頻繁深度調峰對超臨界循環(huán)流化床鍋爐安全性影響

李文寶

摘 ?要：由于我國燃煤電力相對過剩，加上新能源發(fā)展的沖擊。新能源在電網(wǎng)中的比例越來越高，隨之而來就是對調峰電源的需求增加。由于燃煤電力具有較好的調峰性能，高調節(jié)性的燃煤電廠就成為了深度調峰的主力軍，其中超臨界循環(huán)流化床機組也參與其中。本文從不同角度分析深度調峰對超臨界循環(huán)流化床鍋爐的影響。

目前，國內(nèi)參與深度調峰機組逐步增加，深度調峰到底對超臨界循環(huán)流化床鍋爐有什么影響？現(xiàn)在好多企業(yè)也在綜合考慮鍋爐低負荷時穩(wěn)燃性能、水動力的穩(wěn)定性、防止管壁超溫和尾部受熱面腐蝕等影響。對于深度調峰業(yè)內(nèi)也有不同看法，甚至一些電廠非常抵觸，認為深調對鍋爐設備危害較大，甚至列出很多證據(jù)。也已經(jīng)有確鑿證據(jù)確定超臨界直流鍋爐受低負荷影響更為突出，深度調峰期間，工質流量偏低，水動力特性變差，很容易發(fā)生水冷壁等受熱面超溫現(xiàn)象，致鍋爐受熱面管道老化。直流鍋爐水冷壁在累計運行超2萬小時后，會出現(xiàn)熱疲勞型裂紋特征，也就是出現(xiàn)橫向裂紋，由外壁向內(nèi)壁擴展，深度調峰可能會導致這些現(xiàn)象發(fā)生。另外，頻繁升降負荷，水冷壁內(nèi)工質參數(shù)波動幅度及速率變化大，水冷壁溫度場不均衡，會造成水冷壁相鄰管之間溫度差別較大，產(chǎn)生巨大的熱應力，這些都會對鍋爐安全運行帶來危害。

下面我們從幾個角度分別探討頻繁深度調峰對鍋爐造成的影響或危害。

一、對鍋爐金屬材料的影響

觀察深度調峰對鍋爐金屬材料的影響，主要是考慮溫度變化的速率和溫差的大小，溫度對高溫材料的影響是溫度變化造成的材料內(nèi)產(chǎn)生熱應力，從而加速高溫蠕變和持久強度變化。由于深調的時間較短，管壁的溫度要延遲于爐膛溫度的變化，所以管壁的溫差要遠小于爐膛煙溫的變化。根據(jù)某熱電廠提供的#1機組35%深調數(shù)據(jù)（包含非供熱季及供熱季），也證實了這點，爐膛出口溫度最大變化有186℃，溫度變化值達到了4.43℃/min，而管壁溫度最大變化為52℃，溫度變化達到了1.33℃/min，且大部分值均在40℃以內(nèi)。參考《金屬材料的高溫強度》（華東理工大學 ?王印培教授）描述，溫度波動對高溫強度的影響有二個方面：

一是溫度的波動若實際溫度高于規(guī)定溫度，從而影響材料的高溫性能。

二是由波動所產(chǎn)生的附加熱應力對高溫強度的影響

如果溫度變化較慢，波動幅度不超過20～40℃，所產(chǎn)生的附加熱應力很小，可以忽略不計。反之如果溫度變化較快，波動幅度超過50℃，所產(chǎn)生的附加應力就會產(chǎn)生較大危害。此時主要是前者對高溫性能的影響。試驗表明在溫度波動條件下材料的高溫強度相當于在溫度波動上限時材料的高溫強度，即低于在平均溫度時的高溫強度。而深度調峰的溫度若不高于規(guī)定溫度，運行操作規(guī)范，保證溫差波動基本在20～40℃，參考焊口進行熱處理的溫速為不大于5℃/min，溫度波動數(shù)據(jù)顯示對鍋爐金屬材料的影響相對較小。反之就會產(chǎn)生一定危害。

二、對鍋爐受熱面耐火澆注料的影響

澆注料在溫度升降過快或頻繁升降溫的情況下，會導致澆注料與受熱面脫節(jié)，致不牢固，甚至脫落。溫度頻繁變化，澆注料襯體往往會出現(xiàn)炸裂，因為熱膨脹和收縮不一致。針對某熱電公司幾次檢修期間檢查發(fā)現(xiàn)，因頻繁深度調峰，鍋爐受熱面澆注料脫節(jié)頻現(xiàn)，已超過以往歷次檢修。下面來分析澆注料特性。澆注料內(nèi)部溫度隨著時間的延長并不是一直線性增加，而是在某一時間段內(nèi)溫度保持不變，然后繼續(xù)線性增長逐漸出現(xiàn)一個轉變點。耐火澆注料的升降溫轉變點是抗爆裂的關鍵。從化學上講，澆注料的內(nèi)部熱應力是由于澆注體熱量的巨大變化造成的，而影響澆注體熱量Q變化，主要有三個方面：質量m、熱容Cp以及溫度差ΔT，它們的關系式Q=m·Cp·ΔT。提高質量和熱容或者降低使用中的溫差，都可以使相同傳熱條件下的澆注料熱量變化梯度變緩，大幅度減弱熱應力的破壞。如何降低溫度頻繁變化對澆注料的損壞，最為有效的方式就是通過提高澆注體質量來增加澆注體熱焓總量，實現(xiàn)降低溫度波動的目的。提高澆注體質量和加大體積也可以提高澆注料整體的機械強度，從而達到減少運轉過程中某些澆注料因設備變形或溫度變化造成的機械應力破壞。

三、對鍋爐運行的影響：

（1）鍋爐燃燒穩(wěn)定性

對于燃煤鍋爐，最小穩(wěn)定燃燒負荷一般為30% BMCR，大致相當于額定負荷的33%;但從運行安全的角度來看，電廠控制的最小穩(wěn)定燃燒負荷一般為額定負荷的40%，有的控制為額定負荷的50%。在深度調峰過程中，鍋爐負荷遠低于最低穩(wěn)定運行負荷，鍋爐燃燒的穩(wěn)定性相對較差。對水冷壁供水存在一定安全隱患，有可能造成水供不上去，導致水冷壁、二級中過、高過和高再干燒。且在深度調峰期間，鍋爐蒸發(fā)量少，再熱蒸汽量更低，也容易導致相關受熱面超溫。

（2）氧化皮加劇生成和剝落

機組進行深度調峰，不僅影響其燃燒的安全性，還影響汽水系統(tǒng)運行的安全性。深度調峰降負荷過程中，氧化皮及過熱器/再熱器溫度降低，由于熱脹冷縮，受熱面和氧化皮膨脹系數(shù)不同，會導致氧化皮脫落，可能造成氧化皮堵管事故發(fā)生。若堵管嚴重，導致該受熱面長期超溫運行，存在爆管的安全隱患。改進措施：（1）對參與調峰的機組，更加注重啟停機階段相關參數(shù)的控制;（2）深度調峰過程中嚴格控制主、再熱蒸汽溫度波動;（3）減溫水的使用需嚴格控制，避免減溫水量的大幅度波動（4）增加氧化皮沖洗系統(tǒng)。

（3）尾部煙道和尾部受熱面堵灰

深度調峰期間，排煙溫度較低，將加劇尾部受熱面積灰和空預器低溫結露和腐蝕，空預器堵灰面積增加后，引風機出力增大，電耗增加，空預器局部磨損增加。另外，低負荷期間大量投入尿素，極易加劇空預器堵灰。鍋爐低負荷時，爐溫低、燃燒不完全、煙氣流速低。長時間運行，煙氣中的可燃物在尾部煙道積累，尾部煙道煙氣中氧過剩較多，為煙道再燃燒創(chuàng)造了條件。在低負荷調峰過程中，空氣預熱器內(nèi)的煙氣溫度較低、空氣的過剩系數(shù)較大，易產(chǎn)生較多的SO3。同時，脫銷系統(tǒng)在煙溫較低時會出現(xiàn)催化劑失效的情況。大量的逃逸氨與SO3結合，最終會造成空預器的堵塞和腐蝕。

鍋爐制造廠權威認為：深度調峰（30%-35%BMCR 負荷）對鍋爐運行的主要影響

鍋爐穩(wěn)定在調峰負荷運行時，主要會存在以下問題：

①低負荷運行工況下爐內(nèi)水動力穩(wěn)定性及流量分配均勻性變差，容易引起水冷壁疲勞及超溫;

②分離器入口煙溫降低，偏離 SNCR 脫硝反應溫度區(qū)間，脫硝效率降低;

③低負荷分離器入口煙道煙氣流速較低，煙道水平段積灰增加，影響 SNCR 噴槍霧化效果;

④空預器排煙溫度低，造成冷端結露堵灰及低溫腐蝕;

⑤低負荷吹灰汽源壓力不足，吹灰效果不佳;

⑥主蒸汽及再熱蒸汽汽溫偏離額定參數(shù)，影響汽輪機的運行安全。

機組頻繁調峰和快速升降負荷時，溫度壓力頻繁變化，導致管子存在較大應力及波動，從而產(chǎn)生蠕變疲勞，影響鍋爐受熱面薄弱位置（如集箱管接頭、管屏彎頭及受熱面固定點等）的安全，頻繁快速變負荷同時會加速導致高過、高再管屏 SA-213TP347H 材料氧化皮的產(chǎn)生和脫落，影響受熱面管子的運行安全。對于厚壁受壓元件，頻繁及快速調峰時，中溫部件會存在著疲勞壽命損耗，而高溫部件將同時存在疲勞壽命損耗和蠕變壽命損耗。

針對深度調峰對鍋爐的運行影響，建議如下：

①適量增加壁溫監(jiān)測測點，加大對爐內(nèi)受熱面、厚壁受壓部件的壁溫監(jiān)控力度，并合理控制調峰速率;采用遠程診斷系統(tǒng)實時監(jiān)測主要厚壁承壓部件的壁溫/壁溫差狀況、應力狀況，并對其壽命進行在線監(jiān)測和管理，對超限參數(shù)及時報警、存儲，優(yōu)化鍋爐運行策略，為電廠運行和檢修提供實時的狀態(tài)信息和維修決策建議。

②機組深度調峰時負荷波動較為頻繁，容易引起爐內(nèi)屏式受熱面彎頭處應力疲勞。建議對爐內(nèi)屏式受熱面的管屏彎頭處進行結構優(yōu)化，以解決負荷頻繁波動造成的應力問題;

③增加吹灰汽源接口，與原吹灰汽源形成高、低負荷吹灰汽源互補。

④分離器入口煙道設置防積灰風帽，防止長期低負荷運行引起的積灰;

⑤冷風道設置暖風器，對進入空預器的一、二次風進行預熱，提高空預器冷端溫度;

⑥通過運行調整，適當提高調峰負荷時的爐內(nèi)溫度，提高低負荷運行的經(jīng)濟性;

隨著機組深度調峰，鍋爐受熱面在低負荷情況下更容易發(fā)生超溫，導致材料提前老化。超臨界機組受熱面氧化皮產(chǎn)生及脫落速率加快，引風機低負荷情況下變頻運行易出現(xiàn)喘振、失速等問題。超臨界火電機組頻繁深度調峰，長期低負荷工作，影響鍋爐金屬部件壽命，這些都是不爭的事實。鑒于頻繁深度調峰對鍋爐影響，如何權衡利弊？如何在深度調峰大環(huán)境下進行設備技術改造，提高效益，減少投入，減少損害，這是一個長期工作，既要正確看待深度調峰，又要盡量避免深度調峰對機組的危害，或將危害降到最低，往往在發(fā)現(xiàn)問題的過程中找出解決問題的方法。當然仍需要加大技術改造，有效降低深度調峰對鍋爐的影響，提高深度調峰時鍋爐的運行可靠性，以確保設備運行安全。

參考文獻

[1] ?金屬材料的高溫強度 ?華東理工大學 ?王印培

[2] ?東方鍋爐技術中心意見

[3] ?超臨界大容量火電機組深度調峰對燃煤鍋爐的影響 基層建設 ?沈忱