超臨界鍋爐煙溫與汽溫偏差熱力計(jì)算與試驗(yàn)研究

李文軍，呂當(dāng)振，段學(xué)農(nóng)

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007)

超臨界鍋爐煙溫與汽溫偏差熱力計(jì)算與試驗(yàn)研究

李文軍，呂當(dāng)振，段學(xué)農(nóng)

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007)

針對大型電站超臨界鍋爐煙溫與汽溫偏差問題，結(jié)合國內(nèi)首臺600 MW超臨界W型鍋爐，重點(diǎn)研究不同負(fù)荷下汽水分離器出口汽溫偏差，以及尾部受熱面汽溫偏差變化規(guī)律，并從優(yōu)化汽溫偏差出發(fā)，首次提出汽水分離器出口管道交叉布置結(jié)構(gòu)，從而改變汽水流動方向，并結(jié)合鍋爐熱力計(jì)算，驗(yàn)證交叉布置結(jié)構(gòu)減少汽溫偏差的效果:當(dāng)采用汽水分離器出口交叉布置結(jié)構(gòu)后，屏式過熱器入口左、右側(cè)汽溫偏差減小到原汽溫偏差的1/2左右。

超臨界鍋爐；汽水分離器；汽溫偏差；交叉布置；熱力計(jì)算

火力發(fā)電廠各爐型鍋爐運(yùn)行中在爐膛出口及水平煙道沿爐膛寬度方向上時(shí)常出現(xiàn)不同程度的熱偏差，該熱偏差通常是由于爐內(nèi)空氣動力場不均勻〔1〕、煙氣流速與溫度分布不均〔2－3〕、 燃料量投入不均、燃燒工況不穩(wěn)定以及煙氣殘余旋轉(zhuǎn) (四角切圓鍋爐)〔4－5〕等主要因素造成。沿爐膛寬度方向上熱偏差的存在，會引起爐膛出口及尾部煙道內(nèi)的過熱蒸汽與再熱蒸汽左、右兩側(cè)的蒸汽吸熱量不同，進(jìn)而導(dǎo)致蒸汽溫度產(chǎn)生偏差。而這種偏差往往難以通過運(yùn)行調(diào)整手段完全消除。

對于亞臨界參數(shù)的汽包鍋爐而言，從汽包中流出的蒸汽為飽和蒸汽，汽包出口進(jìn)入下一級過熱器的工質(zhì)不存在溫度偏差；而近年來大量投產(chǎn)的超臨界、超超臨界鍋爐，汽包被鍋爐左、右兩側(cè)布置的汽水分離器所取代，在直流運(yùn)行方式下汽水分離器出口工質(zhì)具有一定過熱度，而此時(shí)爐膛一旦存在熱偏差，將直接導(dǎo)致左、右側(cè)汽水分離器出口汽溫產(chǎn)生偏差，進(jìn)而使得進(jìn)入下一級過熱器的工質(zhì)存在汽溫偏差，而這一偏差將沿著蒸汽流程的延長不斷擴(kuò)大〔6〕。雖然超臨界鍋爐在屏式過熱器進(jìn)、出口設(shè)計(jì)了兩級減溫水，通過左、右側(cè)減溫水的調(diào)整可以在一定程度上減小汽溫偏差，但由于超臨界鍋爐減溫水只起輔助調(diào)節(jié)汽溫的作用，設(shè)計(jì)減溫水量有限。

長期運(yùn)行與試驗(yàn)結(jié)果表明:汽溫偏差在超臨界鍋爐較普遍存在，而燃用劣質(zhì)煤的超臨界鍋爐尤為突出。以600 MW超臨界W型鍋爐為例，當(dāng)鍋爐左、右側(cè)汽水分離器出口汽溫存在10～15℃偏差時(shí)，蒸汽流經(jīng)各級受熱面至屏式過熱器進(jìn)口時(shí)，汽溫偏差可擴(kuò)大到20～30℃，達(dá)到初始偏差的2倍左右。過熱蒸汽左、右側(cè)蒸汽溫度偏差大，不僅需要投入大量減溫水，降低機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)當(dāng)汽溫偏差過大時(shí)，屏式過熱器、高溫過熱器出口汽溫難以通過減溫水正常調(diào)節(jié)，甚至造成高溫受熱面超溫爆管，嚴(yán)重威脅鍋爐安全運(yùn)行。

目前針對鍋爐熱偏差，許多學(xué)者從機(jī)組選型、受熱面布置方式、鍋爐運(yùn)行方式等方面進(jìn)行了大量的理論研究和試驗(yàn)研究，并提出了許多改進(jìn)措施，取得了一部分效果。但與此同時(shí)，雖然現(xiàn)有的改進(jìn)措施 (燃燒調(diào)整、均勻工質(zhì)流量、受熱面聯(lián)箱優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高受熱面管材規(guī)格以及減弱切圓燃燒煙氣旋轉(zhuǎn)殘余等)緩解了熱偏差帶來的受熱面超溫爆管的問題，但運(yùn)行中熱偏差依然存在，并隨著機(jī)組參數(shù) (溫度、壓力)不斷升高 (尤其是超臨界參數(shù)以上鍋爐)，這種熱偏差問題變得日趨嚴(yán)重。

基于以上問題，文中研究了600 MW超臨界W型鍋爐在不同負(fù)荷下汽水分離器出口汽溫偏差，以及尾部受熱面汽溫偏差變化規(guī)律，并從優(yōu)化汽溫偏差出發(fā)，結(jié)合鍋爐熱力計(jì)算，提出調(diào)整汽水分離器出口管道布置和交叉布置結(jié)構(gòu)，改變汽水流動方向，達(dá)到減少汽溫偏差的效果。

1 沿爐寬方向煙溫與汽溫偏差試驗(yàn)

1.1 鍋爐主要參數(shù)

鍋爐為600 MW超臨界參數(shù)、垂直爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、露天布置的Π型鍋爐，并配有帶循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)采用雙進(jìn)雙出正壓直吹制粉系統(tǒng)，并配置濃縮型EI－XCL低NOx雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器。鍋爐容量與主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 鍋爐容量與主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 汽溫偏差與減溫水量偏差分布

表2為不同負(fù)荷6個工況下汽溫和減溫水量測量數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可知，機(jī)組運(yùn)行中由于煙氣溫度偏差，工質(zhì)流量偏差，或者兩者共同作用，導(dǎo)致水冷壁出口進(jìn)入左、右兩側(cè)汽水分離器的蒸汽溫度產(chǎn)生偏差，偏差幅度在5～20℃，平均偏差在12℃左右。與此同時(shí)，左、右汽水分離器出口蒸汽經(jīng)過頂棚過熱器、包墻過熱器、低溫過熱器后，進(jìn)入屏式過熱器入口，由于沿爐寬度方向上依然存在熱偏差，導(dǎo)致屏式過熱器入口汽溫偏差幅度進(jìn)一步擴(kuò)大，從表中數(shù)據(jù)可知，屏式過熱器入口左、右側(cè)汽溫偏差幅度12～36℃，平均24℃左右，是分離器初始汽溫偏差的2倍。為了平衡左、右汽溫偏差，過熱器一級減溫水量右側(cè)明顯高于左側(cè)，而過熱器二級減溫水量左、右流量偏差更大，最大時(shí)偏差達(dá)到70 t/h。減溫水量的偏差不僅會增大屏間工質(zhì)流量不均，而且也在一定程度上降低了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，更為嚴(yán)重的是，汽溫偏差過大容易產(chǎn)生超溫爆管，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

表2 不同負(fù)荷下汽溫和減溫水量測量結(jié)果

造成汽水分離器出口汽溫偏差和屏式過熱器入口汽溫偏差進(jìn)一步擴(kuò)大的主要原因是鍋爐熱偏差以及沿著蒸汽流程方向上的汽溫偏差累積效應(yīng)。詳細(xì)分析鍋爐汽水系統(tǒng)流程可知，目前超臨界鍋爐汽水分離器出口導(dǎo)汽管均采用平行布置方式 (如圖1所示)，在這種布置方式下，溫度高的工質(zhì)與溫度高的煙氣同側(cè)流動，即汽水分離器出口溫度較高側(cè)蒸汽仍沿?zé)煔鉁囟容^高側(cè)受熱面流動，流經(jīng)頂棚過熱器、包墻過熱器、低溫過熱器直至屏式過熱器出口，由于煙氣溫度高，工質(zhì)相對吸熱更大，進(jìn)一步擴(kuò)大了蒸汽溫度偏差。反之溫度低的工質(zhì)與低溫側(cè)的煙氣同側(cè)流動，工質(zhì)吸熱自然偏小，溫升小，導(dǎo)致分離器之后左、右側(cè)蒸汽溫度偏差越來越大。

圖1 汽水分離器出口傳統(tǒng)平行布置流程圖

2 鍋爐啟動系統(tǒng)汽水流程布置結(jié)構(gòu)

超臨界鍋爐過熱器系統(tǒng)由汽水分離器、頂棚管、包墻管，低溫過熱器，屏式過熱器，高溫過熱器構(gòu)成。如圖1為過熱器系統(tǒng)流程為:汽水分離器出口母管的蒸汽分成左、右兩路進(jìn)入→頂棚進(jìn)口集箱→爐膛及對流煙道頂棚過熱器→頂棚出口集箱→包墻過熱器→低溫過熱器入口集箱→低溫過熱器→低溫過熱器出口集箱→屏式過熱器入口集箱→屏式過熱器→屏式過熱器集箱→高溫過熱器入口集箱→高溫過熱器→高溫過熱器出口集箱→汽機(jī)高壓缸入口。

如圖2所示，為了解決由于鍋爐熱偏差引起的汽溫偏差過大問題，從優(yōu)化汽溫偏差出發(fā)，提出了汽水分離器出口管道交叉布置結(jié)構(gòu)，將汽水分離器出口的分配管采用交錯布置方式與頂棚過熱器相連，從而改變汽水流動方向。如圖3所示，與傳統(tǒng)的汽水分離器出口平行布置相比，新型布置結(jié)構(gòu)通過將汽水分離器出口4組分配管左、右交錯布置，爐左側(cè)分離器出口工質(zhì) (即左側(cè)水冷壁出口蒸汽)引到頂棚過熱器進(jìn)口聯(lián)箱右側(cè)，同時(shí)將爐右側(cè)分離器出口工質(zhì) (即右側(cè)水冷壁出口蒸汽)引到頂棚過熱器進(jìn)口聯(lián)箱左側(cè)。在鍋爐爐膛存在熱負(fù)荷偏差情況下，采用這種交錯布置結(jié)構(gòu)后，水冷壁出口低溫側(cè) (低熱負(fù)荷側(cè))蒸汽通過交叉引到爐膛出口高溫?zé)煔鈧?cè) (高熱負(fù)荷側(cè))，與此同時(shí)水冷壁出口高溫側(cè) (高熱負(fù)荷側(cè))蒸汽通過交叉引到爐膛出口低溫?zé)煔鈧?cè) (低熱負(fù)荷側(cè))，交叉后低溫側(cè)蒸汽經(jīng)高溫?zé)煔鈧?cè)頂棚過熱器、包墻過熱器、低溫過熱器、屏式過熱器受熱面后，蒸汽吸熱量相對于另一側(cè)增加，該側(cè)蒸汽溫升增大，從而縮小兩側(cè)汽溫偏差，使得工質(zhì)經(jīng)包墻過熱器、低溫過熱器、屏式過熱器直至高溫過熱器能夠均衡吸熱，保證屏式過熱器進(jìn)出口左、右兩側(cè)蒸汽溫度基本趨于一致，最大限度地消除爐膛熱負(fù)荷引起的汽溫偏差問題，顯著提高鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與安全性。

圖2 汽水分離器出口交叉布置流程圖

圖3 汽水分離器出口分配管交叉布置結(jié)構(gòu)圖

3 沿爐寬方向煙溫與汽溫偏差熱力計(jì)算

為了驗(yàn)證汽水分離器出口分配管交叉布置后對減小汽溫偏差的影響，選擇尾部豎井煙道內(nèi)的低溫過熱器系統(tǒng) (包括包墻過熱器)為計(jì)算對象，表3為低溫過熱器系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱力計(jì)算表 (BMCR工況)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，選擇了低溫過熱器入口左、右側(cè)工質(zhì)溫度平均偏差為6℃ (工況T－1)與13℃ (工況T－2)，對應(yīng)左、右側(cè)煙溫平均偏差為28℃與42℃時(shí)的2個工況，進(jìn)行汽水分離器出口分配管交叉布置前、后出口汽溫偏差熱力計(jì)算。

表3 低溫過熱器系統(tǒng)熱力計(jì)算表 (BMCR)

首先利用表3設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算出BMCR工況下的總傳熱系數(shù)K，由于汽水分離器出口分配管交叉布置前、后受熱面結(jié)構(gòu)不變，且煙氣流速分布也基本不變，因此傳熱系數(shù)在計(jì)算過程中也基本不變。計(jì)算過程中先假定低過出口汽溫和煙溫，然后利用迭代算法重復(fù)計(jì)算，直至計(jì)算所得到的低過出口汽溫和煙溫與事先假定值基本一致。

圖4為汽水分離器出口分配管交叉布置前、后低溫過熱器出口汽溫偏差計(jì)算結(jié)果。從熱力計(jì)算結(jié)果可知，在汽水分離器出口分配管采用平行布置時(shí)(交叉前)，當(dāng)汽水分離器左、右出口汽溫出現(xiàn)偏差后，由于鍋爐熱偏差以及沿著蒸汽流程方向上的汽溫偏差累積效應(yīng)，低溫過熱器左、右出口 (屏式過熱器入口)汽溫偏差是初始汽溫偏差的2倍左右，對比熱力計(jì)算結(jié)果與熱態(tài)試驗(yàn)測量均值(參見表2)，可以看出兩者基本一致，這也表明了熱力計(jì)算結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。與此同時(shí)，當(dāng)汽水分離器出口分配管交叉布置后，低溫過熱器左、右出口 (屏式過熱器入口)汽溫偏差明顯減小，減小到分離器出口平行布置結(jié)構(gòu)汽溫偏差的1/2左右。計(jì)算結(jié)果充分說明了汽水分離器出口分配管交叉布置對減小汽溫偏差有重要作用，顯著降低了因超臨界鍋爐汽溫偏差而引起鍋爐安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 低溫過熱器出口汽溫偏差熱力計(jì)算

4 結(jié)論

熱力計(jì)算結(jié)果表明，采用汽水分離器出口分配管交叉布置后，交叉結(jié)構(gòu)能夠從汽溫偏差產(chǎn)生起點(diǎn)(汽水分離器出口)開始調(diào)節(jié)工質(zhì)汽溫偏差，平衡沿爐膛寬度方向工質(zhì)、煙氣溫度差異，使得工質(zhì)經(jīng)包墻過熱器、低溫過熱器、屏式過熱器、直至高溫過熱器能夠均衡吸熱，從而確保超臨界鍋爐的安全運(yùn)行。

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Thermal calculation and experimental studies on flue gas and steam temperature deviation of supercritical boiler

LI Wenjun，LYU Dangzhen，DUAN Xuenong
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

To solve the problems of flue gas and steam temperature deviation of supercritical boiler，the temperature deviation of the steam separator and the following heating surface are investigated in the domestic first 600 MW supercritical W-shaped flame boiler.Moreover，a special outlet cross layout structure of steam separator is designed and the role of the special outlet cross structure is investigated by thermal calculation.The results indicate that the steam temperature deviation of supercritical boiler is increased with the the flue gas temperature deviation and the growth of the following heating surface during actual operation. Meanwhile，the special outlet cross layout structure of steam separator has a remarkable effect on decreasing the steam temperature deviation，which has been reduced to half of the original level.Therefore，the special outlet cross layout structure of supercritical boiler steam separator is worthwhile to distinctly decrease the steam temperature deviation and increase the safe in operation of supercritical boil.

supercritical boiler；steam separator；steam temperature deviation；cross layout structure；thermal calculation

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.004

TK229.2

B

1008-0198(2015)04-0014-04

2015-06-16