超超臨界二次再熱機(jī)組省煤器汽化特性分析

楊 振，陳有福，陶 謙，王 朋

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

超超臨界二次再熱技術(shù)是當(dāng)前世界上最先進(jìn)的高效燃煤發(fā)電技術(shù)，也是提高火電機(jī)組熱效率的有效途徑[1-3]，在“十三五”規(guī)劃中，更是將二次再熱發(fā)電機(jī)組作為重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目[4]。由于增加了一級(jí)再熱器，二次再熱機(jī)組在設(shè)計(jì)參數(shù)、受熱面布置、吸熱量分配以及再熱汽溫調(diào)節(jié)等方面具有不同的特點(diǎn)[5-6]。

省煤器作為二次再熱鍋爐的輔助受熱面，可以有效降低排煙溫度，提高鍋爐效率，節(jié)約燃料耗量。目前，針對(duì)省煤器汽化的原因以及如何避免省煤器發(fā)生汽化現(xiàn)象，郭海軍、劉勇、盧友等人[7-11]進(jìn)行了很多研究，但是上述對(duì)省煤器汽化問(wèn)題的研究，大多圍繞亞臨界汽包鍋爐進(jìn)行，而關(guān)于超超臨界二次再熱機(jī)組省煤器汽化問(wèn)題的研究還鮮有報(bào)道。王林[12]等人對(duì)二次再熱塔式爐啟動(dòng)初期省煤器出口汽化問(wèn)題進(jìn)行了綜合分析，并提出了相關(guān)調(diào)控措施，取得了較好的效果，但是該研究仍以定性分析為主。本文結(jié)合超超臨界二次再熱機(jī)組降壓沖管過(guò)程，通過(guò)試驗(yàn)定量分析省煤器出口汽化特性，相關(guān)結(jié)論對(duì)后續(xù)二次再熱機(jī)組省煤器汽化問(wèn)題的研究具有一定的參考價(jià)值。

1 汽化原因分析

相比于超超臨界一次再熱鍋爐，二次再熱鍋爐的設(shè)計(jì)不是簡(jiǎn)單地增加了二次再熱器受熱面，而是整體考慮各受熱面吸熱比例、熱偏差的控制、受熱面出口汽溫保證措施等一系列問(wèn)題[13]。表1所示為典型二次再熱與一次再熱機(jī)組BMCR工況的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比?？梢钥闯?，由于增加了一級(jí)再熱器，超超臨界二次再熱鍋爐的額定給水流量相對(duì)偏低。另一方面，為了降低汽機(jī)熱耗，二次再熱機(jī)組給水溫度普遍有所提高。這兩方面原因?qū)е露卧贌徨仩t省煤器出口工質(zhì)溫度升高，欠焓急劇減少。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，各負(fù)荷下二次再熱鍋爐省煤器出口工質(zhì)可維持少量欠焓，但是當(dāng)鍋爐啟停、快速變負(fù)荷或者甩負(fù)荷時(shí)，省煤器內(nèi)工質(zhì)流量、壓力迅速變化，而鍋爐受熱面存在一定的熱慣性，因此極易導(dǎo)致二次再熱鍋爐省煤器出口工質(zhì)汽化，嚴(yán)重威脅水冷壁的動(dòng)力安全。

表1 二次再熱與一次再熱機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)比較(BMCR)

2 試驗(yàn)方法

超超臨界機(jī)組普遍采用非沸騰式省煤器，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，省煤器內(nèi)工質(zhì)在受熱過(guò)程中不發(fā)生相變，因此，研究省煤器汽化前出口工質(zhì)溫度變化特性，可以把省煤器簡(jiǎn)化成單相受熱管。根據(jù)王澤寧等人[14-16]提出的單相受熱管集中參數(shù)簡(jiǎn)化模型可知，省煤器出口工質(zhì)溫度受爐膛熱量、工質(zhì)流量和省煤器出口壓力影響。本文結(jié)合某超超臨界二次再熱機(jī)組降壓沖管過(guò)程研究了省煤器出口的汽化特性，降壓沖管系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖

試驗(yàn)過(guò)程中，爐膛熱量隨鍋爐給煤量變化，工質(zhì)流量隨高加出口流量變化，由于試驗(yàn)期間機(jī)組維持濕態(tài)運(yùn)行，故省煤器出口壓力隨啟動(dòng)貯水箱壓力同步變化，兩者相差水冷壁內(nèi)工質(zhì)的靜壓，下文中不做特別說(shuō)明，啟動(dòng)貯水箱的壓力變化等同于省煤器出口壓力的變化，而啟動(dòng)貯水箱壓力可通過(guò)臨沖門開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，試驗(yàn)方法可類比降壓沖管的過(guò)程，通過(guò)改變給煤量、高加出口給水流量和啟動(dòng)貯水箱壓力三個(gè)參數(shù)，研究省煤器出口工質(zhì)過(guò)冷度的變化特性。

試驗(yàn)期間，維持一臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，通過(guò)給煤量控制爐膛總熱量。當(dāng)分離器壓力升至7.0 MPa左右時(shí)，開(kāi)啟臨沖門，控制啟動(dòng)貯水箱壓力，同時(shí)提高汽泵轉(zhuǎn)速提高給水流量。當(dāng)啟動(dòng)貯水箱壓力降至5.7 MPa左右時(shí)，關(guān)閉臨沖門。待臨沖門全關(guān)，貯水箱水位回升后，再降低給水流量。試驗(yàn)期間，利用機(jī)組配套的DCS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄相關(guān)參數(shù)，其中，省煤器出口工質(zhì)過(guò)冷度為省煤器出口工質(zhì)壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度與省煤器出口工質(zhì)溫度之間的差值，過(guò)冷度越大，省煤器出口越不易汽化。因此，可以通過(guò)省煤器出口過(guò)冷度的變化規(guī)律研究省煤器出口汽化特性。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 摸底試驗(yàn)結(jié)果

在二次再熱機(jī)組降壓沖管過(guò)程中，機(jī)組各運(yùn)行參數(shù)擾動(dòng)較大，這極大提高了研究過(guò)程的控制難度。為此，本文先保持給煤量47 t/h不變，通過(guò)摸底試驗(yàn)，尋找相關(guān)參數(shù)的控制節(jié)奏，同時(shí)初探省煤器出口工質(zhì)過(guò)冷度的變化規(guī)律。如圖2所示，過(guò)程1中給煤量不變，臨沖門關(guān)閉，停止鍋爐補(bǔ)水，過(guò)程2中給煤量不變，開(kāi)啟臨沖門，同時(shí)進(jìn)行鍋爐補(bǔ)水，如此循環(huán)重復(fù)?？梢钥闯觯?dāng)給煤量維持不變時(shí)，控制好高加出口給水流量和臨沖門開(kāi)啟時(shí)間，可以很好地控制省煤器出口過(guò)冷度的變化節(jié)奏。

進(jìn)一步分析試驗(yàn)結(jié)果，在過(guò)程1中，由于爐膛持續(xù)釋放蓄熱，省煤器出口溫度和啟動(dòng)貯水箱壓力同時(shí)上升。一方面，省煤器出口溫度由209 ℃上升251 ℃，導(dǎo)致過(guò)冷度下降了42 ℃，另一方面，啟動(dòng)貯水箱壓力5.7 MPa上升到6.9 MPa，對(duì)應(yīng)的飽和溫度隨之提高，這又導(dǎo)致過(guò)冷度上升，兩方面共同作用，導(dǎo)致省煤器出口過(guò)冷度下降了35 ℃左右。由定量計(jì)算可知，過(guò)程1中省煤器出口溫度對(duì)過(guò)冷度的影響更大。

過(guò)程2中開(kāi)啟臨沖門，啟動(dòng)貯水箱壓力迅速由6.9 MPa下降到5.6 MPa，這將導(dǎo)致省煤器過(guò)冷度下降，同時(shí)，之前一波鍋爐補(bǔ)水到達(dá)省煤器出口，使得省煤器出口工質(zhì)溫度迅速下降41 ℃，這又導(dǎo)致省煤器過(guò)冷度上升。兩方面共同作用導(dǎo)致省煤器出口過(guò)冷度上升了33 ℃左右，由定量計(jì)算結(jié)果可知，過(guò)程2也是省煤器出口工質(zhì)溫度對(duì)過(guò)冷度的影響更大。

摸底試驗(yàn)結(jié)果表明，省煤器出口過(guò)冷度受爐膛熱量、省煤器進(jìn)水量以及省煤器出口壓力三個(gè)參數(shù)影響，這與單相受熱管集中參數(shù)簡(jiǎn)化模型預(yù)測(cè)結(jié)果一致。當(dāng)爐膛持續(xù)釋放熱量時(shí)，如果不及時(shí)進(jìn)行鍋爐補(bǔ)水，省煤器出口過(guò)冷度會(huì)逐漸下降，極易發(fā)生汽化現(xiàn)象，這也是二次再熱鍋爐熱態(tài)啟動(dòng)或者甩負(fù)荷期間，由于不能及時(shí)補(bǔ)水極易導(dǎo)致省煤器汽化的原因。當(dāng)給煤量不變時(shí)，相比于省煤器出口壓力，省煤器過(guò)冷度受出口工質(zhì)溫度的影響更大。此外，由圖1還可以看出，當(dāng)上一波鍋爐補(bǔ)水結(jié)束后，約7.5 min后省煤器出口溫度才開(kāi)始下降，滯后性相對(duì)較大。

圖2 摸底工況試驗(yàn)結(jié)果

3.2 汽化特性試驗(yàn)結(jié)果

在摸底試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加給煤量擾動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

過(guò)程3中先維持給煤量40 t/h不變，省煤器出口溫度變化不大，但是隨著出口壓力的上升，省煤器過(guò)冷度緩慢上升。當(dāng)上一波鍋爐補(bǔ)水到達(dá)省煤器出口時(shí)，出口工質(zhì)溫度迅速由264 ℃下降到224 ℃，導(dǎo)致省煤器出口過(guò)冷度也迅速由22 ℃增加至63 ℃。過(guò)程4微開(kāi)臨沖門，維持啟動(dòng)貯水箱壓力7.0 MPa不變，增加給煤量至55 t/h，發(fā)現(xiàn)省煤器出口溫度很快開(kāi)始上升，省煤器出口過(guò)冷度也隨之快速下降。過(guò)程5降低給煤量至初始值，省煤器出口工質(zhì)溫度上升趨勢(shì)得以控制。此時(shí)關(guān)閉臨沖門，啟動(dòng)貯水箱壓力迅速上升至8.1 MPa，但是由于爐膛蓄熱的影響，省煤器出口工質(zhì)溫度仍然緩慢上升，兩方面共同作用導(dǎo)致省煤器出口過(guò)冷度變化不大。過(guò)程6中給煤量幾乎不變，省煤器出口溫度略有上升，在此期間，省煤器出口過(guò)冷度隨著貯水箱壓力的變化而改變。過(guò)程7中，由于長(zhǎng)時(shí)間未進(jìn)行鍋爐補(bǔ)水，而爐膛蓄熱達(dá)到一定程度，省煤器出口工質(zhì)溫度開(kāi)始快速上升，此時(shí)打開(kāi)臨沖門，啟動(dòng)貯水箱壓力下降，可以看到，雖然此時(shí)以1 000 t/h左右的給水流量進(jìn)行補(bǔ)水，但是由于鍋爐補(bǔ)水存在較大的延遲性，直至2 min后省煤器汽化，省煤器出口溫度仍沒(méi)有下降趨勢(shì)。該過(guò)程也解釋了鍋爐MFT后，如果不及時(shí)上水，僅開(kāi)啟省煤器排氣閥，反而會(huì)加速省煤器汽化的原因。

圖3 省煤器汽化特性試驗(yàn)結(jié)果

由過(guò)冷度的定義可知，省煤器出口過(guò)冷度取決于出口工質(zhì)的溫度和壓力。本文省煤器出口汽化特性研究結(jié)果表明，鍋爐補(bǔ)水可有效降低省煤器的出口溫度，但是鍋爐補(bǔ)水具有一定的延遲性。給煤量的增加可明顯提高省煤器出口溫度，且延遲性相對(duì)較小，不利于降低省煤器出口過(guò)冷度。當(dāng)省煤器出口溫度變化不大時(shí)，省煤器出口壓力對(duì)過(guò)冷度有直接的影響。但是當(dāng)爐膛積累一定的蓄熱導(dǎo)致省煤器出口溫度上升，此時(shí)一旦對(duì)省煤器出口進(jìn)行泄壓，極易造成省煤器汽化。

4 防止省煤器汽化的有效措施

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，省煤器出口汽化特性主要受鍋爐補(bǔ)水、爐膛熱量和省煤器出口壓力三個(gè)因素影響，因此可以從這三個(gè)角度，采取相應(yīng)的措施防止超超臨界二次再熱機(jī)組省煤器出口發(fā)生汽化。

4.1 控制鍋爐補(bǔ)水

鍋爐補(bǔ)水對(duì)省煤器出口汽化特性的影響主要體現(xiàn)在給水流量、給水溫度和補(bǔ)水時(shí)間三個(gè)方面。二次再熱機(jī)組包含高中低壓三級(jí)旁路，在啟動(dòng)初期，鍋爐蒸發(fā)容量較小，省煤器內(nèi)工質(zhì)流速較慢，為了增加給水流量，宜將中壓旁路和低壓旁路盡量全開(kāi)，高壓旁路也隨機(jī)組負(fù)荷增加逐漸開(kāi)大至30%～50%左右；此外，還應(yīng)適當(dāng)緩?fù)渡踔镣Ｓ貌糠指邏杭訜崞?，降低給水溫度；機(jī)組熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)把握好鍋爐上水時(shí)間，在壁溫下降速率可控的前提下，盡早建立爐水循環(huán)，防止省煤器長(zhǎng)時(shí)間未補(bǔ)水而又持續(xù)吸收爐膛蓄熱，造成省煤器出口汽化。

4.2 控制爐膛熱量

控制省煤器吸收的爐膛熱量，主要有減小給煤量、降低火焰中心、調(diào)整流經(jīng)省煤器的煙氣流量等方法。在機(jī)組啟動(dòng)初期，應(yīng)通過(guò)磨煤機(jī)的調(diào)整降低其最小出力，在升溫升壓階段密切監(jiān)視省煤器出口過(guò)冷度，控制給煤量的增加速率；在不影響燃燒穩(wěn)定性的情況下，可適當(dāng)下擺燃燒器，降低爐膛火焰中心；對(duì)于設(shè)有煤器旁路煙道的機(jī)組[17]，還可通過(guò)調(diào)節(jié)旁路煙氣量控制省煤器的吸熱量。

4.3 控制省煤器出口壓力

對(duì)于超超臨界二次再熱鍋爐，WDC閥開(kāi)度和省煤器排汽閥對(duì)省煤器出口壓力有直接的影響。在鍋爐上水初期，必須通過(guò)省煤器排汽閥排盡管束內(nèi)積存的空氣，如果省煤器發(fā)生汽化后，也應(yīng)通過(guò)排汽閥及時(shí)排盡產(chǎn)生的蒸汽，防止管路形成“氣塞”，補(bǔ)水阻力增大，進(jìn)一步惡化省煤器汽化現(xiàn)象。在升溫升壓過(guò)程中，需維持啟動(dòng)貯水箱水位穩(wěn)定，防止水位波動(dòng)造成WDC閥動(dòng)作頻繁，造成省煤器出口壓力的大幅波動(dòng)。此外，在省煤器出口過(guò)冷度較低時(shí)，應(yīng)盡量避免開(kāi)大WDC閥和省煤器排汽閥，否則極易加速省煤器汽化。

5 結(jié)論

在已投產(chǎn)的火力發(fā)電機(jī)組中，二次再熱機(jī)組所占比重正逐年增加，但是關(guān)于超超臨界二次再熱機(jī)組的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)還相對(duì)較少。由于設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)行特點(diǎn)的變化，二次再熱機(jī)組更易出現(xiàn)省煤器出口汽化現(xiàn)象，而對(duì)此問(wèn)題的試驗(yàn)研究還鮮有報(bào)道。本文結(jié)合某二次再熱機(jī)組降壓沖管過(guò)程，定量研究了省煤器出口汽化特性，以期對(duì)二次再熱機(jī)組的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供一定的參考。本文結(jié)論如下：

(1)省煤器出口汽化特性主要受鍋爐補(bǔ)水、爐膛放熱和省煤器出口壓力三個(gè)因素影響。鍋爐補(bǔ)水量及補(bǔ)水溫度直接影響省煤器出口工質(zhì)溫度，但是具有較大的延遲性；給煤量對(duì)爐膛放熱有所影響，其滯后性相對(duì)較??；省煤器出口壓力直接影響對(duì)應(yīng)的飽和溫度，沒(méi)有滯后性，但是相對(duì)鍋爐補(bǔ)水，其影響作用較小。

(2)當(dāng)爐膛持續(xù)釋放蓄熱又不能及時(shí)進(jìn)行鍋爐補(bǔ)水時(shí)，極易造成省煤器出口汽化；當(dāng)省煤器出口過(guò)冷度持續(xù)下降至欠焓較低時(shí)，一旦開(kāi)大WDC閥或者省煤器排汽閥，將加速省煤器出口汽化趨勢(shì)。

(3)防止超超臨界二次再熱機(jī)組省煤器出口汽化，應(yīng)從控制鍋爐補(bǔ)水、控制爐膛熱量和控制省煤器出口壓力三個(gè)方面采取措施。其中控制鍋爐補(bǔ)水包括給水量、給水溫度和上水時(shí)間，控制爐膛熱量包括給煤量、火焰中心和流經(jīng)省煤器的煙氣量，控制省煤器出口壓力包括WDC閥開(kāi)度、省煤器排汽閥以及維持省煤器出口壓力穩(wěn)定。