600 MW超临界锅炉高温再热器管壁温度偏差大原因分析及调整

王军民

(浙江大唐乌沙山发电有限责任公司， 浙江宁波 315722)

大型燃煤锅炉再热蒸汽压力低、温度高、比热容小，高温再热器(简称高再)极易受烟气侧热负荷及蒸汽流量等因素的影响，经常会出现再热蒸汽温度左右侧偏差大，管壁温度局部区域频繁超温的异常现象，不仅降低了再热器的使用寿命，而且为了降低管壁温度，大幅增加了再热器事故喷水的使用流量，再热蒸汽温度无法达到额定值，严重影响了机组的经济性。产生高再管壁温度偏差大的原因较多，需要开展全面的检查及分析，笔者结合某电厂高再的结构特性及锅炉运行的实际情况，开展了相关试验和测试工作，确定了高再壁温偏差大的原因，并开展了有针对性燃烧调整试验，最终彻底解决了超温问题。

1 设备概述

该电厂4台600 MW机组锅炉型号为HG-1890/25.4-YM4，一次中间再热，固态排渣、单炉膛、平衡通风、П形布置、全钢构架悬吊结构、露天布置，燃烧方式为前后墙对冲燃烧，采用30只低NOx双调风轴向旋流燃烧器，前后墙各15只，每层5只，分3层对称布置。为实现空气分级降低NOx，前后墙各布置2层燃尽风装置(OFA)，每层5只，共20只。

再热器分为低温再热器(简称低再)和高再两段布置，中间无集箱连接，低再布置于尾部双烟道中的前部烟道，高再布置于水平烟道中，逆、顺流混合换热。再热器系统中，低再入口分配集箱和高再出口汇集集箱采用端部引入引出的H形连接方式，见图1。高再沿炉宽排列95片，横向节距为230 mm，每片管组采用10根管。高再出口并联管汇入48个小集箱，每个小集箱采用一根小口径连接管并列接入高再出口汇集集箱，保证蒸汽的充分混合，热偏差小。

图1 再热器结构总图

2 异常现象

该电厂4号锅炉高再出口管壁温度偏差较大，最大偏差达100 K，温度分布呈现中间高、两侧低的“驼峰”形状，导致高再中间屏管壁极易超温。高再出口管管壁温度见图2(治理前)曲线。高再管壁超温部位分布及超温时长的统计见表1，超温部位主要集中在高再中间管屏42号屏和54号屏区域。锅炉正常运行中，为了防止高再管壁长期超温，锅炉被迫降低再热汽温运行，严重影响锅炉经济性。

图2 吹灰试验前后高再管壁温度分布

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3 原因分析

高再管壁温度偏差大，局部区域超温，主要有以下两个原因：一是受热面系统出入口联箱连接方式设计不合理，导致受热面内蒸汽流量分配不均，高再管壁温度偏差大；二是热负荷分布不均，受热面沿炉宽方向吸热不均，管壁温度偏差大。

3.1 蒸汽流量分配不均

再热器系统中，低再入口分配集箱和高再出口汇集集箱采用端部引入引出的H形连接方式。H形连接系统流量分布比较均匀，虽然存在中间管屏流量小、两侧管屏流量大的分布特性，但是偏差较小，由于蒸汽流量偏差引起的温度偏差较小[1]。某电厂相同型号的其他锅炉，高再出口管壁最大温差在20 K以内。因此，由于蒸汽流量偏差大，导致高再管壁温度偏差大的可能性较小。

3.2 烟气侧热负荷分布不均

3.2.1 高再积灰严重不均

高再积灰严重不均使得热有效系数分布不均，从而导致传热系数分布不均，局部区域换热加剧，管壁超温。某电厂锅炉再热系统吸热比例设计偏大，再热减温水量大，采取了停止高再区域吹灰，增大灰层热阻，减少对流换热量的方法，降低减温水量。根据理论分析，烟道两侧烟气流速低、烟温低，中间流速高、烟温高，必然导致烟道两侧积灰较中间严重，形成烟气走廊，进而使得中间烟气流速更高、吸热更强。由于进入各管的蒸汽流量分配较均匀，这样会导致中间管壁温度偏高、两侧管壁温度偏低现象。为了进一步验证以上分析，进行了高再区域吹灰扰动试验。吹灰扰动试验前后，高再管壁温度的变化，见图1。对比分析试验前后数据，高再壁温分布趋势无任何变化，仍然呈现出中间高、两侧低的“驼峰”形式，且吹灰后，高再壁温平均较吹灰前升高约10 K，导致高再中间区域管壁温度更高，更易超温。因此，可以排除高再由于积灰导致中心区域壁温超温的原因。

3.2.2 锅炉炉膛出口烟温不均

锅炉炉膛出口烟温不均，使得高再沿炉宽方向吸热量不均，从而导致烟温高区域管壁超温。在550 MW工况下，使用高温辐射仪对炉膛出口(炉膛前墙屏过底部)火焰中心温度进行测量，结果为：炉膛左侧1 170 ℃、炉膛中心1 370 ℃、炉膛右侧1 220 ℃。从测量结果看：沿炉宽方向，烟温偏差较大，最大偏差达200 K，烟温分布呈现明显的中心高、两侧低，与高再管壁温度分布情况相一致。

用烟气分析仪测量省煤器出口的烟气成分分布情况，测量结果见图3。

图3 高再超温治理前后烟气成分分布趋势

省煤器出口左右侧烟道各等距布置9个测孔，从左到右编号分别为1～18。省煤器出口烟气氧量呈现出两侧高、中间低的趋势，而CO含量分布正好相反，中间高、两侧低。从炉膛出口烟温和省煤器出口烟气成分分布情况分析：锅炉沿炉宽方向，风煤比严重不均，中心区域偏小，两侧偏大，导致中心区域煤粉燃烧滞后，火焰中心位置抬高，炉膛出口烟温也相应升高。高再中心区域管壁温度高的原因是炉膛出口热负荷分布严重不均，中心区域明显高于两侧，导致高再中心区域对流换热强烈，管壁极易超温。

4 高再管壁温度偏差调整

4.1 开展热态一次风调平试验

同层燃烧器煤粉分配不均，将导致风煤比沿炉宽方向分布不均，因此需要开展热态一次风调平试验，结果见表2。

表2 热态一次风调平试验结果 %

从调平结果看，仅A磨煤机由于缩孔无法调整，略有偏差， C磨煤机、E磨煤机已调平，其他磨煤机风速偏差均在±5%以内，无需调整。热态一次风调平后，高再管壁温度偏差没有明显改善，说明偏差大的根本原因不是煤粉不均，而是燃烧器二次风配风不均。

4.2 开展燃烧器热态调整试验

4.2.1 各层燃烧器调风盘调试前位置

燃烧器调整前位置见表3，同层燃烧器的内外二次风配风方式采用U形配风方式，即中间燃烧器开度小，两侧开度逐渐增大，靠左右墙的燃烧器开度最大。锅炉前后墙下层OFA装置不作调整，位置分别为直流风100%、旋流风量100%、旋流强度50%。

表3 各层燃烧器调风装置调整前位置

燃烧器拉杆及旋流位置说明：

(1) 燃烧器外旋流角度，60°旋流最强，0°旋流最弱。

(2) 燃烧器内二次风量拉杆，0 mm风量最小，200 mm风量最大。

(3) 上层OFA外旋流角度，0°旋流最强，60°旋流最弱。

(4) 上层OFA内直流风拉杆，0 mm风量最小，100 mm风量最大。

4.2.2 开展燃烧器热态调试试验

各层燃烧器的内外二次风配风方式采用 U形配风方式。同时，为了控制炉膛出口NOx，燃烧器内二次风量拉杆总体开度较小，采用U形配风后，中间燃烧器的内二次风量更小。根据相关研究，对冲燃烧锅炉的二次风大风箱内，两侧燃烧器的流量低于中间燃烧器的流量，流量偏差在6%～10%[2]。采用U形配风方式，可以解决同层燃烧器风量分配不均的问题；但是，U形配风幅度过大，中间燃烧器的二次风开度过小，将使中间燃烧器的二次风量小于两侧燃烧器。

另一方面，对冲燃烧锅炉采用层燃烧器大风箱结构，由于二次风内携带飞灰，使得风箱内大量积灰，风箱内的风速中间低、两侧高，积灰形式呈现中间积灰高、两侧积灰低的“驼峰”形式，导致中间燃烧器的进风截面较两侧小，中间燃烧器的风量进一步减小。

锅炉运行时，风煤比沿炉宽方向呈现中间小两侧大的分布形式，炉膛中心区域煤粉燃烧推迟，火焰中心位置呈现中间高两侧低，最终导致高再中心区域对流换热加剧，管壁温度高。

燃烧器热态调试后调风装置位置见表4。

表4 热态调试后燃烧器调风装置位置

表4(续)

针对以上原因，开展燃烧器的热态调整试验，调试的总体原则为：(1)减小各层燃烧器U形配风的幅度，适当增大中间燃烧器的二次风量，减小两侧燃烧器的二次风量，提高炉膛中心的风煤比；(2)增大各层燃烧器的内二次风量，提高每支燃烧器内二次风比例，增强煤粉在燃烧器出口的燃尽率，总体降低炉膛火焰中心位置；(3)增加上层OFA旋流风的旋流强度，加强燃尽风与烟气的混合，提高煤粉燃尽率，降低火焰中心位置。

4.3 高再管壁温度偏差调整效果

调整后，测量省煤器出口的烟气成分，结果见图3。从测量结果看：中心区域的烟气氧量明显升高，中心区域的CO含量大幅降低，炉膛中心缺氧现象已消除，沿炉宽方向风煤比的分布大致平衡，中间低两侧高的现象已消失。

高再管壁温度偏差大，局部超温现象已彻底消除，管壁温度最大偏差仅为38 K，沿炉宽方向壁温分布已趋于平衡，见图4(治理后壁温曲线)。2016年8月、9月高再管壁已无超温记录，超温问题得到彻底解决，详细数据见表1。

图4 超温治理前后高再管壁温度分布趋势

5 结语

(1) 锅炉炉膛出口烟温分布严重不均，沿炉宽方向烟温偏差较大，最大偏差达200 K，烟温分布呈现中间高两侧低的“驼峰”形，与高再管壁温度分布一致，使得高再沿炉宽方向吸热量严重不均，这是导致高再管壁温度偏差大的根本原因。

(2) 省煤器出口烟气氧量呈现出两侧高中间低的趋势，而CO含量分布正好相反，呈现中间高两侧低。尾部烟气成分分布特性，表明炉膛中心区域严重缺氧燃烧，导致煤粉燃尽时间延长，燃烧滞后，中心区域火焰中心位置不正常升高，炉膛出口烟温大幅提高，增大了相应区域受热面的吸热量，必然会出现管壁温度偏差大的现象。

(3) 根据相关研究，对冲燃烧锅炉的二次风大风箱内，两侧燃烧器的风量低于中间燃烧器的风量，风量偏差在6%～10%。对冲燃烧器锅炉普遍采用U形配风方式，即中间燃烧器开度小、两侧开度逐渐增大，靠左右墙的燃烧器开度最大的配风方式。虽然采用U形配风方式，可以解决同层燃烧器风量分配不均的问题；但是，U形配风幅度过大，中间燃烧器的二次风开度过小，将使中间燃烧器的二次风量小于两侧燃烧器。而对冲燃烧锅炉采用层燃烧器大风箱结构，由于二次风内携带飞灰，使得风箱内大量积灰，积灰形式呈现中间积灰高、两侧积灰低的“驼峰”形式，中间燃烧器的进风截面较两侧小，使得中间燃烧器的二次风量进一步减小。

(4) 热态一次风调平试验后，仅A磨煤机由于缩孔无法调整，略有偏差，其他磨煤机风速偏差均在±5%以内。调平后，高再管壁温度偏差没有明显改善，说明偏差大的原因不是煤粉不均，而是燃烧器二次风配风不均。

(5) 通过开展燃烧器的热态调试，减小各层燃烧器U形配风的幅度，增大各层燃烧器的内二次风量，提高上层OFA旋流风的旋流强度，使得风煤比在炉宽方向合理分布，消除炉膛中心缺氧燃烧情况，并加强燃尽风与烟气的混合，提高煤粉燃尽率，降低火焰中心位置，彻底解决了高再管壁温度偏差大的问题。

[1] 车得福,庄正宁,李军,等. 锅炉[M]. 2版. 西安: 西安交通大学出版社, 2008.

[2] 范庆伟,张帆,刘定坡,等. 锅炉二次风箱流量分配特性数值模拟[J]. 热力发电, 2014, 43(5): 87-90.