超臨界鍋爐SOFA對高溫受熱面吸熱偏差影響的試驗研究

李樹田， 陳 莉

（1.浙江國華余姚燃?xì)獍l(fā)電有限責(zé)任公司，余姚315400；2.濟南鍋爐集團有限公司，濟南250023）

鍋爐高溫受熱面蒸汽氧化腐蝕是危及超（超）臨界鍋爐安全運行的重要因素之一.某電廠600MW超臨界鍋爐在運行10 000h后出現(xiàn)了因高溫過熱器氧化皮大量剝落而導(dǎo)致的爆管事故，其直接原因是未滿足停爐后需進行18h自然冷卻方可強制冷卻的運行要求，從而導(dǎo)致氧化皮大量剝落；其根本原因是高溫過熱器使用的T23管材的管壁運行溫度較高而抗高溫蒸汽氧化性能不高，從而導(dǎo)致氧化皮大量生成.在運行至26 000h左右時，又發(fā)生了T91管材因氧化皮剝落堵塞管圈而出現(xiàn)的爆管事故.對于同一管材，其氧化皮生成速度與管壁溫度和內(nèi)部蒸汽溫度有關(guān).通過燃燒優(yōu)化調(diào)整減小高溫過熱器管屏間的吸熱偏差，從而使吸熱偏差較大的管屏管壁溫度得以降低，這無疑是防止高溫受熱面蒸汽氧化腐蝕的基礎(chǔ)工作之一.

為降低污染物排放，大容量鍋爐普遍采用分段燃燒方式降低NOx排放，將分段風(fēng)噴嘴設(shè)置成能夠水平擺動，為減小吸熱偏差提供了便利條件，研究分離燃盡風(fēng)（SOFA）運行方式對熱偏差的影響具有重要的現(xiàn)實意義.

1 設(shè)備簡介

某電廠2臺（7號和8號）超臨界鍋爐由上海鍋爐廠有限公司制造，為單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣燃煤鍋爐，設(shè)計煤種為神府東勝煤，常用煤種按質(zhì)量分?jǐn)?shù)配比為80%神華煤＋20%石炭煤，每臺鍋爐配備6臺HP1003型中速磨煤機.

該鍋爐燃燒系統(tǒng)采用分級燃燒技術(shù)，主風(fēng)箱設(shè)有6層煤粉噴嘴，布置有周界風(fēng)，在相鄰2層煤粉噴嘴之間布置1層輔助風(fēng)噴嘴，在主風(fēng)箱上部設(shè)有2層緊湊燃盡風(fēng)（CCOFA）噴嘴.此外，在主燃區(qū)上部布置5層可水平及上下擺動的SOFA噴嘴.爐膛寬18 816mm，深17 696mm，最上排燃燒器至屏下端的距離為20.93m，主燃燒器標(biāo)高為24.4～36.4m，SOFA噴嘴標(biāo)高為42.3～45.9m.

在爐膛上部布置分隔屏過熱器和后屏過熱器，水平煙道內(nèi)沿?zé)煔饬鲃臃较蛞来尾贾酶邷卦贌崞骱透邷剡^熱器，尾部煙道內(nèi)沿?zé)煔饬鲃臃较蛞来尾贾玫蜏卦贌崞骱褪∶浩?

2 試驗

該電廠7號鍋爐于2006年2月正式投入運行，啟停46次左右，運行了26 451h，在啟／停43／17次時，末級過熱器第9屏12號管（材質(zhì)為T91，直徑為38.1mm，長度為7.96m）因氧化皮堵塞爆管，爆破管內(nèi)壁氧化皮厚度為0.31mm.這次爆管搶修后再次啟爐又發(fā)生了因氧化皮剝落而導(dǎo)致的爆管事故，爆管位置在71排第4根.由于氧化皮的生成速度與管壁溫度有關(guān)，降低管內(nèi)蒸汽溫度可以減緩氧化皮的生成速度，同時采取合理的運行措施來控制氧化皮的剝落，進而提高機組的安全性［1］.鑒于SOFA與主燃燒器射流分離，又布置在爐膛上部區(qū)域，為保證SOFA有足夠的穿透能力，使燃燒后期能充分混合，其出口風(fēng)速較大，根據(jù)以往空氣動力場研究，SOFA的射流剛性必然很強，采用SOFA噴嘴反切來消弱殘余旋轉(zhuǎn)和減小高溫受熱面管屏間的吸熱偏差是可行的.因此，在7號鍋爐停爐期間對SOFA噴嘴進行反切15°設(shè)置，通過SOFA噴嘴反切前后的熱態(tài)試驗研究SOFA噴嘴反切后對高溫受熱面管屏間吸熱偏差的影響.

爐膛出口煙氣溫度偏差是指爐膛水平和垂直出口截面中熱流分布的不均勻.這種煙氣溫度或速度的不均勻性導(dǎo)致位于出口截面附近受熱面金屬溫度的不一致，一般來說指的是末級過熱器或末級再熱器受熱面.在極端情況下，位于高于平均金屬溫度區(qū)域的管子對過熱爆管可能較敏感.由于準(zhǔn)確而全面測量1臺大型燃煤電站鍋爐爐膛出口煙氣溫度或煙氣速度的分布十分困難，試驗中用每種工況末級過熱器屏間吸熱偏差系數(shù)的大小來衡量爐膛出口煙氣殘余旋轉(zhuǎn)強弱.

試驗中維持負(fù)荷為600MW穩(wěn)定負(fù)荷，一次風(fēng)風(fēng)量、省煤器出口氧量、燃料風(fēng)擋板開度、投運燃燒器組合及其擺角不變.改變SOFA和CCOFA擋板開度，分析末級過熱器管屏沿爐膛寬度方向屏間吸熱偏差系數(shù)的變化規(guī)律.

3 優(yōu)化運行效果評價指標(biāo)

研究表明，氧化皮生成速度與管壁溫度呈指數(shù)方式增長，管壁超溫是導(dǎo)致高溫受熱面蒸汽氧化腐蝕的主要原因［2－3］.筆者著重從優(yōu)化運行的角度來改善高溫受熱面超溫爆管及蒸汽氧化腐蝕問題，在優(yōu)化鍋爐運行參數(shù)的同時控制鍋爐高溫受熱面的熱偏差，從而降低管壁溫度峰值，控制管壁高溫區(qū)超溫幅度和超溫時間，進而減緩氧化皮的生成速度.

對于該鍋爐末級過熱器和末級再熱器管屏各管吸熱的差異，引入屏間吸熱偏差系數(shù)來衡量該級受熱面沿爐膛寬度方向吸熱能力的強弱.吸熱偏差是由四角切圓燃燒系統(tǒng)特有的流動模式造成的，即在爐膛內(nèi)組織煤粉和空氣形成強烈的切向旋轉(zhuǎn)并螺旋向上的流場模式.這種模式對強化風(fēng)粉混合燃燒是非常有利的，但在爐膛出口旋轉(zhuǎn)的流場仍然存在，即所謂的殘余旋轉(zhuǎn).殘余旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致整個流入水平煙道的煙氣流不均勻，沿爐膛寬度方向煙氣速度一側(cè)大另一側(cè)小.而在水平煙道布置的過熱器和再熱器以對流吸熱為主.因此，煙氣速度不均對吸熱量的影響較大，從而形成吸熱偏差.可見，對于采用四角切圓燃燒系統(tǒng)的鍋爐，爐內(nèi)空氣動力場，尤其是爐內(nèi)切圓的分布特點不僅直接關(guān)系到爐內(nèi)燃燒的好壞，還與水平煙道布置的過熱器和再熱器吸熱偏差有重要關(guān)聯(lián).

將末級過熱器管屏間吸熱偏差作為評價指標(biāo)來判斷該鍋爐吸熱偏差的大?。?］.

末級過熱器屏間吸熱偏差系數(shù)為

式中：Δhp為特定管子的焓增，kJ／kg；Δh0為并聯(lián)管組平均焓增，kJ／kg.

4 SOFA投運方式對高溫受熱面管屏間吸熱偏差的影響

4.1 SOFA噴嘴正切15°

圖1給出了當(dāng)CCOFA兩層擋板全開且開度均為50%，SOFA噴嘴正切15°時，不同SOFA配置對末級過熱器管屏間吸熱偏差的影響.由圖1可知，在CCOFA擋板開度不變的情況下，隨著SOFA擋板開度的增大，末級過熱器屏間吸熱偏差系數(shù)增大.當(dāng)SOFA五層擋板全開且開度為60%時，最大屏間吸熱偏差系數(shù)達(dá)到1.42.即使在SOFA五層擋板全開且開度為20%的情況下，末級過熱器最大屏間吸熱偏差系數(shù)仍為1.25.

圖1 SOFA噴嘴正切15°時不同SOFA配置對末級過熱器管屏間吸熱偏差的影響Fig.1 Influence of SOFA distribution mode on heat absorption deviation of final stage superheater tube banks（nozzle angle：tangent 15°）

圖2給出了當(dāng)CCOFA兩層擋板全開且開度均為50%，SOFA噴嘴正切15°，SOFA開上三層或下三層且擋板開度均為70%時對末級過熱器管屏間吸熱偏差的影響.由圖2可知，在CCOFA擋板開度相同的情況下，SOFA開上三層時末級過熱器屏間吸熱偏差系數(shù)大于開下三層時.

采用SOFA噴嘴正切15°時，隨著SOFA擋板開度的增大，末級過熱器管屏間吸熱偏差增大，爐膛出口殘余旋轉(zhuǎn)增強，這對于降低高溫受熱面管壁金屬溫度，進而減緩該部分受熱面內(nèi)壁氧化皮生成速度是不利的.任何OFA（包括CCOFA和SOFA）系統(tǒng)的設(shè)計首先取決于所要求的NOx排放水平和煤種特性，必須針對每一個具體情況單獨而定，同時要考慮爐膛形狀、煤粉停留時間、爐膛輸入熱量和制粉系統(tǒng)性能等因素.長期的實踐經(jīng)驗證明，四角切圓燃燒鍋爐采用OFA可有效降低NOx排放.隨著分級燃燒技術(shù)的發(fā)展，在爐膛不同高度布置OFA，將爐膛分成3個相對獨立的區(qū)域：初始燃燒區(qū)、NOx還原區(qū)和燃料燃盡區(qū).每個區(qū)域的過量空氣系數(shù)由3個因素控制：總的OFA風(fēng)量，CCOFA和SOFA風(fēng)量的分配及總的過量空氣系數(shù).這種改進的空氣分級方法通過優(yōu)化每個區(qū)域的過量空氣系數(shù)來有效降低NOx的排放.在SOFA擋板開度較小的情況下，雖然末級過熱器管屏間吸熱偏差相對還可以接受，但不利于降低NOx的排放，因此建議SOFA噴嘴反切，且反切到最大角度15°［5］.

圖2 SOFA噴嘴正切15°時SOFA開上三層或下三層對末級過熱器管屏間吸熱偏差的影響Fig.2 Influence of SOFA distribution mode on heat absorption deviation of final stage superheater tube banks（nozzle angle：tangent 15°）

4.2 SOFA噴嘴反切15°

由于SOFA噴嘴正切15°時，末級過熱器屏間吸熱偏差系數(shù)大且不易控制，故建議該鍋爐SOFA噴嘴反切15°，并在2009年10月停爐期間進行調(diào)整，將SOFA噴嘴正切改為反切.且在SOFA噴嘴反切15°后，進行詳細(xì)的調(diào)整試驗，以便找到較合適的運行工況.

圖3給出了當(dāng)CCOFA兩層擋板全開且開度均為50%，SOFA噴嘴反切15°時不同擋板開度對末級過熱器管屏間吸熱偏差的影響.由圖3可知，在CCOFA兩層擋板全開且保持50%開度不變的情況下，隨著SOFA擋板開度的增大，末級過熱器左、右兩側(cè)吸熱偏差發(fā)生了變化.當(dāng)SOFA擋板開度為20%時，最大屏間吸熱偏差系數(shù)在第10屏處，其值為1.36；但當(dāng)SOFA擋板開度增大到60%時，最大屏間吸熱偏差系數(shù)在第61屏處，其值為1.24；當(dāng)SOFA擋板開度為40%時，最大屏間吸熱偏差系數(shù)介于前兩者之間.這說明在其他配風(fēng)方式不變的情況下，隨著SOFA擋板開度的增大，末級過熱器最大屏間吸熱偏差系數(shù)從左側(cè)轉(zhuǎn)移到右側(cè).末級過熱器區(qū)域煙氣溫度場和速度場發(fā)生變化，導(dǎo)致末級過熱器管屏吸熱發(fā)生了變化.

圖3 不同SOFA擋板開度對末級過熱器管屏間吸熱偏差的影響Fig.3 Influence of SOFA damper opening on heat absorption deviation of final stage superheater tube banks

圖4給出了當(dāng)CCOFA兩層擋板全開且開度均為50%時，SOFA開下三層，分別采用正寶塔、倒寶塔和均等配風(fēng)3種模式下末級過熱器沿爐膛寬度方向的屏間吸熱偏差系數(shù).由圖4可知，采用正寶塔配風(fēng)模式時的屏間吸熱偏差系數(shù)最大，其最大值（1.31）出現(xiàn)在左側(cè)第9屏處；采用倒寶塔配風(fēng)模式時的屏間吸熱偏差系數(shù)最小，其最大值（1.2）出現(xiàn)在第60屏處；而采用均等配風(fēng)模式時的屏間吸熱偏差系數(shù)居中.

圖5給出了SOFA噴嘴正切15°和反切15°，燃燒調(diào)整至運行吸熱偏差最小的狀態(tài)時末級過熱器第12根管出口蒸汽溫度的分布.由圖5可以看出，SOFA噴嘴反切后，加上合理的配風(fēng)，末級過熱器左側(cè)吸熱峰值溫度約降低10K，而原來吸熱能力較弱的中間第31～43屏的出口蒸汽溫度升高，右側(cè)區(qū)域管屏出口蒸汽溫度變化不大.SOFA噴嘴反切后，經(jīng)過燃燒調(diào)整，末級過熱器出口蒸汽溫度沿爐膛寬度方向的分布更均勻，高溫受熱面爐內(nèi)壁溫分布也較均勻，這樣可以減緩末級過熱器左側(cè)區(qū)域管屏氧化皮的生長速度，從而提高受熱面的安全性.

圖4 SOFA噴嘴反切時不同配風(fēng)模式下末級過熱器吸熱偏差沿爐膛寬度方向的分布Fig.4 Influence of SOFA distribution mode on heat absorption deviation of final stage superheater tube banks（nozzle arranged at a reverse tangent angle）

圖5 吸熱偏差最小時末級過熱器第12根管出口蒸汽溫度的分布Fig.5 Outlet steam temperature distribution of the 12th tube in final stage superheater with minimum heat deviation

SOFA噴嘴反切后，SOFA擋板開度對高溫受熱面吸熱偏差的影響與SOFA噴嘴正切時的影響相反，即SOFA噴嘴反切可以消弱爐膛出口煙氣殘余旋轉(zhuǎn)，從而減小水平煙道內(nèi)高溫受熱面管屏間吸熱偏差.但SOFA噴嘴反切后，SOFA擋板開度不能太大，一般控制在70%左右較為合適，否則反切風(fēng)過大，屏間吸熱偏差系數(shù)反而會增大.

因此，SOFA擋板開度和位置對末級過熱器沿爐膛寬度方向的吸熱均有影響，運行中采用SOFA開下三層倒寶塔配風(fēng)模式，末級過熱器管屏間吸熱偏差相對較均勻，運行中對氧化皮生成速度的控制最有利.

從試驗結(jié)果可以看出，采用四角切圓燃燒系統(tǒng)的鍋爐，爐內(nèi)空氣動力場，尤其是爐膛出口煙氣殘余旋轉(zhuǎn)受SOFA水平角度的影響較大.通過SOFA噴嘴反切至15°且各層SOFA選取合適的擋板開度，可以有效消弱爐膛出口殘余旋轉(zhuǎn)，起到明顯的消旋作用.通過調(diào)整SOFA來減小高溫受熱面沿爐膛寬度方向的吸熱偏差在國內(nèi)早期很少見，因為一般來說，SOFA主要用來減少NOx排放，該電廠SOFA和CCOFA配風(fēng)的研究表明，SOFA在減少NOx排放的同時，也減小了沿爐膛寬度方向的吸熱偏差，進而減小了吸熱能力較強的管屏氧化皮的生成速度，延長了鍋爐的使用壽命.

利用SOFA噴嘴反切來減小高溫受熱面吸熱偏差已在江蘇國華某電廠2臺機組、廣東粵電某電廠2臺機組和山東濰坊某電廠超臨界機組中得到運用，在降低高溫受熱面壁溫峰值和減少NOx排放上均取得了明顯效果.同時，該方法也被運用在墻式切圓燃燒鍋爐機組上，如江蘇大唐某超超臨界墻式切圓燃燒鍋爐，高溫再熱器出口蒸汽溫度從原設(shè)計值603℃降參數(shù)至580℃左右運行，經(jīng)過SOFA噴嘴反切，配合適當(dāng)?shù)娘L(fēng)門開度，該機組再熱器出口蒸汽溫度恢復(fù)至595℃，取得了明顯的效果.

5 結(jié) 論

（1）SOFA噴嘴正切15°時，末級過熱器的屏間吸熱偏差系數(shù)隨著SOFA擋板開度的增大而增大，且不易控制，建議該鍋爐不宜采用此方式運行.

（2）SOFA噴嘴反切15°時，末級過熱器的屏間吸熱偏差系數(shù)隨著SOFA擋板開度的增大而減小，SOFA噴嘴反切可以減小爐膛出口煙氣殘余旋轉(zhuǎn)強度和高溫受熱面的吸熱偏差.

（3）SOFA噴嘴反切15°且開下三層時，采用倒寶塔配風(fēng)模式的效果最好，尤其是在降低左側(cè)峰值壁溫方面.

（4）SOFA對鍋爐高溫受熱面管屏間吸熱偏差有明顯影響，利用SOFA和合理配風(fēng)能夠優(yōu)化鍋爐高溫受熱面管屏間的吸熱偏差分布，減小受熱面的蒸汽氧化腐蝕趨勢.

［1］王飛.超臨界參數(shù)鍋爐高溫受熱面管氧化皮生成評估研究和工程應(yīng)用［D］.上海：上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，2011.

［2］劉江南，翟芳婷，王正品，等.蒸汽溫度對T91鋼氧化動力學(xué)的影響［J］.西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，27（1）：22－25.LIU Jiangnan，ZHAI Fangting，WANG Zhengpin，et al.Steam oxidation dynamics of T91steel under different temperatures［J］.Journal of Xi＇an Technological University，2007，27（1）：22－25.

［3］廉霄漢.600MW超臨界機組高溫氧化皮問題的探討［J］.鍋爐制造，2010（1）：7－11.LIAN Xiaohan.Discussion on high－temperature scale problem of 600MW supercritical unit［J］.Boiler Manufacturing，2010（1）：7－11.

［4］陳朝松，張樹林，劉平元，等.優(yōu)化壁溫計算模型及其在電站鍋爐壁溫在線監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.動力工程，2009，29（9）：818－822.CHEN Chaosong，ZHANG Shulin，LIU Pingyuan，et al.Application of optimized wall temperature calculation model in wall temperature on－line monitoring［J］.Journal of Power Engineering，2009，29（9）：818－822.

［5］楊紅權(quán)，李富春，張妮樂，等.超臨界鍋爐屏區(qū)受熱面高度方向吸熱不均勻性的數(shù)值研究［J］.動力工程學(xué)報，2010，30（12）：895－898.YANG Hongquan，LI Fuchun，ZHANG Nile，et al.Numerical study on non－uniform heat absorption along heat surface height in the screen zone of a supercritical boiler［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2010，30（12）：895－898.