1000MW超超臨界二次再熱塔式鍋爐過熱器超溫分析與對策

張曉 華電萊州發(fā)電有限公司

高容量超超臨界二次加熱裝置具有效率和環(huán)保的優(yōu)點。鑒于礦物能源枯竭和環(huán)境污染加劇，二次加熱技術(shù)值得進一步關(guān)注。二次供熱機組熱力結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)選擇接近材料允許限值，各級鍋爐受熱面工作環(huán)境差，超高速爆管危險性大增。結(jié)合現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，建議切斷二次換熱器管，將節(jié)能短管安裝在整流管內(nèi)，實現(xiàn)低壓高溫整流的熱絕緣。

一、設(shè)備概況

（一）燃燒系統(tǒng)

1000MW二次再熱直流鍋爐在某廠超超臨界參數(shù)下運行，采用SG-2717/33.42-M7052型，依次布置單爐、二次加熱、四角反向切圓燃燒、均衡通風(fēng)、固體廢物處置、全鋼懸掛結(jié)構(gòu)、外部布置。設(shè)計煤種為采用神府東勝煙煤，采用中速磨煤機冷一次風(fēng)直接吹粉系統(tǒng)。鍋爐配備6臺中速磨煤機，5臺配備1臺；鍋爐設(shè)有兩臺 50%容量的動葉可調(diào)式一次風(fēng)機，提供冷、熱一次風(fēng)輸送煤粉。采用兩臺 50%容量動葉可調(diào)式引風(fēng)機和兩臺 50%容量動葉可調(diào)式送風(fēng)機。爐后尾部煙道出口有兩臺 SCR 脫硝反應(yīng)裝置，每臺 SCR 下方各布置一臺Φ17320mm的四分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。燃燒方法為同軸燃燒系統(tǒng)（LNTFS），煤粉燃燒器采用典型的NTFS燃燒器布局。燃燒器在鍋爐分三組，每兩層燃燒器為一組，分為8層空氣室，鍋爐共有24支大油槍，4支小油槍。燃料空氣（周邊空氣）被放置在煤井周圍，每個磨煤機機對應(yīng)于兩層煤粉噴嘴，共48個煤粉噴嘴，在兩層煤粉噴嘴之間設(shè)置燃料輔助空氣噴嘴。

（二）汽水系統(tǒng)

（1）過熱系統(tǒng)

過熱器系統(tǒng)的主受熱面分為三級：懸掛管、一級過熱器、二級過熱器、三級過熱器，分離器出口的四根蒸汽管中的兩根通向入口集管，該入口集管通過爐內(nèi)的懸掛管自上而下流向一級過熱器的出口集管。一級布置在整個爐膛，主要吸收爐膛內(nèi)的輻射熱量。二級過熱器位于一級過熱器和末級過熱器之間，主要取決于對流熱交換。一級和二級過熱器逆流布置。過熱蒸汽系統(tǒng)的蒸汽溫度通過水煤比和噴水減溫來調(diào)節(jié)。一級過熱器與二級過熱器、三級過熱器之間設(shè)置兩級噴水減水，一級受熱面外管中的蒸汽通過二級受熱面連接管的交叉進入一級受熱面內(nèi)管，補償煙氣側(cè)的熱偏差。

（2）再熱系統(tǒng)

再熱器分為一次再熱、二次再熱，每個加熱面分為兩個級別：一級（低溫再熱器）和二級（高溫再熱器）。低溫再熱器入口設(shè)有事故噴水、低溫再熱器與高溫再熱器之間設(shè)有噴水減溫，供再熱汽溫調(diào)節(jié)時使用，一次再熱、二次再熱正常時溫度調(diào)節(jié)通過尾部煙道的煙氣擋板開度來調(diào)整。再熱系統(tǒng)布置在爐膛靠后位置，通過尾部煙道的煙氣進行加熱。二級轉(zhuǎn)發(fā)器安裝在二級轉(zhuǎn)發(fā)器和三級轉(zhuǎn)發(fā)器之間，一級轉(zhuǎn)發(fā)器安裝在省級轉(zhuǎn)發(fā)器和二級轉(zhuǎn)發(fā)器之間。二級轉(zhuǎn)發(fā)器（高溫轉(zhuǎn)發(fā)器）位于下游，受熱面為半放射性；加熱表面是純對流。

二、鍋爐技術(shù)特點

（1）啟動系統(tǒng)。本鍋爐采用集成式循環(huán)水泵起動系統(tǒng)，當(dāng)鍋爐負荷低于直流bmcr 30%負荷的30%時，分離器作為汽水分離器；當(dāng)鍋爐負荷大于30%BMCR負荷的30%時，分離器將以干狀態(tài)運行，僅用作循環(huán)元件。上述的啟動系統(tǒng)可使鍋爐在啟動初期保證足夠的介質(zhì)流量，并且節(jié)省燃料，減少了鍋爐啟動時間，避免了超溫問題的發(fā)生，對鍋爐受熱面起到了保護作用。

（2）轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)。鍋爐再熱系統(tǒng)分為一次再熱系統(tǒng)和二次再熱系統(tǒng)。高壓過熱器和低壓過熱器的加熱面分為兩個階段：高壓低溫過熱器和高壓高溫過熱器。低壓低溫過熱器和低壓末端過熱器。轉(zhuǎn)發(fā)器的主要設(shè)計特點如下：在平均煙溫區(qū)內(nèi)，高壓端和低壓端分別布置在燃燒室出口煙窗的下游；低壓端和低壓端分別布置在通道內(nèi)。

（3）省煤器系統(tǒng)。由于鍋爐采用塔式爐結(jié)構(gòu)，所有受熱面均布置在爐膛內(nèi)，省煤器分為一級和二級省煤器，省煤器安裝在爐頂。爐膛上部設(shè)有隔板，因此省煤器系統(tǒng)設(shè)計為可拆卸的：一二級省煤器分不在兩側(cè)的煙井中，兩者相互分離，互不連接。

（4）水冷壁。鍋爐采用自適應(yīng)螺旋環(huán)和垂直環(huán)的水冷壁組合系統(tǒng)，在四個壓力運行階段（超超臨界一次通道、近臨界一次通道、亞臨界一次通道和啟動階段），可以控制金屬壁溫、錢干度高，防止在低干、高熱負荷區(qū)域膜沸騰，保持鍋爐系統(tǒng)的水動力穩(wěn)定性。

（5）受熱面布置。鍋爐過熱器分三級布置，即一級過熱器、二級過熱器和末級過熱器（三級）。過熱器系統(tǒng)分為高壓過熱器系統(tǒng)和低壓過熱器系統(tǒng)，高壓過熱器和低壓過熱器的受熱面分為兩級；即低溫高壓預(yù)熱器和高溫高壓預(yù)熱器；低溫過熱器和高溫低壓過熱器。過熱器的主要設(shè)計特點是，高壓高溫過熱器和低壓高溫過熱器位于煙氣中溫區(qū)爐膛出口煙窗的下游，高壓低壓低溫過熱器分別布置在煙氣溫度適中的前后煙道內(nèi)，保證了鍋爐良好的溫度調(diào)節(jié)性能和較大的溫度調(diào)節(jié)范圍。

（6）蒸汽溫度調(diào)節(jié)。鍋爐過熱器采用煤水比作為調(diào)節(jié)主蒸汽溫度的手段，在次級加熱器之間，設(shè)置噴水恒溫器作為主蒸汽溫度的精細調(diào)節(jié)，有效消除了各層過熱器的吸熱和蒸汽溫度差。加熱蒸汽溫度主要由煙氣保護板和煙氣回收調(diào)節(jié)。同時，高壓低壓整流系統(tǒng)分別設(shè)置應(yīng)急噴水減溫，具有調(diào)節(jié)溫度敏感和低溫慣性敏感的優(yōu)點，可精細控制整流輸出蒸汽溫度。煙氣擋板僅用作加熱蒸汽溫度的輔助調(diào)節(jié)器。

三、超溫原因問題分析與解決措施

（一）原因分析

（1）鍋爐實際啟動時，不使用設(shè)計煤。煤質(zhì)參數(shù)（多次采樣平均值）是通過從鍋爐中采集煤樣獲得的。由此可見，實際進入鍋爐的煤比設(shè)計的煤具有更高的熱值和更高的含水量。然而，揮發(fā)性成分含量明顯較低，著火特性不如煤種設(shè)計。實際燃燒時間。爐內(nèi)煤粉燃點的延遲，使?fàn)t內(nèi)火焰中心向上移動，煙氣溫度升高，導(dǎo)致一級和三級再熱爐的吸熱量一定增加，容易過熱。

（2）隔板設(shè)置導(dǎo)致煙流率偏差。鍋爐爐膛上方的隔板將煙道空間分為前后煙井，煙囪內(nèi)設(shè)有低溫低壓預(yù)熱器和低溫高壓預(yù)熱器。煙井前后煙流率存在一定偏差，低負荷時兩者差異較大。機組啟動時間長，在50%負荷范圍內(nèi)，爐前、爐后煙氣大流速的偏差一定會傳遞到下部的一級再熱爐和三級再熱爐，導(dǎo)致前壁側(cè)煙氣流速高于后壁側(cè)，加強了靠近壁側(cè)的管束傳熱。現(xiàn)場對比表明，三級再熱爐1號管的位置最靠近電爐，因此，煙流率偏差被認(rèn)為是該管溫度超標(biāo)的原因。

（3）使用高空燃燒器導(dǎo)致火焰中心向上移動。鍋爐配有與12層煤粉噴嘴相對應(yīng)的6個磨煤機。兩層煤粉噴嘴之間設(shè)置一層燃料油，對應(yīng)于同一個清洗機，不同層煤粉噴嘴之間設(shè)置二級空氣噴嘴。因此，整個燃燒系統(tǒng)在爐體上占用很長時間。當(dāng)需要增加50%的負荷時，需要一個高空燃燒器，從而大大增加爐內(nèi)火焰的中心。燃燒室上部煙氣溫度也在上升，存在著一次熱交換器的大規(guī)模過熱現(xiàn)象。

（4）爐內(nèi)分拆圈存在一定偏差。根據(jù)實際測量結(jié)果，揚聲器1的原始風(fēng)速明顯高于其他揚聲器，而揚聲器2的原始風(fēng)速則較低，從而導(dǎo)致烤箱中剪切圈的實際變形和熱火焰中心向上偏轉(zhuǎn)4。導(dǎo)致前后煙霧溫度偏差。

（5）煤粉分離器轉(zhuǎn)速較高，分離器轉(zhuǎn)速練高出粉更細，更容易著火，磨煤機中的煤粉比設(shè)定值更細，粗煤粉注入窯爐后燃燒時間更長，爐內(nèi)火焰中心高度增加，煙氣溫度升高，這可能是部分原因。

（6）換熱器各管工作質(zhì)量流動速度存在偏差。研究表明，塔內(nèi)煙氣呈直線上升，流場和溫度場分布均勻，加熱器一般不會過熱，但鍋爐內(nèi)的加熱器一般太熱。這明顯違背了回轉(zhuǎn)窯本身的技術(shù)特點，因此，由于設(shè)計問題，認(rèn)為換熱器的不同線束之間存在流量偏差，導(dǎo)致同一管板的不同壁之間溫度差異很大；當(dāng)負載上下移動時。由于鍋爐在滑動壓力下不起作用，管內(nèi)蒸汽速度達不到設(shè)計值，降低了工具對管壁的冷卻效果，最終有較大的再熱面。

（二）解決措施

（1）優(yōu)化運行過熱器超溫

當(dāng)鍋爐負荷上升和下降過程中負荷變化率接近或超過10MW/min時，鍋爐一級和三級加熱器的管壁范圍很廣，溫度過高，在負荷下降過程中更是如此。更具體地說，一級換熱器一般是各管屏的過溫，三級換熱器主要集中在各管屏的n 1管上，同一管屏內(nèi)各管的溫差為60~70℃。經(jīng)過分析，鍋爐級換熱器可能存在設(shè)計缺陷，可能導(dǎo)致相應(yīng)加熱面上的熱量過多，三級換熱器所有管道的流量分布設(shè)計不合理，可能導(dǎo)致鍋爐之間的溫差較大。

對于過熱現(xiàn)象，采取以下措施：減少磨煤機空氣量，提高磨煤機分離器轉(zhuǎn)速，降低一次風(fēng)壓力，增加外風(fēng)和輔助空氣門開口，減少燃燒器二次風(fēng)開口，正確降低。如果換熱器管屏之間溫度不均勻，經(jīng)過多次試驗和探索，可能原因是火焰在爐膛中存在偏燒現(xiàn)象，火焰可能分布不合適，可以通過調(diào)整四個角的二次風(fēng)開度大小，消除這種現(xiàn)象，通過采取上述措施之后，過熱器的過熱現(xiàn)象有了顯著改善。如果燃燒器擺角靠上，也會影響過熱器的壁溫，將擺角下擺也可以緩解過熱器超溫，但下擺時應(yīng)注意水冷壁的壁溫，防止水冷壁超溫。

（2）省煤器汽化

①在啟動初期，應(yīng)適當(dāng)減小燃燒器的擺動角度，以減小火焰中心；降低一次空氣電機葉片開度，降低一次空氣風(fēng)門溫度，降低進入燃燒器一次空氣量和一次空氣速度；調(diào)整磨煤機出力，適當(dāng)減少煤量，控制鍋爐升溫升壓速度。②開工初期，將鍋爐給水流量從30%BMCR增加到35%BMCR，同時降低省煤器循環(huán)流量，以減輕給水三通流量分布不均的影響；操作人員必須進行連續(xù)均勻的小流量補水操作，不能停止；密切注意操作參數(shù)，避免儲水箱水位劇烈波動，并打開和關(guān)閉供水調(diào)節(jié)閥。鍋爐點火后，汽輪機的高、中、低溫旁路打開，其中低壓旁路保持完全打開，高、中壓旁路由隨機負荷增加，打開程度由30%逐漸增加到60%。這可以增加鍋爐的排氣量，從而間接增加給水。④在滿足鍋爐給水要求的前提下，降低初次啟動時的給水溫度，省煤器進水應(yīng)具有較大的貪腐性，控制省煤器出口給水溫升率穩(wěn)定。綜合采取上述措施后，當(dāng)機組負荷增加時，省煤器出口水溫總是與相應(yīng)壓力下的飽和溫度相差60℃左右，省煤器蒸發(fā)問題得到很好的解決。

四、結(jié)束語

綜上所述，針對1000MW超超臨界二次再熱機組的大規(guī)模過壓溫問題。詳細分析了加熱器過熱的原因。確定了工作質(zhì)量流量設(shè)計不合理的主要原因，積極降低了主要蒸汽調(diào)節(jié)溫度，并在其他領(lǐng)域給出了運行調(diào)整措施，實際效果良好，過熱器過熱問題有了很大改善。所取得的經(jīng)驗可作為啟動和運行以下二次加熱裝置的參考。