鍋爐啟動過程過熱器壁溫和再熱器壁溫的控制

黃耿波

（國能（泉州）熱電有限公司，泉州 362804）

超臨界W 型火焰鍋爐與一般的鍋爐相比，燃燒器布置在前后墻拱頂，煤粉先向下后上升燃燒，形成W 形火焰[1]，有助于無煙煤的燃燼，能較好地燃燒低揮發(fā)分無煙煤，主要運用于貴州、四川等無煙煤埋藏量大的省份。某廠#1、#2 爐系東方鍋爐廠制造DG2067/25.73-Ⅱ12 型超臨界、W 形火焰燃燒、一次中間再熱、雙拱單爐膛直流爐。該鍋爐采用直吹式制粉系統(tǒng)，燃用無煙煤，著火困難，燃燼時間長。燃燒器布置在拱上，向下噴燃形成W 形火焰，使火焰行程加長，有利于煤粉燃燼。鍋爐共配6 套制粉系統(tǒng)，每臺磨煤機帶4 只雙旋風(fēng)煤粉濃縮燃燒器。雙旋風(fēng)煤粉濃縮燃燒器順列布置在下爐膛的前后墻爐拱上，前、后墻各12 只。每個單元布置5 個二次風(fēng)道及擋板，其中A、B、C 擋板控制爐拱上部的二次風(fēng)量，D、F 擋板控制爐拱下部的二次風(fēng)量。自機組投產(chǎn)以來，鍋爐在機組啟動過程中多次發(fā)生屏式過熱器、低溫再熱器壁溫超溫現(xiàn)象，尤其是低溫再熱器壁溫超溫嚴(yán)重。

1 超溫機理

不計金屬管壁沾灰與積垢的熱阻，過熱器和再熱器的管壁溫度t為

式中：T為工質(zhì)溫度，℃；q為壁面熱負(fù)荷，W·m-2；a為管壁對蒸汽的對流換熱系數(shù)，W·m-2·℃-1。

由式（1）可以看出，管壁溫度將隨工質(zhì)溫度T和壁面熱負(fù)荷q的升高而上升，隨蒸汽流速的增加（a增大）而減小。q的大小主要取決于煙氣溫度和煙氣流速。煙溫越高，壁面?zhèn)鳠釡夭钤酱?，q值越大；煙氣流速越快，煙氣側(cè)換熱系數(shù)越大，q值越大[2]。

2 受熱面超溫危害

2.1 超溫對金屬部件壽命的影響

對于鍋爐受熱面的高溫部件，目前設(shè)計運行時長一般在100 000 h，其中溫度水平是選擇鋼材料的主要考慮指標(biāo)。在相同應(yīng)力下，鋼材設(shè)計運行小時τ和工作溫度T的關(guān)系一般可用拉森米勒方程表示，為

式中：LMP 為材料的蠕變模量；C為材料常數(shù)。

由式（2）可知，在相同工作應(yīng)力下，工作溫度越高，設(shè)計運行時間越短。例如，一個設(shè)計500 ℃的鋼材，長期超溫10 ℃運行，其壽命會縮短一半。

2.2 受熱面超溫過熱引起組織老化而發(fā)生爆管

受熱面超溫是運行中造成爆管的主要原因[3]。當(dāng)受熱面溫度超過設(shè)計使用溫度，鋼的基本組織球化的蠕變速度加快，組織嚴(yán)重老化，致使蠕變極限下降產(chǎn)生蠕變孔洞。隨著運行時間的增加，蠕變孔洞增加且逐漸擴大連接成串形成微裂紋，然后又形成較大的裂紋，直至過熱爆管。超溫過熱造成失效以蠕變爆管為主，這種形式的爆管在直管段、彎管段均有，以彎管段居多。

3 啟動過程中受熱面壁溫超溫的特點

第一，機組從并網(wǎng)后到150 MW 以下負(fù)荷時，低溫再熱器比較容易發(fā)生超溫現(xiàn)象。第二，超溫時段發(fā)生在1 ～2 臺磨煤機運行、負(fù)荷80 ～150 MW 時，其中低溫再熱器壁溫超溫最嚴(yán)重，持續(xù)時間最長，屏式過熱器次之。待機組負(fù)荷超過150 MW 后，開始恢復(fù)正常。第三，爐膛出口煙溫在500 ℃，而低溫再熱器壁溫可達(dá)600 ℃。超溫點發(fā)生在中部，兩側(cè)壁溫與中部壁溫差可達(dá)150 ～200 ℃。

4 啟動過程中受熱面壁溫超溫原因

啟動過程中，受熱面壁溫超溫原因主要包括熱偏差過大、煙氣流量與蒸汽流量不匹配、火焰中心上移、油槍及油火檢監(jiān)測運行不可靠以及壁溫測點失真等[4]。

4.1 熱偏差過大

啟動初期，爐膛周圍的溫度較低，W 形火焰鍋爐中部投運火嘴較多，燃燒強，兩側(cè)燃燒較弱。投入的燃燒器在爐膛分布不均勻，造成燃燒中心偏斜，使沿爐膛寬度方向的爐膛出口煙溫和煙速分布存在一定的偏差。煙氣溫度場和速度場的分布偏差，使受熱面吸熱產(chǎn)生較大偏差，致使受熱面局部超溫。在啟、停磨機及鍋爐負(fù)荷升降的過程中，由于運行工況的變化率過大，爐膛出口煙氣溫度場和速度場分布不均，也會加大局部超溫的可能性。

4.2 煙氣流量與蒸汽流量不匹配

在啟動初期，鍋爐利用一部分熱量加熱鍋爐金屬使其達(dá)到穩(wěn)定溫度，利用另一部分熱量加熱爐水產(chǎn)生蒸汽。鍋爐產(chǎn)汽量與受熱面管內(nèi)蒸汽流量低于正常工況下燃料量相應(yīng)的水平。過熱器和再熱器蒸汽對受熱面的冷卻能力較正常工況低，受熱面金屬與工質(zhì)之間的溫差大于正常值。并網(wǎng)后低負(fù)荷階段，過熱器蒸汽流量本身較小，而過熱器蒸汽在高缸做功后，由于缸體疏水、抽汽等，使得再熱器蒸汽的流量更少。因此，鍋爐熱負(fù)荷發(fā)生改變時，再熱器蒸汽變化比過熱器蒸汽更快，更容易發(fā)生管壁超溫。

4.3 火焰中心上移

啟動初期爐膛溫度低，著火推遲，導(dǎo)致火焰中心上移，產(chǎn)汽量減少，爐膛出口煙溫升高，容易造成屏式過熱器、低溫再熱器管壁超溫。火焰中心受到爐膛溫度、煤粉細(xì)度、磨煤機出口風(fēng)速、磨煤機出口溫度、燃燒器配風(fēng)、燃煤揮發(fā)分以及爐底漏風(fēng)情況等的影響。在爐膛溫度和條件不滿足的情況下，過早投入煤粉，煤粉不能及時著火，而推遲到上爐膛燃燒，甚至根本不燃燒；磨煤機運行不正常，煤粉細(xì)度過粗，造成煤粉著火推遲，火焰中心升高；下爐膛送入風(fēng)量（F 風(fēng)量）過大或C 擋板風(fēng)量過小，油燃燒不完全，提升了火焰中心；鍋爐總風(fēng)量增加及爐底漏風(fēng)時，煙氣在爐內(nèi)帶走的熱量增多，爐內(nèi)輻射換熱減少，火焰中心上移，造成水冷壁產(chǎn)汽量減少、爐膛出口煙氣量增加，加劇超溫。

4.4 油槍及油火檢監(jiān)測運行不可靠

機組啟動過程中，投運煤粉燃燒器要求對應(yīng)的油槍投運正常。由于油槍霧化不好或火檢檢測不可靠，投入的油槍燃燒不好或根本未燃會影響相應(yīng)的煤粉燃燒，致使部分煤粉的燃燒推遲，火焰中心上移，造成屏式過熱器、低溫再熱器出口壁溫超溫。

4.5 壁溫測點失真

由于測點不準(zhǔn)或者部分受熱面未設(shè)置壁溫測點，致使受熱面壁溫運行監(jiān)測點不能真實反映實際壁溫狀況，如顯示值低，甚至有的監(jiān)測點監(jiān)測不到數(shù)據(jù)，導(dǎo)致運行人員進(jìn)行壁溫調(diào)整時誤判而造成超溫等。

4.6 煤水比調(diào)整失控

超臨界直流鍋爐的主蒸汽溫度主要是靠調(diào)整煤水比并以減溫水為輔助來調(diào)整維持目標(biāo)溫度穩(wěn)定，而煤水比調(diào)整對溫度的改變存在較大的滯后性。在鍋爐啟動初期或者低負(fù)荷時，燃料量和給水量都較低，很容易調(diào)整不及時或者煤水比控制不當(dāng)，導(dǎo)致過熱器超溫現(xiàn)象的發(fā)生。

5 防止超溫的技術(shù)措施

在機組啟動過程中，經(jīng)過實踐、摸索、分析和總結(jié)，對W 形火焰鍋爐啟動過程中防止過熱器和壁溫超溫再熱器壁溫超溫采取以下措施[5]。

第一，從入爐煤管理著手，做好機組點火啟動前準(zhǔn)備，配備啟動用熱值較高、揮發(fā)分含量高、干燥的煤種。在點火初期運行的制粉系統(tǒng)加入該煤種，有利于投粉后著火，并試轉(zhuǎn)給煤機檢查下煤情況。

第二，鍋爐啟動前提前進(jìn)行風(fēng)門擋板開關(guān)實驗并核實閥位正確，發(fā)現(xiàn)偏差較大時立即處理正常后再進(jìn)行啟動，并對所有油槍進(jìn)行檢查、清洗，同時核實調(diào)整暖風(fēng)器疏水系統(tǒng)，防止疏水不暢導(dǎo)致點火熱風(fēng)溫度低。

第三，汽機盡早抽真空，鍋爐點火后及時投入高、低旁，保證點火初期再熱器及時通流蒸汽以冷卻受熱面。

第四，投油槍點火時充分考慮投入對角油槍，保證爐膛火焰能均勻充滿，同時每30 min 對角切換一次。升溫升壓過程必須安排就地確認(rèn)疏水門溫度是否逐步升高，確認(rèn)疏水暢通，同時對比受熱面壁溫來判斷管路是否暢通，避免疏水管或受熱面管路堵塞造成水塞。

第五，在汽機轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1時啟一次風(fēng)機，選油槍投運數(shù)較多的B 磨或E 磨進(jìn)行暖磨。投2 支燃燒器，待磨出口溫度達(dá)到120 ℃時啟動磨煤機運行，控制磨壓強不高于3.5 kPa。動態(tài)分離器轉(zhuǎn)速設(shè)置高些，確保粉管少量帶細(xì)粉，將磨出口溫度控制在80 ～120 ℃。

第六，并網(wǎng)后逐漸提高磨內(nèi)壓強，保持低磨壓強運行，F(xiàn) 擋板開度在30%左右。隨著投粉燃燒器數(shù)量的逐步增加，送風(fēng)量達(dá)到1 000 t·h-1，保證煤粉能完全著火燃燒。投運燃燒器的油槍必須投入正常，若油槍未運行，對應(yīng)的煤粉燃燒器要及時停運。2 臺磨機運行正常后，根據(jù)壁溫情況調(diào)整兩側(cè)與中部壁溫差，盡量投運兩側(cè)燃燒器，停運部分中部油槍和燃燒器，維持10 ～12 支油槍即可。注意爐膛出口煙溫偏差不得超過50 ℃，升負(fù)荷應(yīng)平穩(wěn)，不能采用快速升負(fù)荷的方法進(jìn)行壁溫調(diào)節(jié)。磨機的啟動順序與油槍一致，按B、E、A、F 順序投入。

第七，在啟動的各個階段，要及時調(diào)整二次風(fēng)擋板（即C、F 風(fēng)擋板）開度。投油時，投運油槍的C擋板要及時開至70%，F(xiàn) 擋板開至10%；啟磨投粉初期，F(xiàn) 擋板開至30%；負(fù)荷100 MW 以上且有2 臺磨機運行時，投運燃燒器對應(yīng)F 擋板可開至40%。

第八，啟動過程中控制好過熱器和再熱器氣溫，防止因氣溫超溫引起壁溫超限。沖轉(zhuǎn)前主氣溫根據(jù)油槍數(shù)控制爐膛出口氣溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，再熱器氣溫的調(diào)節(jié)需將低溫再熱器側(cè)煙氣擋板關(guān)小，開低過側(cè)煙氣擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)。機組沖轉(zhuǎn)前嚴(yán)禁投用減溫水，防止過熱器管束發(fā)生水塞。在機組并網(wǎng)升負(fù)荷的初始階段，需采取措施增大冷再汽量。一方面，適當(dāng)開出高旁，投用高旁減溫水，增大進(jìn)入冷再的蒸汽流量的同時降低冷再氣溫；另一方面，減小二抽的抽氣量，保持暖管蒸汽即可，增大進(jìn)入冷再的蒸汽量。

第九，選取過熱器中間點溫度作為煤水比的調(diào)節(jié)參考值，將中間點溫度作為煤水比調(diào)整的前饋信號，當(dāng)中間點溫度發(fā)生改變時，立即調(diào)整煤水比溫度，同時輔助調(diào)整減溫水調(diào)節(jié)氣溫，起到克服煤水比調(diào)整氣溫滯后性的作用。在低負(fù)荷時，由于給煤量和給水量都較低，調(diào)整時不應(yīng)大幅操作，避免過調(diào)或者少調(diào)等造成氣溫波動，同時應(yīng)避免氣溫驟降。

6 結(jié)語

研究分析超溫的原因，采取針對性的措施后，經(jīng)過幾次開機實踐，已能夠?qū)⑹軣崦姹跍乜刂圃谠试S范圍內(nèi)，有效避免了受熱面的超溫，確保了機組的安全性，避免發(fā)生四管泄漏問題。此外，有效控制壁溫能縮短1 h 左右的啟動時間，節(jié)約燃油10 t 左右，確保安全性的同時兼顧經(jīng)濟性。