杨 飞
北方交通大学 北京100044
1 引言
大型火力发电机组都采用单元制运行方式，当锅炉灭火时，汽轮机应采取何种运行方式，是每个电厂都实际面对的问题。我国自70年代中期以来，机、炉、电均采用大联锁保护，当锅炉发生灭火时，汽机即在联锁保护下停机，无疑，此种方式是最为安全的方式。但是，由于锅炉灭火是锅炉常见的异常情况，以京津唐地区为例，一年由于各种因素造成锅炉灭火的异常情况近百次，如果全部联跳机组停运，则将影响机组的可靠性，进而影响电厂的经济效益。因此近年来，国内相当一部分火电厂根据自身的实际情况，为避免锅炉灭火造成机组停运，解除了锅炉联跳汽轮机的保护，利用锅炉的蓄热能力，坚持汽轮机在极低负荷下运行，等待锅炉恢复运行。大量事实证明，锅炉灭火后，如果事故原因清楚，处理及时，是能够保证机组安全和较快恢复机组正常运行的。
本文拟就锅炉灭火以后，汽轮机在极低负荷下不出现水冲击，可能的运行时间进行一些探讨。主要通过建立锅炉的单容模型，得出锅炉的蓄热能力，最后算出汽机还能继续运行的时间。
2 计算模型的建立
我们设立一个基本自然循环回路的单锅筒系统，其中一般包括锅筒、上升管和下降管三个主要组成部分。有关部分的不受热集箱等部件都合并到相邻的部分中一并考虑。现代自然循环锅炉一般都高达几十米，上下的静压力差可有几个大气压。但是，因为在蒸发管部分开始蒸发点以上都处在饱和压力及饱和温度下，其压力的绝对值在不同高度上尽管有所不同，但压力的变化仍可迅速传到系统中的其它点上，使各点感受到的压力变化具有相同幅值。因此，在一定的简化条件下，仍可用锅筒中的压力代表整个系统中的压力来建立统一的集中参数模型。最简单的锅筒系统模型是把整个系统视作一个统一的集中容积。此时因为容积中有液—汽两相存在，可以分别建立其物质及能量平衡方程。
在统一的容积中分相的平衡方程相加应得到总的平衡方程，在总容积V中，以V′代表饱和水所占容积，V″代表饱和蒸汽所占容积之和，V代表未饱和水所占容积，则有
cb——金属比热，kJ／（kgK）。
假定金属Mb处于介质的饱和温度之下，略去此部分金属壁与介质的温度差，对于不受热的金属而言，这是可以接受的，因为流动中的饱和汽和水具有很高的换热系数。注意，此时对于厚壁部件，Mb中只包括金属质量中的一部分。
同样，若暂不考虑系统中未饱和水的存在，展开式（1～3），即有
这里R表示水的汽化潜热，单位为kJ／kg。
因为J表示在压力变动时锅炉的蓄热能力，所以通过J可以计算锅炉在压力变动时依靠自身储能产生出来的附加蒸汽量，或称自蒸发量。
3 计算部分
为了解实际效果，以张家口电厂300 MW机组3号、4号机为例进行了计算，主要参数如下：
P＝18．3 MPa
De＝935 t／h＝259．72 kg／s
D1＝D2＝De＝259．72 kg／s
V＝154 m3
V′＝128．3 m3
i＝0．128 MJ／kg
R＝0．986 MJ／kg
其中 P——汽包压力；De——蒸汽流量；
其它参数定义同上文。
3．1 锅炉蓄热能力的计算
3．1．1 蓄热总质量的计算
Mb＝M1＋M″3＋M′3＝191．31＋210．67＋168．2＝570．18（t） 3．1．2 系统通过上升管受热面所接受的热量Q的计算
3．1．4 锅炉压力惯性特性，即蓄热能力计算
J＝b3V′＋b4V″＋b5Mb－V
＝24．17×128．3＋6．03×25．7＋3．37×570．18－154
＝5 023．488 6（MJ／MPa）
压力下降速度为：
dp／dτ＝－Q／J＝347．33／5 023．49＝0．069 14（MPa／s）
此锅炉用附加蒸汽量表示的蓄热能力：
C＝J／R＝5 023．49／0．9862＝5 094．82（kg／MPa）
Cd＝C／De＝5 094．82／259．72＝19．62（s／MPa）
3．2 汽机坚持运行时间的计算
由张家口电厂运行规程可查得：在300 MW时，主汽门前压力P1＝16．7 MPa；温度T1＝537℃。
按照张家口电厂规程规定，灭火后在25 MW以下负荷运行，则有：
P2＝3．92 MPa； T2＝430℃
所以：
ΔP＝P1－P2＝16．7－3．92＝12．78（MPa）
附加的蒸汽产量：
3．3 估算极限低负荷
考虑到锅炉在16 min内重新启动可能有困难，还估算了机组进一步降负荷可能为锅炉提供的时间。
3．3．1 负荷为25 MW时锅炉蓄热能力的计算
此时，按照弗流格尔公式估算压力，将方程中代入数据：
 4 结果分析
计算结果表明，对于额定负荷运行的300MW机组，突然发生灭火时，可将负荷降至25MW。此时汽机主汽门前参数为3．92 MPa，430℃，利用锅炉的蓄热能力可使汽机坚持运行16．2 min。如果继续降负荷，极限负荷为8．5MW，可能再坚持3．4 min。
本文只进行了锅炉汽包和水冷壁蓄热能力的估计，而关于过、再热器，主蒸汽管道的蓄热能力则未计入，因为该部分的蓄热能力对于汽轮机的影响还有待研究。在实际工作中，锅炉灭火后汽轮机可以坚持相当长的时间，而可能引起的其他问题在理论上还有待探讨。
参考文献
［1］冯俊凯等．锅炉原理及计算．北京：科学出版社，1998．
［2］高镗年．热工控制对象动力学．北京：水电出版社，1986．
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