電站鍋爐過熱器超溫原因分析

李 寧

(寶鋼集團 新疆八一鋼鐵公司，新疆 烏魯木齊830000)

0 前言

發(fā)展大容量高參數(shù)鍋爐是我國電力工業(yè)發(fā)展的一項重要技術政策。 鍋爐蒸汽參數(shù)的提高，使得過熱器系統(tǒng)成為大容量鍋爐本體設計中必不可少的受熱面。 這部分受熱面內(nèi)工質(zhì)的壓力和溫度都相當高，且大多布置在煙溫較高的區(qū)域，因而其工作條件在鍋爐所有受熱面中最為惡劣，受熱面溫度接近管材的極限允許溫度；而鍋爐容量的日益增大，使過熱器系統(tǒng)的設計和布置更趨復雜，電站鍋爐中過熱器超溫問題也日益突出。許多電廠在發(fā)現(xiàn)過熱器超溫威脅爆管后不得不犧牲機組運行的經(jīng)濟性，使鍋爐做降溫運行但是即便如此，仍不能徹底解決其超溫問題。 本文系統(tǒng)全面的探討過熱器超的原因，通過分析發(fā)現(xiàn)影響過熱器超溫的原因很多，有設計、施工、檢修、運行、制造、管理和煤種等諸多方面，而且這些因素又相互作用。 因此往往不是由單一因素造成，而是幾個因素同時存在并交互作用的結果。

1 鍋爐設計及制造對過熱器超溫的影響

1.1 設計原因

1.1.1 熱力計算不當

1）爐膛的傳熱計算不當

從鍋爐爐膛的傳熱計算計算目的而言，使用爐膛傳熱計算有兩個目的，第一是，進行各受熱面的熱平衡計算，了解各級受熱面的進出口煙溫和汽溫，第二是，了解爐膛中受熱面的熱負荷分布、煙溫分布、煙溫介質(zhì)及流速分布等。適合于以上的目的有以下兩類爐膛傳熱計算方法。

（1）零維模型法

該方法又稱常規(guī)的爐膛傳熱計算方法，使用該方法只能計算出一個爐膛出口煙溫，以確定各級受熱面的熱平衡，其中有代表性的影響較大的有以下幾種：

①1890 年由Hnason 和Orrok 提出了的經(jīng)驗關系式[1]。

②Mullikin 根據(jù)輻射傳熱的Stefan-Boltzmann 定律提出的爐內(nèi)輻射傳熱計算公式[2]。

③前蘇聯(lián)中央汽輪機鍋爐研究所（ЦКТИ）以ГУРBИЧ 為首的研究小組在綜合了大量的試驗數(shù)據(jù)的基礎上，提出了鍋爐爐膛傳熱計算的半經(jīng)驗方法，稱為ЦКТИ 法[3]。

（2）多維模型方法

從實際需要方面，由于鍋爐向大容量高參數(shù)發(fā)展后，計算和分析時不僅要知道爐膛出口煙溫，還需要了解爐內(nèi)溫度分布，熱流分析，流速均等，由于計算技術隨著電腦的發(fā)展，原先描述燃燒過程和傳熱過程的微分方程，已經(jīng)可以通過電腦進行數(shù)值計算，根據(jù)不同的假設及模擬方法，主要有以下的多維模型，區(qū)域法（將爐膛劃分成若干體元和面元）；蒙特卡諾法（用概率擬跟蹤每個能束的發(fā)射，吸收，發(fā)射和反射）；擴散近似法（用有限差分法求解）；熱流法（將微元體界面上復雜的半球空間熱輻射簡化成垂直于界面的均勻熱流；球形諧波法（用有正交性質(zhì)的球諧函數(shù)將輻射強度展開）；離散傳遞法（能束穿過內(nèi)部網(wǎng)格時輻射強度變化用一個計算模型表達進行模擬）；離散坐標法（將輻射強度的方向變化進行離散）等等。

2）管壁溫度計算中的系數(shù)選擇不當

（1）互輻射因數(shù)

輻射因數(shù)的計算是整個壁溫計算的一個重要環(huán)節(jié)。以前在用輻射因數(shù)時，常常采用查曲線圖的方法，這樣會帶來一些缺陷：一是，不便于計算大量管子的壁溫；二是，查圖的準確性不是很高。根據(jù)輻射因數(shù)的定義，我們可以推導出計算各排管子輻射因數(shù)的公式，這樣可以大大簡化計算的過程，節(jié)省整個壁溫計算的時間，可縮短工程設計和改造的周期[4]。

（2）沿煙道寬度方向的吸熱不均勻系數(shù)

為了計算沿爐膛寬度方向分布的各片過熱器和再熱器的各管壁溫，就需要確定沿煙道寬度方向的吸熱不均勻系數(shù)，以便準確計算出各管的壁溫分布。但是，到目前為止，對因爐膛出口煙氣殘余旋轉(zhuǎn)所引起的超溫問題，研究工作還沒有取得實質(zhì)性突破，還不能很好地從理論上計算出沿煙道寬度方向地吸熱不均勻系數(shù)，現(xiàn)在還只能通過理論分析和實測數(shù)據(jù)相結合的方法來進行確定。

（3）沿屏高度方向的吸熱不均勻系數(shù)

沿屏高度由于煙氣流動偏差，存在沿高度方向上的吸熱不均勻系數(shù)，關于吸熱不均勻系數(shù)的理論計算很少，主要根據(jù)一些實測數(shù)據(jù)整理得到的沿高度的吸熱偏差系數(shù)。

（4）屏底部煙窗與前部煙窗平均輻射熱負荷之比

對于半大屏，存在前煙窗和底部煙窗，它們都對屏有輻射傳熱。一般情況下，根據(jù)熱力計算得到爐膛平均輻射熱負荷，然后計算出前部煙窗的輻射熱負荷，最后再求出底部煙窗的輻射熱負荷。

1.1.2 爐膛設計高度偏低

根據(jù)爐膛高度與火焰中心位置的關系式知道，火焰中心位置提高將導致過熱器超溫。

1.1.3 三通結構的因素

近年來，大容量電站鍋爐運行中所發(fā)生的過熱器超溫問題，分析發(fā)現(xiàn)這跟目前電站鍋爐的過熱器集箱系統(tǒng)多采用三通結構引入引出、管組采用并聯(lián)形式所造成的蒸汽側(cè)較大的流量偏差有很大關系。隨著鍋爐容量的增大，過熱器的結構也越來越復雜，在集箱的同一截面上往往布置多根支管組成一片屏，引入引出管也多采用徑向布置的三通結構。

1.1.4 切圓燃燒技術因素

國內(nèi)外大容量鍋爐廣泛采用四角切圓燃燒技術這種燃燒方式使得爐膛整體作為一個大型旋風燃燒室，爐內(nèi)氣流一邊旋轉(zhuǎn)，一邊燃燒，上游直接點燃下游煤粉氣流，由旋轉(zhuǎn)形成的爐膛中心低壓區(qū)卷吸爐內(nèi)介質(zhì)形成燃料、空氣和煙氣的良好混合，并且強烈地燃燒;這種旋轉(zhuǎn)氣流流動軌跡呈螺旋狀上升， 到達爐膛出口后仍具有一定的旋轉(zhuǎn)強度，火焰流程相對長些，有利于煤粉燃燼。 但是，也正由于這種強烈的旋轉(zhuǎn)，引起對流煙道兩側(cè)的煙速差和煙溫差，使煙道內(nèi)熱負荷分布不均勻。

1.1.5 同屏熱偏差

同屏熱偏差是指各管焓增與整個屏各管的平均焓增之比。在前蘇聯(lián)年的計算標準中， 認為同一片屏中各根管子的進出口汽溫是一樣的，實際上同屏各管出口汽溫有很大的偏差，如果沒有進口聯(lián)箱則進口汽溫也可能不一樣。

1.1.6 調(diào)溫裝置設計不合理

大容量電站鍋爐的汽溫裝置不合理主要包括:

1）減溫水系統(tǒng)設計不合理

某些鍋爐在噴水減溫系統(tǒng)設計中，往往用一只噴水調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)一級噴水的總量，然后將噴水分分為左右兩個回路。這時，當左右側(cè)的燃燒工況或汽溫有較大偏差時，就無法用調(diào)整左右側(cè)噴水量來平衡兩側(cè)的汽溫。

2）噴水減溫器容量設計不合適

噴水式減溫器一般設計噴水量約為鍋爐額定蒸發(fā)量的3%～5%，但配200MW 機組的鍋爐由于其汽溫偏離設計值問題比較突出，許多電廠均發(fā)現(xiàn)噴水減溫器容量不夠。 如邢臺電廠、沙角A 電廠和通遼電廠等都將原減溫水管口放大，以滿足調(diào)溫需要。

3）擋板調(diào)溫裝置問題

擋板調(diào)溫可改變煙氣量的分配， 也可以作為一種調(diào)溫的手段，但在煙氣擋板的實際應用中也存在一些問題比如擋板開啟不太靈活、再熱器側(cè)和過熱器側(cè)擋板開度較難匹配。

1.2 制造原因

由于制造工藝、 現(xiàn)場安裝等質(zhì)量問題造成過熱器超溫也時有發(fā)生。 如聯(lián)箱中間隔板焊接不良，聯(lián)箱中蒸汽短路，部分管子流量減少；蛇形管制造、安裝焊口的質(zhì)量不合格，個別管子通球率低，造成流量不均；管子彎頭橢圓度和管壁減薄超標等，降低了管子壽命；空氣預熱器、爐本體漏風也會加劇超溫。運行中空氣預熱器漏風嚴重，可使燃燒器配風不足，造成燃燒偏斜，燃燒過程加長，加劇超溫；爐底漏風、爐本體漏風嚴重，造成爐膛出口煙溫、煙氣量增加，加劇超溫[5]。

2 鍋爐運行對過熱器超溫的影響

2.1 爐內(nèi)燃燒工況的影響

2.1.1 爐內(nèi)空氣動力工況的因素

隨著鍋爐容量的增大，爐內(nèi)氣流情況對過熱器系統(tǒng)的影響就相應增大。 如果運行中爐內(nèi)煙氣動力場和溫度場出現(xiàn)偏斜，則沿爐膛寬度和深度方向的煙溫偏差就會增加，從而使水平煙道受熱面沿高度和寬度方向以及尾部豎井受熱面沿寬度和深度方向上的煙溫和煙速偏差都相應增大;而運行中一次風率的提高，有可能造成燃燒延遲，爐膛出口煙溫升高。

2.1.2 火焰中心位置提高的因素

爐膛火焰中心位置的提高可以減少爐膛受熱面的吸熱量而提高爐膛出口煙溫，使過熱器的熱負荷升高，在管內(nèi)工質(zhì)吸熱量不變時，引起管壁超溫。 同時還會使飛灰軟化，容易粘結在屏式過熱器和對流過熱器上，引起過熱器的結渣。 另外，由于火焰中心的提高，使燃料燃燒不完全，部分可燃物在水平煙道的受熱面上積存，達到一定條件時發(fā)生再次燃燒，造成過熱器熱負荷不均，再燃燒部位熱負荷高，其它部位熱負荷低，容易產(chǎn)生熱偏差，引起超溫。

2.2 高壓加熱器投入率低

據(jù)調(diào)查，我國大容量機組的高壓加熱器投入率普遍較低，有的機組高加長期停運。 對于200MW 機組，高壓加熱器投與不投影響給水溫度80℃左右。 計算及運行經(jīng)驗表明，給水溫度每降低1℃，過熱蒸汽溫度上升0.4～0.5℃。因此，高加停運時，汽溫將升高32～40℃?？梢?，給水溫度變化對蒸汽溫度影響之大。 江西景德鎮(zhèn)電廠SG220-100-1 型煤粉鍋爐的高壓加熱器長期投運不正常， 給水溫度為150～160℃，一直未達到設計要求的215℃，使過熱蒸汽溫度升高，造成了超溫。

運行表明，因高加解列，對本來運行正常的鍋爐將引起超溫或減溫水量大大超限;對原來汽溫偏低的鍋爐，雖會使汽溫有所提高，但由于煤耗率增加，將使機組運行的經(jīng)濟性降低。

2.3 鍋爐運行壓力的因素

目前多數(shù)300MW、600MW 電廠鍋爐都在低于設計壓力下運行，鍋爐降壓運行，使得蒸發(fā)吸熱與過熱吸熱的比例發(fā)生變化。 這種運行方式使鍋爐蒸發(fā)段所需的吸熱量增大， 過熱段所需的吸熱量減少，要求增加燃料量來滿足蒸發(fā)吸熱，燃料量的增加使過熱器超溫。 如黃臺電廠7 號爐，設計時，主汽壓力為17.3MPa；運行時，當機組負荷在270～290MW，主汽壓力僅有14MPa，約低3.3MPa。

2.4 水處理因素

積鹽積垢等由于水處理不嚴格，爐水品質(zhì)不好,加之汽水分離不良，飽和蒸汽中帶水現(xiàn)象嚴重，而水中溶鹽遠遠大于蒸汽帶鹽，往往造成過熱器內(nèi)產(chǎn)生結垢現(xiàn)象。 其次，過熱器管內(nèi)可能同時產(chǎn)生嚴重的積鹽現(xiàn)象。 這些鹽分沉積在過熱器管內(nèi)壁，使管壁傳熱不良、局部超溫。

2.5 負荷變化的因素

鍋爐負荷變化時，對流式過熱器和輻射式過熱器的汽溫變化特性相反，負荷升高時，對流過熱器的出口汽溫增加，輻射過熱器的汽溫降低。 后屏過熱器是半輻射半對流式的過熱器，其汽溫特性介于對流過熱器和輻射過熱器之間。 通過分析及計算發(fā)現(xiàn):在一定的負荷范圍內(nèi)，屏式過熱器存在低負荷時壁溫反而高的現(xiàn)象。

2.6 二級減溫水大小的因素

而在穩(wěn)態(tài)運行時,二級減溫水的大小直接影響著分隔屏的入口汽溫,二級減溫水量大,分隔屏的入口汽溫就高,相應的,分隔屏的出口溫度也高。 因此,在平時運行時二級減溫水量大也是造成分隔屏超溫的原因之一。

2.7 煤種差異的因素

我國大容量鍋爐絕大部分處于非設計煤種下運行，主要表現(xiàn)在實際用煤與設計煤種不符、煤種多變和煤質(zhì)下降等。 燃料成分對汽溫的影響是復雜的。 一般說來，直接影響燃燒穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的主要因素是燃料的低位發(fā)熱量和揮發(fā)份、水分等。此外，灰熔點及煤灰組份與爐膛結焦和受熱面粘污的關系極為密切。

2.8 受熱面粘污

國產(chǎn)大容量鍋爐有的不裝吹灰器(前期產(chǎn)品)，或有吹灰器不能正常投用，往往造成爐膛和過熱器受熱面積灰，特別在燃用多灰份的燃料時，容易造成爐膛結焦，使過熱器超溫。 對于原來汽溫偏低的鍋爐，如過熱器積灰，將使汽溫愈加偏低。 因此，吹灰器能否正常投用，對鍋爐過熱器的安全和經(jīng)濟運行有一定影響。

2.9 運行管理

在實際運行中，由于運行人員誤操作及檢修時未按有關規(guī)定進行或未達到有關要求從而導致過熱器超溫的問題也時有發(fā)生。某些電廠的運行人員只求機組運行可靠，而沒有做到壓紅線或靠紅線運行的現(xiàn)象也普遍存在，這必將使得機組運行的經(jīng)濟性下降，應引起有關部門的足夠重視。

另外，某些電廠對于設備的維護和檢修工作重視不夠，且存在將能投入的保護、自動裝置的任意解除的現(xiàn)象，這也必將對過熱器超溫產(chǎn)生影響。

3 結論

過熱器超溫的直接原因大致可歸納為由于熱力計算偏差造成整體長期過熱；管內(nèi)工質(zhì)流量整體偏低；在結構設計中，受熱面積、熱量分布、流量分布匹配不協(xié)調(diào)，造成局部過熱爐膛出口截面煙溫分布不均勻。

如果我們能夠系統(tǒng)全面的掌握鍋爐過熱器超溫的原因，便可以提前采取預防措施或做出有針對性的檢修計劃，同時也可以在超溫問題出現(xiàn)后采取正確的措施，甚至還可以對在今后的過熱其設計和材料選擇，起到一定的指導作用。

［1］Owens，D.H.,Dyadic Approximation method for Multivariable Control-Systems Aanalysis with a Nuclear-Reactor Application，IEE Proc[J].1973，120(07)：801-809.

［2］Owens，D.H., Feedback and Multivariable Control Systems[M].Peter Peregrines，London 1978.

［3］Mayne D.Q., The Design of Linear Multivariable Systems，Automatic[J].1973，9(02)：201－207.

［4］容鑾恩.燃煤鍋爐機組[M].中國電力出版社，北京，1998.

［5］Curtis D.Johnson，Process Control Instrumentation Technologe[M].科學出版社，北京，2002.