达标。希望以后的工程可以相应的采取改进措施。

[1]薛立民.循环流化床锅炉紧急补水系统研究[J].山西电力，2016，(5).

[2]电力规划设计总院.火电工程限额设计参考造价指标[M].北京：中国电力出版社，2016.