超臨界鍋爐吹管過程中超溫問題分析

馬憲斌，秦杰，嚴(yán)濰，高嫣璐，吳曉武

（1.山西魯晉王曲發(fā)電有限責(zé)任公司，山西王曲047500；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003）

超臨界鍋爐吹管過程中超溫問題分析

馬憲斌1，秦杰1，嚴(yán)濰1，高嫣璐1，吳曉武2

（1.山西魯晉王曲發(fā)電有限責(zé)任公司，山西王曲047500；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003）

配置大氣擴(kuò)容式啟動(dòng)系統(tǒng)的超臨界鍋爐機(jī)組在調(diào)試吹管過程中出現(xiàn)了再熱器進(jìn)汽溫度超標(biāo)的問題，分析其主要原因是給水流量偏高所致。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況提出了降低給水流量等運(yùn)行措施，有效地解決了再熱器進(jìn)汽的超溫問題。

超臨界鍋爐；給水流量；再熱器；水冷壁

0　引言

超臨界鍋爐機(jī)組為了保護(hù)水冷壁的運(yùn)行安全，在設(shè)計(jì)上大都采用了光管或內(nèi)螺紋螺旋管圈、內(nèi)螺紋垂直管或多種管型相結(jié)合的結(jié)構(gòu)型式，以防止或抑制臨界壓力下運(yùn)行時(shí)的水冷壁膜態(tài)沸騰和超臨界壓力下的類膜態(tài)沸騰問題。鍋爐制造商提供的運(yùn)行說明書中給定了最小給水流量，以防止水動(dòng)力的多值性，減少水冷壁的吸熱偏差。但是不同鍋爐制造商所要求的最小給水流量略有不同。表1［1-2］給出了幾家發(fā)電企業(yè)的超臨界鍋爐所采用的水冷壁結(jié)構(gòu)型式及最小給水流量。文獻(xiàn)［1］同時(shí)也指出了超臨界鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的蒸汽超溫問題。某電廠350 MW超臨界機(jī)組在調(diào)試過程中就遇到了這樣的問題。

表1　水冷壁結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

1　設(shè)備簡介

鍋爐為超臨界一次中間再熱超臨界直流鍋爐，設(shè)計(jì)本生負(fù)荷為30%最大連續(xù)出力，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2示。鍋爐采用不帶再循環(huán)泵的大氣擴(kuò)容式啟動(dòng)系統(tǒng)。

鍋爐中、下部水冷壁采用螺旋管圈，上部水冷壁采用一次上升垂直管屏，二者之間用過渡集箱連接。鍋爐灰斗部分的水冷壁由前、后水冷壁下集箱引出的光管組成的管帶圍繞成。

過熱蒸汽主要采用煤水比調(diào)溫，并設(shè)兩級(jí)噴水減溫器。再熱蒸汽采用尾部煙氣擋板調(diào)溫，并在再熱器入口管道備有事故噴水減溫器。

在運(yùn)行過程中為監(jiān)控水冷壁的壁溫，在螺旋水冷壁管出口、前墻和側(cè)墻垂直管屏和后水吊掛管出口裝設(shè)了多個(gè)壁溫測(cè)點(diǎn)。

機(jī)組配置有一級(jí)和二級(jí)旁路系統(tǒng)。再熱蒸汽冷段管道材質(zhì)為A672B70CL32，最高的允許使用溫度是427℃。

表2　鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2　吹管過程鍋爐運(yùn)行情況

機(jī)組啟動(dòng)前鍋爐采用一階段降壓吹管方式，在主蒸汽管道的末端通過臨時(shí)管道與再熱蒸汽冷段管道相連。點(diǎn)火后，蒸汽系統(tǒng)壓力達(dá)到一定值后，繼續(xù)升壓時(shí)升壓速度變得異常緩慢。增加燃料投入量后壓力才得以繼續(xù)提高。升壓曲線見圖1。達(dá)到吹管參數(shù)后，爐膛煙溫探針自動(dòng)退出，煙溫超過了540℃，此時(shí)的過熱器末端蒸汽溫度達(dá)到490℃，各受熱面管壁溫度正常，但是再熱器進(jìn)汽溫度達(dá)到470℃，超過了再熱蒸汽冷段管道材料要求的極限值，吹管過程被迫中止。

吹管的升溫升壓過程中水冷壁溫度分布如圖2、圖3所示，吹管過程鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)如圖4所示。

圖1　12 h內(nèi)鍋爐升溫升壓情況

圖2　螺旋水冷壁出口壁溫分布

圖3　垂直水冷壁出口壁溫分布

圖4　再熱器進(jìn)汽超溫時(shí)主要運(yùn)行數(shù)據(jù)

3　原因分析

機(jī)組啟動(dòng)階段，超臨界鍋爐工質(zhì)在爐膛中的吸熱份額與自然循環(huán)鍋爐相比是一樣的［3-4］。但超臨界鍋爐啟動(dòng)過程中在達(dá)到直流狀態(tài)前需要保持一定的給水流量，一般是30%最大連續(xù)出力。對(duì)于無循環(huán)泵的大氣擴(kuò)容式啟動(dòng)系統(tǒng)的超臨界鍋爐，給水在除氧器、省煤器和水冷壁中吸收的本應(yīng)該產(chǎn)生蒸汽的熱量大部分隨著工質(zhì)排入擴(kuò)容器而流失了。對(duì)于自然循環(huán)或帶有循環(huán)泵的直流爐，這部分熱量除小部分隨排污或疏水損失外（這種損失一般是可控的，且排污量僅為2～5%BMCR），大部分都積聚在了啟動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)（表現(xiàn)為工質(zhì)的焓增和金屬溫度的提高）。因此啟動(dòng)階段無循環(huán)泵的大氣擴(kuò)容式啟動(dòng)系統(tǒng)的超臨界鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的產(chǎn)汽率大大小于其他型式的鍋爐。較低的蒸汽流量使得后面過熱受熱面得不到有效冷卻，造成了過熱蒸汽溫度過高。采用一階段吹管時(shí)導(dǎo)致了再熱蒸汽進(jìn)汽的超溫，從而造成了再熱器冷段管道的超溫。

為保證汽水系統(tǒng)的安全，啟動(dòng)階段不可避免地要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的疏水，加上吹管時(shí)臨時(shí)系統(tǒng)的疏水、旁路暖管、臨時(shí)電動(dòng)門的密封性較差等原因，會(huì)導(dǎo)致了大量的蒸汽外泄，壓力越高泄露量越大，系統(tǒng)的升壓速度較慢，甚至壓力升高到一定值后再進(jìn)一步升壓非常困難。較小的產(chǎn)汽率和較慢的升壓速度，造成了較高的過熱蒸汽溫度。為了達(dá)到吹管或沖轉(zhuǎn)參數(shù)，不得不加大燃料投入量，這就造成了爐膛出口溫度過高，對(duì)流換熱加強(qiáng)，進(jìn)一步加劇了過熱蒸汽溫度的提升。

4　應(yīng)對(duì)方案

基于上面的分析，降低啟動(dòng)時(shí)的循環(huán)流量是控制過熱蒸汽和再熱蒸汽溫度過高的最有效的途徑。

4.1最小安全給水流量的問題

啟動(dòng)階段該爐水冷壁工質(zhì)的質(zhì)量流速在內(nèi)螺紋管圈是593.44 kg/（m2·s），在光管垂直管屏是327.17 kg/（m2·s），均小于文獻(xiàn)［1］提供的數(shù)據(jù)。對(duì)最小給水流量的限定，不同的設(shè)計(jì)或研究單位所提供的數(shù)據(jù)并不相同，甚至相差較遠(yuǎn)。這不僅取決于水冷壁的結(jié)構(gòu)型式和幾何尺寸，還取決于設(shè)計(jì)、制造等因素。對(duì)于投入商業(yè)運(yùn)行的機(jī)組，制造商所提供的最小安全流量與實(shí)際的臨界點(diǎn)流量相比具有一定的裕度，但不同廠商給出的裕度會(huì)有所區(qū)別。實(shí)際運(yùn)行中這一裕度的大小可以根據(jù)機(jī)組的具體運(yùn)行狀況在一定程度上予以調(diào)整。即，運(yùn)行最小安全給水流量可以根據(jù)鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀況來確定［5］。

4.2水冷壁的流量分配問題

超臨界鍋爐的工質(zhì)流動(dòng)特征是強(qiáng)制循環(huán)流動(dòng)，水冷壁工質(zhì)的壓降受流動(dòng)阻力控制。一般認(rèn)為，超臨界鍋爐水冷壁的流量分配呈現(xiàn)出“負(fù)流量”補(bǔ)償特性，即受熱強(qiáng)度大的管子流量自動(dòng)減少。但是在啟動(dòng)的低負(fù)荷階段，由于爐水溫度較低，且流量較小，水冷壁工質(zhì)的壓降中因液位高度產(chǎn)生的壓降占到了很大比例，水冷壁管流量分配表現(xiàn)出自然循環(huán)鍋爐中的“正流量”補(bǔ)償特性。給水流量維持在某一較低的范圍內(nèi)時(shí)，在一定負(fù)荷一下，受熱較強(qiáng)的管子流量不會(huì)比其他管子低，不會(huì)造成各水冷壁管之間壁溫出現(xiàn)較為顯著的差異。因此，只要流量控制在一個(gè)較為合理的較低的范圍時(shí)，水冷壁的安全是可以得到保證的。

基于以上認(rèn)識(shí)，采取了以下措施：降低爐膛出口煙氣溫度；強(qiáng)化爐內(nèi)燃燒，加大水冷壁吸熱量，提高產(chǎn)汽率；降低給水流量，減少熱量損失，提高產(chǎn)汽率；提高汽水系統(tǒng)的嚴(yán)密性。

5　運(yùn)行效果

通過實(shí)施以上措施，成功將爐膛出口煙溫控制在540℃以下，煙溫探針一直處于自動(dòng)投入狀態(tài)，高溫過熱器出口汽溫控制在450℃以下，再熱器進(jìn)汽溫度小于427℃，如圖5所示。順利完成了吹管程序。

在減小給水流量時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)控水冷壁溫度，沒有發(fā)生超溫或溫度異?，F(xiàn)象，如圖6、圖7所示。

比較圖2～7可以發(fā)現(xiàn)，通過實(shí)施上述措施，達(dá)到吹管條件時(shí)，燃料投入量比先前減少了約2 t/h油和4 t/h煤，水冷壁溫度上升約20℃左右。在減小燃料投入量的條件下，蒸發(fā)系統(tǒng)的蓄熱量有了明顯上升，熱利用率得以提高，這與3.1的分析是一致的。

圖5　正常吹管時(shí)主要運(yùn)行數(shù)據(jù)

圖6　螺旋水冷壁出口壁溫分布

圖7　垂直水冷壁出口壁溫分布

6　結(jié)語

在保障設(shè)備安全的前提下，通過降低給水流量有效解決了調(diào)試吹管階段再熱器進(jìn)汽的超溫問題。超臨界鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)與亞臨界直流鍋爐沒有原則區(qū)別，因此，對(duì)采用同樣啟動(dòng)系統(tǒng)的亞臨界鍋爐，這種方法同樣適用。雖然如此，應(yīng)當(dāng)看到這一做法與設(shè)備商對(duì)最小流量的要求并不相符，實(shí)踐中需根據(jù)具體情況區(qū)別對(duì)待。

［1］樊貴泉.超超臨界及亞臨界參數(shù)鍋爐［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［2］車東光，吳少華.超超臨界鍋爐水冷壁傳熱特性和溫度偏差［J］.鍋爐制造，2006（2）：3-4.

［3］陳聽寬，孫丹，羅毓珊，等.超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管傳熱特性的研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2003，24（3）：430.

［4］王富文.低質(zhì)量流速在直流鍋爐上的應(yīng)用［J］.華中電力，2004，17（1）：38-41.

［5］吳繼高.本生鍋爐爐膛垂直管圈水冷壁新型設(shè)計(jì)方案［J］.東方電氣評(píng)論，1996，10（2）：82-93.

Analysis On the Over Temperature Problem of Supercritical Boiler During Steam Purging

MA Xianbing1，QIN Jie1，YAN Wei1，GAO Yanlu1，WU Xiaowu2
（1.Shanxi Lujin Wangqu Power Plant Co.Ltd，Wangqu 047500，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

During steam purging，over-temperature problem of reheater steam temperature existed in the supercritical boiler which has a startup system of the atmospheric flash-off-type.The main cause of the problem is the larger feed water flow.The problem has been solved by various measures such as lowering the feed water.

supercritical boiler；feed water flow；reheater；water-cooled wall

TM621

B

1007-9904（2015）12-0055-03

2015-09-10

馬憲斌（1982），男，高工，從事電力生產(chǎn)和管理工作。