600 MW 超临界W 型锅炉无炉水循环泵启动特性分析

王希寰

(大唐华银金竹山火力发电分公司，湖南 娄底417505)

某公司#3 锅炉为世界第1 台低质量流速600 MW 级超临界W 型火焰锅炉，该炉型的投运填补了世界范围内超临界锅炉制造技术的空白，其主要技术特征为:超临界参数、垂直炉膛、低质量流速优化内螺纹垂直水冷壁、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、露天布置Π 型锅炉，采用双进双出正压直吹制粉系统，W 型火焰燃烧方式，并配置浓缩型EI-XCL 低NOx双调风旋流燃烧器。锅炉配有带循环泵的内置式启动系统，它由立式布置的内置式分离器、贮水箱、循环泵、阀门、管道及附件等组成，按全压设计。为了减少流动的不稳定和保证水冷壁安全，炉膛水冷壁设计最小流量值为28.5%BMCR 即541 500 kg/h。

超临界W 型锅炉因其特殊的水冷壁型式需在启动初期保持较高的炉膛给水流量，故采用带炉水循环泵的启动旁路。炉水循环泵属于高端进口设备，价格昂贵而且故障率较高，随着运行时间延长，易发生泵组密封破坏、绝缘降低、轴承磨损等问题。泵体故障后需返厂检修，周期较长，期间锅炉不能正常启动。为此，解决超临界W 型锅炉无炉水循环泵冷态启动成为了一项急迫的现实问题。

实现无炉水循环水泵启动的关键是减少汽轮机冲转前炉膛给水流量，但制造厂商已明确:“设计给水最小流量值(570 t/h)是减少流动不稳定和保证水冷壁安全的最低流量值。”在无经验借鉴的条件下，超临界W 型锅炉进行无炉水泵启动面临较大安全风险，可能发生的问题包括:水冷壁因温差造成膨胀不均而拉裂。局部水冷壁冷却不足而短期超温爆管。过热器严重超温。长时间大量弃水导致启动过程主汽温、主汽压不匹配。大量排水造成升压困难或化学水补充困难。

1 最低安全给水流量控制原则与依据

实现无炉水循环水泵启动的关键是减少汽轮机冲转前炉膛给水流量，以下对最低安全给水流量控制原则与依据进行分析。

1.1 水冷壁最高允许温度分析

影响锅炉蒸发受热面安全工作的主要问题是管内沸腾传热过程的恶化。沸腾传热恶化主要与工质的质量流速、工作压力、含汽率和热负荷等因素有关。有2 种应对传热恶化的方法:一是防止它的产生;二是允许它发生，但应限制壁温不超过容许值。在直流锅炉中，蒸发管部分区段内必然会出现蒸干现象，因此水冷壁上段需用解决的问题是如何降低传热恶化时的管壁温度，保持金属壁面湿度在一定范围，而不是防止它的产生。

对于低质量流速内螺纹垂直管水冷壁因质量流速低，摩擦阻力小，静压头占主导地位，受热强的管子静压差变小，整个压差下降，而回路进出口压差不变，使得受热强的管子流量增加与其匹配，形成类似自然循环回路的自补偿特性。但当热负荷大到一定程度后，工质含汽率升高，流动阻力的增大值可能大于运动压头的增大值，这时入口循环量不但不增加，反而会下降，循环回路失去自补偿能力，同时出现沸腾换热恶化。循环回路失去自补偿能力时对应的含汽率称为界限(极限)含汽率。因此水冷壁下段需用解决的问题是如何保持循环回路自补偿能力，使其得到良好的冷却。

某公司#3 锅炉炉膛水冷壁回路在BMCR 工况下，其设计截面质量流速约为960 kg/ (m2·s)左右，已经达到了亚临界自然循环锅炉的水平。借助于优化内螺纹管良好的水动力和传热特性，低质量流速下内螺纹管锅炉蒸发受热面具有自然循环锅炉类似的自补偿能力。管壁温度在一定范围内的稳定，表明低质量流速下内螺纹管保持正常的自补偿能力或得到足够湿蒸汽的冷却，受热面是安全的。分析蒸发受热面管壁温度范围可作为判断循环回路是否失去自补偿能力或得到足够湿蒸汽冷却的重要方法。或者说判断锅炉水冷壁是否安全的表征现象可以确定为“管壁温度在一定范围内的稳定”。600 MW 超临界W 型火焰锅炉在设计运行条件不同工况下(含冷态启动不同阶段)水冷壁温度数据基本均在对应工作压力下饱和温度高0 ～8 ℃。故将其列为表征水冷壁安全的重要指标。

1.2 水冷壁最高允许温差分析

在并列管束中(1 个管屏)，个别管子内工质焓增值与整个管屏的平均工质焓增值不一致的现象，称为热偏差。直流锅炉蒸发管布置在炉膛下辐射部分，承受最大的热负荷。在某些情况下，如在流量不均和强烈受热不均的共同作用下，可使偏差管中的工质温度和比容突然增大，流量减少，并使管子金属过热，甚至破坏。因此对蒸发管允许的热偏差必须严格控制，尽可能缩小偏差。某公司600 MW 超临界W 型火焰锅炉在不同工况下(含冷态启动不同阶段)水冷壁温差历史数据后得出结论:绝大部分工况水冷壁温差均在30 ℃以内，远低于设计标准“炉膛水冷壁任意相邻2 根管子之间的温差不超过89 ℃，任意不相邻2 根管子之间的温差不超过111 ℃”。逻辑上可以推定:当水冷壁温差控制在30 ℃范围内，水冷壁是安全的。故水冷壁温差控制目标值暂定在30 ℃。

2 启动技术方案关键与控制

2.1 无炉水循环泵启动控制基本原则

在结合大量运行历史数据的前提下，制定了衡量启动过程给水流量是否适当的标准，其主要数据来源包括:1)锅炉在短时“给水流量低于设计值”异常工况下的历史数据。2)以螺旋管圈水冷壁给水流量无炉水循环泵启动实际流量值为初始值，参照垂直管圈水冷壁与螺旋管圈水冷壁给水流量保护定值间差值以及2 种炉型设计最低安全给水流量差值作为修正依据。

确定运行控制基本原则:1)以水冷壁管壁温度超过饱和温度8 ℃作为水冷壁内壁面形成汽膜层的特征，即用来判断下炉膛水冷壁是否失去自补偿能力或上炉膛水冷壁失去湿蒸汽的冷却，以防范可能发生的沸腾传热恶化。即以水冷壁管壁温度不超过对应压力下的饱和温度8 ℃为限来控制给水流量大小。2)将水冷壁管壁温差不超过30 ℃作为判断蒸发管流动稳定性的特征。依上述原则，对原运行启动控制标准进行修改，操作步骤进行相应调整后，于2011 年成功实现600 MW 超临界W 型火焰锅炉无炉水泵冷态启动。

2.2 启动过程水冷壁温度实际变化与控制

1)锅炉起压前

启动各阶段水冷壁温差最大值出现在锅炉点火至起压过程，通过试验发现此阶段水冷壁温差对炉膛内给水流量变动并不敏感，不相邻水冷壁管温差最大值达90 ℃，相邻水冷壁管温差最大达60 ～70 ℃，见图2。温差较大区域主要分布在投运火嘴的右前墙和左后墙，分布呈现离散状。当锅炉起压后(此时热负荷较强区域水冷壁平均壁温由60 ℃较快上升至140 ℃左右)，水冷壁温差现象逐渐好转。此现象反映超临界W 型火焰锅炉点火起压过程垂直管屏汽水侧两相混合物受热不均导致的放热系数的差异带来的影响远大于炉膛设计管道阻力偏差造成的流量不平衡的影响。此现象非无炉水循环泵启动降低给水流量引起，带炉水泵启动也存在类似现象。故启动过程对温差控制标准进行了现场调整。并判断控制此类管壁温差，应通过缩短倒换油燃烧器的时间间隔和减小单只油枪出力等均化炉内热负荷的方法实现，否则即使按设计给水流量控制仍存在一定的安全隐患。

2)锅炉起压后冲转前

锅炉起压后，投火嘴区域水冷壁温度水平已超过140 ℃，但未投火嘴区域水冷壁温度偏低约60℃，此阶段上炉膛壁温均匀，在投入煤粉1.5 h 后各位置水冷壁温差趋向均匀，此时水冷壁温度约180 ℃，温差在30 ℃范围内。此类温差由热负荷偏差引起，对提高给水流量同样不敏感，只有当炉内整体热负荷上升并趋向均匀，温差才逐渐消失。故具备条件后，宜尽可能提前投入煤粉并使其充分燃烧，提高炉膛整体温度水平，促使水冷壁温度尽快趋向均匀。

无炉泵启动与带炉水启动并网时各参数接近，冲转前参数存在一定差异，但仍在合理范围之内，见表1。

表1 汽轮机冲转前主参数

2.3 汽温汽压的匹配控制方法

为满足汽温汽压和匹配关系，通过选择适当启动用烟煤，降低烟气量。实践表明设计燃用无烟煤锅炉在启动过程中选择可燃基挥发分35% ～45%;灰分30%以下的煤种较为适当，如河南义马杨村煤，有利于启动过程参数的匹配，降低油耗。其它有效控制方法包括:开大一、二级旁路运行;开启包墙过热器、高温过热器疏水门;控制分离器出口温度为饱和温度;适当减少分级风;增加过热器、再热蒸汽减温水量;开启1 ～2 个ERV 阀或全开点火排汽门运行。

2.4 工质回收

工质的及时回收不仅可减轻保证化学补充水供应的困难，也可一定程序降低热量的损失。需重点注意:①在设备和人员上满足快速取样与化验的要求，水质合格炉水即回收凝汽器;②锅炉疏水箱设置远传压力与水位测量装置，以便疏水回收控制;③根据排水与凝汽器真空情况，采取“疏水泵运行”、“停疏水泵开启出口门”2 种方式控制。

2.5 锅炉正常升压速度的保证

无炉水循环启动初期大量排水，造成锅炉升压速度的放缓，过慢的升压速度将增加化学水供应的难度，为保证点火后锅炉升压速度，可采取以下措施:锅炉采取分阶段进水和冲洗以增加除氧器蒸汽加热时间，提高给水温度;引风机启动前1 h 投入暖风器，锅炉点火后即投入一次风机，点火后1 h左右即投入煤粉;开启一、二级旁路时，同步投入#2 高压加热器。

3 无炉水循环启动与正常启动的差异

1)无炉水循环泵启动方式在点火后的大流量排水造成的热量损失延长了锅炉起压过程，锅炉从点火到起压的时间延长约50 min。

2)锅炉点火后，水冷壁内汽水两相流的传热差异导致水冷壁管间温差，锅炉点火至起压过程，2 种启动方式下，在热负荷集中区域水冷壁均出现最大90 ℃左右的温差，在无炉水循环泵启动方式下此温差出现范围更宽，但均在设计范围内。

3)采用无炉水循环泵启动，当主、再热汽温达到冲转参数时，主汽压约为2.7 MPa，较正常启动约低2 MPa。

4)采用无炉水循环泵启动，从锅炉起压至冲转参数的时间段缩短约1 h，但因起压速度较慢，从点火至冲转参数2 种启动方式所耗时间接近。

5)2 种启动方式，从起压至冲转参数过程，采用无炉水循环泵启动后水冷壁温度逐渐低于正常启动方式下40 ℃，从冲转至转直流过程，此温差逐渐缩小，“转直流”后完全趋于一致。

6)2 种启动方式，水冷壁温度低于对应压力下饱和温度8 ℃。

7)2 种启动方式，锅炉转直流的操作方式无差异。

4 总结

1)超临界W 型锅炉因其特有的炉膛结构形式，水冷壁采用垂直水冷壁管屏，为消除启动过程热偏差，保证水冷壁安全，均设计有带炉水循环泵的旁路系统。其无炉水循环泵启动的成功，表明该型锅炉可不受制于炉水循环泵的可靠性，从而大幅提高锅炉主设备的可靠性。

2)试验情况表明，超临界W 型锅炉水冷壁安全最低给水流量比厂家设计值可降低约100 t/h，“水冷壁温度不超过对应压力下饱和温度8 ℃”作为保证水冷壁安全的基本控制原则具有较大的指导意义。

3)超临界W 型锅炉在起压过程中因热负荷、压力、质量流速、含汽率、管径等差异导致的汽水两相流的换热差异现象明显，一定程序将会影响水冷壁的安全，可能导致水冷壁局部变形，需在今后同炉型水循环的设计和膨胀系统设计中进行重点分析和优化。

4)2 种启动方式下，采取缩短倒换油燃烧器的时间间隔和减小单只油枪出力、具备条件及时投入煤粉等均化燃烧的措施，对保证水冷壁安全是必要的。

5)设计燃烧劣质无烟煤锅炉，通过一定的技术改进，实现烟煤冷态启动，不仅能大幅降低机组启动耗油，而且对启动过程防止受热面超温，改善机组汽温汽压匹配特性均有利。

〔1〕北京巴布科克·威尔科克斯有限公司. 50 -G13000 锅炉说明书〔S〕. 2008.

〔2〕范从振. 锅炉原理〔M〕. 北京:中国电力出版社，1998.