某電廠600 MW超臨界鍋爐末級(jí)過熱器壁溫偏差的試驗(yàn)分析

余盛杰，薛森賢，陳樹科

(廣東珠海金灣發(fā)電有限公司，廣東 珠海 519000)

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某電廠600 MW超臨界鍋爐末級(jí)過熱器壁溫偏差的試驗(yàn)分析

余盛杰，薛森賢，陳樹科

(廣東珠海金灣發(fā)電有限公司，廣東 珠海 519000)

以上海鍋爐廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的某電廠600 MW超臨界鍋爐為例，該機(jī)組由于懸吊管與末級(jí)過熱器存在較大的壁溫偏差，導(dǎo)致機(jī)組主、再熱汽溫較設(shè)計(jì)值偏低約10℃，末級(jí)過熱器多次因氧化皮爆管，嚴(yán)重影響了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性。針對(duì)鍋爐存在的問題，結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)和電廠運(yùn)行規(guī)程，通過燃燒優(yōu)化調(diào)整，減小了末級(jí)過熱器的壁溫偏差，實(shí)現(xiàn)了鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。

四角切圓；超臨界鍋爐；末級(jí)過熱器；懸吊管

四角切圓燃燒方式由于其爐內(nèi)混合較好、燃燒穩(wěn)定、熱負(fù)荷分布均勻及煤種適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)在電站鍋爐中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。由于π型鍋爐水平煙道的存在，煙氣從爐膛出口至水平煙道的轉(zhuǎn)向過程中容易造成煙氣流速偏差。通過對(duì)目前運(yùn)行的燃煤機(jī)組煙氣溫度和速度的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在爐膛垂直出口斷面處的煙氣流速對(duì)末級(jí)過熱器壁溫偏差的影響要比煙溫的影響大得多。這說明末級(jí)過熱器壁溫的溫偏差可以受爐內(nèi)空氣動(dòng)力場的影響[2]。旋流值可以通過一系列手段減小，諸如減小燃燒器區(qū)域起旋氣流入射角、布置分離燃盡風(fēng)(SOFA)噴嘴、SOFA反切一定角度，以及增加從燃燒器區(qū)域至爐膛出口的距離等，使進(jìn)入燃燒器上部區(qū)域氣流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度得到減弱乃至被消除。

本文以上海鍋爐廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的某電廠600 MW超臨界鍋爐為例。該機(jī)組由于懸吊管與末級(jí)過熱器存在較大的壁溫偏差，導(dǎo)致機(jī)組主、再熱汽溫較設(shè)計(jì)值偏低約10℃，末級(jí)過熱器多次因氧化皮爆管，嚴(yán)重影響了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性。針對(duì)鍋爐存在的問題，結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)和電廠運(yùn)行規(guī)程，通過燃燒優(yōu)化調(diào)整，減小了懸吊管與末級(jí)過熱器的壁溫偏差，實(shí)現(xiàn)了鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 設(shè)備簡介

某電廠600 MW超臨界鍋爐設(shè)備采用的是上海鍋爐廠生產(chǎn)的螺旋管圈、單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒方式、π型露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)燃煤直流爐。設(shè)計(jì)煤種為神府東勝煤，校核煤種為晉北煙煤。

爐膛上部布置有分隔屏過熱器和后屏過熱器，水平煙道依次布置末級(jí)再熱器和末級(jí)過熱器，尾部煙道布置有低溫再熱器和省煤器。其中，后屏過熱器與末級(jí)過熱器、低溫再熱器與末級(jí)再熱器之間均設(shè)計(jì)有管道交叉來減小偏差。

鍋爐燃燒方式采用低NOx同軸燃燒系統(tǒng)(LNCFS)，煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動(dòng)調(diào)溫。主風(fēng)箱設(shè)有6層強(qiáng)化著火煤粉噴嘴，在煤粉噴嘴四周布置有燃料風(fēng)(周界風(fēng))。在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置有1層輔助風(fēng)噴嘴，其中包括上下2只偏置的CFS噴嘴，1只直吹風(fēng)噴嘴。在主風(fēng)箱上部設(shè)有2層CCOFA噴嘴，在主風(fēng)箱下部設(shè)有1層UFA噴嘴。在主風(fēng)箱上部布置有SOFA燃燒器，包括5層可水平擺動(dòng)的分離燃盡風(fēng)(SOFA)噴嘴。SOFA風(fēng)除了起到分級(jí)燃燒降低NOx的作用外，其最重要的就是消弱乃至消除爐膛出口殘余氣流旋轉(zhuǎn)，達(dá)到降低受熱面汽溫、壁溫偏差的目的。

2 機(jī)組運(yùn)行分析

在燃用神混1：蒙煤混比為3:2 的情況下，機(jī)組在600 MW負(fù)荷時(shí)懸吊管左側(cè)壁溫和末級(jí)過熱器左側(cè)壁溫均容易超過報(bào)警值，過熱器出口汽溫和再熱器出口汽溫長期只有560℃左右，此時(shí)懸吊管和末級(jí)過熱器壁溫距離報(bào)警值已相當(dāng)接近，在負(fù)荷波動(dòng)的情況下隨時(shí)都有超溫的風(fēng)險(xiǎn)。600 MW負(fù)荷日常運(yùn)行值(T01)與設(shè)計(jì)值對(duì)比如表1所示，表1中為日常工況。600 MW負(fù)荷日常運(yùn)行工況(T01)懸吊管壁溫分布如圖1所示，600 MW負(fù)荷日常運(yùn)行工況(T01)末級(jí)過熱器壁溫分布如圖2所示。

表1 600 MW負(fù)荷日常運(yùn)行值(T01)與設(shè)計(jì)值對(duì)

圖1中，懸吊管共56 根，第1～13 根已進(jìn)行過材料升級(jí)，報(bào)警值為480℃，第14～56 根為原設(shè)計(jì)，報(bào)警值為463℃。

圖2 600 MW負(fù)荷日常運(yùn)行工況(T01)末級(jí)過熱器壁溫分布

在圖2中，末級(jí)過熱器共82排，每排12根管子，上海鍋爐廠原設(shè)計(jì)報(bào)警值621℃，為減少氧化皮的生成，業(yè)主暫定報(bào)警值為595℃。

從這些數(shù)據(jù)可以看出，懸吊管左側(cè)壁溫最高值達(dá)到474℃，距離報(bào)警值只有6℃的空間；末級(jí)過熱器左側(cè)壁溫最高達(dá)到586℃，距離報(bào)警值只有9℃的空間，且受熱面左右側(cè)壁溫偏差都很大。一旦出現(xiàn)負(fù)荷波動(dòng)，機(jī)組協(xié)調(diào)跟不上負(fù)荷波動(dòng)將出現(xiàn)受熱面壁溫超溫的現(xiàn)象。同時(shí)由于超溫限制了主、再熱汽溫的提高，嚴(yán)重影響了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性與安全性。

3 原因分析

引進(jìn)型600 MW鍋爐的過熱器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全是左右對(duì)稱的，末級(jí)過熱器的水力不均系數(shù)僅在6%以下。因此，受熱面能有如此大的壁溫偏差只能從煙氣側(cè)尋找原因[3]。對(duì)于四角切圓鍋爐，假想切圓位于爐膛中央。如果燃燒器安裝質(zhì)量、冷態(tài)檢查、一次風(fēng)調(diào)平等都達(dá)到要求，那么可以認(rèn)為截止到分隔屏底，爐內(nèi)氣流的溫度場和速度場是左右對(duì)稱的，左右側(cè)應(yīng)該沒有偏差現(xiàn)象存在。

表2 600 MW負(fù)荷變SOFA水平擺角試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

在進(jìn)入屏區(qū)后，由于殘余旋轉(zhuǎn)的存在及分隔屏的切割導(dǎo)流作用，出現(xiàn)了煙氣速度場、流量場及溫度場的偏差現(xiàn)象，對(duì)順時(shí)針方向切圓燃燒方式而言，由于煙氣殘余旋轉(zhuǎn)慣性的作用，使上爐膛右側(cè)區(qū)內(nèi)主煙氣的流向指向爐前，能通過整個(gè)分隔屏區(qū)，之后再返回流向其后的水平煙道；而左側(cè)區(qū)內(nèi)，由于氣流的慣性，速度方向是指向爐后。因此其主流只經(jīng)過分隔屏下部區(qū)而直接短路流向爐后。后屏區(qū)的煙氣流動(dòng)情況也與之類似，也就是說，在上爐膛中，右側(cè)區(qū)的煙氣流充滿程度大大好于左側(cè)區(qū)，而且由于右側(cè)區(qū)煙氣流有一個(gè)向前、滯止和轉(zhuǎn)向加速運(yùn)行過程，能形成較強(qiáng)的氣流擾動(dòng)，也強(qiáng)化了右側(cè)區(qū)氣流的對(duì)流換熱能力，這一點(diǎn)已通過冷態(tài)空氣模化試驗(yàn)及爐膛數(shù)值計(jì)算結(jié)果所證實(shí)(見圖3)，這便是爐膛上部區(qū)域受熱面吸熱量呈左低右高進(jìn)而造成屏區(qū)出口煙溫左高右低的主要原因。由圖3可見，因?yàn)樽?、右?cè)換熱條件的不同，使得煙氣溫度偏差和工質(zhì)側(cè)沿爐寬方向上的汽溫偏差伴隨著換熱的進(jìn)行而生成。同時(shí)，由于上爐膛右側(cè)氣室內(nèi)煙氣向爐后運(yùn)動(dòng)的阻力大于左側(cè)，從而造成右側(cè)區(qū)煙氣流量低于左側(cè)區(qū)煙氣流量[3]。

圖3 爐膛上部煙氣流向示意圖

當(dāng)煙氣流進(jìn)入水平煙道后，由于煙氣在水平煙道入口(指末再入口)左側(cè)區(qū)的體積流量高于右側(cè)區(qū)的體積流量，而左側(cè)區(qū)煙溫水平高于右側(cè)區(qū)的這一事實(shí)又強(qiáng)化了水平煙道內(nèi)左側(cè)區(qū)域受熱面的對(duì)流換熱，使水平煙道中各級(jí)受熱面出口側(cè)對(duì)應(yīng)單管內(nèi)工質(zhì)溫升沿爐寬方向的分布呈現(xiàn)出左高右低的特性。

表3 600 MW負(fù)荷變SOFA開度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

從國外試驗(yàn)的結(jié)論來看，對(duì)比煙氣溫度與煙氣流速對(duì)受熱面吸熱偏差的影響，發(fā)現(xiàn)在水平煙道內(nèi)，兩側(cè)煙氣流量的不平衡造成的傳熱能量的不平衡是引發(fā)受熱面出口汽溫偏差的主要原因。結(jié)合鍋爐設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員為了減小末級(jí)過熱器出口汽溫偏差對(duì)后屏與末級(jí)過熱器的連接管道進(jìn)行了交叉，但是從表1的數(shù)據(jù)來看，分隔屏與后屏的吸熱特性為左低右高，末級(jí)過熱器的吸熱特性為左高右低，兩片吸熱特性相反的受熱面再進(jìn)行交叉將導(dǎo)致吸熱偏差越來越大。

對(duì)于目前存在的汽溫偏差問題，結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況考慮，現(xiàn)在無法將交叉前移至分隔屏與后屏之間或者將交叉取消，那么我們將從影響鍋爐汽溫偏差的所有可調(diào)因素入手，通過試驗(yàn)手段，找到最佳的運(yùn)行方式，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性、安全性。

4 試驗(yàn)內(nèi)容

為了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性與可靠性，本次試驗(yàn)負(fù)荷選取600 MW，從影響受熱面吸熱偏差的各個(gè)因素入手，對(duì)鍋爐進(jìn)行燃燒調(diào)整試驗(yàn)，得到該負(fù)荷段最佳運(yùn)行方式，同時(shí)分別在450、300 MW負(fù)荷驗(yàn)證此次燃燒調(diào)整的效果。通過綜合分析，對(duì)改善機(jī)組運(yùn)行提供較好的思路。本次燃燒調(diào)整試驗(yàn)手段包括偏置風(fēng)開度、周界風(fēng)開度、輔助風(fēng)開度、CCOFA開度、SOFA開度、SOFA水平擺角、SOFA垂直擺角、主燃燒器擺角。根據(jù)之前的分析，在調(diào)整過程中影響受熱面吸熱偏差最大的就是SOFA水平擺角和SOFA開度，下面將對(duì)這兩個(gè)因素進(jìn)行定性與定量的分析。為了便于分析各級(jí)受熱面左右兩側(cè)的吸熱變化，引進(jìn)各級(jí)受熱面的左側(cè)溫升減去右側(cè)溫升這個(gè)參數(shù)，若這個(gè)參數(shù)為正，說明受熱面左側(cè)吸熱大于右側(cè)，反之亦然，然后再結(jié)合末級(jí)過熱器的壁溫變化綜合分析。

對(duì)于SOFA水平擺角，首先將1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)的五層SOFA全部置為反切15°，然后依次將1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)的1～5層SOFA分別置為0°、正切15°，觀察鍋爐運(yùn)行參數(shù)的變化。600 MW負(fù)荷變SOFA水平擺角懸吊管壁溫分布如圖4所示。600 MW負(fù)荷變SOFA水平擺角末級(jí)過熱器壁溫分布如圖5所示。600 MW負(fù)荷變SOFA水平擺角試驗(yàn)數(shù)據(jù)表如表2所示。

圖4 600 MW負(fù)荷變SOFA水平擺角懸吊管壁溫分布

圖5 600 MW負(fù)荷變SOFA水平擺角末級(jí)過熱器壁溫分布

對(duì)于SOFA開度，在確定SOFA最佳水平擺角的情況下，通過調(diào)整SOFA開度大小來控制消旋的強(qiáng)度。600 MW負(fù)荷變SOFA開度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表如表3所示。600 MW負(fù)荷變SOFA水平擺角各級(jí)受熱面左右側(cè)溫升差的變化如圖6所示。600 MW負(fù)荷變SOFA開度懸吊管壁溫分布如圖7所示。600 MW負(fù)荷變SOFA開度末級(jí)過熱器壁溫分布如圖8所示。600 MW負(fù)荷變SOFA開度各級(jí)受熱面左右側(cè)溫升差的變化見圖9。

圖6 600 MW負(fù)荷變SOFA水平擺角各級(jí)受熱面左右側(cè)溫升差的變化

圖7 600 MW負(fù)荷變SOFA開度懸吊管壁溫分布

圖8 600 MW負(fù)荷變SOFA開度末級(jí)過熱器壁溫分布

圖9 600 MW負(fù)荷變SOFA開度各級(jí)受熱面左右側(cè)溫升差的變化

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著SOFA水平擺角由正切置為反切、隨著SOFA開度的逐漸增大，SOFA消旋作用越來越強(qiáng)，末級(jí)過熱器的壁溫偏差越來越小，受熱面左右兩側(cè)的溫升也越來越小。

5 結(jié)語

(1)分隔屏與后屏的吸熱特性為左低右高，隨著SOFA消旋的增強(qiáng)左右側(cè)溫升差有進(jìn)一步減小的趨勢，但是吸熱特性仍然為左高右低；

(2)末級(jí)過熱器與末再的吸熱特性為左高右低，隨著SOFA消旋的增強(qiáng)左右側(cè)溫升差可能會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，即如果消旋過強(qiáng)，則會(huì)出現(xiàn)左低右高的吸熱特性；

(3)建議利用停機(jī)檢修的機(jī)會(huì)對(duì)過熱器交叉進(jìn)行改造，建議將后屏與末級(jí)過熱器的交叉放到分隔屏與后屏之間；

(4)SOFA水平擺角對(duì)末級(jí)過熱器壁溫偏差的影響最大，建議五層SOFA水平擺角全部置為反切15°，然后通過SOFA開度來調(diào)節(jié)消旋強(qiáng)度；

(5)建議將懸吊管第14～56根管子換成與第1～13根管子一樣，提高右側(cè)的報(bào)警值，可以進(jìn)一步將末級(jí)過熱器的壁溫偏差減??；

(6)通過調(diào)整，基本可以控制末級(jí)過熱器壁溫偏差在5℃以內(nèi)，最高點(diǎn)距離報(bào)警值有10～15℃的裕度；

(7)將600 MW負(fù)荷的調(diào)整思路在450、300 MW負(fù)荷驗(yàn)證，在SOFA水平擺角的固定的情況下，只需通過調(diào)整SOFA開度即可將末級(jí)過熱器左右側(cè)壁溫調(diào)平；

(8)通過此次燃燒調(diào)整，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性、可靠性，同時(shí)將機(jī)組的主、再熱汽溫提高了6～8℃，提高了機(jī)組整體的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

[1] 周俊虎,宋國良,陳寅彪,等. 2008 t/h四角切圓燃燒鍋爐爐膛出口煙溫偏差的試驗(yàn)研究[J].熱力發(fā)電, 2003, 32(6): 31-35.

[2] 韓作彬,張宏英. 切圓燃燒鍋爐再熱汽溫偏差影響因素分析[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 4(3): 219-223.

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[3] 姜義道,姜祖光,包建鋒,等. 消除國產(chǎn)600 MW機(jī)組鍋爐汽溫偏差的有效措施[J].鍋爐制造, 2000(4): 18-21.

JIANG Yi-dao, Jiang Zu-guang, BAO Jian-feng,etal. Effective measure for elimnating homemade 600 mw[J].Boiler Manufacturing, 2000(4): 18-21.

(本文編輯：趙艷粉)

Experimental Analysis of Final-Stage Superheater Wall Temperature Deviation of 600 MW Supercritical Boiler

YU Sheng-jie, XUE Sen-xian, CHEN Shu-ke

Guangdong Zhuhai Jinwan Power Generation Co., Ltd., Zhuhai 519000, China

As shown in the research of the 600 MW supercritical boiler in a power plant designed and manufactured by Shanghai Boiler Factory, the large wall temperature deviation betweem pendant pipe and final-stage superheater makes the main and reheat steam temperature 10 ℃ lower than the designed value, the final-stage superheater tube has broken many times due to oxidation, which seriously affected the economy and safety of the equipment operation. For these problems of boiler, in combination with parameter design and power plant operation procedures, the combustion is optimized and adjusted, reducing the wall temperature deviation of final-stage superheater, realizing the safe, economical and stable operation of the boiler.

four-corner tangent network; supercritical boiler; final-stage superheater; pendant pipe

10.11973/dlyny201605019

余盛杰(1975)，男，工程師，高級(jí)技師，從事火電廠集控運(yùn)行技術(shù)管理工作。

TK299.2

B

2095-1256(2016)05-0615-06

2016-06-23