高温再热器并管在热电联产锅炉改造中的应用

刘建江， 崇培安

(1. 江苏利电能源集团， 江苏无锡 214400； 2. 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240)

为满足电厂周边区域供热需求，某电厂对现役二期2台350 MW机组进行大容量供热改造，实现大容量供热热电联产。

由于大容量抽汽供热可能恶化锅炉再热器受热面内的工质与锅炉蒸发量的不匹配，在锅炉蒸发量不变时，抽汽导致再热器受热面的质量流速下降，影响锅炉高温受热面的安全性。对于不满足安全性要求的情况，需要采取相对应的改造方案来保证锅炉的安全运行，实现机组大容量供热的热电联产[1]。结合现有机组锅炉低负荷排烟温度低、机组在不抽汽低负荷运行时的安全情况等，综合考虑锅炉改造方案，以保证机组锅炉长期安全、稳定、经济运行。

1 锅炉概况

该电厂锅炉为亚临界、自然循环、一次中间再热汽包炉，型号为WGZ1246/18.15-I，采用英国BEL (Babcock Energy Ltd)技术，1998年投产。锅炉采用全钢结构悬挂结构、单炉膛、∏形布置, 燃烧采用平衡通风、固态排渣方式，燃烧器采用旋流燃烧器集中前墙布置方式。炉膛与尾部烟道间有4.495 m的水平烟道，炉膛水冷壁采用内螺纹管垂直膜式布置的结构，炉膛上部分别布置20片屏式过热器(简称屏过)和28片高温过热器(简称高过)管屏，炉膛出口水平烟道折烟角区域布置71排高温再热器(简称高再)管；尾部烟道分前、后两个通道，前烟道水平布置蛇形管式再热器和19个回路的蛇形管式省煤器，后烟道布置蛇形管式低温过热器(简称低过)和9个回路的蛇形管式省煤器，前、后烟道的省煤器为并联式连接，有分开的进、出口集箱供输工质。过热汽温采用二级喷水减温控制，再热汽温采用烟道挡板调节并辅以低温再热器(简称冷再)管道上的事故喷水控制。为减少传热偏差的累积，在后屏过的进、出口各进行一次蒸汽交叉，高过出口蒸汽从锅炉两侧主汽管道引出并在炉前汇集为一根主汽管后送至汽轮机侧。锅炉受热面布置简图见图1。

2 热电联产改造的设计要求

为了实现大容量供热热电联产，该机组进行了汽轮机热电联产改造，根据汽轮机侧改造后的相关要求，锅炉需进行相应的改造以满足安全稳定运行的要求。汽轮机改造后的参数要求见表1。

表1 二期锅炉热电联产改造后的参数要求

锅炉改造的目标为：改造方案应兼顾表1各种不同工况的要求，并能满足当所有供热抽汽停用时，机组能带满负荷(370 MW)，就改造对机组特别是锅炉运行的变化和影响进行评估。

二期锅炉热电联产改造后的关键指标见表2。改造相关说明如下：

(1) 最大过热器减温水量以改造后的最大减温水量对比改造前试验值作为比较指标，再热器无减温水。

(2) 在表1所列考核的各个工况中，锅炉过热器、再热器烟气侧调节挡板要求确保有一定的调节余量。

(3) 必须注意到锅炉蒸发量在1 140 t/h时，炉膛容积热负荷就达到137.7 kW/m3，超过我国DL/T 831—2002 《大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则》推荐值(95～115 kW/m3)的上限，截面热负荷4.64 MW/m2也达到推荐值的上限，所以该锅炉的燃煤有较大的局限性，必须防止炉膛和分隔屏结焦。如果炉膛水冷壁和分隔屏过热器出现结渣倾向，将严重影响锅炉性能参数和挡板调节性能[2]。

表2 二期锅炉热电联产改造后的关键指标

3 锅炉改造前分析

根据电厂提供的性能试验数据以及运行数据，分析认为：

(1) 锅炉在360 MW负荷附近运行时，几种磨煤机组合过热器减温水在90～130 t/h，最大也只有140 t/h，表明过热器减温水量虽然偏大，但仍然属于可以接受范围内，炉膛的结焦性良好。200 MW低负荷时减温水在40～50 t/h，属于可以接受的范围。

(2) 锅炉氧量较大，省煤器出口氧量在360 MW高负荷时达到3.50%以上，过量空气系数偏大；低负荷200 MW时氧量达到6%以上，对锅炉的NOx指标不利，也极大地影响锅炉效率。锅炉过热器和再热器原布置面积较多，目前再热器侧运行挡板开度小，如果降低氧量，烟气量减小，锅炉通过受热面吸热调节，汽水参数仍有满足设计值的条件。

(3) 在200 MW低负荷运行时排烟温度仍有110 ℃左右，这是在夏天环境温度20 ℃时的数据；在冬天环境温度较低时，低负荷运行时排烟温度会低于100 ℃。

(4) 目前SCR入口烟温在300～360 ℃，能够满足SCR最低脱硝温度要求。

(5)再热器侧烟气挡板和过热器侧的烟气挡板开度有一定的调节余地。

(6)截面热负荷、容积热负荷已经达到或超过燃煤锅炉推荐上限，燃煤有较大的局限性[3]。

4 理论计算模型

4.1 锅炉热力计算

锅炉整体热力计算方法的特点是考虑了锅炉炉膛几何形状对炉内传热的影响，并确定了定量关系，以此为基础建立了炉膛计算方法和管束计算方法，该方法在大、中、小容量锅炉上已得到广泛应用。

(1)

几何特性系数在锅炉几何形状发生变化时，M随h/dl变化规律是一组曲线，而过去广泛采用的方法是一条曲线，特别是对大容量锅炉将引起较大误差，产生超温或欠温问题[4]。

4.2 壁温分段计算

由于同屏各管的换热和结构均不一样，为了详细考察管子沿长度方向的汽温和壁温分布，校核计算采用分段计算模型，对每片屏、每根管子沿管长蒸汽流动方向都进行分段计算。

管子外壁温度是指在考虑了烟道断面上和管子周围处吸热量的不均匀性后，计算出的局部壁温的最大值。

壁温计算的基本公式有：

(1) 管壁金属温度(管子强度计算依据)。

(2)

式中：tq为计算点管内蒸汽温度；β为管子外径与内径之比；μ为散热系数；q为计算点管子外壁热负荷；δ为管子壁厚；λ为管壁金属的导热系数；α2为蒸汽侧的放热系数。

(2) 外壁温度(判断烟气侧抗氧化依据)。

(3)

在求出了管子金属壁温tb和twb后，就可以以此为依据，分析判断管子在运行状态下的可靠性和安全性[5]。

5 改造方案

5.1 改造方案制定分析

抽汽供热对锅炉运行的影响主要体现在：

(1) 高压缸抽汽减少再热蒸汽流量，恶化再热器工作状态。

(2) 再热器温度降低影响调节挡板开度，也影响过热器减温水量。

(3) 中压缸排汽抽汽主要影响给水温度，直接影响是蒸发量问题，该锅炉的蒸发受热面不足，直接结果是增加过热器减温水量，另外烟气量增加影响挡板调节，再热蒸汽侧挡板开度继续减小，更进一步恶化过热器传热，增大过热器减温水。

由于抽汽供热导致再热器的吸热量减少，按机组1 090 t/h热平衡图计算，再热器整体吸热量将比现在减少25%以上，已超过挡板的调节裕度，如果不调整再热器受热面积，锅炉的再热器系统整体超温严重。该锅炉特点是高温再热器的吸热量要占再热器总吸热量的60%，再热器的挡板调节余地较小，因此减少高温再热器受热面，可以增加再热器挡板的调节裕度是可行的措施，对高负荷时更为有利。

通过计算发现，如果减少高再40%的受热面积，抽汽后烟气挡板的调节裕度与现在的运行状况基本持平，据此设计锅炉的改造方案。如果不抽汽，可以通过加大再热器挡板开度，增加再热器侧的烟气通流量，减少低过侧的烟气通流量，以适应新的运行状况需要。

5.2 改造方案

采用高再并管的方案，在立式再热器和高再之间的水平过渡段，将高再管子通过三通结构，将两根管合并为一根管，原设计每屏8根管组变成每屏4根管组，同时保持高再的管屏排数不变。为减少再热器系统的阻力损失，需控制高再管内蒸汽流速，将高再管子规格由原设计的直径d=51 mm、壁厚δ=4.5 mm变为d=70 mm、δ=5 mm，高再管组各管出口直接回高再出口联箱，出口联箱上原设计多余的管接头通过堵管的方式处理。高再改造前见图2，改造方案见图3。

图2 锅炉高再原结构图

图3 锅炉高再改造方案示意图

6 计算结果与分析

6.1 热力性能计算分析

根据改造方案进行了计算，计算结果显示在360 MW供热抽汽工况(蒸发量1 130 t/h)下，挡板开度保持与现运行一致，过热器侧的烟气通流量百分比均在70%左右，但过热器减温水约增加10 t/h，排烟温度略有升高，但所有工况均不超过0.5 K。

如果不抽汽工况，在270 MW(蒸发量900 t/h)和360 MW(蒸发量1 130 t/h)负荷时，过热器侧的烟气通流量百分比在55%左右，有较大的调节裕度，过热器的减温水比现在减少15 t/h，排烟温度降低1～2 K，SCR入口烟温降低3～5 K；在C、D磨煤机200 MW时，过热器侧的烟气通流量百分比约35%，表明烟气挡板和过热器减温水均有调节裕度，能兼顾抽汽和不抽汽工况的影响。

6.2 壁温计算分析

高再采用12Cr1MoVG和T91两种材料(只在进口端采用12Cr1MoVG)；根据GB/T 16507.4—2013进行管材强度校核计算。在考虑壁厚负偏差的情况下各负荷的高再炉内壁温计算结果见表3和表4。由表3、表4可见：即使考虑管材的壁厚负偏差，较为危险的改造后不供热各负荷工况，高再炉内各管段管子强度校核均满足要求，壁温裕度最小都大于13 K。因此，高再改造后，能够满足锅炉安全稳定运行的要求[6]。

表3 高再各管许用壁温裕度1(B、C、D磨煤机，蒸发量1 180 t/h，不供热) K

表4 高再各管许用壁温裕度2(B、C、D磨煤机，蒸发量1 131 t/h，不供热) K

7 应用

改造后机组能够满足不同工况的要求，同时满足机组不供热时带满负荷(370 MW)的要求。

(1) 抽汽供热时过热器减温水流量增加10 t/h左右，再热器无减温水。不抽汽供热时过热器减温水流量减少12 t/h左右，再热器无减温水。

(2) 改造后各工况下锅炉过热器、再热器烟气侧调节挡板均有一定的调节余量。

(3) 改造后锅炉无明显炉膛和分隔屏结焦。

8 结语

通过对大容量供热热电联产锅炉改造的理论分析计算和成功应用，可以得到以下结论：

(1) 在亚临界机组大容量热电联产锅炉改造时，高再并管的方案可以成功调节锅炉各工况下的吸热平衡，为其他类似情况的受热面的改造提供解决方向。

(2) 高再并管方案应用到亚临界机组大容量热电联产锅炉改造中，方案简单，由于抽汽供热导致再热器的吸热量减少，按机组1 090 t/h热平衡图计算，再热器整体吸热量将比现在减少25%以上，已超过挡板的调节裕度，如果不调整再热器受热面积，锅炉的再热器系统整体超温严重。该锅炉特点是高再的吸热量要占再热器总吸热量的60%，再热器的挡板调节余地较小，因此减少高再受热面，可以增加再热器挡板的调节裕度是可行的措施，对高负荷时更为有利。