過熱器減溫水過量及二次汽欠溫原因分析及解決措施

摘 要：我廠#1機(jī)組配備600 MW四角切圓煤粉鍋爐。該鍋爐自運(yùn)行以來(lái)一直存在非滿負(fù)荷下過熱汽超溫（表現(xiàn)為過熱器減溫水過量）和再熱蒸汽欠溫的問題，這兩個(gè)問題對(duì)鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成了不利影響，迫切需要采取治理改造措施。本文首先討論了過熱器減溫水過量和二次汽欠溫的危害，接著分析了可能造這兩個(gè)問題的原因，隨后對(duì)不同的改造方案進(jìn)行了對(duì)比，最后發(fā)現(xiàn)將分隔屏截短2 m的方案相對(duì)較好，并結(jié)合實(shí)際工程結(jié)構(gòu)最終將分隔屏截短了1.9 m。經(jīng)過工程改造實(shí)施后，這兩個(gè)問題得到了完滿解決，所采用的截屏方案對(duì)其他存在類似問題的大容量鍋爐改造具有很好的參考意義。

關(guān)鍵詞：減溫水 二次汽 分隔屏 鍋爐

中圖分類號(hào)：TK227 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）11（b）-0039-03

電力工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)最主要的能源產(chǎn)業(yè)，也是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。至2008年底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)79，253萬(wàn)千瓦，同比增長(zhǎng)10.34%。2008年全國(guó)發(fā)電量增長(zhǎng)5.18%，用電量增長(zhǎng)5.23%，當(dāng)年共新增發(fā)電裝機(jī)容量9，051萬(wàn)千瓦。國(guó)內(nèi)燃煤電站的主力機(jī)組容量多為300 MW、600 MW，近來(lái)已有容量為1000 MW的燃煤機(jī)組投產(chǎn)，所配鍋爐也趨于大型化[1]。我國(guó)鍋爐設(shè)備的生產(chǎn)盡管在容量和參數(shù)發(fā)展上保持較高水平，但是，從基礎(chǔ)研究、產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行到整個(gè)技術(shù)管理體系，和先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，尚存在較大的差距。特別在600 MW機(jī)組的鍋爐生產(chǎn)上還不是很成熟，因此現(xiàn)在國(guó)內(nèi)運(yùn)行的600 MW機(jī)組的鍋爐大部分為國(guó)外引進(jìn)[2]。國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型300 MW機(jī)組和600 MW機(jī)組，在經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可調(diào)性、環(huán)保等方面，比20世紀(jì)80年代投產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)機(jī)組又較大改善，但與設(shè)計(jì)指標(biāo)相比仍存在著差距。在我國(guó)，新建機(jī)組鍋爐在調(diào)試過程中往往不對(duì)設(shè)備進(jìn)行細(xì)致的優(yōu)化調(diào)整，雖然設(shè)備能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，但鍋爐很難處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，所以在之后的試生產(chǎn)期都需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整[3，4]。由于我國(guó)現(xiàn)在投運(yùn)的機(jī)組其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)比起國(guó)外先進(jìn)機(jī)組還有很大差距，因此，除了對(duì)經(jīng)濟(jì)性差的老機(jī)組進(jìn)行淘汰和改進(jìn)外，加強(qiáng)對(duì)在役鍋爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究等工作也是一種改變落后狀態(tài)行之有效的方法[5]。

1 減溫水過量和二次汽欠溫的危害

1.1 減溫水過量的危害

噴水減溫器又稱混合式減溫器，其原理是將減溫水通過噴嘴霧化后直接噴入過熱蒸汽中，使其霧化，吸熱蒸發(fā)，達(dá)到降低蒸汽溫度的目的。噴水減溫器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)幅度大，慣性小，調(diào)節(jié)靈敏，有利于自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此，在現(xiàn)代大型鍋爐中得到廣泛地應(yīng)用。這種減溫器的減溫水直接與蒸汽接觸，因而對(duì)水質(zhì)要求高。由于噴水減溫方法只能降溫而不能升溫，因此，采用噴水減溫器調(diào)節(jié)汽溫時(shí)，過熱設(shè)計(jì)吸熱量應(yīng)略大些。以保證在額定負(fù)荷下能達(dá)到設(shè)計(jì)汽溫并能通過減溫水調(diào)節(jié)汽溫。這樣，在高負(fù)荷時(shí)用減溫器來(lái)降低高出額定值部分的汽溫以維持汽溫的額定值。噴水減溫主要用于過熱汽溫的調(diào)節(jié)，在鍋爐的額定負(fù)荷設(shè)計(jì)計(jì)算中選用適量的過熱汽減溫水量非常重要，減溫水量過大需增加大量受熱面，提高鍋爐生產(chǎn)成本；減溫水量過小，在煤種等外界因素波動(dòng)下或負(fù)荷降低等情況下引起汽溫偏低，過熱汽溫可調(diào)性差。對(duì)于再熱蒸汽，由于噴入再熱蒸汽后會(huì)使汽輪機(jī)中低壓缸蒸汽流量增加，因而中低壓缸的做功量增加，這樣在機(jī)組負(fù)荷一定時(shí)勢(shì)必會(huì)減少高壓蒸汽做功，降低機(jī)組的循環(huán)熱效率。同時(shí)，由于減溫水和過熱器內(nèi)蒸汽溫度差距較大，因而混合過程所造成的不可逆損失會(huì)較大，從而也造成了鍋爐效率的降低。計(jì)算結(jié)果表明再熱蒸汽中噴入1%的減溫水，循環(huán)熱效率下降0.1%～0.2%。因此，在再熱汽溫的調(diào)節(jié)中，噴水減溫只是作為煙氣側(cè)調(diào)溫的輔助手段和事故噴水用[7]。

1.2 二次汽欠溫的危害

鍋爐機(jī)組之所以要增加再熱器，主要目的是為了提高汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽的干度，以提高汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性和內(nèi)效率。但是，如果再熱器出口溫度存在明顯欠溫，則會(huì)對(duì)機(jī)組造成兩方面危害。一個(gè)是由于降低了平均溫差，從而使得汽輪機(jī)的效率下降，不利于電廠的經(jīng)濟(jì)性。另一個(gè)是由于溫度降低，根據(jù)郎肯循環(huán)可知，汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽的干度會(huì)下降，這一方面降低了汽輪機(jī)的壽命。另一方面也降低了汽輪機(jī)的內(nèi)效率。于機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性都有危害。

2 減溫水過量和二次汽欠溫的原因分析

過熱器一、二級(jí)減溫水過量的原因是多方面的綜合影響造成的[8，9]。噴射減溫水是為了保證末級(jí)過熱器出口溫度維持在541 ℃左右。如果過熱系統(tǒng)受熱面吸熱量相對(duì)偏多，則會(huì)造成減溫水量偏多。二次汽欠溫的原因正好相反，是因?yàn)樵贌崞魑鼰崃肯鄬?duì)偏少所致。不論是減溫水過量還是二次汽欠溫，都和鍋爐內(nèi)部蒸汽溫度的影響因素和調(diào)節(jié)有一定關(guān)系。

2.1 蒸汽溫度的影響因素

影響汽溫的因素很多，而且這些因素還可能同時(shí)發(fā)生影響。下面分別介紹：（1）鍋爐負(fù)荷，現(xiàn)代大型鍋爐的過熱器和再熱器系統(tǒng)一般具有對(duì)流汽溫特性。即鍋爐負(fù)荷升高（或下降），汽溫也隨之上升（或降低）。（2）過量空氣系數(shù)，過量空氣系數(shù)增大時(shí)，燃燒生成的煙氣量增多，煙氣流速增大，對(duì)流傳熱加強(qiáng)，導(dǎo)致過熱汽溫升高。（3）給水溫度，給水溫度降低，產(chǎn)生一定蒸汽量所需的燃料量增加，燃燒產(chǎn)物的容積也隨之增加，同時(shí)爐膛出口煙溫升高，所以，過熱汽溫將升高。在電廠運(yùn)行中，高壓加熱器的投停會(huì)使給水溫度有很大的變化，因而會(huì)使過熱汽溫發(fā)生顯著的變化。（4）受熱面的污染情況，爐膛受熱面的結(jié)渣或表面積灰會(huì)使?fàn)t內(nèi)輻射傳熱量減少，過熱區(qū)域的煙氣溫度提高，因而使過熱汽溫上升。反之，過熱器本身的結(jié)渣或積灰將導(dǎo)致汽溫下降[10]。（5）飽和蒸汽用汽量，當(dāng)鍋爐采用飽和蒸汽作為吹灰等用途時(shí)，用汽量增多將使過熱汽溫升高。鍋爐的排污量對(duì)汽溫也有影響，但因排污水的焓值降低，故影響不大。（6）燃燒器的運(yùn)行方式，擺動(dòng)式燃燒器的噴嘴向上傾斜，會(huì)因火焰中心提高而使過熱汽溫升高。但是對(duì)流受熱面距爐膛越遠(yuǎn)，噴嘴傾角對(duì)其吸熱量和出口溫度的影響就越小。對(duì)于沿爐膛高度具有多排燃燒器的鍋爐，運(yùn)行中不同標(biāo)高的燃燒器組的投運(yùn)，也會(huì)影響過熱蒸汽的溫度。（7）燃料的種類和成分，當(dāng)燃煤鍋爐改為燃油時(shí)，由于爐膛輻射熱的份額增大，過熱汽溫將下降。在煤粉鍋爐中，煤粉變粗，水分增大或灰粉增加，都會(huì)使過熱汽溫有所提高。

2.2 蒸汽溫度的調(diào)節(jié)

維持穩(wěn)定的汽溫是保證機(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所必需的。汽溫過高會(huì)使金屬許用應(yīng)力下降，影響機(jī)組的安全運(yùn)行；汽溫降低則會(huì)影響機(jī)組的循環(huán)熱效率。運(yùn)行中一般規(guī)定汽溫偏離額定值的波動(dòng)不能超過-10 ℃～+5 ℃。汽溫的調(diào)解就是要在一定的負(fù)荷范圍內(nèi)保持額定的蒸汽溫度，以修正運(yùn)行因素對(duì)汽溫波動(dòng)的影響[11]。蒸汽溫度調(diào)節(jié)方法主要分為蒸汽側(cè)調(diào)節(jié)和煙氣側(cè)調(diào)節(jié)兩類。（1）蒸汽側(cè)調(diào)節(jié)汽溫，是指通過改變蒸汽的熱焓來(lái)調(diào)節(jié)汽溫。其方法包括表面式減溫器、噴水減溫器和汽-汽熱交換器等，前兩種方法主要用于調(diào)節(jié)過熱蒸汽溫度，后一種方法用于調(diào)節(jié)再熱汽溫。減溫器在過熱器系統(tǒng)中的布置遵循兩個(gè)原則，一是保證調(diào)溫的靈敏性；二是保護(hù)過熱器不超溫。當(dāng)減溫器布置于系統(tǒng)出口端時(shí)，調(diào)節(jié)的靈敏度高，但在減溫前的汽溫超過了正常值，其受熱面的金屬溫度高，安全性較差；若布置于系統(tǒng)的入口端，過熱器金屬溫度較低，但調(diào)節(jié)汽溫的惰性大，時(shí)滯長(zhǎng)。因此，現(xiàn)代鍋爐的減溫器都布置在過熱器系統(tǒng)的中間位置。高壓和超高壓鍋爐的過熱器，一般采用兩級(jí)噴水減溫器，第一級(jí)減溫器布置在屏式過熱器前，噴水量稍大于總噴水量的1/2，作為整個(gè)過熱器溫度的粗調(diào)，同時(shí)也起到保護(hù)屏式過熱器的作用；第二級(jí)減溫器放置在末級(jí)過熱之前，作為出口汽溫的細(xì)調(diào)，作為出口汽溫的細(xì)調(diào)。亞臨界、超臨界壓力鍋爐的過熱器，常采用三級(jí)噴水減溫器。例如DG—1000/170—I型鍋爐過熱器的減溫器分別布置于前屏、后屏、高溫對(duì)流過熱器的入口，既起到保護(hù)這三級(jí)過熱器的作用，又能保證汽溫調(diào)節(jié)的靈敏度。（2）煙氣側(cè)調(diào)節(jié)汽溫，是通過改變鍋爐內(nèi)輻射受熱面和對(duì)流受熱面的吸熱量分配比例的方法或改變流經(jīng)過熱器的煙氣量的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)汽溫的調(diào)節(jié)的，且主要用來(lái)調(diào)節(jié)再熱汽溫。在用煙氣側(cè)調(diào)溫方法調(diào)節(jié)再熱汽溫時(shí)，由于這些方法同時(shí)作用于再熱器和過熱器，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，一般根據(jù)再熱器的要求確定煙氣調(diào)溫的變量，過熱器則再用噴水進(jìn)行調(diào)整。煙氣側(cè)的調(diào)溫方法主要有調(diào)節(jié)燃燒器的傾角、采用煙氣再循環(huán)、調(diào)節(jié)煙氣擋板等。在現(xiàn)代許多大型鍋爐中，為了增加溫度幅度，往往是多種調(diào)溫方式結(jié)合使用。比如將分隔屏煙道與煙氣再循環(huán)或擺動(dòng)燃燒器結(jié)合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)再熱汽溫的調(diào)節(jié)。此時(shí)，一般是先用擺動(dòng)式燃燒器調(diào)節(jié)，再用煙氣擋板調(diào)節(jié)，在保證再熱汽溫達(dá)到額定值后，再熱噴水減溫來(lái)保證過熱汽溫也達(dá)到額定值[12]。

3 改造方案提出

在改造初期，我廠試圖通過調(diào)整燃燒器擺角來(lái)重構(gòu)爐內(nèi)的流體動(dòng)力場(chǎng)以達(dá)到降低減溫水量和提高再熱器出口溫度的目的，但是調(diào)整后效果并不明顯。針對(duì)上述問題，哈三電廠采取的改造方案是：將省煤器面積減少2536 m2，同時(shí)將末級(jí)再熱器面積增加585 m2；北侖電廠采取的主要方案是：（1）燃燒器改造。（2）墻式再熱器入口聯(lián)箱到前墻輻射再熱器出口聯(lián)箱加裝旁路管。（3）后屏再熱器加長(zhǎng)3050 mm，面積約增加890 m2，等等[13]。這些改造方案對(duì)解決某電廠二次汽欠溫問題具有一定的借鑒意義，在初期改造設(shè)想中也對(duì)類似的改造方案進(jìn)行了校核熱力計(jì)算，發(fā)現(xiàn)如果減少省煤器的受熱面積，如哈三電廠所采取的方案，會(huì)導(dǎo)致鍋爐蒸汽產(chǎn)量下降，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致鍋爐出力不足；如果增加再熱器受熱面，如北侖電廠采用的改造方案，會(huì)降低尾部煙道的煙溫，使省煤器吸熱減少，從而降低鍋爐的蒸汽產(chǎn)量，同時(shí)還有使再熱器超溫的風(fēng)險(xiǎn)，如北侖電廠在改造后就出現(xiàn)了再熱器超溫的問題。

實(shí)際上，#1鍋爐內(nèi)既布置有輻射過熱器，又布置有對(duì)流過熱器。因而要降低過熱器減溫水，就應(yīng)該降低輻射過熱器或?qū)α鬟^熱器的吸熱量，或者增加過熱系統(tǒng)內(nèi)部的工質(zhì)流量。要降低輻射過熱器的吸熱量，就需要減少輻射過熱器的受熱面積。要降低對(duì)流過熱器的吸熱量，可以減少對(duì)流受熱面的受熱面積或者降低爐膛出口煙氣溫度。但是如果降低爐膛出口煙氣溫度，會(huì)進(jìn)一步增加以對(duì)流換熱為主的再熱器欠溫程度，因此不可取。如果降低對(duì)流受熱面面積，則會(huì)增加鍋爐排煙溫度，降低鍋爐效率，因此亦不可取。通過爐內(nèi)空氣動(dòng)力學(xué)工況的重構(gòu)、降低煤粉細(xì)度、增加水冷壁區(qū)域的熱負(fù)荷（提高給水溫度增加水冷壁的蒸發(fā)出力）等手段增加過熱系統(tǒng)蒸汽流量，也會(huì)降低再熱器吸熱量，因此也不宜采用。所以只能采用減小輻射過熱器面積的手段來(lái)減小過熱器將溫水量。于是我們想到了將分隔屏截短的方案。截短分隔屏，可以減少輻射過熱器的受熱面積，從而降低過熱系統(tǒng)減溫水量。同時(shí)，爐膛出口的煙氣溫度也會(huì)有所升高，這樣會(huì)增加布置在爐膛出口的屏式再熱器的吸熱量，從而解決二次汽欠溫的問題。

4 實(shí)際改造效果

為了比較改造前后的鍋爐運(yùn)行狀況變化，采集了600 MW、450 MW以及300 MW負(fù)荷工況改造前后運(yùn)行期間的鍋爐表盤參數(shù)，由于鍋爐改造之后投入運(yùn)行時(shí)間較短，沒有采集到300 MW負(fù)荷工況的穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)據(jù)，以325 MW負(fù)荷工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)加以修正后進(jìn)行計(jì)算。

4.1 改造的安全性

實(shí)施改造后，鍋爐在各負(fù)荷下運(yùn)行正常，運(yùn)行期間沒有出現(xiàn)安全隱患，因此可以認(rèn)為改造是安全的。

4.2 改造對(duì)主蒸汽溫度的影響

4.3 改造對(duì)再熱蒸汽汽溫度的影響

4.4 改造對(duì)左右側(cè)汽溫偏差的影響

4.5 改造對(duì)排煙溫度的影響

綜合改造前后不同負(fù)荷穩(wěn)定工況的排煙溫度統(tǒng)計(jì)值，改造后使排煙溫度上升約3.1 ℃。由于排煙溫度的上升，會(huì)抵消一部分再熱汽溫提高給運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)的好處。因此進(jìn)一步的改造方案應(yīng)該考慮在保證省煤器出口工質(zhì)欠焓不致過低，即保證水動(dòng)力循環(huán)安全的情況下，適當(dāng)減少低溫過熱器、適當(dāng)增加省煤器的受熱面積，以降低排煙溫度，進(jìn)一步提升鍋爐的整體經(jīng)濟(jì)性[17]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文就我廠1#爐出現(xiàn)的過熱器減溫水過量和再熱器欠溫問題的原因和解決方案進(jìn)行了探討。首先分析了問題的危害，即會(huì)影響到機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；隨后從蒸汽溫度的影響因素和汽溫調(diào)節(jié)方式上分析了問題的產(chǎn)生原因，即鍋爐內(nèi)受熱面吸熱量分配不合理，過熱器吸熱量偏多而再熱器偏少；最后結(jié)合鍋爐受熱面布置的具體情況提出了問題的解決方案，即采用截屏的改造方案，并在借鑒之前改造效果和他廠改造方案及改造效果的基礎(chǔ)上，經(jīng)過一系列熱力計(jì)算和數(shù)值模擬后，提出了將分隔屏截短2 m。實(shí)際改造中考慮到施工的方便，將分隔屏截短了1.9 m。改造后，鍋爐非滿負(fù)荷下二次汽溫度達(dá)到了設(shè)計(jì)值541 ℃，過熱器減溫水量也較改造前降低了30 t/h左右。但是，改造后鍋爐排煙溫度有所上升，在一定程度上抵消了再熱汽溫升高和過熱減溫水降低所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)性。因此需要采用進(jìn)一步的改造方案，適當(dāng)增加尾部豎井的省煤器受熱面面積，以進(jìn)一步提升鍋爐的經(jīng)濟(jì)性。

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