高炉煤气锅炉煤气扰动试验

【摘 要】为了提高全烧高炉煤气锅炉设计、改造技术水平，完善全烧高炉煤气锅炉运行操作技术能力，开展高温高压全烧高炉煤气锅炉过热器在燃料波动变化状况下的试验研究工作，试验主要基于锅炉在全烧高炉煤气的情况下，针对不同的过热器受热面布置量，在不同的蒸汽负荷下，进行不同的高炉煤气扰动量性能特征的试验测试，从而对高炉煤气锅炉运行操作和全烧高炉煤气锅炉改造设计提供借鉴依据和帮助。

【关键词】高炉煤气锅炉；过热器部件布置量；燃料变化；试验

【中图分类号】TK224 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）08-0075-04

随着冶金行业节能降耗工作的不断深入，高炉煤气的利用率不断提高、高煤放散率接近“零”放散。节能环保成效不断显现的同时，对高炉煤气锅炉燃烧调节也提出了更高的要求。据了解，在冶金企业中超过40%的高炉煤气是用于锅炉燃烧、提供发电供热，这部分是企业环保能源综合利用降本大头，特别是高炉煤气实现“零”放散后，煤气锅炉充当了煤气管网压力用量调节主要用户，必须随时按照煤气压力调整煤气使用量。煤气压力高时锅炉加负荷、煤气压力低时锅炉减负荷已成为常态，但是在这一调整过程中，锅炉对于系统性、阵发高炉煤气压力波动仍然存在自动跟踪调节跟不上的问题，致使锅炉出现短暂的超温、超压的问题。为此，从预防和改善的角度有必要对全烧高炉煤气锅炉进行相关的试验研究，以保证锅炉使用安全可靠和提高锅炉改造设计和锅炉运行操作技术水平。

根据对高炉煤气锅炉多年的使用经验和借鉴多方的经验，造成全烧高炉煤气锅炉产生温度、压力的控制问题主要因素是煤气燃料波动变化，即当高炉煤气多、压力波动时，锅炉容易发生温度和压力变化甚至超过设计参数。这种情况主要涉及的部位是锅炉的过热器，管内的蒸汽吸热量赶不上管外的烟气放热量，从而出现二介质间热量的不平衡，直接反映在锅炉参数上就是蒸汽温度、压力参数升高（或降低），严重时甚至出现超过设计部件许用壁温的情况。为此，针对不同高煤燃料量的波动情况，对高温高压全烧高炉煤气锅炉进行锅炉过热器的试验测試，就是本文研究的重点。

高温高压锅炉的过热器按传热的方式可分为对流过热器、半辐射过热器和辐射过热器3种。对流过热器布置在锅炉对流烟道中，主要有高温过热器和低温过热器等，它主要以对流传热的方式吸收流过它的高温烟气的热量；半辐射过热器又称屏式过热器，布置在锅炉炉膛上部出口位置，它既吸收炉膛中火焰的辐射热，又以对流的方式吸收流过它的烟气的热量。高温高压锅炉在温度调节上常规设置为二级减温装置，第一级减温装置布置在屏式过热器入口，第二级减温器布置在高温过热器冷、热段间。当检测到管内蒸汽介质温度超过要求时，自动控制及时增加减温水的喷水量进行降温（这部分工作可采用手动或自动调节），由于过热器受热面单根管较长、金属的热容量较大，在减温过程中，要使过热器出口汽温降低需要一些时间，当减温水蒸发吸热量能够弥补燃料陡增变化所产生的热量时，过热器壁温不会大幅度地提升甚至超温，否则就会超温。通过分析可知，过热器受热面长短、热容量大小或者说过热器受热面吸热量布置，对过热器运行特性至关重要。因此，在不同的煤气扰动量的情况下，对不同锅炉过热器进行试验测试就是本试验的具体工作内容。

1 试验目的

总体来说，研究高炉煤气锅炉过热器汽温随燃料变化的特点，不仅要研究燃料波动量对锅炉汽温的影响，而且需要研究锅炉的过热器（顺烟气流向依次说明）屏式过热器、高温过热器冷热段、低温过热器等受热面换热量布置的特点。只有对这些相关因素进行测试研究，才能实现改善高炉煤气锅炉运行和提高高炉煤气锅炉改造技术水平的目标。由此，针对不同的全烧高炉煤气锅炉（主要针对过热器布置受热面不同）在不同的燃料变化量情况进行试验测试，就是本次试验的目的。

2 试验条件

（1）试验锅炉为高温高压全烧高炉煤气锅炉，额定参数：负荷为220 t/h，出口压力为9.8 MPa，出口温度为540 ℃，燃料为100%高炉煤气，高煤热值为800 kcal/Nm3，锅炉进水温度为210 ℃。

（2）按照自屏过、高过、低过的烟气流向，进口烟温为950 ℃左右、出口烟温为630 ℃左右，试验范围锅炉过热器材料一致（屏过、高过为12 Cr1MoV，低过为20 G）。

（3）高温高压全烧高炉煤气锅炉的喷水减温器同样分二级布置，一级减温器布置在低温过热器出口（屏式过热器布置进口），二级减温器布置在高温过热器分冷段和热段之间，二级减温器布置使得过热器各部件受热面积管道不至于过长，蒸汽在各部件中焓增也不会太大，煤粉锅炉一般经验数据，过热器各部件内蒸汽焓增50 kcal/kg左右，这样布置在过热器换热上冷、热源热量比较容易平衡。前期的试验结论得知，全烧高炉煤气锅炉过热器受热面吸热量或吸热比具体如下：全烧高炉煤气高温高压锅炉，在满足热力计算和壁温设计校核下，屏式过热器吸热比应控制在6%～7%、高温过热器吸热比应控制在9.5%～10.5%、低温过热器吸热比应控制在9.0%～10.3%。本次试验是在前期试验的基础上，进一步开展高炉煤气负荷量扰动试验。

（4）高炉煤气燃料扰动变化速度约60 s，高炉煤气燃料的负荷量变化量分为0.5万m3/h、1万m3/h、1.25万m3/h、1.5万m3/h、1.75万m3/h、2.0万m3/h等几种情况。

（5）锅炉的负荷按低负荷120 t/h以下、中负荷150～170 t/h、高负荷190 t/h 3种进行试验。

（6）减温水的用量不限量（不按设计量供应，而以能够保证燃料波动时壁温不超过许用温度所需的减溫水量为准），过热器最高壁温以过热器使用材料许用温度为准。

（7）单位：一、二级减温水流量单位为t/h（吨/小时），过热器各组件吸收热量/吸热比单位为kcal/Nm3/%（部件吸收的热量：大卡/标立方高煤燃料热值；吸热比：占总燃料放热量的百分比）。

3 试验情况

试验情况见表1、表2、表3。

4 试验分析

（1）从锅炉<120 t/h的低负荷燃料扰动试验结果可知，3种锅炉过热器布置形式的试验情况基本一致。在燃料陡然波动时出现减温调节自动跟不上，过热器高过、低过、屏过均超温的情况，主要原因是锅炉燃烧在稳定的情况下烟气放出的热量和工质蒸汽吸收的热量一致，而锅炉在<120 t/h的低负荷时，减温水使用量较少甚至不用，减温水调门在微启状态调节线性较差，从而易于发生调温效果差的问题。与中、高负荷相比，同样增加煤气量所产生的热量与基础负荷相比比例大，这样在低负荷减温调节幅度相对大，超过了减温水常规跟踪设定的调节幅度，从而产生减温水滞后的问题，无法平衡的热量增加，导致低负荷高炉煤气锅炉汽温汽压波动甚至超过许用情况。实验结果为低负荷减温水难调整是主要因素。

（2）从锅炉150～170 t/h中、高负荷燃料扰动试验的结果可知，对比锅炉低负荷抗煤气扰动能力明显提高了，主要原因是减温水调门线性进入平稳区域，且在同样燃料波动的情况下扰动负荷占比降低、自动跟踪幅度降低，但是当扰动超过1.25万～1.5万m3/h时同样存在减温水需求量超过自动跟踪幅度，发生热量输出和吸收的短暂不平衡，出现受热面壁温瞬间接近和微超的情况，同时在中、高负荷试验中明显看出3种锅炉过热器布置性能的优劣。

（3）从锅炉190 t/h高负荷燃料扰动试验情况可知，对比锅炉中、低负荷抗煤气扰动能力提高了，同时3种锅炉过热器布置抗煤气扰动特征更加明显。

{1}试验例1：在任何幅度的燃料扰动中，低温过热器壁温始终未超，明显易超温部位的高温过热器的壁温，特别是燃料扰动量大时，高过壁温升速更快，终止试验的原因是高温过热器壁温接近或瞬间超过材质许用壁温。分析认为，试验例1相比较例2、例3的布置，屏过吸热量/吸热比为59.33 kcal/Nm3/7.4%和高过冷段/吸热比为42.33 kcal/Nm3/5.29%，布置量稍大，受熱面管道的热容量大，加大燃料扰动时减温水需求幅度，从而出现高温过热器较容易超温的情况。{2}试验例2：终止试验的原因是扰动幅度大过减温水调节的跟踪幅度，相比较试验例1、例3，抗燃料扰动能力更强，从试验例2布置情况分析，适当提高低温过热器受热面，降低高温过热器受热面的方法有助于提高对燃料的抗扰动能力，但低温过热器受热面布置量吸热低于10.3%的吸热比，同样高温过热器热段受热面吸热比为4.6%比较合理。{3}试验例3：屏过、高温过热器低温段和高温段，在1.5万m3/h以下的煤气扰动前，基本不发生超温的问题，减温水平衡了燃料扰动量所增加的热量，终止试验原因是低温过热器壁温接近或瞬间超过材质许用壁温。分析认为，该试验例相比较例1、例2的布置，低温过热器吸热量/吸热比为82.93 kcal/Nm3/10.3%，布置量稍大，出现锅炉负荷高、燃料扰动幅度大时，低温过热器吸热量过大的情况。

（4）对上述3例试验的试验结果分析可知，全烧高炉煤气锅炉在1 min内，高炉煤气燃料变化扰动量不能超过1.75万m3/h，否则无法保证锅炉过热器的安全性和可靠性。

（5）在高炉煤气燃料陡增的情况下，减温设计量均无法满足需要，实际使用时合理用量如下：一减两侧减温水总流量>16（2×8）t/h；二減两侧减温水总流量>10（2×5）t/h。

（6）高炉煤气燃烧至烟气对过热器的影响速度远大于煤粉燃烧，因此对煤粉锅炉改烧全烧高炉煤气锅炉时，需考虑高炉煤气燃料的燃烧特征，具体如下：{1}对比煤粉锅炉，因煤气燃烧速度快，致使蒸汽、减温水滞后反应更明显。{2}对比煤粉锅炉过热器各部件内蒸汽焓增50 kcal/kg，全烧高炉煤气锅炉过热器内蒸汽的焓增：屏式过热器基本一致，低温过热器和高温过热器冷、热段布置蒸汽焓增要低。{3}对比煤粉锅炉，全烧高煤锅炉的过热器的减温水实际使用量远超设计量。

5 试验结论

（1）从试验结果可以得出造成全烧煤气锅炉过热器超温的主要原因是高炉煤气压力波动引起的负荷波动、减温水自动跟不上所致，解决该问题根本的措施不但要从调整过热器受热面着手，而且要增加高炉煤气供气系统压力调压设施，保证供气压力的稳定。

（2）高温高压全烧高炉煤气锅炉过热器合理的布置量如下：一减前低温过热器吸热量/吸热比为70.18 kcal/Nm3/8.77%，一减后屏式过热器吸热量/吸热比为49.66 kcal/Nm3/6.2%；二减后过热器高温过热器热段吸热量/吸热比为36.83 kcal/Nm3/4.6%。

（3）全烧煤气锅炉减温水量选择要考虑高炉煤气供气压力波动的因素，同时按照高炉煤气燃烧特点调整锅炉过热器各部件的布置量。

（4）针对高炉煤气压力波动的情况，锅炉操作人员有必要提前做好量调整和手动干预减温用量等准备工作。

参 考 文 献

[1]清华大学电力工程系锅炉教研组.锅炉原理及计算[M].北京：科学出版社，1979.

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[责任编辑：陈泽琦]