受熱面管局部交叉在鍋爐熱偏差改造中的應(yīng)用

崇培安， 徐洪濤， 丁士發(fā)

(1.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240； 2.淮滬煤電有限公司田集發(fā)電廠，安徽淮南 232000)

內(nèi)蒙某燃煤發(fā)電機組的鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HG-670/13.7-YM11型超高壓、一次中間再熱、自然循環(huán)、固態(tài)排渣煤粉爐，采用鋼球磨煤機中間儲倉式制粉系統(tǒng)，乏氣送粉，切圓燃燒方式，鍋爐呈“∏”型布置，裝有16只低氮燃燒器(采用四區(qū)燃燒耦合分級NOx控制技術(shù))。爐膛產(chǎn)生的高溫?zé)煔庋責(zé)煔饬飨蛞来谓?jīng)過分割屏受熱面、后屏受熱面、高溫過熱器、高溫再熱器、低溫再熱器、省煤器高溫段、管式空氣預(yù)熱器高溫段、省煤器低溫段和管式空氣預(yù)熱器中低溫段。其中高溫再熱器處于“∏”型鍋爐的水平煙道中，管材規(guī)格為外徑42 mm，厚3.5 mm，材質(zhì)由12Cr1MoV和T91共同組成，爐外管材質(zhì)為12Cr1MoV。高溫再熱器共114片屏，每片屏有10根同屏管，橫向節(jié)距為100 mm，縱向節(jié)距為87 mm。

在投運初期，該廠多次發(fā)生高溫再熱器爆管，之后增加了高溫再熱器壁溫測點，將爐外出口壁溫嚴(yán)格控制在580 ℃以內(nèi)(該廠高溫再熱器報警溫度為580 ℃)，爆管現(xiàn)象得到改善，但卻使再熱汽溫受到影響(只能控制到520 ℃，原設(shè)計為540 ℃)，嚴(yán)重影響了機組的經(jīng)濟性。筆者在試驗與理論計算研究的基礎(chǔ)上，提出受熱面管局部交叉的改造方案，成功解決了該廠再熱器超溫爆管問題，為解決其他機組類似問題提供了參考。

1 機組運行試驗研究

為了對該機組目前運行狀態(tài)進(jìn)行分析研究，增加了該機組高溫再熱器部分壁溫測點，并進(jìn)行了部分試驗研究，以此來全面測試不同負(fù)荷下的高溫再熱器出口壁溫情況。

圖1和圖2給出了各負(fù)荷下高溫再熱器最外圈管沿爐膛寬度方向的出口壁溫分布。從圖1和圖2可以看出，在滿負(fù)荷下，再熱汽溫為535 ℃時，爐外出口壁溫最高達(dá)632 ℃，再熱汽溫為525 ℃時，爐外出口壁溫最高達(dá)610 ℃，沿爐膛寬度中間壁溫高于兩側(cè)，且右側(cè)高于左側(cè)。折算到爐內(nèi)壁溫最大可達(dá)650 ℃左右，超過了管材(12Cr1MoVG/SA-213T91材料)的許用溫度，爐內(nèi)金屬管存在嚴(yán)重超溫現(xiàn)象。出口聯(lián)箱及管接頭為12Cr1MoVG材料，也存在局部超溫現(xiàn)象[1]。

圖1 滿負(fù)荷下不同再熱汽溫時最外圈管出口壁溫分布

Fig.1 Outlet temperature distribution of the outermost tube at different steam temperatures of reheater under full load

在中低負(fù)荷下運行時，為了限制壁溫，再熱汽溫只維持在520 ℃左右運行，再熱器最外圈管出口壁溫最大也達(dá)到了600 ℃，該溫度相對管材仍偏高，爐內(nèi)管子依然存在超溫現(xiàn)象。

從高溫再熱器最外圈管沿爐膛寬度方向的出口壁溫分布來看，出口壁溫超過580 ℃的有40屏左右，超過600 ℃的有34屏左右，出口壁溫分布極不均勻，在中間40屏左右嚴(yán)重超溫，影響了機組的安全運行[2]。

圖2 中低負(fù)荷下再熱器最外圈管出口溫度分布

Fig.2 Outlet temperature distribution of the outermost tube of reheater under medium and low load

圖3給出了高溫再熱器最外圈屏間熱偏差系數(shù)分布。從圖3可以看出，高負(fù)荷(80%負(fù)荷以上)下最大屏間熱偏差系數(shù)達(dá)1.37，低負(fù)荷(65%負(fù)荷以下)下最大屏間熱偏差系數(shù)達(dá)1.46，且分布極不均衡，滿負(fù)荷下高溫再熱器原設(shè)計平均溫升為122 K，試驗中高溫再熱器最大熱偏差對應(yīng)的管屏最外圈管溫升達(dá)到223 K，這表明高溫再熱器屏間熱偏差很大，相同進(jìn)口溫度下，最大屏間熱偏差管屏出口壁溫高，超過材料許用溫度，對機組安全生產(chǎn)構(gòu)成了極大威脅。機組高溫再熱器從左數(shù)第40～第75屏為超溫較嚴(yán)重的區(qū)域，該高溫再熱器受熱面出口集箱采用大集箱連接小集箱的結(jié)構(gòu)，因此從其壁溫分布和熱偏差分布來看，在第40～第75屏小集箱也存在超溫現(xiàn)象，該區(qū)域小集箱甚至大集箱可能存在長期超溫問題，需要在停爐檢修時對高溫再熱器出口集箱進(jìn)行檢查，確保該部分管道及集箱的安全性[3]。

圖3 不同負(fù)荷下高溫再熱器最外圈屏間熱偏差分布

Fig.3 Distribution of thermal deviation of reheater outermost tube among different panels under different loads

高溫再熱器中，最外圈管最長，阻力最大，流量相對較小，吸收的熱負(fù)荷也最大，因此高溫再熱器的最外圈管壁溫最高，試驗中測量了高溫再熱器同屏管外3根管的出口壁溫，根據(jù)該屏進(jìn)出口平均壁溫可計算出高溫再熱器同屏最大熱偏差。

圖4和表1分別給出了高溫再熱器第56屏最外圈對應(yīng)的出口壁溫?zé)崞钕禂?shù)。由表1可知，同屏最大熱偏差系數(shù)為1.270，由于管長和吸熱的原因?qū)е伦钔馊艿臏厣畲?，?yán)重影響機組的安全經(jīng)濟運行[4]。

圖4 不同負(fù)荷下高溫再熱器第56屏外3根管出口壁溫分布

Fig.4 Outlet wall temperature distribution in outermost 3 tubes of panel 56 in high-temperature reheater under different loads

表1不同負(fù)荷下高溫再熱器第56屏最外圈對應(yīng)的同屏熱偏差系數(shù)

Tab.1ThermaldeviationcoefficientofoutermosttubesinreheaterNo.56panelunderdifferentloads

負(fù)荷/MW熱偏差系數(shù)200(535 ℃)1.270200(525 ℃)1.2651501.2401351.2301201.250

2 采用交叉結(jié)構(gòu)前的計算分析

通過試驗研究得出高溫再熱器存在較大的屏間和同屏熱偏差，熱偏差產(chǎn)生的原因有：一是結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的流量分配偏差；二是煙氣側(cè)熱負(fù)荷偏差。

首先對該高溫再熱器的流量偏差進(jìn)行校核計算，該高溫再熱器進(jìn)口有2個集箱，分為進(jìn)口上集箱和進(jìn)口下集箱，2個進(jìn)口集箱各給一半管屏供汽，引入方式都是兩端引入，每個進(jìn)口集箱分配到57個進(jìn)口小聯(lián)箱中，每片屏對應(yīng)一個進(jìn)口小聯(lián)箱。管束出口先匯流到出口小聯(lián)箱中，再匯流到一個出口集箱中，匯流出口集箱采用兩端引出的方式。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

根據(jù)該結(jié)構(gòu)采用水動力計算標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算，該結(jié)構(gòu)下高溫再熱器的流量偏差如圖6和圖7所示。

圖5 高溫再熱器結(jié)構(gòu)圖

圖6 高溫再熱器同屏流量偏差分布

Fig.6 Distribution of flow deviation in the same panel of high-temperature reheater

圖7 高溫再熱器屏間流量偏差分布(114屏對稱分布)

Fig.7 Distribution of flow deviation in different panels of high-temperature reheater(symmetrical distribution of 114 panels)

從圖6和圖7可以看出，高溫再熱器的同屏流量偏差不大，最外圈管的流量偏差系數(shù)最小，為0.982 3，流量偏差系數(shù)最大的是內(nèi)圈管，為1.023，同屏流量偏差主要是受管束的管長影響較大，管長較長的管子阻力相對較大，流量相應(yīng)偏小，管長短的管子阻力相對較小，流量相應(yīng)偏大。最外圈管子最長，因此流量相應(yīng)較小，這與實際吸熱偏差沒有較好匹配，最外圈管子的煙氣側(cè)吸熱量最大，而蒸汽流量較小，因此外圈管同屏熱偏差系數(shù)最大，比同屏其他管的出口壁溫都高。

該高溫再熱器的屏間流量偏差相對較大，流量最小出現(xiàn)在爐膛寬度的中部，流量偏差系數(shù)為0.84，流量最大出現(xiàn)在高溫再熱器沿爐膛寬度的兩端，流量偏差系數(shù)為1.184。由于該高溫再熱器的2個進(jìn)口集箱都是兩端引入，出口為一個集箱，是兩端引出，因此高溫再熱器的屏間流量分布規(guī)律呈現(xiàn) “凹”形分布，流量最大出現(xiàn)在沿爐膛寬度兩端位置，流量最小出現(xiàn)在中部位置。從計算結(jié)果來看，該結(jié)構(gòu)的高溫再熱器屏間流量偏差較大，這也是導(dǎo)致高溫再熱器較大熱偏差的主要原因。

在以上流量偏差計算的基礎(chǔ)上，對最小流量屏進(jìn)行壁溫計算，結(jié)果見圖8，其中BMCR為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況.從圖8可以看出，同屏管壁溫外圈管壁溫最高，同屏第9根管壁溫最低，溫升相對較弱。

圖8 高溫再熱器熱段同屏的出口壁溫

從圖8還可以看出，高溫再熱器熱段出口壁溫超溫嚴(yán)重，在高負(fù)荷下，再熱器外圈管爐外出口壁溫最高達(dá)到610 ℃；在低負(fù)荷下，再熱器外圈管爐外出口壁溫最高達(dá)到600 ℃，超溫區(qū)域出現(xiàn)在中間40屏左右區(qū)域，計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合。

壁溫出現(xiàn)較大偏差的原因有：第一，由于結(jié)構(gòu)原因?qū)е碌钠灵g流量偏差較大，根據(jù)蒸汽流量偏差計算結(jié)果顯示，沿爐膛寬度方向中間區(qū)域的蒸汽流量偏差系數(shù)小至0.84，兩側(cè)的蒸汽流量大，造成中間區(qū)域的壁溫較高；第二，根據(jù)同屏流量偏差計算結(jié)果，同屏管子最外圈管的蒸汽流量偏差系數(shù)偏小一點，為0.98，而最外圈管對應(yīng)的吸熱最強，造成較大的同屏熱偏差，同屏熱偏差系數(shù)達(dá)1.27左右，所以外圈管的出口壁溫最高[5]。

3 局部交叉后的理論計算

通過理論計算可知，屏間蒸汽流量偏差會造成較大的屏間熱偏差，同屏吸熱偏差較大導(dǎo)致同屏熱偏差較大。所以最初通過改變機組高溫再熱器沿爐膛寬度方向的熱負(fù)荷分布來考慮解決偏差問題，但是進(jìn)行了幾次燃燒優(yōu)化試驗均沒有得到良好的效果，同時考慮到對原來集箱系統(tǒng)的引入引出方式進(jìn)行改造工程量較大，因此采用改造量較小的局部調(diào)整方案來降低壁溫，保障機組安全運行。

筆者通過同屏交叉管和局部結(jié)構(gòu)調(diào)整來降低高溫再熱器熱偏差。交叉管的使用方案見圖9。在冷段第二回程，原來最外圈數(shù)第1根被換到最外圈數(shù)第9根的位置，減少了原來第1根的吸熱，原來最外圈數(shù)第2根被換到最外圈數(shù)第8根的位置，原來最外圈數(shù)第3根被換到最外圈數(shù)第7根的位置，這樣就達(dá)到了冷熱段同屏吸熱偏差的平衡，從而降低了同屏熱偏差。經(jīng)計算，交叉后可降低最高壁溫10 K左右。

圖9 同屏管局部交叉示意圖

另外采用局部結(jié)構(gòu)調(diào)整(見圖10)，將部分超溫區(qū)域管屏縮短，第44～第68屏以及第113～第114屏的管屏在熱段縮短2.5 m，第38～第43屏、第69～第78屏在熱段縮短1.25 m，由于高溫再熱器由兩級前后緊湊布置組成，縮短管屏位于后一級，前一級不作改動，并在調(diào)整的管屏底部加裝防磨措施，減小煙氣走廊效應(yīng)影響。調(diào)整后，縮短2.5 m的管屏流量增大約5%，在高負(fù)荷下可降低壁溫9 K，在低負(fù)荷下可降低壁溫7.5 K，同時吸熱量相應(yīng)減少，壁溫也相應(yīng)降低，經(jīng)計算，高溫再熱器最高壁溫在高負(fù)荷下可降低28 K，在低負(fù)荷下可降低21.5 K。再加上同屏交叉后降低了同屏吸熱偏差，改造后總體來說高溫再熱器最高壁溫在高負(fù)荷下大約可以降低45 K，在低負(fù)荷下可降低37 K左右。在高負(fù)荷下，高溫再熱器最高壁溫為630 ℃，通過改造可控制高溫再熱器壁溫在585 ℃以內(nèi)，在低負(fù)荷下，高溫再熱器最高壁溫為610 ℃，改造后可控制高溫再熱器壁溫在575 ℃以內(nèi)。

圖10 局部結(jié)構(gòu)調(diào)整示意圖

高溫再熱器同屏管交叉后，由于交叉前同屏流量偏差不大，交叉后同屏流量差別仍然不大，根據(jù)改造后的結(jié)構(gòu)，流量偏差計算結(jié)果如圖11所示。

圖11 高溫再熱器改造后同屏流量偏差分布(進(jìn)口管子編號)

Fig.11 Distribution of flow deviation in the same panel of high-temperature reheater after retrofit (inlet pipe number)

改造后流量偏差計算結(jié)果顯示，高溫再熱器的同屏流量偏差變化不大，進(jìn)口為最外圈管時的流量偏差系數(shù)為0.979 6，進(jìn)口為內(nèi)圈管時的流量偏差系數(shù)為1.025 7，同屏流量偏差在交叉后變化不大，交叉的最終效果是大大減小了外圈管同屏吸熱的偏差。

高溫再熱器部分管屏割管改造后，該管屏的流動阻力減小，流量增大，根據(jù)改造后的結(jié)構(gòu)，流量偏差計算結(jié)果見圖12。

改造后高溫再熱器的屏間流量偏差相對減小，流量最小出現(xiàn)在再熱器的中間，流量偏差系數(shù)為0.876 51；流量最大出現(xiàn)在再熱器的兩端，流量偏差系數(shù)為1.168 4，高溫再熱器的屏間流量分布規(guī)律仍是呈現(xiàn)“凹”形分布。改造后蒸汽流量最小區(qū)域增大流量5%左右，減小了高溫區(qū)域的壁溫峰值。

圖12 高溫再熱器改造后屏間流量偏差分布(114屏對稱分布)

Fig.12 Distribution of flow deviation in different panels of high-temperature reheater after retrofit (symmetrical distribution of 114 panels)

根據(jù)改造后的流量偏差計算結(jié)果和改造后管排結(jié)構(gòu)，計算高溫再熱器出口壁溫，壁溫分布結(jié)果見圖13～圖16。

圖13和圖14給出了BMCR工況和65%BMCR工況下，改造前后高溫再熱器沿爐膛寬度方向外圈管的出口壁溫分布。圖15和圖16給出了BMCR工況和65%BMCR工況下，改造前后高溫再熱器同屏管的出口壁溫分布。從圖13～圖16可以看出，改造后出口壁溫在低負(fù)荷下由610 ℃降低到575 ℃以內(nèi)，降低了35 K；在高負(fù)荷下由630 ℃降低到585 ℃以內(nèi)，降低了45 K。

圖13 BMCR工況下改造前后出口壁溫變化(屏間)

Fig.13 Outlet temperature change before and after retrofit under BMCR codition (among different panels)

高負(fù)荷下，高溫再熱器的蒸汽進(jìn)口溫度低，再熱汽溫升高，此時再熱器對應(yīng)的最高壁溫達(dá)到630 ℃，在改造后溫升較大的工況下壁溫降低較多，可以降到585 ℃以內(nèi)；低負(fù)荷下，再熱器的蒸汽進(jìn)口溫度高，再熱蒸汽的溫升低，在改造后蒸汽溫升較小的工況下壁溫降低也相對較少，可以降到575 ℃以內(nèi)[6]。

整個改造中高溫再熱器的受熱面積減小了3.3%，理論上會影響再熱器的溫升約5 K，但是改造前由于壁溫限制，用于調(diào)節(jié)再熱器汽溫的汽汽交換器一直不能投運，因此改造后可以通過投運汽汽交換器來將高溫再熱器汽溫提升至設(shè)計值。

圖14 65%BMCR工況下改造前后出口溫度變化(屏間)

Fig.14 Outlet temperature change before and after retrofit under 65% BMCR condition (among different panels)

圖15 BMCR工況下改造前后出口溫度變化(同屏，1號為進(jìn)口最外圈)

Fig.15 Outlet temperature change before and after retrofit under BMCR condition (same panel, No.1 meaning the outermost tube at entrance)

圖16 65%BMCR工況下改造前后出口溫度變化(同屏，1號為進(jìn)口最外圈)

Fig.16 Outlet temperature change before and after retrofit under 65% BMCR condition (same panel, No.1 meaning the outermost tube at entrance)

4 應(yīng) 用

該電廠采用局部交叉和結(jié)構(gòu)改造的方法來降低鍋爐的同屏和屏間熱偏差，改造后，偏差最大的外圈管同屏熱偏差系數(shù)為1.18,高負(fù)荷下偏差屏的屏間熱偏差為1.148。由圖17可知高溫再熱器最外圈管的壁溫可以控制在580 ℃以內(nèi)，同時高溫再熱器汽溫能夠達(dá)到設(shè)計值。

圖17 滿負(fù)荷下改造后最外圈管出口壁溫分布

Fig.17 Distribution of wall temperature of reheater outermost tube under full load after modification

局部交叉方案在該機組高溫再熱器改造中應(yīng)用成功，同時也為其他類似情況的機組提供了參考。

5 結(jié) 論

(1) 通過局部交叉，將同一管屏中吸熱差別較大的管子位置進(jìn)行交叉互換，結(jié)構(gòu)簡單，在制造方面可以為鍋爐設(shè)計中受熱面熱偏差的調(diào)整提供指導(dǎo)。在進(jìn)行鍋爐熱偏差改造時，通過局部交叉配合結(jié)構(gòu)調(diào)整可以降低偏差管組的熱偏差，為其他類似情況的受熱面改造提供了解決思路。

(2) 鍋爐在運行中存在較大熱偏差時，不僅影響爐內(nèi)管材的安全運行，同時爐外管材也會受到影響，針對某一受熱面通過局部交叉以及結(jié)構(gòu)調(diào)整可以有效控制壁溫，保證鍋爐的安全穩(wěn)定運行。

(3) 內(nèi)蒙某電廠通過改造后，原先最大屏間熱偏差管屏流量增大5%，受熱面積減少3.3%，局部交叉后偏差最大的外圈管同屏熱偏差系數(shù)由原來的1.27減小到1.18，綜合結(jié)果高負(fù)荷下偏差屏的屏間熱偏差自1.37降低到1.148(屏的結(jié)構(gòu)改變)，成功將高溫再熱器的偏差管出口壁溫控制在580 ℃以內(nèi)。

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