高溫再熱器并管在熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐改造中的應(yīng)用

劉建江， 崇培安

(1. 江蘇利電能源集團(tuán)， 江蘇無錫 214400； 2. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

為滿足電廠周邊區(qū)域供熱需求，某電廠對現(xiàn)役二期2臺(tái)350 MW機(jī)組進(jìn)行大容量供熱改造，實(shí)現(xiàn)大容量供熱熱電聯(lián)產(chǎn)。

由于大容量抽汽供熱可能惡化鍋爐再熱器受熱面內(nèi)的工質(zhì)與鍋爐蒸發(fā)量的不匹配，在鍋爐蒸發(fā)量不變時(shí)，抽汽導(dǎo)致再熱器受熱面的質(zhì)量流速下降，影響鍋爐高溫受熱面的安全性。對于不滿足安全性要求的情況，需要采取相對應(yīng)的改造方案來保證鍋爐的安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)機(jī)組大容量供熱的熱電聯(lián)產(chǎn)[1]。結(jié)合現(xiàn)有機(jī)組鍋爐低負(fù)荷排煙溫度低、機(jī)組在不抽汽低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的安全情況等，綜合考慮鍋爐改造方案，以保證機(jī)組鍋爐長期安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 鍋爐概況

該電廠鍋爐為亞臨界、自然循環(huán)、一次中間再熱汽包爐，型號(hào)為WGZ1246/18.15-I，采用英國BEL (Babcock Energy Ltd)技術(shù)，1998年投產(chǎn)。鍋爐采用全鋼結(jié)構(gòu)懸掛結(jié)構(gòu)、單爐膛、∏形布置, 燃燒采用平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣方式，燃燒器采用旋流燃燒器集中前墻布置方式。爐膛與尾部煙道間有4.495 m的水平煙道，爐膛水冷壁采用內(nèi)螺紋管垂直膜式布置的結(jié)構(gòu)，爐膛上部分別布置20片屏式過熱器(簡稱屏過)和28片高溫過熱器(簡稱高過)管屏，爐膛出口水平煙道折煙角區(qū)域布置71排高溫再熱器(簡稱高再)管；尾部煙道分前、后兩個(gè)通道，前煙道水平布置蛇形管式再熱器和19個(gè)回路的蛇形管式省煤器，后煙道布置蛇形管式低溫過熱器(簡稱低過)和9個(gè)回路的蛇形管式省煤器，前、后煙道的省煤器為并聯(lián)式連接，有分開的進(jìn)、出口集箱供輸工質(zhì)。過熱汽溫采用二級(jí)噴水減溫控制，再熱汽溫采用煙道擋板調(diào)節(jié)并輔以低溫再熱器(簡稱冷再)管道上的事故噴水控制。為減少傳熱偏差的累積，在后屏過的進(jìn)、出口各進(jìn)行一次蒸汽交叉，高過出口蒸汽從鍋爐兩側(cè)主汽管道引出并在爐前匯集為一根主汽管后送至汽輪機(jī)側(cè)。鍋爐受熱面布置簡圖見圖1。

2 熱電聯(lián)產(chǎn)改造的設(shè)計(jì)要求

為了實(shí)現(xiàn)大容量供熱熱電聯(lián)產(chǎn)，該機(jī)組進(jìn)行了汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)改造，根據(jù)汽輪機(jī)側(cè)改造后的相關(guān)要求，鍋爐需進(jìn)行相應(yīng)的改造以滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。汽輪機(jī)改造后的參數(shù)要求見表1。

表1 二期鍋爐熱電聯(lián)產(chǎn)改造后的參數(shù)要求

鍋爐改造的目標(biāo)為：改造方案應(yīng)兼顧表1各種不同工況的要求，并能滿足當(dāng)所有供熱抽汽停用時(shí)，機(jī)組能帶滿負(fù)荷(370 MW)，就改造對機(jī)組特別是鍋爐運(yùn)行的變化和影響進(jìn)行評(píng)估。

二期鍋爐熱電聯(lián)產(chǎn)改造后的關(guān)鍵指標(biāo)見表2。改造相關(guān)說明如下：

(1) 最大過熱器減溫水量以改造后的最大減溫水量對比改造前試驗(yàn)值作為比較指標(biāo)，再熱器無減溫水。

(2) 在表1所列考核的各個(gè)工況中，鍋爐過熱器、再熱器煙氣側(cè)調(diào)節(jié)擋板要求確保有一定的調(diào)節(jié)余量。

(3) 必須注意到鍋爐蒸發(fā)量在1 140 t/h時(shí)，爐膛容積熱負(fù)荷就達(dá)到137.7 kW/m3，超過我國DL/T 831—2002 《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導(dǎo)則》推薦值(95～115 kW/m3)的上限，截面熱負(fù)荷4.64 MW/m2也達(dá)到推薦值的上限，所以該鍋爐的燃煤有較大的局限性，必須防止?fàn)t膛和分隔屏結(jié)焦。如果爐膛水冷壁和分隔屏過熱器出現(xiàn)結(jié)渣傾向，將嚴(yán)重影響鍋爐性能參數(shù)和擋板調(diào)節(jié)性能[2]。

表2 二期鍋爐熱電聯(lián)產(chǎn)改造后的關(guān)鍵指標(biāo)

3 鍋爐改造前分析

根據(jù)電廠提供的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為：

(1) 鍋爐在360 MW負(fù)荷附近運(yùn)行時(shí)，幾種磨煤機(jī)組合過熱器減溫水在90～130 t/h，最大也只有140 t/h，表明過熱器減溫水量雖然偏大，但仍然屬于可以接受范圍內(nèi)，爐膛的結(jié)焦性良好。200 MW低負(fù)荷時(shí)減溫水在40～50 t/h，屬于可以接受的范圍。

(2) 鍋爐氧量較大，省煤器出口氧量在360 MW高負(fù)荷時(shí)達(dá)到3.50%以上，過量空氣系數(shù)偏大；低負(fù)荷200 MW時(shí)氧量達(dá)到6%以上，對鍋爐的NOx指標(biāo)不利，也極大地影響鍋爐效率。鍋爐過熱器和再熱器原布置面積較多，目前再熱器側(cè)運(yùn)行擋板開度小，如果降低氧量，煙氣量減小，鍋爐通過受熱面吸熱調(diào)節(jié)，汽水參數(shù)仍有滿足設(shè)計(jì)值的條件。

(3) 在200 MW低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)排煙溫度仍有110 ℃左右，這是在夏天環(huán)境溫度20 ℃時(shí)的數(shù)據(jù)；在冬天環(huán)境溫度較低時(shí)，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)排煙溫度會(huì)低于100 ℃。

(4) 目前SCR入口煙溫在300～360 ℃，能夠滿足SCR最低脫硝溫度要求。

(5)再熱器側(cè)煙氣擋板和過熱器側(cè)的煙氣擋板開度有一定的調(diào)節(jié)余地。

(6)截面熱負(fù)荷、容積熱負(fù)荷已經(jīng)達(dá)到或超過燃煤鍋爐推薦上限，燃煤有較大的局限性[3]。

4 理論計(jì)算模型

4.1 鍋爐熱力計(jì)算

鍋爐整體熱力計(jì)算方法的特點(diǎn)是考慮了鍋爐爐膛幾何形狀對爐內(nèi)傳熱的影響，并確定了定量關(guān)系，以此為基礎(chǔ)建立了爐膛計(jì)算方法和管束計(jì)算方法，該方法在大、中、小容量鍋爐上已得到廣泛應(yīng)用。

(1)

幾何特性系數(shù)在鍋爐幾何形狀發(fā)生變化時(shí)，M隨h/dl變化規(guī)律是一組曲線，而過去廣泛采用的方法是一條曲線，特別是對大容量鍋爐將引起較大誤差，產(chǎn)生超溫或欠溫問題[4]。

4.2 壁溫分段計(jì)算

由于同屏各管的換熱和結(jié)構(gòu)均不一樣，為了詳細(xì)考察管子沿長度方向的汽溫和壁溫分布，校核計(jì)算采用分段計(jì)算模型，對每片屏、每根管子沿管長蒸汽流動(dòng)方向都進(jìn)行分段計(jì)算。

管子外壁溫度是指在考慮了煙道斷面上和管子周圍處吸熱量的不均勻性后，計(jì)算出的局部壁溫的最大值。

壁溫計(jì)算的基本公式有：

(1) 管壁金屬溫度(管子強(qiáng)度計(jì)算依據(jù))。

(2)

式中：tq為計(jì)算點(diǎn)管內(nèi)蒸汽溫度；β為管子外徑與內(nèi)徑之比；μ為散熱系數(shù)；q為計(jì)算點(diǎn)管子外壁熱負(fù)荷；δ為管子壁厚；λ為管壁金屬的導(dǎo)熱系數(shù)；α2為蒸汽側(cè)的放熱系數(shù)。

(2) 外壁溫度(判斷煙氣側(cè)抗氧化依據(jù))。

(3)

在求出了管子金屬壁溫tb和twb后，就可以以此為依據(jù)，分析判斷管子在運(yùn)行狀態(tài)下的可靠性和安全性[5]。

5 改造方案

5.1 改造方案制定分析

抽汽供熱對鍋爐運(yùn)行的影響主要體現(xiàn)在：

(1) 高壓缸抽汽減少再熱蒸汽流量，惡化再熱器工作狀態(tài)。

(2) 再熱器溫度降低影響調(diào)節(jié)擋板開度，也影響過熱器減溫水量。

(3) 中壓缸排汽抽汽主要影響給水溫度，直接影響是蒸發(fā)量問題，該鍋爐的蒸發(fā)受熱面不足，直接結(jié)果是增加過熱器減溫水量，另外煙氣量增加影響擋板調(diào)節(jié)，再熱蒸汽側(cè)擋板開度繼續(xù)減小，更進(jìn)一步惡化過熱器傳熱，增大過熱器減溫水。

由于抽汽供熱導(dǎo)致再熱器的吸熱量減少，按機(jī)組1 090 t/h熱平衡圖計(jì)算，再熱器整體吸熱量將比現(xiàn)在減少25%以上，已超過擋板的調(diào)節(jié)裕度，如果不調(diào)整再熱器受熱面積，鍋爐的再熱器系統(tǒng)整體超溫嚴(yán)重。該鍋爐特點(diǎn)是高溫再熱器的吸熱量要占再熱器總吸熱量的60%，再熱器的擋板調(diào)節(jié)余地較小，因此減少高溫再熱器受熱面，可以增加再熱器擋板的調(diào)節(jié)裕度是可行的措施，對高負(fù)荷時(shí)更為有利。

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果減少高再40%的受熱面積，抽汽后煙氣擋板的調(diào)節(jié)裕度與現(xiàn)在的運(yùn)行狀況基本持平，據(jù)此設(shè)計(jì)鍋爐的改造方案。如果不抽汽，可以通過加大再熱器擋板開度，增加再熱器側(cè)的煙氣通流量，減少低過側(cè)的煙氣通流量，以適應(yīng)新的運(yùn)行狀況需要。

5.2 改造方案

采用高再并管的方案，在立式再熱器和高再之間的水平過渡段，將高再管子通過三通結(jié)構(gòu)，將兩根管合并為一根管，原設(shè)計(jì)每屏8根管組變成每屏4根管組，同時(shí)保持高再的管屏排數(shù)不變。為減少再熱器系統(tǒng)的阻力損失，需控制高再管內(nèi)蒸汽流速，將高再管子規(guī)格由原設(shè)計(jì)的直徑d=51 mm、壁厚δ=4.5 mm變?yōu)閐=70 mm、δ=5 mm，高再管組各管出口直接回高再出口聯(lián)箱，出口聯(lián)箱上原設(shè)計(jì)多余的管接頭通過堵管的方式處理。高再改造前見圖2，改造方案見圖3。

圖2 鍋爐高再原結(jié)構(gòu)圖

圖3 鍋爐高再改造方案示意圖

6 計(jì)算結(jié)果與分析

6.1 熱力性能計(jì)算分析

根據(jù)改造方案進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示在360 MW供熱抽汽工況(蒸發(fā)量1 130 t/h)下，擋板開度保持與現(xiàn)運(yùn)行一致，過熱器側(cè)的煙氣通流量百分比均在70%左右，但過熱器減溫水約增加10 t/h，排煙溫度略有升高，但所有工況均不超過0.5 K。

如果不抽汽工況，在270 MW(蒸發(fā)量900 t/h)和360 MW(蒸發(fā)量1 130 t/h)負(fù)荷時(shí)，過熱器側(cè)的煙氣通流量百分比在55%左右，有較大的調(diào)節(jié)裕度，過熱器的減溫水比現(xiàn)在減少15 t/h，排煙溫度降低1～2 K，SCR入口煙溫降低3～5 K；在C、D磨煤機(jī)200 MW時(shí)，過熱器側(cè)的煙氣通流量百分比約35%，表明煙氣擋板和過熱器減溫水均有調(diào)節(jié)裕度，能兼顧抽汽和不抽汽工況的影響。

6.2 壁溫計(jì)算分析

高再采用12Cr1MoVG和T91兩種材料(只在進(jìn)口端采用12Cr1MoVG)；根據(jù)GB/T 16507.4—2013進(jìn)行管材強(qiáng)度校核計(jì)算。在考慮壁厚負(fù)偏差的情況下各負(fù)荷的高再爐內(nèi)壁溫計(jì)算結(jié)果見表3和表4。由表3、表4可見：即使考慮管材的壁厚負(fù)偏差，較為危險(xiǎn)的改造后不供熱各負(fù)荷工況，高再爐內(nèi)各管段管子強(qiáng)度校核均滿足要求，壁溫裕度最小都大于13 K。因此，高再改造后，能夠滿足鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求[6]。

表3 高再各管許用壁溫裕度1(B、C、D磨煤機(jī)，蒸發(fā)量1 180 t/h，不供熱) K

表4 高再各管許用壁溫裕度2(B、C、D磨煤機(jī)，蒸發(fā)量1 131 t/h，不供熱) K

7 應(yīng)用

改造后機(jī)組能夠滿足不同工況的要求，同時(shí)滿足機(jī)組不供熱時(shí)帶滿負(fù)荷(370 MW)的要求。

(1) 抽汽供熱時(shí)過熱器減溫水流量增加10 t/h左右，再熱器無減溫水。不抽汽供熱時(shí)過熱器減溫水流量減少12 t/h左右，再熱器無減溫水。

(2) 改造后各工況下鍋爐過熱器、再熱器煙氣側(cè)調(diào)節(jié)擋板均有一定的調(diào)節(jié)余量。

(3) 改造后鍋爐無明顯爐膛和分隔屏結(jié)焦。

8 結(jié)語

通過對大容量供熱熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐改造的理論分析計(jì)算和成功應(yīng)用，可以得到以下結(jié)論：

(1) 在亞臨界機(jī)組大容量熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐改造時(shí)，高再并管的方案可以成功調(diào)節(jié)鍋爐各工況下的吸熱平衡，為其他類似情況的受熱面的改造提供解決方向。

(2) 高再并管方案應(yīng)用到亞臨界機(jī)組大容量熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐改造中，方案簡單，由于抽汽供熱導(dǎo)致再熱器的吸熱量減少，按機(jī)組1 090 t/h熱平衡圖計(jì)算，再熱器整體吸熱量將比現(xiàn)在減少25%以上，已超過擋板的調(diào)節(jié)裕度，如果不調(diào)整再熱器受熱面積，鍋爐的再熱器系統(tǒng)整體超溫嚴(yán)重。該鍋爐特點(diǎn)是高再的吸熱量要占再熱器總吸熱量的60%，再熱器的擋板調(diào)節(jié)余地較小，因此減少高再受熱面，可以增加再熱器擋板的調(diào)節(jié)裕度是可行的措施，對高負(fù)荷時(shí)更為有利。