600 MW 超臨界W 型鍋爐無爐水循環(huán)泵啟動特性分析

王希寰

(大唐華銀金竹山火力發(fā)電分公司，湖南 婁底417505)

某公司#3 鍋爐為世界第1 臺低質量流速600 MW 級超臨界W 型火焰鍋爐，該爐型的投運填補了世界范圍內超臨界鍋爐制造技術的空白，其主要技術特征為:超臨界參數(shù)、垂直爐膛、低質量流速優(yōu)化內螺紋垂直水冷壁、一次中間再熱、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼構架、露天布置Π 型鍋爐，采用雙進雙出正壓直吹制粉系統(tǒng)，W 型火焰燃燒方式，并配置濃縮型EI-XCL 低NOx雙調風旋流燃燒器。鍋爐配有帶循環(huán)泵的內置式啟動系統(tǒng)，它由立式布置的內置式分離器、貯水箱、循環(huán)泵、閥門、管道及附件等組成，按全壓設計。為了減少流動的不穩(wěn)定和保證水冷壁安全，爐膛水冷壁設計最小流量值為28.5%BMCR 即541 500 kg/h。

超臨界W 型鍋爐因其特殊的水冷壁型式需在啟動初期保持較高的爐膛給水流量，故采用帶爐水循環(huán)泵的啟動旁路。爐水循環(huán)泵屬于高端進口設備，價格昂貴而且故障率較高，隨著運行時間延長，易發(fā)生泵組密封破壞、絕緣降低、軸承磨損等問題。泵體故障后需返廠檢修，周期較長，期間鍋爐不能正常啟動。為此，解決超臨界W 型鍋爐無爐水循環(huán)泵冷態(tài)啟動成為了一項急迫的現(xiàn)實問題。

實現(xiàn)無爐水循環(huán)水泵啟動的關鍵是減少汽輪機沖轉前爐膛給水流量，但制造廠商已明確:“設計給水最小流量值(570 t/h)是減少流動不穩(wěn)定和保證水冷壁安全的最低流量值?！痹跓o經驗借鑒的條件下，超臨界W 型鍋爐進行無爐水泵啟動面臨較大安全風險，可能發(fā)生的問題包括:水冷壁因溫差造成膨脹不均而拉裂。局部水冷壁冷卻不足而短期超溫爆管。過熱器嚴重超溫。長時間大量棄水導致啟動過程主汽溫、主汽壓不匹配。大量排水造成升壓困難或化學水補充困難。

1 最低安全給水流量控制原則與依據(jù)

實現(xiàn)無爐水循環(huán)水泵啟動的關鍵是減少汽輪機沖轉前爐膛給水流量，以下對最低安全給水流量控制原則與依據(jù)進行分析。

1.1 水冷壁最高允許溫度分析

影響鍋爐蒸發(fā)受熱面安全工作的主要問題是管內沸騰傳熱過程的惡化。沸騰傳熱惡化主要與工質的質量流速、工作壓力、含汽率和熱負荷等因素有關。有2 種應對傳熱惡化的方法:一是防止它的產生;二是允許它發(fā)生，但應限制壁溫不超過容許值。在直流鍋爐中，蒸發(fā)管部分區(qū)段內必然會出現(xiàn)蒸干現(xiàn)象，因此水冷壁上段需用解決的問題是如何降低傳熱惡化時的管壁溫度，保持金屬壁面濕度在一定范圍，而不是防止它的產生。

對于低質量流速內螺紋垂直管水冷壁因質量流速低，摩擦阻力小，靜壓頭占主導地位，受熱強的管子靜壓差變小，整個壓差下降，而回路進出口壓差不變，使得受熱強的管子流量增加與其匹配，形成類似自然循環(huán)回路的自補償特性。但當熱負荷大到一定程度后，工質含汽率升高，流動阻力的增大值可能大于運動壓頭的增大值，這時入口循環(huán)量不但不增加，反而會下降，循環(huán)回路失去自補償能力，同時出現(xiàn)沸騰換熱惡化。循環(huán)回路失去自補償能力時對應的含汽率稱為界限(極限)含汽率。因此水冷壁下段需用解決的問題是如何保持循環(huán)回路自補償能力，使其得到良好的冷卻。

某公司#3 鍋爐爐膛水冷壁回路在BMCR 工況下，其設計截面質量流速約為960 kg/ (m2·s)左右，已經達到了亞臨界自然循環(huán)鍋爐的水平。借助于優(yōu)化內螺紋管良好的水動力和傳熱特性，低質量流速下內螺紋管鍋爐蒸發(fā)受熱面具有自然循環(huán)鍋爐類似的自補償能力。管壁溫度在一定范圍內的穩(wěn)定，表明低質量流速下內螺紋管保持正常的自補償能力或得到足夠濕蒸汽的冷卻，受熱面是安全的。分析蒸發(fā)受熱面管壁溫度范圍可作為判斷循環(huán)回路是否失去自補償能力或得到足夠濕蒸汽冷卻的重要方法?；蛘哒f判斷鍋爐水冷壁是否安全的表征現(xiàn)象可以確定為“管壁溫度在一定范圍內的穩(wěn)定”。600 MW 超臨界W 型火焰鍋爐在設計運行條件不同工況下(含冷態(tài)啟動不同階段)水冷壁溫度數(shù)據(jù)基本均在對應工作壓力下飽和溫度高0 ～8 ℃。故將其列為表征水冷壁安全的重要指標。

1.2 水冷壁最高允許溫差分析

在并列管束中(1 個管屏)，個別管子內工質焓增值與整個管屏的平均工質焓增值不一致的現(xiàn)象，稱為熱偏差。直流鍋爐蒸發(fā)管布置在爐膛下輻射部分，承受最大的熱負荷。在某些情況下，如在流量不均和強烈受熱不均的共同作用下，可使偏差管中的工質溫度和比容突然增大，流量減少，并使管子金屬過熱，甚至破壞。因此對蒸發(fā)管允許的熱偏差必須嚴格控制，盡可能縮小偏差。某公司600 MW 超臨界W 型火焰鍋爐在不同工況下(含冷態(tài)啟動不同階段)水冷壁溫差歷史數(shù)據(jù)后得出結論:絕大部分工況水冷壁溫差均在30 ℃以內，遠低于設計標準“爐膛水冷壁任意相鄰2 根管子之間的溫差不超過89 ℃，任意不相鄰2 根管子之間的溫差不超過111 ℃”。邏輯上可以推定:當水冷壁溫差控制在30 ℃范圍內，水冷壁是安全的。故水冷壁溫差控制目標值暫定在30 ℃。

2 啟動技術方案關鍵與控制

2.1 無爐水循環(huán)泵啟動控制基本原則

在結合大量運行歷史數(shù)據(jù)的前提下，制定了衡量啟動過程給水流量是否適當?shù)臉藴?，其主要?shù)據(jù)來源包括:1)鍋爐在短時“給水流量低于設計值”異常工況下的歷史數(shù)據(jù)。2)以螺旋管圈水冷壁給水流量無爐水循環(huán)泵啟動實際流量值為初始值，參照垂直管圈水冷壁與螺旋管圈水冷壁給水流量保護定值間差值以及2 種爐型設計最低安全給水流量差值作為修正依據(jù)。

確定運行控制基本原則:1)以水冷壁管壁溫度超過飽和溫度8 ℃作為水冷壁內壁面形成汽膜層的特征，即用來判斷下爐膛水冷壁是否失去自補償能力或上爐膛水冷壁失去濕蒸汽的冷卻，以防范可能發(fā)生的沸騰傳熱惡化。即以水冷壁管壁溫度不超過對應壓力下的飽和溫度8 ℃為限來控制給水流量大小。2)將水冷壁管壁溫差不超過30 ℃作為判斷蒸發(fā)管流動穩(wěn)定性的特征。依上述原則，對原運行啟動控制標準進行修改，操作步驟進行相應調整后，于2011 年成功實現(xiàn)600 MW 超臨界W 型火焰鍋爐無爐水泵冷態(tài)啟動。

2.2 啟動過程水冷壁溫度實際變化與控制

1)鍋爐起壓前

啟動各階段水冷壁溫差最大值出現(xiàn)在鍋爐點火至起壓過程，通過試驗發(fā)現(xiàn)此階段水冷壁溫差對爐膛內給水流量變動并不敏感，不相鄰水冷壁管溫差最大值達90 ℃，相鄰水冷壁管溫差最大達60 ～70 ℃，見圖2。溫差較大區(qū)域主要分布在投運火嘴的右前墻和左后墻，分布呈現(xiàn)離散狀。當鍋爐起壓后(此時熱負荷較強區(qū)域水冷壁平均壁溫由60 ℃較快上升至140 ℃左右)，水冷壁溫差現(xiàn)象逐漸好轉。此現(xiàn)象反映超臨界W 型火焰鍋爐點火起壓過程垂直管屏汽水側兩相混合物受熱不均導致的放熱系數(shù)的差異帶來的影響遠大于爐膛設計管道阻力偏差造成的流量不平衡的影響。此現(xiàn)象非無爐水循環(huán)泵啟動降低給水流量引起，帶爐水泵啟動也存在類似現(xiàn)象。故啟動過程對溫差控制標準進行了現(xiàn)場調整。并判斷控制此類管壁溫差，應通過縮短倒換油燃燒器的時間間隔和減小單只油槍出力等均化爐內熱負荷的方法實現(xiàn)，否則即使按設計給水流量控制仍存在一定的安全隱患。

2)鍋爐起壓后沖轉前

鍋爐起壓后，投火嘴區(qū)域水冷壁溫度水平已超過140 ℃，但未投火嘴區(qū)域水冷壁溫度偏低約60℃，此階段上爐膛壁溫均勻，在投入煤粉1.5 h 后各位置水冷壁溫差趨向均勻，此時水冷壁溫度約180 ℃，溫差在30 ℃范圍內。此類溫差由熱負荷偏差引起，對提高給水流量同樣不敏感，只有當爐內整體熱負荷上升并趨向均勻，溫差才逐漸消失。故具備條件后，宜盡可能提前投入煤粉并使其充分燃燒，提高爐膛整體溫度水平，促使水冷壁溫度盡快趨向均勻。

無爐泵啟動與帶爐水啟動并網(wǎng)時各參數(shù)接近，沖轉前參數(shù)存在一定差異，但仍在合理范圍之內，見表1。

表1 汽輪機沖轉前主參數(shù)

2.3 汽溫汽壓的匹配控制方法

為滿足汽溫汽壓和匹配關系，通過選擇適當啟動用煙煤，降低煙氣量。實踐表明設計燃用無煙煤鍋爐在啟動過程中選擇可燃基揮發(fā)分35% ～45%;灰分30%以下的煤種較為適當，如河南義馬楊村煤，有利于啟動過程參數(shù)的匹配，降低油耗。其它有效控制方法包括:開大一、二級旁路運行;開啟包墻過熱器、高溫過熱器疏水門;控制分離器出口溫度為飽和溫度;適當減少分級風;增加過熱器、再熱蒸汽減溫水量;開啟1 ～2 個ERV 閥或全開點火排汽門運行。

2.4 工質回收

工質的及時回收不僅可減輕保證化學補充水供應的困難，也可一定程序降低熱量的損失。需重點注意:①在設備和人員上滿足快速取樣與化驗的要求，水質合格爐水即回收凝汽器;②鍋爐疏水箱設置遠傳壓力與水位測量裝置，以便疏水回收控制;③根據(jù)排水與凝汽器真空情況，采取“疏水泵運行”、“停疏水泵開啟出口門”2 種方式控制。

2.5 鍋爐正常升壓速度的保證

無爐水循環(huán)啟動初期大量排水，造成鍋爐升壓速度的放緩，過慢的升壓速度將增加化學水供應的難度，為保證點火后鍋爐升壓速度，可采取以下措施:鍋爐采取分階段進水和沖洗以增加除氧器蒸汽加熱時間，提高給水溫度;引風機啟動前1 h 投入暖風器，鍋爐點火后即投入一次風機，點火后1 h左右即投入煤粉;開啟一、二級旁路時，同步投入#2 高壓加熱器。

3 無爐水循環(huán)啟動與正常啟動的差異

1)無爐水循環(huán)泵啟動方式在點火后的大流量排水造成的熱量損失延長了鍋爐起壓過程，鍋爐從點火到起壓的時間延長約50 min。

2)鍋爐點火后，水冷壁內汽水兩相流的傳熱差異導致水冷壁管間溫差，鍋爐點火至起壓過程，2 種啟動方式下，在熱負荷集中區(qū)域水冷壁均出現(xiàn)最大90 ℃左右的溫差，在無爐水循環(huán)泵啟動方式下此溫差出現(xiàn)范圍更寬，但均在設計范圍內。

3)采用無爐水循環(huán)泵啟動，當主、再熱汽溫達到沖轉參數(shù)時，主汽壓約為2.7 MPa，較正常啟動約低2 MPa。

4)采用無爐水循環(huán)泵啟動，從鍋爐起壓至沖轉參數(shù)的時間段縮短約1 h，但因起壓速度較慢，從點火至沖轉參數(shù)2 種啟動方式所耗時間接近。

5)2 種啟動方式，從起壓至沖轉參數(shù)過程，采用無爐水循環(huán)泵啟動后水冷壁溫度逐漸低于正常啟動方式下40 ℃，從沖轉至轉直流過程，此溫差逐漸縮小，“轉直流”后完全趨于一致。

6)2 種啟動方式，水冷壁溫度低于對應壓力下飽和溫度8 ℃。

7)2 種啟動方式，鍋爐轉直流的操作方式無差異。

4 總結

1)超臨界W 型鍋爐因其特有的爐膛結構形式，水冷壁采用垂直水冷壁管屏，為消除啟動過程熱偏差，保證水冷壁安全，均設計有帶爐水循環(huán)泵的旁路系統(tǒng)。其無爐水循環(huán)泵啟動的成功，表明該型鍋爐可不受制于爐水循環(huán)泵的可靠性，從而大幅提高鍋爐主設備的可靠性。

2)試驗情況表明，超臨界W 型鍋爐水冷壁安全最低給水流量比廠家設計值可降低約100 t/h，“水冷壁溫度不超過對應壓力下飽和溫度8 ℃”作為保證水冷壁安全的基本控制原則具有較大的指導意義。

3)超臨界W 型鍋爐在起壓過程中因熱負荷、壓力、質量流速、含汽率、管徑等差異導致的汽水兩相流的換熱差異現(xiàn)象明顯，一定程序將會影響水冷壁的安全，可能導致水冷壁局部變形，需在今后同爐型水循環(huán)的設計和膨脹系統(tǒng)設計中進行重點分析和優(yōu)化。

4)2 種啟動方式下，采取縮短倒換油燃燒器的時間間隔和減小單只油槍出力、具備條件及時投入煤粉等均化燃燒的措施，對保證水冷壁安全是必要的。

5)設計燃燒劣質無煙煤鍋爐，通過一定的技術改進，實現(xiàn)煙煤冷態(tài)啟動，不僅能大幅降低機組啟動耗油，而且對啟動過程防止受熱面超溫，改善機組汽溫汽壓匹配特性均有利。

〔1〕北京巴布科克·威爾科克斯有限公司. 50 -G13000 鍋爐說明書〔S〕. 2008.

〔2〕范從振. 鍋爐原理〔M〕. 北京:中國電力出版社，1998.