加強直流鍋爐運行調(diào)整、防止管壁超溫

摘 要：直流鍋爐具有適合變壓、投資小、效率高等優(yōu)點，逐步取代利用汽水密度差作為循環(huán)動力的汽包鍋爐，成為現(xiàn)代鍋爐的主流。直流鍋爐無汽包、蓄熱小、參數(shù)高、管內(nèi)工質(zhì)流速大等特點，要求鍋爐受熱面的爐管管壁更薄、直徑更小，這也使直流鍋爐熱慣性小、管壁熱敏感性高，更容易出現(xiàn)熱偏差及超溫現(xiàn)象；而管壁超溫將嚴重威脅電站的運行安全，輕則影響機組壽命，重則出現(xiàn)爐管爆裂等事故。加強直流爐參數(shù)調(diào)整、防止管壁超溫尤為重要。

關(guān)鍵詞：直流爐；管壁；超溫；原因；防控措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.047

某電站#5機組采用哈電集團HG-2141/25.4-PM15型直流鍋爐，額定過熱蒸汽壓力25.4Mpa、溫度571℃，屬超臨界機組。其低溫再熱器和低溫過熱器為對流受熱面，分別布置于尾部煙道前后煙井；分隔屏過熱器布置在爐膛的上部，主要吸收爐膛內(nèi)的輻射熱量；末級過熱器和末級再熱器分別布置在折焰角上部和水平煙道，為對流受熱面；爐膛四周布置有螺旋水冷壁和垂直水冷壁。

其制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式，配6臺北方重工集團的MGS4360型雙進雙出磨煤機，磨制晉中貧煤，五臺運行，一臺備用。鍋爐采用墻式切圓燃燒器，主燃燒器共24組，布置于四面墻上，形成一個大切圓。主燃燒器上方設(shè)置了SOFA燃燒器，采用角式反向切圓布置，以減少爐膛出口煙溫偏差。燃燒器采用水平濃淡煤粉燃燒技術(shù)，以提高鍋爐低負荷運行的能力，燃燒器出口處設(shè)有帶波紋形的穩(wěn)燃鈍體。這種布置方式為國內(nèi)600MW電站鍋爐所廣泛采用，本文針對該爐型配置進行闡述。

1 鍋爐管壁超溫的重點部位

直流鍋爐的受熱面主要包括省煤器、水冷壁、分隔屏過熱器、高低溫過熱器、高低溫再熱器等幾部分，各受熱面以不同的金屬材料和工藝制造，鍋爐受熱面各部都有嚴格的運行溫度限制規(guī)定。其中，螺旋水冷壁從設(shè)計上較好地解決了熱偏差問題，出現(xiàn)管壁超溫的現(xiàn)象相對較少。給水在垂直水冷壁中一次加熱、蒸發(fā)、過熱，沒有固定的汽水分界點；分隔屏過熱器、高溫過熱器、再熱器處于復(fù)雜的溫度場內(nèi)，較易出現(xiàn)管壁超溫現(xiàn)象。有關(guān)資料顯示，大多數(shù)超溫集中在垂直水冷壁、分隔屏過熱器、高溫過熱器等受熱面。（表1是某電站鍋爐在試生產(chǎn)期間1個月內(nèi)部分受熱面的溫度超限情況）

2 管壁超溫對鍋爐機組的影響

鍋爐管壁超溫使受熱面金屬材料強度下降、承壓能力降低，危及電站運行的安全性，鍋爐廠家對管壁溫度有著嚴格的規(guī)定（哈電集團HG-2141/25.4-PM15型直流鍋爐各主要受熱面溫度限制規(guī)定見表2）。超過限值，其危害不可小覷：

（1）當溫度570℃以上，爐管內(nèi)水蒸氣與純鐵發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的氧化皮由三氧化二鐵、四氧化三鐵和氧化鐵組成（圖1），最內(nèi)層的氧化鐵致密性差，其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。當表面氧化皮不銹鋼超過0.1mm、鐵素體鋼超過0.2mm時易脫落；同時，高溫受熱面長期超溫會導(dǎo)致氧化皮生成速率加劇，并由雙層結(jié)構(gòu)變成多層結(jié)構(gòu)，造成結(jié)構(gòu)組成更加不穩(wěn)定。

（2）鍋爐受熱面的超溫使材料蠕變、老化速度加快；高溫氧化腐蝕導(dǎo)致管壁減薄，材料持久強度下降，產(chǎn)生爆管現(xiàn)象。有數(shù)據(jù)顯示，12Cr1MoV鋼在585℃時約有10萬小時的持久強度，而在593℃時到3萬小時就將喪失其應(yīng)有強度。

（3）過熱汽溫過高，使調(diào)節(jié)級內(nèi)熱降增加，在負荷不變的情況下，調(diào)節(jié)級的動葉片有可能發(fā)生過負荷現(xiàn)象。

（4）過熱汽溫過高，使汽輪機的汽缸、主汽門、調(diào)節(jié)汽門、前幾級噴嘴和葉片等部件的機械強度降低，部件溫差熱應(yīng)力、熱變形增大，若膨脹受阻則有可能引起汽機差脹的變化，將導(dǎo)致設(shè)備的損壞或使用壽命的縮短，危及機組的安全運行。

基于上述危害，《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》中關(guān)于“防止超壓超溫”的內(nèi)容中明確規(guī)定：對直流鍋爐的蒸發(fā)段、分離器、過熱器、再熱器出口導(dǎo)氣管等應(yīng)有完整的管壁溫度測點，以便監(jiān)視導(dǎo)氣管間的的溫度偏差，防止高溫爆管。

3 直流鍋爐管壁超溫的根本原因

（1）燃燒理論方面，直流鍋爐過熱蒸汽出口的熱焓可用下式表示

（式中，分別為過熱器出口和給水熱焓；為燃料低位發(fā)熱量；為鍋爐效率；B、G分別為燃料量和給水量。）

由上式可見，在一定負荷變化范圍內(nèi)，如鍋爐效率ηgl、燃料發(fā)熱量Qar，net、給水熱焓hgs保持不變，則過熱蒸汽溫度（熱焓）hgr”取決于燃料量和給水量的比值B/G，即比值B/G變化，則是造成過熱蒸汽溫度變化的基本原因。

（2）結(jié)構(gòu)方面，直流鍋爐無汽包、蓄熱小、高參數(shù)、管內(nèi)工質(zhì)流速高等特點，要求爐管直徑更小、管壁更薄，造成直流鍋爐熱慣性小、管壁熱敏感性高，容易出現(xiàn)熱偏差及超溫現(xiàn)象。

當機組出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，總體上是風(fēng)煤水失調(diào)的表現(xiàn)。鍋爐燃燒是一個連續(xù)變化的過程，擾動的因素較多。鍋爐負荷的變化、給水溫度、燃料品質(zhì)、爐膛過量空氣系數(shù)以及受熱面結(jié)渣、設(shè)備性能等因素的變化，對爐膛管壁溫度均有影響。

4 造成直流鍋爐管壁超溫的主要因素

4.1 煤粉品質(zhì)

一般情況下，燃煤的揮發(fā)分含量低、水分過大、發(fā)熱量低和細度大時，會造成煤粉氣流著火或燃盡所需要的時間要長些、火焰中心上移，容易造成結(jié)渣、排煙溫度高、過熱器超溫爆管等故障。有經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明，一定條件下燃煤水分每增加1%，過熱汽溫可升高1.5度。

另外，燃用不同煤質(zhì)，合適的煤水比會有較大差異；因某種原因使燃料量過大，導(dǎo)致煤水比變大，也會造成鍋爐管壁超溫。

4.2 一次風(fēng)的影響

一次風(fēng)輸送煤粉，同時加熱來煤、并為煤粉燃燒初期揮發(fā)分的析出及燃盡提供氧量。一次風(fēng)率取決于煤質(zhì)情況，過大危及后部受熱面的安全運行。（一次風(fēng)率推薦值見表3）

一次風(fēng)量愈大，進入爐膛的燃料量隨之增多，燃燒器出口一次風(fēng)速提高，煤粉氣流所需的著火熱增多、著火速度慢，火焰距離燃燒器出口的著火位置延長，使燃料在爐內(nèi)的有效燃燒時間減少，且容易產(chǎn)生煤粒離析現(xiàn)象，導(dǎo)致部分煤粉來不及混入二次風(fēng)，使大量未燃盡的煤粉進入下游煙氣流程，造成煤粉沉積在過熱器、再熱器、尾部煙道，造成管壁超溫、尾部煙道再燃燒；而且當一次風(fēng)壓或鍋爐爐膛負壓不正常增大使一次風(fēng)箱壓差變大時，會使得各臺磨煤機出力加大，鍋爐燃燒加強導(dǎo)致燃燒不完全。這時爐膛出口煙溫也會升高，不但可能使爐膛出口的受熱面結(jié)渣，也會引起過熱器或再熱器超溫等一系列問題。

機組運行制粉系統(tǒng)啟停過程中，操作幅度大，對一次風(fēng)壓干擾大，或隨著需啟停的磨煤機分離器出口一次風(fēng)速的變化，其攜粉濃度快速變化，造成燃料量突增或波動。

鍋爐正常運行中，爐內(nèi)熱負荷是均勻地按照燃燒器高度分布，如鍋爐調(diào)整失誤，燃燒器出力過大，爐內(nèi)熱負荷不均勻，熱負荷過度集中，使某燃燒區(qū)域熱量大幅集中。

4.3 二次風(fēng)的影響

二次風(fēng)為煤粉中后期的燃盡提供氧量，它是在煤粉氣流著火后混入的。通過分級燃燒，實現(xiàn)分散高溫區(qū)域、使鍋爐爐內(nèi)熱負荷動力場均勻，控制NOX濃度的作用。

對于投運的鍋爐，由于燃燒器噴口結(jié)構(gòu)未變，故二次風(fēng)速僅隨二次風(fēng)量而變化。二次風(fēng)必須以很高的速度才能穿透火焰，以增強空氣與焦碳粒子表面的接觸和混合，通常二次風(fēng)速比一次風(fēng)速提高一倍以上。配風(fēng)方式不僅影響燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率，還關(guān)系到結(jié)渣、火焰中心高度的變化、爐膛出口煙溫的控制，從而，進一步影響過熱汽溫與再熱汽溫。二次風(fēng)量（風(fēng)速）過大容易造成火焰貼壁，造成爐膛結(jié)焦、水冷壁超溫。隨著負荷的變大，各臺磨煤機出力增加，其對應(yīng)的燃燒器出力加大，若二次風(fēng)調(diào)節(jié)未跟上，使得未燃盡的煤粉隨煙氣流程進入后一級，易導(dǎo)致超溫的發(fā)生。

燃盡風(fēng)由送風(fēng)機提供，設(shè)置于主燃燒器上方，其提供的氧可將未燃盡的煤粉在這一區(qū)域燃盡，使后部受熱面安全、減少煤粉的不完全燃燒熱損失；它采用反向切圓布置，以減少爐膛出口煙溫偏差。當燃盡風(fēng)過小，未燃盡的煤粉進入后面的煙氣流程、爐膛煙溫出現(xiàn)偏差，也易導(dǎo)致超溫的發(fā)生。

4.4 給水的變化

直流鍋爐的主給水流量小、溫度高，造成加熱段、蒸發(fā)段的長度變短、過熱段延長，雖然鍋爐管壁金屬有一定的蓄熱能力，對汽溫變化速度有一定的減緩作用，但管壁吸收的熱量不能及時被蒸汽帶走，造成管壁超溫。

直流鍋爐水冷壁的流動阻力約占全部阻力的25%～30%，所需的給水泵壓頭高；同時，越來越多的機組為了減輕給水泵消耗電力使用了小汽輪機驅(qū)動，給水調(diào)整反應(yīng)慢、調(diào)節(jié)滯后；當主汽壓力與負荷不匹配，主汽壓力較高時，使得給水困難，由此引起各管屏出口工質(zhì)參數(shù)產(chǎn)生較大偏差，進而導(dǎo)致工質(zhì)流動不穩(wěn)定或管子超溫、以致爐管破裂、泄露。

4.5 結(jié)焦

水冷壁結(jié)焦時，因為灰渣的熱阻大，影響水冷壁的吸熱，使輻射吸熱量比例減少，爐膛出口煙溫升高，過、再熱器吸熱比例增大，造成部分受熱面高溫腐蝕、管壁超溫。

4.6 熱負荷的影響

直流鍋爐汽溫特性偏于對流，負荷增加時汽溫上升。增大燃料，爐內(nèi)溫度水平提高，總的輻射傳熱量增加，但平均到單位燃料的輻射吸熱量將減小，爐膛出口煙溫升高，而對流吸熱相對增加，使所有對流受熱面，包括過熱器、再熱器、省煤器、空預(yù)器等的吸熱量都相對增加。

5 防止鍋爐管壁超溫的措施

鍋爐燃燒是一個復(fù)雜的反應(yīng)過程，管壁超溫的原因是多方面的，需要根據(jù)具體情況進行分析，制定相應(yīng)防控對策。

5.1 開機過程中

（1）鍋爐啟動過程中嚴格按啟動曲線進行升溫、升壓，當蒸汽流量≤10%BMCR時，嚴格控制爐膛出口煙溫≯540℃，防止再熱器受熱面干燒。

（2）鍋爐水壓試驗或化學(xué)清洗后，由于過、再熱器積水，啟動初期受熱管內(nèi)形成水塞，阻礙了蒸汽暢流，在積水蒸干以前應(yīng)嚴格控制鍋爐燃燒率及爐膛出口煙溫。

（3）鍋爐點火前，按要求進行凝結(jié)水、給水及鍋爐冷態(tài)循環(huán)清洗；點火后，保持鍋爐廠家要求的爐水溫度進行熱態(tài)清洗；嚴格執(zhí)行直流鍋爐汽、水品質(zhì)要求，當汽、水品質(zhì)不合格時，嚴禁鍋爐轉(zhuǎn)入干態(tài)運行，以防止受熱面內(nèi)壁結(jié)垢，引起受熱面金屬傳熱惡化而超溫。

（4）開機過程中，嚴格按旁路曲線控制高、低壓旁路的開度；當前屏過熱器及再熱器壁溫偏高時，應(yīng)適當開大高、低壓旁路的開度，降低主汽壓力，同時適當降低給水流量、盡量通過提高輔汽聯(lián)箱壓力，隨機投運高、低加運行來提高給水溫度，增加鍋爐產(chǎn)汽量，從而產(chǎn)生更多的蒸汽對屏過及再熱器管壁進行冷卻。

（5）為防止啟動過程中各管壁之間流量不均引起水冷壁超溫，鍋爐點火前必須滿足鍋爐最小啟動流量要求。

（6）汽機切缸時為防止壓力波動大造成貯水箱滿水及省煤器入口流量大幅減小，將給水旁路調(diào)節(jié)閥切至手動控制，當進行給水“主路”與“旁路”切換時，要注意給水流量穩(wěn)定，保持給水流量穩(wěn)定。

（7）鍋爐干、濕態(tài)轉(zhuǎn)換應(yīng)平穩(wěn)進行，垂直管和后墻懸吊管可能產(chǎn)生兩相流，引起水力不均而造成管壁超溫，此時應(yīng)防止燃燒或給水大幅度波動，適當增加過量空氣系數(shù)以改善管壁溫度，盡量減少鍋爐在干、濕態(tài)轉(zhuǎn)換過程中停留時間。

5.2 正常運行中

（1）煤水比是控制主汽溫的主要手段、煙氣擋板調(diào)節(jié)是控制再熱器溫度的主要手段；減溫水盡量少投，如需要干預(yù)應(yīng)保證減溫后蒸汽有20℃以上過熱度?？刂浦?、再熱蒸汽溫度兩側(cè)偏差分別不高于5℃和10℃，且最高溫度在其額定值+5℃以下，保證45%～100%負荷范圍內(nèi)啟動分離器內(nèi)蒸汽過熱度保持在10～40℃左右，使鍋爐管壁溫度不超規(guī)定值。

（2）中間點溫度的變化能快速反應(yīng)煤水比變化，維持該點溫度穩(wěn)定才能保證主蒸汽溫度的穩(wěn)定。中間點溫度和機組負荷均偏高時，優(yōu)先降低燃料量；中間點溫度偏高、機組負荷低于目標負荷時，優(yōu)先增加給水量；當汽壓高、溫度高，需要降低燃料量，汽壓低、溫度高時應(yīng)增加給水量，汽壓變化較大時，及時修正煤水比、檢查協(xié)調(diào)是否正常，將汽壓維持在正常范圍。

（3）了解入爐煤質(zhì)著火指標，隨時掌握燃燒工況，特別在進行加減負荷、啟停制粉系統(tǒng)、吹灰除焦等擾動工作前，對制粉系統(tǒng)的出力、細度等有清晰的把握，適時對燃燒器的出力進行干預(yù)、二次配風(fēng)進行相應(yīng)調(diào)整，保持合適的火焰中心，使爐膛內(nèi)熱負荷沿爐膛高度方向均勻分布，實現(xiàn)主燃燒區(qū)域缺氧燃燒、燃盡區(qū)域完全燃盡。

（4）合理組織制粉系統(tǒng)運行方式，掌握各層磨煤機的一次風(fēng)攜粉特性，斷煤、尤其在磨煤機啟動初期料位不正常時，操作應(yīng)平穩(wěn)，既要減小同一層燃燒器一次風(fēng)粉的濃度及速度偏差，防止鍋爐火焰偏斜或貼墻，又要保持一次風(fēng)母管壓力與熱負荷匹配，防止大幅度操作造成燃燒工況的波動。

（5）鍋爐升負荷前受熱面沿程溫度較高，可先適當加水后加風(fēng)、加煤，在減負荷前如果受熱面沿程溫度較低，可先適當減水后減煤、減風(fēng)。在調(diào)整負荷的過程中要加強啟動分離器過熱度的監(jiān)視和分析，并以此作為煤水比調(diào)節(jié)的超前信號。

（6）對鍋爐進行周期性吹掃，使各受熱面保持在合適的清潔狀態(tài)，防止高溫過熱器、再熱器及屏式過熱器等受熱面大量積灰、結(jié)焦，以提高運行的安全經(jīng)濟性。

（7）機組運行中主汽壓力應(yīng)與負荷匹配，投入機組協(xié)調(diào)控制方式時做到平穩(wěn)切換，防止設(shè)定壓力高于目標值過多，造成給水困難、導(dǎo)致水冷壁熱量不能及時帶走而超溫。

（8）適當調(diào)整反切輔助風(fēng)的開度，減小切圓燃燒鍋爐爐膛出口兩側(cè)煙溫及兩側(cè)主、再熱汽溫的偏差。

（9）當燃燒工況受到較大擾動、投停高加、并泵退泵、給水自動失靈、機組協(xié)調(diào)工作不正常時，及時將給水切至手動方式調(diào)整，防止煤水比失調(diào)；當發(fā)生爐底漏風(fēng)異常工況，及時降低火焰中心高度，控制分離器出口蒸汽的過熱度和主、再熱汽溫的設(shè)定值。

（10）因直流鍋爐汽水沒有固定的分界點，要求自動系統(tǒng)更加靈敏。當發(fā)現(xiàn)減溫水等自動裝置異常時，要及時解除自動、進行調(diào)整。在手動調(diào)節(jié)減溫水時要考慮到受熱面存在較大的熱容量，汽溫調(diào)節(jié)存在一定的慣性和延遲，注意不要猛增、猛減，要根據(jù)汽溫偏離的大小及減溫器后溫度變化情況平穩(wěn)地對蒸汽溫度進行調(diào)節(jié)。

6 結(jié)束語

鍋爐燃燒是復(fù)雜的物理與化學(xué)反應(yīng)過程，造成直流鍋爐管壁超溫的原因較多；加之直流鍋爐因其工藝特點有結(jié)構(gòu)上的特殊性；同時采用高參數(shù)設(shè)置，使得超溫原因更具有多樣性，因此防控管壁超溫需要從多方面著手。積極探索一些更科學(xué)的技術(shù)、采用一些更成熟的手段，相信經(jīng)過進一步努力，人們能夠更有效地防控管壁超溫現(xiàn)象的產(chǎn)生。

參考文獻：

[1]霍東方等.超臨界變壓直流鍋爐的啟動和主汽超溫的處理.電力建設(shè)，2006（10）.