超超臨界鍋爐水冷壁熱偏差的問題分析

張繼光，段　寶，陳峻峰

(1.華電電力科學(xué)研究院，陜西西安710075； 2.西安興儀啟動(dòng)發(fā)電試運(yùn)有限公司，陜西西安710075)

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超超臨界鍋爐水冷壁熱偏差的問題分析

張繼光1，段寶2，陳峻峰2

(1.華電電力科學(xué)研究院，陜西西安710075； 2.西安興儀啟動(dòng)發(fā)電試運(yùn)有限公司，陜西西安710075)

摘要：結(jié)合某660 MW超超臨界鍋爐轉(zhuǎn)入直流工況時(shí),在中低負(fù)荷運(yùn)行階段，常發(fā)生水冷壁熱偏差問題，分析其原因主要是水冷壁冷卻流量與鍋爐熱負(fù)荷的不匹配。對(duì)此采取減少減溫水量，適當(dāng)降低過熱度及改變制粉系統(tǒng)的組合方式、燃燒配風(fēng)、煤粉細(xì)度調(diào)整等多種措施，控制熱偏差效果明顯；同時(shí)針對(duì)該鍋爐水冷壁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在運(yùn)行生產(chǎn)中防止氧化皮脫落方面提出控制措施，對(duì)減緩或防止水冷壁熱偏差也有較強(qiáng)作用。研究內(nèi)容對(duì)于同類型機(jī)組或相似問題的解決有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：水冷壁；節(jié)流孔；熱偏差；質(zhì)量流速；熱負(fù)荷；氧化皮

0引言

多個(gè)工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，600 MW等級(jí)及以上的超(超超)臨界機(jī)組采取垂直上升式、節(jié)流孔式的水冷壁結(jié)構(gòu)，在鍋爐轉(zhuǎn)入直流工況至中低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)多發(fā)生部分水冷壁管束壁溫高、熱偏差大的問題，嚴(yán)重影響鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)合實(shí)例，分析水冷壁熱偏差的具體原因，從鍋爐汽水側(cè)、燃燒調(diào)整及其施工階段、日常生產(chǎn)階段等多個(gè)方面提出具體的控制或減緩熱偏差的技術(shù)措施，對(duì)于同類型機(jī)組或相似問題的解決具有很強(qiáng)的借鑒意義。

1鍋爐和水冷壁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1鍋爐的主要性能

江蘇國信靖江發(fā)電廠2×660 MW超超臨界機(jī)組，采取哈爾濱鍋爐廠制造，引進(jìn)日本三菱重工技術(shù)，型號(hào)：HG-2038/26.15-YM3的超超臨機(jī)鍋爐；設(shè)計(jì)煤種神華煤，校核煤種晉北煤；П型布置、單爐膛、四墻切圓燃燒方式(PM低NOx燃燒技術(shù))，爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁。鍋爐的主要性能參數(shù)詳見表1。

表1　鍋爐主要性能參數(shù)

1.2水冷壁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

水冷壁采用改進(jìn)型的內(nèi)螺紋管垂直水冷壁，即在上下爐膛之間加裝水冷壁中間混合集箱；爐膛斷面尺寸為19 230×19 268 m2，水冷壁管共有1 728根，四墻各432根，兩側(cè)墻各432根，均為φ28.6×6.2 mm，管材均為15CrMoG；水冷壁下集箱采用φ219 mm的小直徑集箱，并將節(jié)流孔圈移到水冷壁集箱外面的水冷壁管入口段，入口短管采用φ54×12的較粗管子，在其嵌焊入節(jié)流孔圈，再通過三次三叉管過渡的方法與φ28.6的水冷壁管相接，如圖1所示。

圖1　水冷壁入口節(jié)流孔布置示意圖

節(jié)流孔圈的孔徑允許采用較大的節(jié)流范圍，可以保證孔圈有足夠的節(jié)流能力，按照水平方向各墻的熱負(fù)荷分配和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，調(diào)節(jié)各回路水冷壁管中的流量，以保證水冷壁出口工質(zhì)溫度的均勻性，并防止個(gè)別受熱強(qiáng)烈和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的回路與管段產(chǎn)生DNB和出現(xiàn)壁溫不可控制的干涸(DRO)現(xiàn)象。

依據(jù)水冷壁的材質(zhì)和鍋爐安全運(yùn)行，水冷壁測點(diǎn)(中間入口集箱壁溫測點(diǎn)和出口壁溫測點(diǎn))報(bào)警值均設(shè)置為490 ℃；依據(jù)材質(zhì)瞬時(shí)可承受580 ℃左右的溫度。

2水冷壁熱偏差現(xiàn)象

在鍋爐轉(zhuǎn)入直流工況中低負(fù)荷運(yùn)行階段，210～330 MW，水冷壁四墻間，每墻管束間均出現(xiàn)較大的熱偏差，但未發(fā)生水冷壁超溫現(xiàn)象，壁溫在可控范圍內(nèi)，并且伴隨有明顯的管間脈動(dòng)現(xiàn)象。具體表現(xiàn)：210～250 MW鍋爐初始轉(zhuǎn)入直流工況后，左墻NO.88～NO.122等顯示的8～14根管束的水冷壁中間入口集箱壁溫測點(diǎn)溫度相對(duì)于此時(shí)負(fù)荷和該屏的其它管束壁溫明顯偏高50～100 ℃，如圖2所示。在440～485 ℃；且在穩(wěn)定負(fù)荷工況，管間有明顯的脈動(dòng)現(xiàn)象，尤其是壁溫高點(diǎn)的管束更加明顯，溫度迅速升級(jí)在30 ℃左右；負(fù)荷升至270～330 MW，以上問題左墻消失，但轉(zhuǎn)化為前墻NO.48～66等10根管束，也較為明顯；負(fù)荷升至350 MW，即50%BRL負(fù)荷以上時(shí)，熱偏差明顯減少，水冷四墻及每墻管束間的隨著負(fù)荷的升高趨于一致，且無脈動(dòng)現(xiàn)象。江蘇國信靖江發(fā)電廠2臺(tái)660 MW超超臨界直流鍋爐均在調(diào)試階段和后期日常運(yùn)行階段發(fā)生此問題，據(jù)調(diào)研同類型的較多機(jī)組，如江蘇大唐呂泗港、大唐南京超超臨界660 MW，華能玉環(huán)、大唐潮州超超臨界1 000 MW電廠鍋爐均在中低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)此類熱偏差較大的問題。

圖2　左墻水冷壁管束溫度偏高區(qū)域示意圖

3熱偏差的原因分析

結(jié)合以上所述，對(duì)鍋爐轉(zhuǎn)入直流后的中低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)較大的熱偏差現(xiàn)象進(jìn)行分析，因?yàn)樵诖似陂g運(yùn)行中鍋爐控制的煤水比均正常，且從各級(jí)過熱蒸汽、再熱蒸汽管道的蒸汽溫度和壁溫、減溫水用量及其燃燒側(cè)的各項(xiàng)參數(shù)，如氧量、各級(jí)煙風(fēng)道煙氣溫度等均在正?？刂破罘秶鷥?nèi)，進(jìn)而得出導(dǎo)致水冷壁熱偏差的主要原因應(yīng)是在此負(fù)荷階段部分水冷壁管束的冷卻流量分布與爐膛熱負(fù)荷的分布不相適應(yīng)而引起的，所以控制或解決水冷壁熱偏差，必須掌握爐膛熱負(fù)荷的分布規(guī)律[1]。

該鍋爐的設(shè)計(jì)的爐膛熱負(fù)荷較大值出現(xiàn)在上層燃燒器區(qū)和燃燼風(fēng)區(qū)域，尤其是燃燼風(fēng)區(qū)域應(yīng)是最大值，即水冷壁中間入口集箱下4.5 m左右。依據(jù)鍋爐傳熱惡化的原理和超臨界鍋爐的水動(dòng)力特性，一旦水冷壁內(nèi)工質(zhì)的相變點(diǎn)下移，極有可能出現(xiàn)在熱負(fù)荷最大的區(qū)域，進(jìn)而導(dǎo)致水冷壁壁溫偏高、熱偏差、管間脈動(dòng)甚至超溫等更加嚴(yán)重的傳熱惡化的問題[2]。隨著鍋爐負(fù)荷的升高，水冷壁內(nèi)工質(zhì)冷卻流量的增大，爐膛熱負(fù)荷的分布均勻，尤其是進(jìn)入超臨界工況點(diǎn)(75%BRL負(fù)荷以上時(shí))，水冷壁內(nèi)汽水特性的一致性后，觸發(fā)此的問題幾率會(huì)明顯減少。

4熱偏差的控制調(diào)整

4.1適當(dāng)提高水冷壁的質(zhì)量流速

(1)減少主蒸汽系統(tǒng)減溫水的投入量[3]。通過燃燒側(cè)的調(diào)節(jié)，如二次風(fēng)門的配風(fēng)，煙氣調(diào)節(jié)擋板等控制或適當(dāng)降低主蒸汽溫度，進(jìn)而減少減溫水的投入量，保證在機(jī)組負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定的工況下，使流經(jīng)水冷壁區(qū)域的給水量增大，維持水冷壁的水動(dòng)力穩(wěn)定性有明顯較高，在一定程度上抑制出現(xiàn)部分管束壁溫突升，熱偏差增大的問題。所以在機(jī)組運(yùn)行過程中應(yīng)維持比較穩(wěn)定的主蒸汽溫度，避免在升降負(fù)荷過程中溫度上升過快而大量投入減溫水，進(jìn)而造成水冷壁部分管束的冷卻流量相對(duì)不足，水動(dòng)力相對(duì)失穩(wěn)。

(2)維持適當(dāng)較低的過熱度，可通過迅速增加給水流量或減少燃料量實(shí)現(xiàn)，相對(duì)提高水冷壁的質(zhì)量流速，使水冷壁區(qū)域的相變點(diǎn)后移，減少水冷壁內(nèi)工質(zhì)過熱度的長度，有效減少水冷壁區(qū)域的吸熱和熱負(fù)荷，這對(duì)于在中低負(fù)荷水動(dòng)力處于水動(dòng)力處于邊緣狀態(tài)的水冷壁部分管束，即防止部分管束超溫和熱偏差增大有明顯效果[4]。如圖3所示：減低過熱度，使左墻NO.92、98、120等壁溫較高的管束，溫度有明顯下降，有效減少了管壁熱偏差。

圖3　壁溫與過熱度的變化趨勢圖

4.2合理分配爐膛熱負(fù)荷

依據(jù)三菱及鍋爐運(yùn)行說明書，建議“鍋爐燃燒器應(yīng)先投入中上層燃燒器，隨著負(fù)荷的升高逐步在投入下層燃燒器”，即在中低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，減少水冷壁內(nèi)過熱段的長度，使工質(zhì)的相變點(diǎn)后移，使?fàn)t膛熱負(fù)荷較大的區(qū)域保證相對(duì)大的冷卻流量，進(jìn)而可有效防止水冷壁管束的傳熱惡化，超溫、熱偏差增大等問題[5]。而實(shí)際運(yùn)行中因鍋爐下層燃燒器配置等離子或微油點(diǎn)火技術(shù)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)過程中大量節(jié)油，且便于控制主蒸汽和再熱蒸汽溫度，采取與上述說明相反的燃燒器投運(yùn)過程，即先投入下層，隨負(fù)荷升高逐步投入中上層燃燒器，因而易造成上述部分水冷壁管束超溫、熱偏差的問題[6]。進(jìn)而解決上述問題需在現(xiàn)有的燃燒器投運(yùn)方式下，通過合理的燃燒調(diào)整，重新分配爐膛熱負(fù)荷，具體可采取以下措施：

(1)改善制粉系統(tǒng)的組合方式。在不影響機(jī)組負(fù)荷或汽溫控制的前提下，可采取上層制粉系統(tǒng)運(yùn)行且同等數(shù)量下制粉系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，盡量增加上層制粉系統(tǒng)的燃煤量，減少最下層制粉系統(tǒng)的燃煤量，減少水冷壁區(qū)域的熱負(fù)荷并使工質(zhì)在水冷壁內(nèi)的過熱度的吸熱長度，對(duì)于防止部分水冷壁部分管束超溫，出現(xiàn)熱偏差有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用[7]。原在鍋爐轉(zhuǎn)入直流工況210～330 MW的中低負(fù)荷運(yùn)行階段，采取A、B、C制粉系統(tǒng)運(yùn)行，盡管采取多種調(diào)節(jié)方式，如上述的多種提高質(zhì)量流速的方法，對(duì)于水冷壁熱偏差起到了較強(qiáng)的抑制作用，但問題未得到根本解決；后在相同的負(fù)荷階段啟動(dòng)D制粉系統(tǒng)，隨著D制粉系統(tǒng)投入燃煤量的增加，原局部壁溫高的水冷壁管束，溫度迅速下降，四墻水冷壁的熱偏差迅速減少至30 ℃以內(nèi)，基本問題得以解決；經(jīng)過多次實(shí)踐證明如在該負(fù)荷階段停運(yùn)A制粉系統(tǒng)，B、C、D制粉系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，基本未出現(xiàn)較大的水冷壁熱偏差。表2即D制粉系統(tǒng)啟動(dòng)后水冷壁熱偏差的變化情況。

表2　D制粉啟動(dòng)啟動(dòng)后的水冷壁熱偏差變化情況

(2)巧妙的配風(fēng)提高爐膛火焰中心。提高爐膛的火焰中心，減少水冷壁區(qū)域的熱負(fù)荷，對(duì)于減緩水冷壁管束超溫、熱偏差有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用[8]?？梢酝ㄟ^燃燒器燃燒器擺角實(shí)現(xiàn)，也可以利用配風(fēng)方式進(jìn)行：

開大最底層的二次風(fēng)門，維持在 90%開度，并開大下層備用制粉系統(tǒng)的出口門和冷風(fēng)門；增大燃燒器周界風(fēng)擋板的的開度，延時(shí)煤粉著火，提高火焰中心的位置。

充分利用緊湊燃燼AA風(fēng)和分離燃燼風(fēng)OFA風(fēng)的調(diào)節(jié)作用，不僅改變的火焰中心而且實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒降低爐膛熱負(fù)荷較大區(qū)域的溫度水平，其控制水冷壁的熱偏差作用也較為明顯。如表3所示：在機(jī)組負(fù)荷285 MW，采取A、B、C制粉系統(tǒng)運(yùn)行，僅通過調(diào)節(jié)AA風(fēng)和OFA風(fēng)時(shí)，水冷壁管束中間入口集箱壁溫的溫度變化。當(dāng)上、下兩層的AA風(fēng)擋板開度從65%關(guān)至20%，而OFA風(fēng)從40%開至75%時(shí)，原水冷壁中間入口集箱壁溫較高的前墻的NO.48、NO.52、NO.62等管束溫度大幅下降，管間熱偏差明顯減少，其調(diào)節(jié)作用顯現(xiàn)。

(3)適當(dāng)增大煤粉細(xì)度。煤粉細(xì)度增大也會(huì)使鍋爐煤粉燃燒退后，火焰中心位置提高，有利于減少水冷壁內(nèi)的吸熱量和管壁溫差[9]。但因增加了飛灰含碳量，影響鍋爐效率，所以正常調(diào)節(jié)較少引用。對(duì)此可以采取下層燃燒器煤粉細(xì)度較粗，而上層燃燒器較細(xì)的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)；而且現(xiàn)電廠多采取動(dòng)態(tài)分離器的方式調(diào)節(jié)煤粉細(xì)度，改變是較為方便，即改變分離器的轉(zhuǎn)速。

表3　緊急燃燼風(fēng)AA和分離燃燼風(fēng)OFA對(duì)于水冷壁熱偏差的影響

4.3防止氧化皮脫落

水冷壁氧化皮的脫落[10]無疑會(huì)造成節(jié)流孔的堵塞，影響水冷壁管束的冷卻流量，所以在日常鍋爐運(yùn)行中需做好各項(xiàng)有效防止氧化皮脫落的技術(shù)措施。結(jié)合日常生產(chǎn)應(yīng)重點(diǎn)注意以下幾方面：

(1)防止高加解列造成的給水溫度突降。給水溫度突降會(huì)造成水冷壁的急速冷卻，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，加速水冷壁管束內(nèi)氧化皮的脫落，尤其在高加疏水調(diào)閥卡澀或水位調(diào)節(jié)品質(zhì)不好，急速快速升降負(fù)荷時(shí)的情況下，極易發(fā)生。

(2)適當(dāng)減緩機(jī)組升降負(fù)荷的速率和幅度。升降負(fù)荷速率或幅度過大，會(huì)造成爐內(nèi)溫度場、給水流量、減溫水量、蒸汽溫度的快速和大幅度擾動(dòng)，加速水冷壁氧化皮的剝離[11]。而且現(xiàn)為提高機(jī)組的負(fù)荷相應(yīng)能力，升降負(fù)荷時(shí)燃料的前饋量比例大于給水量的比例，燃料的滯后性明顯(給煤量的開始增加至表現(xiàn)出燃燒效應(yīng)可能需120～180 s的時(shí)間)。機(jī)組的協(xié)調(diào)，升降負(fù)荷速率和幅度必須考慮到以上問題，使燃燒和水冷壁內(nèi)工質(zhì)發(fā)生比較平穩(wěn)的變化，確保升降負(fù)荷對(duì)爐內(nèi)平衡的擾動(dòng)降到最低。

(3)避免鍋爐快速冷卻。同類型鍋爐因節(jié)流孔堵塞多發(fā)生爆管問題，但常為節(jié)省搶修時(shí)間，采取快速換水或未經(jīng)悶爐、自然冷卻等方式或時(shí)間很短，直接采取啟動(dòng)風(fēng)機(jī)快速冷卻受熱面的方式，進(jìn)而加速其氧化皮的脫落并造成受熱面較大的應(yīng)力沖機(jī)。對(duì)此因嚴(yán)格遵守鍋爐廠和相關(guān)技術(shù)規(guī)范所提供的冷卻速率方式和速率要求進(jìn)行。

5結(jié)論

超(超超)臨界鍋爐在轉(zhuǎn)入直流工況至中低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，因水冷壁質(zhì)量流量和爐膛熱負(fù)荷分配的不匹配，是較容易產(chǎn)生部分水冷壁管束壁溫高、熱偏差大的問題。解決此問題可采取多種方式，如：減少減溫水量，適當(dāng)降低過熱度，依靠改變的制粉系統(tǒng)的組合方式、燃燒配風(fēng)、煤粉細(xì)度調(diào)整等，改變水冷壁內(nèi)的吸熱量，使與爐膛熱負(fù)荷匹配。同時(shí)在安裝、檢修等階段注重結(jié)凈化施工；正常投產(chǎn)后利用多種措施防止氧化皮脫落，也有利于避免或減緩發(fā)生熱偏差的問題。

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Analysis on Thermal Deviation Problem on Water-wallin Ultra-supercritical Boiler

ZHANG Jiguang1, DUAN Bao2, CHEN Junfeng2(1. Huadian Electric Power Research Institute, Xi’an 710075, China;2. Xi’an Xingyi Power Generation & Commissioning Co., Ltd., Xi’an 710075, China)

Abstract：a certain 660MW ultra supercritical boiler as the study objective, when it transfers into DC working condition, a problem of thermal deviation of the water wall often occurs during the intermediate and low pressure operation. The main reason is that the cooling flow of the water wall and heat load of the boiler does not match. On this issue, various measures such as reducing the quantity of desuperheating water, lowering degree of superheat properly, changing the combination mode of coal pulverizing system and combustion air distribution, and adjusting fineness of pulverized coal, are taken and have remarkable effects on controlling thermal deviation. Meanwhile, in the light of the structural features of water wall of the boiler, control measures for preventing exfoliation of the oxide scale during operation are proposed and they also have a strong effect on slowing down water wall thermal deviation. The research of this paper provides strong reference for units of the same type to resolve similar issues.

Keywords：water wall/WW; orifice; thermal deviation; mass flow rate/velocity; thermal/heat load; oxide scale

中圖分類號(hào):TK22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.03.009

作者簡介：張繼光(1981-)，男，工程師，從事火力發(fā)電廠調(diào)試等方面的工作，E-mail:zjg306@126.com。

收稿日期：2015-12-29。