Технология пуска прямоточных котлов отличается от , поскольку в них отсутствует замкнутая циркуляционная система, нет барабана, в котором пар непрерывно отделялся бы от воды и в котором в течение известного времени сохранялся бы некоторый запас воды. В этих осуществляется однократная принудительная циркуляция среды. Поэтому при растопке (и при работе их под нагрузкой) необходимо обеспечивать непрерывное принудительное движение среды через обогреваемые поверхности и одновременно отводить нагретую среду из котла, причем движение воды в трубах должно начинаться еще до начала розжига горелок.
В этих условиях режим растопки целиком определяется надежностью , надлежащим температурным режимом металла труб экранов, ширм, пароперегревателей и отсутствием недопустимых теплогидравлических разверок.
Опыт и расчеты показали, что охлаждение поверхностей нагрева при пуске прямоточного котла надежно, если растопочный расход воды составляет не менее 30 % номинального. При таком расходе обеспечивается минимальная по условиям надежности массовая скорость среды в экранах 450— 500 кг/(м2*с). Минимальное давление среды в экранах при этом должно поддерживаться близким к номинальному, т. е. для котлов 14 МПа — на уровне 12—13 МПа, а для котлов сверхкритического давления — 24—25 МПа.
Существуют два основных режима растопки прямоточных котлов: прямоточный и сепараторный.
При прямоточном режиме растопки рабочая среда движется через все поверхности нагрева котла, так же, как и при его работе под нагрузкой. В первый период растопки эта среда выводится из котла через РОУ, а после образования пара с нужными параметрами направляется в магистральный паропровод или непосредственно в турбину (в блочных установках).
На рисунки ниже изображена упрощенная схема пуска котла из «холодного» состояния по прямоточному режиму:
Ещё на одном рисунке ниже — изменение расхода питательной воды (1), давления пара за котлом (2), температуры среды (3), свежего (4) и вторичного (5) пара, а также температуры металла ширм первичного (7) и вторичного (5) пароперегревателей. Как видно, в начале растопки по достижении давлением пара значения 4 МПа температура среды и металла в ширмах промежуточного пароперегревателя резко снижается с 400 до 300—250 °С, что объясняется открытием РОУ для сброса среды в дренажную систему, а в конце растопки при давлении во всем первичном тракте 23—24 МПа также резко ухудшаются условия работы ширм первичного и вторичного пароперегревателей, температура которых превышает 600 °С.
Избежать чрезмерных повышений температуры металла ширм возможно только путем увеличения растопочного расхода воды, а следовательно, увеличения потерь конденсата и теплоты по сравнению с сепараторным режимом пуска. Учитывая это, а также то обстоятельство, что прямоточная схема пуска котла из «холодного» состояния не имеет каких-либо преимуществ-перед сепараторной, она не используется в настоящее время для пуска.
Режим прямоточного пуска котла из «горячего» и «неостывшего» состояния создает опасность резкого охлаждения наиболее нагретых узлов котла и паропроводов, а также недопустимого повышения температур металла пароперегревателя в безрасходном режиме при закрытых в первом периоде растопки БРОУ и РОУ. Все это затрудняет пуск из «горячего» состояния, почему и этот режим заменен сепараторной схемой пуска.
Единственной областью применения прямоточного режима пуска остались растопка двухкорпусного котла из «холодного» состояния и пуск прямоточного котла из горячего резерва после простоя до 1 часа.
При пуске двухкорпусного котла оба корпуса растапливают поочередно: несимметричные котлы (например, ТПП-110) растапливаются начиная с корпуса, в котором нет вторичного пароперегревателя. Корпуса симметричных котлов растапливаются в произвольной последовательности. Первый корпус обоих типов двухкорпусных котлов растапливается по сепараторному режиму. Растопку второго корпуса начинают при небольшой электрической нагрузке блока и производят по любому режиму.
Растопка котла после краткой (до 1 часа) остановки может производиться по прямоточному режиму, поскольку параметры пара еще сохраняют свои рабочие значения, а отдельные элементы и узлы котельного агрегата не успели существенно охладиться. Прямоточный режим в этом случае следует предпочесть, потому что он не требует специальной подготовки, которая потребовалась бы при переходе на сепараторную схему, что позволяет выиграть время и ускорить пуск котла. Растопка в этом случае производится по прямоточному режиму со сбросом всей рабочей среды через РОУ или БРОУ через главную паровую задвижку (ГПЗ) до тех пор, пока температура первичного и вторичного пара не превысит примерно на 50 °С температуру паровпуска турбины. Если температура пара за время стоянки блока понизилась менее, чем на 50 °С, температуру пара за котлом сразу повышают до номинального значения, после чего переключают подачу пара с РОУ на турбину.
При таком пуске котла из горячего резерва следует учитывать, что за время кратковременной стоянки котла температура среды на входе и выходе во многих трубах экранов выравнивается и возникает естественная циркуляция среды внутри отдельных панелей и между панелями. Эта циркуляция может оказаться настолько устойчивой, что сохраняется некоторое время после возобновления работы питательных насосов. В результате проходит некоторое время, прежде чем рабочая среда начинает устойчиво двигаться в нужном направлении. Пока неустойчивое движение среды не прекратится, не рекомендуется начинать растопку котельного агрегата во избежание повреждения обогреваемых труб.
По сравнению с прямоточным сепараторный режим пуска котла отличается высокой стабильностью, относительно низкими температурами рабочей среды и металла во всем тракте котла и допускает пуск турбины на скользящих параметрах пара. Ширмы промежуточного пароперегревателя котла начинают охлаждаться в ранней стадии пуска, и их металл не перегревается до недопустимых значений. Сепараторный режим пуска осуществляется при помощи специального растопочного устройства, так называемого растопочного узла, состоящего из встроенной задвижки (2), встроенного сепаратора (7), растопочного расширителя (9) и дроссельных клапанов 5, 6, 8. Встроенный сепаратор предназначен для отделения влаги от пара и представляет собой трубу с большим сечением (425×50 мм), в которой установлен винтовой влагоотделитель и которая включается на период растопки котла между парогенерирующими (1) и пароперегревательными (3) поверхностями котла через дроссельные устройства 5 и 6. Встроенная задвижка 2 служит для отсоединения ширм и конвективного пароперегревателя от парогенерирующих поверхностей нагрева и размещается между выходными устройствами последнего участка экранных поверхностей и входными коллекторами ширмовых перегревателей. Во время растопки котла главная паровая задвижка (4) остается открытой в блочной установке и закрытой на ТЭС с поперечными связями.
Растопочный расширитель является промежуточной ступенью между встроенным сепаратором и устройствами приема сбрасываемой из сепаратора среды. Так как давление в расширителе поддерживается более низким, чем в сепараторе (обычно около 2 МПа), рабочая среда сбрасывается в него через дроссельный клапан 8 и после повторного дросселирования частично испаряется. Пар из растопочного расширителя направляется в коллектор собственных нужд станции, откуда может поступать в деаэраторы и к другим потребителям, а вода сбрасывается в выводной канал циркуляционной воды, либо в бак запасного конденсата, или (в блочных установках) непосредственно в конденсатор .
Идея сепараторного пуска прямоточного котельного агрегата заключается в разделении процесса пуска на три фазы, с тем чтобы в каждой из этих последовательно проводимых фаз надежность всех поверхностей нагрева обеспечивалась полностью, а в последней фазе оказался возможным пуск энергооборудования блока на скользящих параметрах пара при сохранении в парогенерирующих поверхностях постоянного номинального давления.
В первой фазе пуска организуется принудительная циркуляция рабочей среды по замкнутому контуру: питательный насос — котел — растопочный узел— приемные устройства для сбросной среды (в блочной установке конденсатор турбины) — питательный насос. Этим исключается возможность опасных теплогидравлических разверок в парогенерирующих поверхностях, а потери конденсата и теплоты сводятся к минимуму. В этой фазе пуска рабочая среда не имеет выхода к пароперегревательным поверхностям, так как они отсечены от парогенерирующих поверхностей встроенной задвижкой и дроссельным клапаном 17, закрытыми в этот период пуска, и находятся в так называемом безрасходном режиме. Несмотря на то что трубы этих поверхностей в безрасходном режиме не охлаждаются изнутри паром, температура их металла остается в допустимых пределах, так как стартовый расход топлива в этот период остается на постоянном, сравнительно низком уровне, не превосходящем 20 % номинального расхода.
Безопасность безрасходного режима для пароперегревателей в период пуска котла была подтверждена специальными испытаниями котлов ТПП-110 и ТПП-210. Как можно видеть, при расходах топлива (природного газа) до 20 % номинального температуры стенки наиболее обогреваемых лобовых труб ширм не превышают в стационарном состоянии допустимой температуры 600 °С. Учитывая, что расход топлива в стартовом периоде пуска котла существенно ниже 20 % (например, при работе котла на мазуте его расход не выше 14—15 % номинального), можно считать безрасходный режим для пароперегревателей вполне допустимым в этом периоде растопки.
В связи с проведенными экспериментами отмечается, что ни в одном из пусков испытуемых котлов температура стенок труб на всем протяжении безрасходного режима не превышала 550 °С. Эта температура ниже предельной допустимой для низколегированной стали 12Х1МФ, обычно применяемой для изготовления труб ширм I ступени, а тем более для аусте-нитной стали 1Х18Н12Т, используемой для ширм II ступени в конвективных пароперегревателях.
Выключение пароперегревателей в первой фазе пуска упрощает маневрирование и управление котельным агрегатом,, позволяя после подключения перегревательных поверхностей плавно увеличивать параметры пара и его количество, сохраняя стабильность подачи питательной воды. Началом второй фазы пуска принято считать момент, когда во встроенном сепараторе начинает выделяться пар, который направляют в перегревательные поверхности, постепенно открывая дроссельный клапан и плавно повышая температуру и давление пара. В этой фазе пуска котел работает при двух давлениях: номинальном — до встроенной задвижки, которая продолжает оставаться закрытой, и «скользящем» — за дроссельным клапаном в перегревательных поверхностях. Такой режим оказывается возможным благодаря тому, что пароперегревательные поверхности отделены от парогенерирующих поверхностей паровым пространством сепаратора, совсем так, как в барабанных котлах. В третьей фазе пуска котельный агрегат переводится в прямоточный режим. Начинать этот перевод следует после достижения параметрами пара 80—85 % номинальных значений. Постепенно открывая встроенную задвижку, доводят параметры до номинала и отключают растопочный узел.
По окончании растопки котельного агрегата на неблочной ТЭС его подключают к магистральному паропроводу, причем правила подключения остаются такими же, как и для барабанных котлов. Основное из них — это примерное равенство давлений за котлом и в магистральном паропроводе в момент подключения.
В блочных установках пуск котла совмещен с пуском турбины и перевод котла в прямоточный режим обычно производится после достижения электрической нагрузки блока 60— 70 % номинала.
На рисунках ниже приведены пусковые характеристики прямоточного котла неблочной ТЭС в сепараторном режиме: 1 — давление пара за котлом; 2 — расход питательной воды; 3 — максимальная температура среды на выходе из НРЧ; 4 — температура питательной воды; 5 — температура промежуточного перегрева; 6 — температура свежего пара; 8, 7—максимальная температура металла ширм II и промежуточного перегревателя; 9 — температура дымовых газов в поворотной камере.
Особенности растопки при «горячем» пуске заключаются в следующем. Перед розжигом горелок температуру металла встроенных сепараторов понижают с 490 до 350—320 °С путем выпуска пара из сепараторов, причем скорость понижения при этом не должна быть выше 4°С/мин. Одновременно понижается давление в~~ котле с номинального (25 МПа) до 10—15 МПа. Через 30—40 мин после расхолаживания сепараторов по такому же графику, как из «неостывшего» состояния, т. е. после установления минимального растопочного расхода питательной воды, повышается давление перед закрытой встроенной задвижкой до 24—25 МПа, включаются мазутные горелки с стартовым расходом мазута и одновременно открываются сбросные клапаны 8 встроенных сепараторов. Вслед за этим постепенно открываются дроссельные клапаны 5. Дальнейшие операции те же, что и при пуске из «холодного» состояния. За счет снижения давления в котле перед растопкой исключается конденсация пара в ширмах, которые поэтому охлаждаются меньше, чем при пуске в прямоточном режиме.
Энергоблок с котлом ТПП-210А был аварийно остановлен защитными устройствами из-за неполадок в работе питательного насоса. При автоматическом закрытии задвижки на мазутной линии подача жидкого топлива была отключена не полностью и в одном корпусе котла небольшое количество мазута продолжало гореть в топке, что способствовало не только увеличению тепловых перекосов и усилению циркуляции в панелях НРЧ, но и появлению в верхних гибах отдельных труб неподвижных пузырей слабоперегретого пара, занимавших все сечение труб и препятствовавших движению рабочей среды в них. Хотя пар сверхкритического давления имеет в момент своего образования такую же плотность, как и вода, повышение его температуры всего на несколько градусов приводит к уменьшению его плотности на десятки процентов. При увеличении скорости воды пузыри пара должны были выноситься ее потоком, однако большие пузыри могли временно задерживаться, из-за чего должна была резко возрастать температура металла соответствующих труб.
После пятиминутного перерыва котел был переведен на прямоточный режим, причем вопреки правилам подачу питательной воды осуществили не предварительно, а одновременно с резким увеличением подачи в топку мазута. Вскоре в необогреваемом отводящем участке одной из труб НРЧ было зафиксировано повышение температуры до 570 °С. Интервал между автоматическими регистрациями этой температуры составлял 4 мин, но прежде чем эта температура была зафиксирована повторно, произошел аварийный разрыв трубы, у которой в зоне амбразуры горелки имелся участок, не защищенный зажигательными поясами. Котел был вновь аварийно остановлен.
Другой пример касается ухудшения сепарации, которое возникло при неполном открытии сбросных клапанов, отводящих из встроенного сепаратора отделенную влагу. При растопке прямоточного котла эти клапаны прикрывались, для того чтобы снижать температуру свежего пара при неисправности вспрыскивающих пароохладителей. Такой метод регулирования сопряжен с резкими и значительными изменениями температуры пара и приводит к появлению трещин усталости в коллекторах пароперегревателя, близких по ходу пара к встроенному сепаратору.
Закрытие клапанов 8 и открытие 5 должно производиться медленно во избежание выброса воды в близлежащие коллекторы пароперегревателя из-за нарушения стабильного движения рабочей среды в сепараторе. Кроме этого, следует заблаговременно открыть дренажи до и после дроссельного клапана 5, чтобы предотвратить выброс из растопочного узла конденсата, накопившегося в трубопроводах.
Замедленное открытие дроссельных клапанов 5 приводит к увеличению времени прогрева главных паропроводов и длительности растопки котла. Конечно, значительные колебания температуры пара недопустимы, однако, если растопка котла производится лишь несколько раз в год, нет основания дополнительно затягивать пусковые операции для предотвращения небольшого снижения температуры пара. Но если котел растапливают и останавливают часто, то даже небольшие забросы воды в ширмы могут иметь опасные последствия. Поэтому при растопке прямоточных котлов необходимо точное соблюдение пускового графика, регламентирующего медленное и постепенное открытие клапанов 5.