控制超临界压力直流锅炉金属超温运行

2010-05-31张济显

电力安全技术 2010年2期

张济显

（大唐淮南洛河发电厂，安徽淮南 232008）

洛河电厂三期2台机组采用的是上海锅炉厂600MW超临界压力变压运行螺旋管圈式燃煤直流锅炉，单炉膛四角切圆燃烧方式，LNCFS-III型(低NOx同轴燃烧系统)可上下摆动的燃烧器布置，主风箱和SOFA风箱相对独立。锅炉采用容量为30%BMCR的简单疏水扩容式启动系统。

1 直流锅炉金属超温的几个运行因素

综合锅炉金属超温的原因，无非是某种因素引起受热面管内工质对受热面金属的冷却能力不够所致。洛河电厂三期2台直流锅炉最易发生金属超温的部位是螺旋管圈水冷壁和分隔屏过热器。

1.1 分离器湿态运行时的给水流量

直流锅炉启动初期，为保证水冷壁和省煤器金属得到良好冷却，防止水动力特性不稳定，必须建立最低启动流量，该流量一般为25%～30%BMCR。洛河电厂三期锅炉的启动系统是简单疏水扩容式，这种启动系统没有炉水循环泵，无法建立炉水循环，锅炉启动过程中大量的热炉水被排放，即使是热态清洗结束后热炉水可部分回收，但受到除氧器压力、水位等条件的限制，热炉水的排放量仍然较大。因此为满足汽机对蒸汽参数的要求，就必须加大燃料投入，炉内热量上升使分隔屏过热器受到的辐射热大幅增加而使金属超温，尤其是分隔屏过热器为辐射式，其超温的严重性大大超过半辐射半对流式的后屏过热器。由此可知，分隔屏过热器金属超温，是由于锅炉启动流量远大于启动初期热力系统所需要的流量，导致热排放量大，炉内热量被迫提升，但产汽量小使分隔屏得不到足够冷却所造成的。

1.2 分离器干态运行时的水/煤比

分离器干态运行时，通过控制水/煤比来确保锅炉给水量和燃料量的平衡，以期达到锅炉出口蒸汽参数正常和稳定的目的。若燃料量与给水量的平衡被打破，热量大于水量时，工质及受热面金属温度就会上升。炉内燃烧是个频繁扰动的动态过程，给水量和燃料量的平衡始终处在平衡—打破—再平衡—再打破的循环往复之中。变工况时扰动量大，而同样大小的扰动造成的参数变化量，低负荷时要比高负荷时严重，因此在变工况和低负荷时更易出现受热面金属超温的现象，尤其是锅炉启动期间。

燃料量的计算是个很复杂的过程，目前尚难以找到一个能真正精确地根据炉内热值计算出燃料量的逻辑回路。洛河电厂三期2台机组热值校正回路(BT U)校正系数的变化范围为0.8～1.2，该回路因计算不可靠一直采用手动方式，其输出的校正系数固定为0.8，使得CCS系统内校正后的锅炉燃料量不是真正意义上的校正后的锅炉燃料量，仅仅是个参考值。实际运行中真正合适的水/煤比，必须由运行人员根据实际情况经常性地人为修正，也就避免不了会出现调节滞后或过调。不论是稳定工况还是变工况，实际水/煤比小于应保持的合适水/煤比时，就出现炉内热量过剩，锅炉各段工质及金属温度就上升。过热器各段工质温度上升使减温水的使用量增大，而减温水量是计入锅炉总给水量的，因此减温水使用量的上升就意味着减温器前的各段受热面内工质流量的下降，进一步加剧受热面金属温升的程度。

1.3 给水温度

给水温度的变化对锅炉参数的影响，直流炉与汽包炉有很大差异。直流炉没有固定的汽水分界点，炉水一次性蒸发为蒸汽，当给水温度降低时，在同样的给水流量和燃料量的情况下，直流锅炉的加热段延长，过热段缩短，必然使过热汽温降低，再热器汽温则由于汽轮机高压缸排汽温度的下降也会降低。因此，当给水温度降低时，直流锅炉必须改变原来的水/煤比设定值，适当增大燃料量，减小水/煤比，才能保持住额定汽温。反之亦然。机组升降负荷时，由于加热器抽汽量变化，给水温度就会变化，但变化量小。只有当高加投或停时，给水温度才会大幅变化。给水温度大幅降低会使直流锅炉各段工质及金属温度也下降，运行人员为稳定锅炉出口蒸汽参数及机组负荷，须增加燃料量投入，这需要一定的运行调整经验，否则燃料增加量超过了需要，同样会使受热面金属温度较快上升。投高加过程中，随着给水温度的逐步上升，水/煤比的保持值是逐渐增大的，应根据当时的机组负荷要求，加水或者减煤。

锅炉启动初期，由于除氧器采用辅汽加热，高加未投，给水温度较低，而且采用等离子点火的锅炉，冷炉制粉需大量辅汽来加热空气，外加采用简单疏水扩容式启动系统的直流锅炉，为满足锅炉对水质的要求，炉水大量排放，使辅汽对除氧器的加热能力远远满足不了锅炉对给水温度的要求，炉水温度在很长一段时间内提升缓慢，若锅炉热水排放量过大，省煤器水温甚至有下降趋势。此时炉内热量被迫提升，蒸发部件产汽量又小，易出现过热器金属超温。

1.4 水动力特性的稳定性

水动力特性是指在一定的热负荷条件下，强制流动的锅炉蒸发受热面中工质流量与流动阻力之间的关系，也就是管圈进出口两端压差ΔP与流经该管子的工质流量G之间的关系。如果对应于1个压差只有1个流量，呈现单质性，则这样的水动力特性是稳定的，如图1中曲线1；如果对应于1个压差有2个或者3个流量，即水动力特性呈现多值性，这样的水动力特性就是不稳定的，如图1中曲线2。

当管圈中的工质为双相流体时，就可能出现水动力特性不稳定，因此水动力特性不稳一般都出现在蒸发受热面。锅炉运行中，当出现水动力特性不稳定时，水冷壁管内的工质流量就会出现偏差(水力不均)，流量小的管子内对流换热系数小，管壁超温。另外由于管组总的流量不变，某根管子中的流量将出现非周期性的时大时小，引起蒸发点波动，造成金属疲劳损坏。

水动力特性不稳定的根本原因是汽水存在密度差，即热水段和蒸发段共同存在且蒸发段工质比容变化。理论上，超临界压力后汽水密度差消失，但由于大比容变化区域的存在，超临界压力并不能绝对保证不发生工质流动的不稳定性。另外超临界锅炉在70%～75%额定负荷以下运行时都为亚临界状态，因此不能忽视水动力特性的稳定性问题。

1.5 炉内热量偏斜

若炉膛内火焰中心偏斜，或过高，或过低，都会造成局部受热面热负荷过大而导致金属超温，此处不做过多分析。

四角切圆燃烧的锅炉，需通过烟气消旋的方式防止烟道内烟气偏流，减小热偏差，避免某一侧烟气流量过大造成过热器或再热器金属超温。LNCFS-III型燃烧器组的主风箱和SOFA风箱是相对独立的，主风箱的一、二次风同向旋转，SOFA风箱二次风反向旋转，SOFA风箱提供的二次风既是燃烬风，又是消旋风。但LNCFS-III型燃烧器组的二次风总层数太多，导致风箱与炉膛压差远远低于设计值,加上其他的一些原因，使洛河电厂三期锅炉二次风挡板至今一直无法实现自动调节，烟气消旋变得非常麻烦，全部依靠运行人员根据经验手动调节。每一个负荷点的变化、各燃料层燃料量的变化以及二次风配风方式的变化等，都必须对消旋风量跟踪调节，调节耗时长且频繁，使运行人员调节力不从心。

2 洛河电厂三期控制锅炉金属超温的办法

2.1 分离器湿态运行期间

2.1.1 提高点火初期的给水温度

提高锅炉点火初期的给水温度，是防止锅炉启动初期分隔屏过热器超温及提高水冷壁水动力稳定性的有效方法。锅炉冷态清洗结束后即停止炉水排放，将炉水全部回收到除氧器，采用闭式循环加热的方式，锅炉各风烟挡板保持关闭，使给水温度得以较快上升，直至省煤器出口温度100℃甚至120℃以上，此时螺旋管圈水冷壁金属温度也能达到100℃以上，然后开通道启动风机，进行锅炉点火。在此过程中，要尽量缩短锅炉点火前炉膛的通风时间，减少炉温散失。这样做有几个好处：

(1) 冷炉受热面金属得到良好的预热，尤其在冬季，能减小金属热应力，延长金属的使用寿命；

(2) 锅炉点火后，温度最低的尾部烟道，烟温一直保持在烟气露点温度之上，能有效防止烟气结露对金属造成腐蚀及省煤器灰斗积灰潮湿而堵灰；

(3) 锅炉点火后，炉水升温稳定，产汽快且产汽量相对较大，过热器和再热器干烧时间及锅炉启动排气时间短；

(4) 使炉膛内煤粉燃烧的初始环境温度得以提升，提高了锅炉点火初期煤粉着火及燃烧的稳定性。

不仅锅炉点火初期要尽量提高给水温度，在整个锅炉启动过程中，都应尽量保持加热蒸汽量充足，并及时回收热水。

2.1.2 降低锅炉启动流量

锅炉点火初期，启动分离器起压之前的初期给水流量保持不少于300t/h即可。较小的初期启动流量减小了排放热损失，减轻了除氧器加热蒸汽的负担，因而使锅炉进口给水温度得以一定程度的提高。这既有利于提升炉水温度，缩短炉水加热时间，又增加了蒸发设备的产汽量，而且热排放量的降低和炉水温度的提高使燃料的投入量随之降低，分隔屏过热器受到的辐射热降低，进一步减小了分隔屏过热器金属超温的可能性。

但较低的给水量降低了炉水对水冷壁的冷却能力，使水冷壁金属易于超温，并对水冷壁内水动力特性的稳定性产生一定的负面影响。由于每一台锅炉的特性都不完全相同，因此必须根据各台锅炉的自身特性来选择启动初期的给水流量。选择启动初期的给水流量应遵循这样的原则：保证水冷壁各壁温测点显示的数值正常、均匀、温升率一致。若水冷壁出现大面积的壁温数值偏高或温升较快，即使这些数值都在正常范围内，也可能是给水流量不足；若出现局部或个别壁温值高或壁温值有上下波动现象，就可能是水动力特性不稳定。这时需要增加给水流量，加强对水冷壁金属的冷却，而且，提高水冷壁进口的质量流速，是防止水冷壁内水动力特性稳定性破坏的有效手段。

采用较小的启动流量，须加强监视给水流量的变化，防止其他参数变化造成给水流量的波动，并且在启动分离器起压后，根据压力的上升情况及时增加给水量。洛河电厂三期锅炉启动，在锅炉给水流量达到《运行规程》规定的最小直流流量前，锅炉给水流量的增加按启动分离器压力每上升2MPa增加50t/h给水量的比例进行，以确保有足够的水量冷却水冷壁和防止水动力稳定性破坏。另外，锅炉采用较小的启动流量，要特别注意燃料量的增加应平缓，否则易造成水冷壁金属温度较快上升。

2.1.3 分离器转态控制

要防止分离器过早地由湿态转干态运行。因为转态早说明燃料量偏大，如果再发生其它一些扰动，受热面金属超温的危险性就大大增加，尤其是处在炉内燃烧中心附近的螺旋管圈水冷壁。原则上机组负荷180MW前要保持启动分离器湿态运行。洛河电厂启动分离器转态，一般放在机组负荷200 MW～210MW时进行。

2.1.4 引起给水量或燃料量变化的操作

给水由旁路切主路、采用汽泵启动的汽泵换汽源、给水泵并泵等操作，都可能引起给水流量的波动，是分离器湿态运行期间易引起水冷壁金属超温的几项操作。此时应尽量减少其它操作，尤其是燃料量必须保持稳定。操作过程中应始终坚持保持给水流量稳定的原则，防止给水流量波动。特别要注意防止给水流量多次短时间降低造成的水冷壁金属因累积热量而超温的现象发生。

增投制粉系统或油枪时，应根据情况适当降低其它运行制粉系统的出力，保持总燃料量上升平缓，并及时监视金属温度，尤其是螺旋管圈水冷壁金属温度的上升情况，防止炉内热量上升过快造成水冷壁超温。

2.2 分离器干态运行期间

启动分离器转干态运行之后，要及时调节水/煤比，监控中间点温度，并采用较低的中间点温度过热度，但必须防止中间点温度过热度过低使分离器重新转湿态。此时可根据负荷-温度曲线确定主蒸汽温度的合理范围，尽量少用或不用减温水，这样就可以保持稍大的水/煤比，使锅炉各段受热面都能得到较好的冷却。

2.3 锅炉变工况

对异常最好的防范是事故预想，然后是及时发现，最后才是准确的处理。所以，变工况时经常检查受热面金属温度，掌握各点壁温值的变化趋势及变化速度很重要。

升降负荷、并退给水泵、增减磨煤机运行台数等过程中，水煤比变化较大，应尽量平稳操作，防止水冷壁蒸发点的大幅度上下移动使水冷壁产生交变热应力。即使是在超临界压力下运行，由于大比容特性的存在，这种交变热应力仍不容忽视。无论何种扰动，凡是给水量或燃料量发生变化的过程，都应及时检查受热面壁温。操作过程中控制好水/煤比，稳定中间点温度，并且要掌握中间点温度变化的速度和幅度，不可片面地只看数值调节。

高加的投、停将会引起给水温度的变化，使中间点温度不能维持在原来的数值运行。应根据给水温度的变化情况，分阶段地改变中间点温度过热度设定值，而不可盲目地一步到位。

锅炉运行中，应尽量减少减温水的使用量，以及采用合理的燃料分配及配风方式，防止火焰偏斜或冲刷水冷壁、炉内热量过于集中等，都能有效防止锅炉金属超温。

如果锅炉过热汽温已经很高，可短时开启过热器出口电磁释放阀。这样一方面可减轻高温蒸汽对汽轮机的影响，另一方面可增加锅炉各段受热面内单位时间的通流量，加强对过热器金属的冷却。

2.4 防止水动力特性不稳定

运行方面提高水动力稳定性的方法有以下几种:

(1) 提高质量流速。主要是通过增加给水量来实现。运行中减少减温水的使用量，也能在一定程度上提高锅炉加热段和蒸发段的工质质量流速。

(2) 提高启动压力。采用变压运行的螺旋管圈水冷壁的直流锅炉，在工质比容变化最大的阶段避免了工质再分配，减小了水冷壁的热偏差和流量偏差，本身就有利于提高水动力稳定性，但应避免低负荷时的工作压力过低使汽水密度差过大。

(3) 减小水冷壁进口工质欠焓。可通过提高给水温度来实现。水冷壁加热段缩短有利于稳定蒸发点位置，使一定热负荷下水冷壁管内蒸汽产量变化小甚至不变化，即汽水的密度比变化小或不变化。因为流动阻力总是随着给水流量的增加而增加，所以水动力特性是稳定的。但应防止水冷壁进口工质欠焓过小，因为这会使工质流量稍有变化时水冷壁进口联箱就可能产生蒸汽，引起工质分配不均。

(4) 减小热偏差。热偏差是促使水动力特性不稳定的主要因素，因此锅炉运行中应及时吹灰；防止火焰偏斜；避免燃料层投入层少量大的过于集中的方式，造成炉内热量集中使尖峰热值过高。

(5) 控制螺旋管圈水冷壁出口温度。下辐射区水冷壁处于热负荷最高的区域，吸热最强。为避免工质比容剧烈变化，应将工质的大比容变化区避开热负荷较高的燃烧器区，这就要求控制螺旋管圈水冷壁出口温度，使其低于拟临界温度。