高爐煤氣鍋爐煤氣擾動(dòng)試驗(yàn)

【摘 要】為了提高全燒高爐煤氣鍋爐設(shè)計(jì)、改造技術(shù)水平，完善全燒高爐煤氣鍋爐運(yùn)行操作技術(shù)能力，開展高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐過熱器在燃料波動(dòng)變化狀況下的試驗(yàn)研究工作，試驗(yàn)主要基于鍋爐在全燒高爐煤氣的情況下，針對(duì)不同的過熱器受熱面布置量，在不同的蒸汽負(fù)荷下，進(jìn)行不同的高爐煤氣擾動(dòng)量性能特征的試驗(yàn)測(cè)試，從而對(duì)高爐煤氣鍋爐運(yùn)行操作和全燒高爐煤氣鍋爐改造設(shè)計(jì)提供借鑒依據(jù)和幫助。

【關(guān)鍵詞】高爐煤氣鍋爐；過熱器部件布置量；燃料變化；試驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】TK224 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）08-0075-04

隨著冶金行業(yè)節(jié)能降耗工作的不斷深入，高爐煤氣的利用率不斷提高、高煤放散率接近“零”放散。節(jié)能環(huán)保成效不斷顯現(xiàn)的同時(shí)，對(duì)高爐煤氣鍋爐燃燒調(diào)節(jié)也提出了更高的要求。據(jù)了解，在冶金企業(yè)中超過40%的高爐煤氣是用于鍋爐燃燒、提供發(fā)電供熱，這部分是企業(yè)環(huán)保能源綜合利用降本大頭，特別是高爐煤氣實(shí)現(xiàn)“零”放散后，煤氣鍋爐充當(dāng)了煤氣管網(wǎng)壓力用量調(diào)節(jié)主要用戶，必須隨時(shí)按照煤氣壓力調(diào)整煤氣使用量。煤氣壓力高時(shí)鍋爐加負(fù)荷、煤氣壓力低時(shí)鍋爐減負(fù)荷已成為常態(tài)，但是在這一調(diào)整過程中，鍋爐對(duì)于系統(tǒng)性、陣發(fā)高爐煤氣壓力波動(dòng)仍然存在自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)跟不上的問題，致使鍋爐出現(xiàn)短暫的超溫、超壓的問題。為此，從預(yù)防和改善的角度有必要對(duì)全燒高爐煤氣鍋爐進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究，以保證鍋爐使用安全可靠和提高鍋爐改造設(shè)計(jì)和鍋爐運(yùn)行操作技術(shù)水平。

根據(jù)對(duì)高爐煤氣鍋爐多年的使用經(jīng)驗(yàn)和借鑒多方的經(jīng)驗(yàn)，造成全燒高爐煤氣鍋爐產(chǎn)生溫度、壓力的控制問題主要因素是煤氣燃料波動(dòng)變化，即當(dāng)高爐煤氣多、壓力波動(dòng)時(shí)，鍋爐容易發(fā)生溫度和壓力變化甚至超過設(shè)計(jì)參數(shù)。這種情況主要涉及的部位是鍋爐的過熱器，管內(nèi)的蒸汽吸熱量趕不上管外的煙氣放熱量，從而出現(xiàn)二介質(zhì)間熱量的不平衡，直接反映在鍋爐參數(shù)上就是蒸汽溫度、壓力參數(shù)升高（或降低），嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)超過設(shè)計(jì)部件許用壁溫的情況。為此，針對(duì)不同高煤燃料量的波動(dòng)情況，對(duì)高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐進(jìn)行鍋爐過熱器的試驗(yàn)測(cè)試，就是本文研究的重點(diǎn)。

高溫高壓鍋爐的過熱器按傳熱的方式可分為對(duì)流過熱器、半輻射過熱器和輻射過熱器3種。對(duì)流過熱器布置在鍋爐對(duì)流煙道中，主要有高溫過熱器和低溫過熱器等，它主要以對(duì)流傳熱的方式吸收流過它的高溫?zé)煔獾臒崃?；半輻射過熱器又稱屏式過熱器，布置在鍋爐爐膛上部出口位置，它既吸收爐膛中火焰的輻射熱，又以對(duì)流的方式吸收流過它的煙氣的熱量。高溫高壓鍋爐在溫度調(diào)節(jié)上常規(guī)設(shè)置為二級(jí)減溫裝置，第一級(jí)減溫裝置布置在屏式過熱器入口，第二級(jí)減溫器布置在高溫過熱器冷、熱段間。當(dāng)檢測(cè)到管內(nèi)蒸汽介質(zhì)溫度超過要求時(shí)，自動(dòng)控制及時(shí)增加減溫水的噴水量進(jìn)行降溫（這部分工作可采用手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)），由于過熱器受熱面單根管較長、金屬的熱容量較大，在減溫過程中，要使過熱器出口汽溫降低需要一些時(shí)間，當(dāng)減溫水蒸發(fā)吸熱量能夠彌補(bǔ)燃料陡增變化所產(chǎn)生的熱量時(shí)，過熱器壁溫不會(huì)大幅度地提升甚至超溫，否則就會(huì)超溫。通過分析可知，過熱器受熱面長短、熱容量大小或者說過熱器受熱面吸熱量布置，對(duì)過熱器運(yùn)行特性至關(guān)重要。因此，在不同的煤氣擾動(dòng)量的情況下，對(duì)不同鍋爐過熱器進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試就是本試驗(yàn)的具體工作內(nèi)容。

1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

總體來說，研究高爐煤氣鍋爐過熱器汽溫隨燃料變化的特點(diǎn)，不僅要研究燃料波動(dòng)量對(duì)鍋爐汽溫的影響，而且需要研究鍋爐的過熱器（順煙氣流向依次說明）屏式過熱器、高溫過熱器冷熱段、低溫過熱器等受熱面換熱量布置的特點(diǎn)。只有對(duì)這些相關(guān)因素進(jìn)行測(cè)試研究，才能實(shí)現(xiàn)改善高爐煤氣鍋爐運(yùn)行和提高高爐煤氣鍋爐改造技術(shù)水平的目標(biāo)。由此，針對(duì)不同的全燒高爐煤氣鍋爐（主要針對(duì)過熱器布置受熱面不同）在不同的燃料變化量情況進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，就是本次試驗(yàn)的目的。

2 試驗(yàn)條件

（1）試驗(yàn)鍋爐為高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐，額定參數(shù)：負(fù)荷為220 t/h，出口壓力為9.8 MPa，出口溫度為540 ℃，燃料為100%高爐煤氣，高煤熱值為800 kcal/Nm3，鍋爐進(jìn)水溫度為210 ℃。

（2）按照自屏過、高過、低過的煙氣流向，進(jìn)口煙溫為950 ℃左右、出口煙溫為630 ℃左右，試驗(yàn)范圍鍋爐過熱器材料一致（屏過、高過為12 Cr1MoV，低過為20 G）。

（3）高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐的噴水減溫器同樣分二級(jí)布置，一級(jí)減溫器布置在低溫過熱器出口（屏式過熱器布置進(jìn)口），二級(jí)減溫器布置在高溫過熱器分冷段和熱段之間，二級(jí)減溫器布置使得過熱器各部件受熱面積管道不至于過長，蒸汽在各部件中焓增也不會(huì)太大，煤粉鍋爐一般經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，過熱器各部件內(nèi)蒸汽焓增50 kcal/kg左右，這樣布置在過熱器換熱上冷、熱源熱量比較容易平衡。前期的試驗(yàn)結(jié)論得知，全燒高爐煤氣鍋爐過熱器受熱面吸熱量或吸熱比具體如下：全燒高爐煤氣高溫高壓鍋爐，在滿足熱力計(jì)算和壁溫設(shè)計(jì)校核下，屏式過熱器吸熱比應(yīng)控制在6%～7%、高溫過熱器吸熱比應(yīng)控制在9.5%～10.5%、低溫過熱器吸熱比應(yīng)控制在9.0%～10.3%。本次試驗(yàn)是在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展高爐煤氣負(fù)荷量擾動(dòng)試驗(yàn)。

（4）高爐煤氣燃料擾動(dòng)變化速度約60 s，高爐煤氣燃料的負(fù)荷量變化量分為0.5萬m3/h、1萬m3/h、1.25萬m3/h、1.5萬m3/h、1.75萬m3/h、2.0萬m3/h等幾種情況。

（5）鍋爐的負(fù)荷按低負(fù)荷120 t/h以下、中負(fù)荷150～170 t/h、高負(fù)荷190 t/h 3種進(jìn)行試驗(yàn)。

（6）減溫水的用量不限量（不按設(shè)計(jì)量供應(yīng)，而以能夠保證燃料波動(dòng)時(shí)壁溫不超過許用溫度所需的減溫水量為準(zhǔn)），過熱器最高壁溫以過熱器使用材料許用溫度為準(zhǔn)。

（7）單位：一、二級(jí)減溫水流量單位為t/h（噸/小時(shí)），過熱器各組件吸收熱量/吸熱比單位為kcal/Nm3/%（部件吸收的熱量：大卡/標(biāo)立方高煤燃料熱值；吸熱比：占總?cè)剂戏艧崃康陌俜直龋?/p>

3 試驗(yàn)情況

試驗(yàn)情況見表1、表2、表3。

4 試驗(yàn)分析

（1）從鍋爐<120 t/h的低負(fù)荷燃料擾動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果可知，3種鍋爐過熱器布置形式的試驗(yàn)情況基本一致。在燃料陡然波動(dòng)時(shí)出現(xiàn)減溫調(diào)節(jié)自動(dòng)跟不上，過熱器高過、低過、屏過均超溫的情況，主要原因是鍋爐燃燒在穩(wěn)定的情況下煙氣放出的熱量和工質(zhì)蒸汽吸收的熱量一致，而鍋爐在<120 t/h的低負(fù)荷時(shí)，減溫水使用量較少甚至不用，減溫水調(diào)門在微啟狀態(tài)調(diào)節(jié)線性較差，從而易于發(fā)生調(diào)溫效果差的問題。與中、高負(fù)荷相比，同樣增加煤氣量所產(chǎn)生的熱量與基礎(chǔ)負(fù)荷相比比例大，這樣在低負(fù)荷減溫調(diào)節(jié)幅度相對(duì)大，超過了減溫水常規(guī)跟蹤設(shè)定的調(diào)節(jié)幅度，從而產(chǎn)生減溫水滯后的問題，無法平衡的熱量增加，導(dǎo)致低負(fù)荷高爐煤氣鍋爐汽溫汽壓波動(dòng)甚至超過許用情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為低負(fù)荷減溫水難調(diào)整是主要因素。

（2）從鍋爐150～170 t/h中、高負(fù)荷燃料擾動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果可知，對(duì)比鍋爐低負(fù)荷抗煤氣擾動(dòng)能力明顯提高了，主要原因是減溫水調(diào)門線性進(jìn)入平穩(wěn)區(qū)域，且在同樣燃料波動(dòng)的情況下擾動(dòng)負(fù)荷占比降低、自動(dòng)跟蹤幅度降低，但是當(dāng)擾動(dòng)超過1.25萬～1.5萬m3/h時(shí)同樣存在減溫水需求量超過自動(dòng)跟蹤幅度，發(fā)生熱量輸出和吸收的短暫不平衡，出現(xiàn)受熱面壁溫瞬間接近和微超的情況，同時(shí)在中、高負(fù)荷試驗(yàn)中明顯看出3種鍋爐過熱器布置性能的優(yōu)劣。

（3）從鍋爐190 t/h高負(fù)荷燃料擾動(dòng)試驗(yàn)情況可知，對(duì)比鍋爐中、低負(fù)荷抗煤氣擾動(dòng)能力提高了，同時(shí)3種鍋爐過熱器布置抗煤氣擾動(dòng)特征更加明顯。

{1}試驗(yàn)例1：在任何幅度的燃料擾動(dòng)中，低溫過熱器壁溫始終未超，明顯易超溫部位的高溫過熱器的壁溫，特別是燃料擾動(dòng)量大時(shí)，高過壁溫升速更快，終止試驗(yàn)的原因是高溫過熱器壁溫接近或瞬間超過材質(zhì)許用壁溫。分析認(rèn)為，試驗(yàn)例1相比較例2、例3的布置，屏過吸熱量/吸熱比為59.33 kcal/Nm3/7.4%和高過冷段/吸熱比為42.33 kcal/Nm3/5.29%，布置量稍大，受熱面管道的熱容量大，加大燃料擾動(dòng)時(shí)減溫水需求幅度，從而出現(xiàn)高溫過熱器較容易超溫的情況。{2}試驗(yàn)例2：終止試驗(yàn)的原因是擾動(dòng)幅度大過減溫水調(diào)節(jié)的跟蹤幅度，相比較試驗(yàn)例1、例3，抗燃料擾動(dòng)能力更強(qiáng)，從試驗(yàn)例2布置情況分析，適當(dāng)提高低溫過熱器受熱面，降低高溫過熱器受熱面的方法有助于提高對(duì)燃料的抗擾動(dòng)能力，但低溫過熱器受熱面布置量吸熱低于10.3%的吸熱比，同樣高溫過熱器熱段受熱面吸熱比為4.6%比較合理。{3}試驗(yàn)例3：屏過、高溫過熱器低溫段和高溫段，在1.5萬m3/h以下的煤氣擾動(dòng)前，基本不發(fā)生超溫的問題，減溫水平衡了燃料擾動(dòng)量所增加的熱量，終止試驗(yàn)原因是低溫過熱器壁溫接近或瞬間超過材質(zhì)許用壁溫。分析認(rèn)為，該試驗(yàn)例相比較例1、例2的布置，低溫過熱器吸熱量/吸熱比為82.93 kcal/Nm3/10.3%，布置量稍大，出現(xiàn)鍋爐負(fù)荷高、燃料擾動(dòng)幅度大時(shí)，低溫過熱器吸熱量過大的情況。

（4）對(duì)上述3例試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果分析可知，全燒高爐煤氣鍋爐在1 min內(nèi)，高爐煤氣燃料變化擾動(dòng)量不能超過1.75萬m3/h，否則無法保證鍋爐過熱器的安全性和可靠性。

（5）在高爐煤氣燃料陡增的情況下，減溫設(shè)計(jì)量均無法滿足需要，實(shí)際使用時(shí)合理用量如下：一減兩側(cè)減溫水總流量>16（2×8）t/h；二減兩側(cè)減溫水總流量>10（2×5）t/h。

（6）高爐煤氣燃燒至煙氣對(duì)過熱器的影響速度遠(yuǎn)大于煤粉燃燒，因此對(duì)煤粉鍋爐改燒全燒高爐煤氣鍋爐時(shí)，需考慮高爐煤氣燃料的燃燒特征，具體如下：{1}對(duì)比煤粉鍋爐，因煤氣燃燒速度快，致使蒸汽、減溫水滯后反應(yīng)更明顯。{2}對(duì)比煤粉鍋爐過熱器各部件內(nèi)蒸汽焓增50 kcal/kg，全燒高爐煤氣鍋爐過熱器內(nèi)蒸汽的焓增：屏式過熱器基本一致，低溫過熱器和高溫過熱器冷、熱段布置蒸汽焓增要低。{3}對(duì)比煤粉鍋爐，全燒高煤鍋爐的過熱器的減溫水實(shí)際使用量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)量。

5 試驗(yàn)結(jié)論

（1）從試驗(yàn)結(jié)果可以得出造成全燒煤氣鍋爐過熱器超溫的主要原因是高爐煤氣壓力波動(dòng)引起的負(fù)荷波動(dòng)、減溫水自動(dòng)跟不上所致，解決該問題根本的措施不但要從調(diào)整過熱器受熱面著手，而且要增加高爐煤氣供氣系統(tǒng)壓力調(diào)壓設(shè)施，保證供氣壓力的穩(wěn)定。

（2）高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐過熱器合理的布置量如下：一減前低溫過熱器吸熱量/吸熱比為70.18 kcal/Nm3/8.77%，一減后屏式過熱器吸熱量/吸熱比為49.66 kcal/Nm3/6.2%；二減后過熱器高溫過熱器熱段吸熱量/吸熱比為36.83 kcal/Nm3/4.6%。

（3）全燒煤氣鍋爐減溫水量選擇要考慮高爐煤氣供氣壓力波動(dòng)的因素，同時(shí)按照高爐煤氣燃燒特點(diǎn)調(diào)整鍋爐過熱器各部件的布置量。

（4）針對(duì)高爐煤氣壓力波動(dòng)的情況，鍋爐操作人員有必要提前做好量調(diào)整和手動(dòng)干預(yù)減溫用量等準(zhǔn)備工作。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]