汽包鍋爐的水循環(huán)方式分強(qiáng)制循環(huán)和自然循環(huán)兩種，強(qiáng)制循環(huán)又有多次強(qiáng)制循環(huán)和一次強(qiáng)制循環(huán)（即直流鍋爐）。多次強(qiáng)制循環(huán)鍋爐配備爐水循環(huán)泵，水冷壁上升管入口處加裝節(jié)流圈（控制循環(huán)），水循環(huán)壓頭大，質(zhì)量流速充足，循環(huán)穩(wěn)定。自然循環(huán)鍋爐靠水冷壁與下降管的重度差產(chǎn)生壓頭，壓頭小但設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行操作容易掌握而且比較安全。本文結(jié)合華能大連電廠一期#1、#2機(jī)組為多次強(qiáng)制循環(huán)鍋爐（文中簡(jiǎn)稱強(qiáng)制循環(huán)鍋爐），二期#3、#4機(jī)組為自然循環(huán)鍋爐的生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)這兩種鍋爐水循環(huán)方式的原理、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思想進(jìn)行了比較研究，總結(jié)出實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中二者的特性和優(yōu)缺點(diǎn)及具體運(yùn)行操作方式的不同，以求達(dá)到對(duì)電廠運(yùn)行人員的實(shí)際操作有所幫助的目的。
關(guān)鍵詞：自然循環(huán) 強(qiáng)制循環(huán) 爐水循環(huán)泵
       1　前言
       汽包鍋爐蒸發(fā)設(shè)備的水循環(huán)，分自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)兩種。[1]華能大連電廠一期#1、#2機(jī)組鍋爐為三菱—CE單汽包輻射再熱控制循環(huán)露天鍋爐，二期#3、#4機(jī)組鍋爐為英國(guó)Babcock公司制造的輻射式放熱、平衡通風(fēng)、自然循環(huán)、再熱式鍋爐。
       2　水循環(huán)原理

      圖1為簡(jiǎn)單自然循環(huán)回路的示意圖，給水由省煤器進(jìn)入汽包與爐水相混合后，通過(guò)下降管及下聯(lián)箱進(jìn)入水冷壁，水在水冷壁中吸收爐膛火焰和煙氣的熱量達(dá)到飽和溫度并產(chǎn)生部分蒸汽，而下降管為飽和或欠熱水。由于汽水混合物的重度小于下降管中水的重度，下聯(lián)箱左右兩側(cè)將產(chǎn)生壓力差，推動(dòng)上升管中汽水混合物向上流動(dòng)，進(jìn)入汽包，并在汽包內(nèi)進(jìn)行汽水分離，分離出來(lái)的蒸汽送往過(guò)熱器，分離出來(lái)的水繼續(xù)參加循環(huán)。這種利用工質(zhì)本身的重度差所產(chǎn)生的循環(huán)稱為自然循環(huán)。[2]隨著鍋爐蒸汽參數(shù)的提高，鍋爐中的汽水重度差越來(lái)越小，在亞臨界參數(shù)下，自然循環(huán)所產(chǎn)生的動(dòng)壓頭一般只有0.05～0.1Mpa，這就使得工質(zhì)在循環(huán)回路中的流動(dòng)越來(lái)越困難。一般當(dāng)汽壓超過(guò)18.6 Mpa時(shí)，自然循環(huán)鍋爐已不能可靠的工作，而必須采取強(qiáng)制循環(huán)，即借助水泵的壓頭使工質(zhì)在循環(huán)回路中流動(dòng)。這種用水泵強(qiáng)制鍋爐進(jìn)行循環(huán)的方式稱為強(qiáng)制循環(huán)（如圖2）。強(qiáng)制循環(huán)鍋爐的結(jié)構(gòu)與自然循環(huán)鍋爐基本相同，也有汽包，所不同的是在下降管中增加了循環(huán)泵，做為強(qiáng)制循環(huán)的動(dòng)力。

       3　鍋爐結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)思想
       強(qiáng)制循環(huán)鍋爐的汽包沿整個(gè)長(zhǎng)度設(shè)置了內(nèi)套筒，上升管束來(lái)的汽水混合物從汽包頂部進(jìn)入汽包內(nèi)套筒，由上往下流動(dòng)，均勻的對(duì)汽包上下壁同時(shí)進(jìn)行加熱或冷卻，使汽包上下壁溫度在啟停機(jī)或升降負(fù)荷的過(guò)程中，能保持一致的溫度，為機(jī)組快速啟停和提高升降負(fù)荷速率創(chuàng)造了條件。例如華能大連電廠一期鍋爐，啟動(dòng)階段爐水溫度變化率可達(dá)220℃/h。而自然循環(huán)鍋爐的循環(huán)推動(dòng)力為下降管和上升管中流動(dòng)工質(zhì)的重度差，它所產(chǎn)生的動(dòng)壓頭在高參數(shù)機(jī)組中比較小，不足以讓上升管束來(lái)的汽水混合物克服汽包高度產(chǎn)生的靜壓從頂部進(jìn)入，而要從汽包中部進(jìn)入。汽包內(nèi)套筒也不象強(qiáng)制循環(huán)鍋爐那樣是個(gè)環(huán)形，而是一個(gè)半環(huán)形，設(shè)置在汽包下半部，汽水混合物無(wú)法對(duì)汽包的上下壁進(jìn)行均勻加熱，使得汽包上下壁溫差成為限制鍋爐起停速度和負(fù)荷變化率的一個(gè)重要因素。華能大連電廠二期鍋爐啟動(dòng)時(shí)爐水飽和溫度的上升速率被限制在1.5℃/min以下，并在任何工況下不允許汽包上下壁溫度超過(guò)56℃。
       強(qiáng)制循環(huán)鍋爐設(shè)置了爐水泵，鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行及停爐時(shí)，水冷壁能夠得到工質(zhì)足夠的冷卻而不致被燒壞。在對(duì)鍋爐進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇合適的爐膛形式，充分發(fā)揮燃燒性能，并能采用較小直徑的水冷壁管，減輕鍋爐重量。爐膛內(nèi)的熱負(fù)荷分布不均勻，所以強(qiáng)制循環(huán)鍋爐在水冷壁的入口設(shè)置了節(jié)流圈，節(jié)流圈的尺寸依管子所受熱負(fù)荷的大小來(lái)定，通過(guò)調(diào)整各根上升管中的流量分配，避免了在蒸發(fā)系統(tǒng)中出現(xiàn)水的脈動(dòng)、停滯及倒流等循環(huán)故障，減輕了水冷壁管子的熱偏差，保證了水冷壁溫度的均勻分布。[3]而自然循環(huán)鍋爐靠流體重度差驅(qū)動(dòng)工質(zhì)循環(huán)，循環(huán)回路中無(wú)法裝設(shè)任何流量控制閥，所以水冷壁各管汽水含量不均勻，這就要求鍋爐設(shè)計(jì)中要保證足夠的循環(huán)流量，避免出現(xiàn)傳熱惡化。
       強(qiáng)制循環(huán)鍋爐循環(huán)壓頭高（40m），足夠克服環(huán)形通道和汽水分離裝置形成的阻力，可采用直徑小、效率高、旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度大的旋風(fēng)分離器；循環(huán)倍率低（一期鍋爐的循環(huán)倍率在兩臺(tái)爐水泵運(yùn)行時(shí)為2，三臺(tái)運(yùn)行為2.4，二期鍋爐的循環(huán)倍率在4～6之間），汽水混合物中分離出來(lái)的水量少，分離設(shè)備的數(shù)量和體積可以相應(yīng)減少，從而使汽包直徑、壁厚和體積減小。一期鍋爐旋風(fēng)分離器是2排68只，汽包內(nèi)徑1675mm，二期旋風(fēng)分離器是三排132只，汽包前部一排52只，后部?jī)膳?0只，汽包內(nèi)徑1830mm。
       強(qiáng)制循環(huán)鍋爐用水包代替了自然循環(huán)鍋爐蒸發(fā)受熱面下聯(lián)箱，水包設(shè)有鍋爐運(yùn)行中定期排出爐水水渣和銹垢的排污管。自然循環(huán)鍋爐嚴(yán)禁在鍋爐運(yùn)行中對(duì)下降管或下聯(lián)箱排污，因?yàn)槟菍⑵茐乃�循環(huán)，導(dǎo)致上升管汽水混合物停滯和水冷壁管燒損。自然循環(huán)鍋爐必須對(duì)給水和爐水的品質(zhì)嚴(yán)格控制，避免水渣和鐵銹在水冷壁下聯(lián)箱沉積，二期機(jī)組在凝結(jié)水泵出口設(shè)有一套除鐵系統(tǒng)，其內(nèi)部為以聚丙烯纖維為過(guò)濾材質(zhì)的濾元，用以去除鐵和銅腐蝕物，保證水質(zhì)。
       鍋爐啟動(dòng)時(shí)，省煤器進(jìn)水不連續(xù)，若省煤器中的水不流動(dòng)，就可能導(dǎo)致管壁超溫。強(qiáng)制循環(huán)鍋爐可以在低負(fù)荷或點(diǎn)火升壓時(shí)，依靠爐水泵的壓力對(duì)省煤器進(jìn)行再循環(huán)，保護(hù)省煤器。而自然循環(huán)鍋爐對(duì)省煤器進(jìn)行再循環(huán)比較困難，在鍋爐設(shè)計(jì)中就要充分考慮省煤器的安全問題，或降低省煤器入口煙氣溫度，或提高省煤器管材規(guī)格。在機(jī)組啟動(dòng)初期進(jìn)行給水調(diào)節(jié)時(shí)，要保證省煤器有足夠冷卻，避免省煤器給水停滯干燒。
       爐水泵要求必須能耐高靜壓，電機(jī)能防水、能隔熱，軸承能防止雜質(zhì)進(jìn)入，其輔助系統(tǒng)，尤其冷卻系統(tǒng)要求也就高些，華能大連電廠一期的軸冷水泵，電壓6000V、功率350Kw、揚(yáng)程53m，而二期軸冷水泵電壓僅400V，功率147Kw，揚(yáng)程33.55m。再者，強(qiáng)制循環(huán)鍋爐對(duì)控制系統(tǒng)的要求也比自然循環(huán)鍋爐高。所以強(qiáng)制循環(huán)鍋爐的初投資要大，運(yùn)行中維護(hù)、檢修、監(jiān)視等方面的投入也大些。
       4　實(shí)際的運(yùn)行操作
       華能大連電廠二期鍋爐的汽包水位是一個(gè)極重要參數(shù)，反映鍋爐水循環(huán)的安全，它的異常直接觸發(fā)鍋爐MFT。一期鍋爐水位低于可視水位以下時(shí)，只要爐水泵運(yùn)行正常，差壓和電流未異常擺動(dòng)或偏低，水循環(huán)就不會(huì)被破壞，鍋爐還可以持續(xù)上水至正常水位，其MFT條件是爐水泵差壓異常。
        二期鍋爐啟動(dòng)中須嚴(yán)格遵守廠家給定的升壓曲線，控制升壓速度。尤其升壓初期，水循環(huán)較差，汽包壁受熱不均勻，上、下部，內(nèi)、外壁都有溫差。所以一定要控制好油槍投停與分布，除氧器水溫，主、再熱蒸汽管疏水及連排的開度，保證汽包上下壁溫差不超限，升壓率小于規(guī)定值。一期鍋爐爐水泵在點(diǎn)火前已啟動(dòng)，水循環(huán)建立早，爐水的強(qiáng)制流動(dòng)，使各承壓部件得到了均勻的加熱，故可以適當(dāng)?shù)奶岣呱龎荷郎厮俣龋�縮短鍋爐啟動(dòng)時(shí)間。
         停爐冷卻時(shí)，由于爐水循環(huán)泵一直轉(zhuǎn)到鍋爐壓力降至5×102kpa才停止，所以一期鍋爐的汽包和水冷壁可以得到均勻、快速冷卻，爐水溫度的下降率最高可達(dá)165℃/h，有利于爐內(nèi)檢修的較快進(jìn)行。二期鍋爐必須控制降壓降溫的速度，飽和溫度的下降率不能大于55℃/h，汽包上下壁溫差要小于50℃，還得不斷上水，保持汽包高水位，利用鍋爐余熱建立的微弱水循環(huán)對(duì)鍋爐進(jìn)行均勻冷卻。
        一期鍋爐水循環(huán)壓頭高，循環(huán)倍率小，流速大，水冷壁吸熱量大，升負(fù)荷爐膛熱量的增加，水冷壁輻射吸熱占份額比較大，所以蒸汽壓力變化迅速，機(jī)組在負(fù)荷變化時(shí)可以采用較快的升速率。同樣采用3MW/min升速率的升負(fù)荷過(guò)程中，一期機(jī)組蒸汽壓力與滑壓曲線吻合很好，實(shí)際壓力與設(shè)定值平均偏差在0.1～0.2MPa左右，超調(diào)量也小。二期機(jī)組由于汽包容積大，相應(yīng)鍋爐水容量和蓄熱能力大，負(fù)荷變化時(shí)，蒸汽壓力變化速度慢，幅度大。[3]升負(fù)荷時(shí)往往先一個(gè)明顯下降，然后隨著煤量大幅增加快速增長(zhǎng)，最后超出設(shè)定值很多再慢慢回頭，實(shí)際壓力與設(shè)定值偏差常在0.3MPa以上，超調(diào)量較大。
         強(qiáng)制循環(huán)鍋爐優(yōu)點(diǎn)很多，但也有它的困難，英國(guó)有研究單位認(rèn)為：強(qiáng)制循環(huán)鍋爐有循環(huán)泵，總是復(fù)雜的，而且在超高壓以下顯示不出優(yōu)越性，只有壓力高于15.68MPa才合算，所以還是自然循環(huán)鍋爐好一些。[3]爐水泵的安全運(yùn)行是強(qiáng)制循環(huán)鍋爐安全運(yùn)行的保證，它啟動(dòng)和正常運(yùn)行時(shí)操作和監(jiān)視的內(nèi)容多，自然循環(huán)鍋爐設(shè)備精煉，操作和監(jiān)視的內(nèi)容少，但只要嚴(yán)格按照操作規(guī)程和廠方說(shuō)明對(duì)鍋爐進(jìn)行操作和精心維護(hù)，這兩種鍋爐都可以成功地完成發(fā)電和長(zhǎng)期安全運(yùn)行的任務(wù)。華能大連電廠#1、#3機(jī)組曾分別長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行510天和633天就說(shuō)明了這一點(diǎn)。