大型電站鍋爐過熱器_再熱器超溫問題分析及設(shè)計優(yōu)化

1、第20卷第3期電站系統(tǒng)工程V ol.20 No.3 2004年5月Power System Engineering May, 2004 文章編號:1005-006X(200403-0007-03大型電站鍋爐過熱器、再熱器超溫問題分析及設(shè)計優(yōu)化哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司韓建偉摘要:對早期的300 MW、600 MW鍋爐存在的過熱器、再熱器超溫問題及原因進(jìn)行了論述和分析,提出了改進(jìn)、優(yōu)化措施。新一代的600 MW鍋爐在技術(shù)上已經(jīng)成熟,其性能更加先進(jìn),可靠性有較大提高。關(guān)鍵詞:600MW鍋爐性能;汽溫偏差;優(yōu)化措施中圖分類號:TK223.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:BAnalysis and Design Opt

2、imization of SH & RH Overheating for Utility BoilersHAN Jian-weiAbstract: The superheater and reheater overheating occurred in early 300MW, 600MW boilers and their reasons are detailed and analyzed, and the improvement and optimization measure are put forward. The new generation of 600MW boiler

3、is technically proven, the performance of which is more advanced, and reliability of which is improved greatly.Key words: 600MW boiler performance; deviation of steam temperature; optimization measure20世紀(jì)80年代初,哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司引進(jìn)了美國CE(現(xiàn)Alstom公司亞臨界參數(shù)、大容量鍋爐的設(shè)計制造技術(shù)。安徽淮南平圩電廠HG-2008/18.2-YM1型鍋爐是采用引進(jìn)技術(shù)設(shè)計制造的第一臺

4、600 MW機(jī)組,華能德州電廠HG-1025/18.2-PM2型鍋爐則是公司最早投運(yùn)的300 MW 鍋爐。鍋爐投運(yùn)后都出現(xiàn)爐膛出口兩側(cè)煙溫偏差或汽溫偏差問題,導(dǎo)致過熱器、再熱器個別管屏超溫爆管及過熱器減溫水超限等問題,直接影響鍋爐機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。為此,專門研究了這些問題,找出兩側(cè)汽溫偏差、煙溫偏差的原因,提出相應(yīng)的改進(jìn)措施,解決了汽溫偏差和局部超溫問題。通過消化、吸收引進(jìn)技術(shù),并結(jié)合鍋爐運(yùn)行經(jīng)驗,設(shè)計了哈鍋新一代產(chǎn)品盤山電廠#3、#4鍋爐。1 早期300 MW、600 MW鍋爐運(yùn)行情況平圩電廠兩臺600 MW鍋爐投運(yùn)后,再熱器超溫爆管次數(shù)較多,大多發(fā)生在材料為12CrMoWVTiB(

5、鋼研102管段上,且集中在管屏下部U形區(qū)域。而過熱器爆管次數(shù)較少,但過熱器出口兩側(cè)汽溫偏差較大,右側(cè)較左側(cè)平均汽溫高38.6 。試驗研究發(fā)現(xiàn)水平煙道煙溫偏差及過熱器、再熱器兩側(cè)汽溫偏差的特點是:(1 沿爐膛寬度,在末級再熱器后的水平煙道下部,氣流平均速度為左低右高,中部為左側(cè)稍低于右側(cè),上部左側(cè)氣流速度明顯升高,而右側(cè)降低。(2 煙溫分布在末級再熱器后煙道平均煙溫右側(cè)比左側(cè)高4060 。(3 過熱器工質(zhì)側(cè)汽溫偏差a. 分隔屏左側(cè)出口汽溫明顯高于右側(cè)出口汽溫。隨著負(fù)荷的升高,兩側(cè)汽溫偏差減小。收稿日期: 2004-01-18韓建偉(1955-,男,高級工程師。哈爾濱市,150046b. 后屏過熱

6、器受分隔屏出口汽溫的影響也是左側(cè)出口汽溫高于右側(cè)出口汽溫。隨著負(fù)荷升高兩側(cè)汽溫偏差減小。c. 末級過熱器,在584 MW時,左側(cè)汽溫升幅為30 ,右側(cè)升幅為40 (投二級噴水。2 過熱器、再熱器超溫原因分析2.1 設(shè)計原因由于缺乏根據(jù)燃料特性選擇爐膛尺寸的可靠依據(jù),設(shè)計的爐膛不能適應(yīng)煤種多變的運(yùn)行條件,爐膛有的偏高,有的偏低,從而引起汽溫偏低或偏高。若對煤種的沾污、結(jié)渣特性認(rèn)識不足,將使?fàn)t膛輻射吸熱量計算產(chǎn)生偏差,導(dǎo)致爐膛出口煙溫不同,引起過熱器、再熱器出口汽溫偏低或偏高。華能德州電廠3、4號爐比1、2號爐加高3 m后,飛灰含碳量降低兩個百分點,而且減溫水量減少,汽溫得以控制。哈三電廠3號爐6

7、00 MW機(jī)組鍋爐設(shè)計時,煤種按輕微結(jié)渣考慮,沾污度取25%。但運(yùn)行時該爐基本上不沾污、不結(jié)渣,結(jié)果造成爐內(nèi)輻射吸熱量過大、爐膛出口煙溫偏低、再熱器出口汽溫偏低、預(yù)熱器入口煙溫偏低、制粉系統(tǒng)干燥出力不足等一系列問題。(1 管組進(jìn)、出口集箱的引入、引出方式布置不當(dāng),使蒸汽在集箱中流動時靜壓變化過大而造成較大的流量偏差。靜壓差小的管內(nèi)流量小,冷卻不足,管壁超溫爆管。(2 對于蒸汽進(jìn)口集箱的并聯(lián)管組,在進(jìn)入管三通處形成局部渦流,使得該渦流區(qū)附近管組的流量較小,引起較大流量偏差。平圩電廠600 MW鍋爐再熱器超溫就與此有關(guān)。(3 按CE典型設(shè)計,后屏出口有兩根管交叉引入末級過熱器,這樣將高溫的工質(zhì)引到

8、煙溫較高的右側(cè)區(qū)域,低溫的工質(zhì)引到煙溫較低的左側(cè)過熱器區(qū)域,使得高溫工質(zhì)溫度升得更高,造成兩側(cè)汽溫偏差加大。平圩電廠噴水減溫系統(tǒng)設(shè)計用一只噴水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)二級噴水量,無法用調(diào)節(jié)兩側(cè)噴水量的方法來平衡兩側(cè)汽溫。鐵嶺電廠調(diào)節(jié)閥C v值選用不當(dāng),在切高加和57%(滑工況,一級減溫水系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥C v值(30都超出選定值。運(yùn)行時一級減溫水量不足,閥門全開無法解決屏超溫問題,運(yùn)行中曾采用給水系統(tǒng)節(jié)流、增加閥門壓差來提高噴水量。2.2 制造工藝由于制造工藝、現(xiàn)場安裝等質(zhì)量問題造成過熱器、再熱器超溫爆管的事故時有發(fā)生。如:聯(lián)箱中間隔板焊接不良,聯(lián)箱中蒸汽短路,部分管子流量減少。蛇形管制造、安裝焊口的質(zhì)量不合格,

9、個別管子通球率低,造成流量不均。管子彎頭橢圓度和管壁減薄超標(biāo)等, 降低了管子壽命。2.3 運(yùn)行調(diào)整(1 爐內(nèi)燃燒工況。對于四角切向燃燒,在爐內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)氣流,到屏的下沿還存在一定的殘余旋轉(zhuǎn),對于逆時針旋轉(zhuǎn)的爐膛,則會出現(xiàn)右側(cè)煙氣流速偏高,造成過熱器、再熱器右側(cè)壁溫超溫爆管。運(yùn)行中一次風(fēng)率偏高、磨煤機(jī)投運(yùn)層數(shù)不同及過?？諝獯笮?都可能造成燃燒延遲,爐膛出口煙溫升高,加劇爐膛出口煙溫偏差。(2 高壓加熱器投入率。對于300 MW、600 MW鍋爐,高加投與不投給水溫度相差約80100。運(yùn)行和計算表明,給水溫度每降1 ,過熱汽溫上升0.40.5 ,因此,高加停運(yùn),過熱汽溫將升高3250 。(3 煤種變

10、化。電站鍋爐一般都在非設(shè)計煤種下運(yùn)行,煤種多變給鍋爐運(yùn)行帶來了許多不利條件。經(jīng)計算:燃料水分變化±1%,汽溫變化±11.5 ;燃料灰分變化±1%,汽溫變化m0.5 。(4 汽機(jī)高壓缸排汽溫度。汽機(jī)高壓缸排汽溫度高,即提高再熱器入口溫度,為保證再熱器出口溫度,勢必增加再熱器噴水量。豐城電廠300 MW鍋爐高壓缸排汽壓力比設(shè)計值高約0.20.31 MPa,溫度高1721 ,相應(yīng)的再熱器噴水量為1320 t/h。(5 受熱面沾污。由于鍋爐設(shè)計或運(yùn)行原因往往造成爐膛結(jié)焦,過熱器超溫。若過熱器積灰,將造成過熱器汽溫偏低等。造成爐內(nèi)結(jié)焦、過熱器積灰的原因很多,如:煤質(zhì)、灰成分

11、的變化,運(yùn)行調(diào)節(jié)不良,一次風(fēng)速低,火焰偏斜,磨煤機(jī)投運(yùn)層數(shù),吹灰器及制粉系統(tǒng)投運(yùn)行情況等。(6 鍋爐運(yùn)行參數(shù)對汽溫的影響。目前多數(shù)300 MW、600 MW電廠鍋爐都在低于設(shè)計壓力下運(yùn)行,鍋爐降壓運(yùn)行,使得蒸發(fā)吸熱與過熱吸熱的比例發(fā)生變化。如黃臺電廠7號爐,設(shè)計時,主汽壓力為17.3 MPa;運(yùn)行時,當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在270290 MW,主汽壓力僅有14 MPa,約低3.3 MPa。這種運(yùn)行方式使鍋爐蒸發(fā)段所需的吸熱量增大,過熱段所需的吸熱量減少,要求增加燃料量來滿足蒸發(fā)吸熱,燃料量的增加使過熱器超溫。3 過熱器、再熱器的優(yōu)化措施3.1 采用接近于正方形的爐膛根據(jù)設(shè)計煤種和校核煤種的結(jié)渣特性,在平圩

12、電廠600 MW鍋爐爐膛斷面基礎(chǔ)上加大爐膛深度,使?fàn)t膛寬/深比為1.063,接近于正方形,有利于組織爐內(nèi)空氣動力場,避免爐膛結(jié)焦,減弱氣流殘余旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度,有利消除兩側(cè)煙溫偏差。3.2 頂部風(fēng)反切和水平擺動為了解決煙溫偏差,采取了較小的切圓直徑、較低的旋流數(shù),燃燒器頂部風(fēng)與主噴嘴中心線反切18°,頂部風(fēng)(OFA采用水平擺動式,以減弱爐膛出口氣流的殘余旋轉(zhuǎn),有利于調(diào)節(jié)兩側(cè)汽溫偏差。3.3 改進(jìn)連接方式過熱器和再熱器各級受熱面之間采用大口徑管道和三通連接,有利于蒸汽的混合,消除汽溫偏差。屏過與末過連接管采用平行布置不再交叉,避免汽溫偏差疊加。3.4 蒸汽調(diào)溫方式過熱器采用兩級噴水減溫器調(diào)節(jié),

13、每級減溫器分別布置在左右兩根連接管道上。減溫器可以單獨(dú)調(diào)節(jié),有利于調(diào)節(jié)兩側(cè)汽溫偏差。3.5 受熱面管子布置避開三通渦流區(qū)在進(jìn)出口集箱上采用大三通,避開在三通渦流區(qū)特定部位引入和引出蛇形管。3.6 提高管材檔次根據(jù)沿?zé)煹缹挾雀髌林g的吸熱偏差、同屏各管之間的吸熱偏差以及流量偏差、結(jié)構(gòu)不合理造成的偏差等計算管子的壁溫,根據(jù)壁溫來選擇管子材料。對高壁溫管排則提高材料的檔次。4 盤山電廠#3、#4爐運(yùn)行情況盤山電廠#3、#4鍋爐運(yùn)行安全穩(wěn)定,各項運(yùn)行指標(biāo)達(dá)到精品工程要求。在燃用設(shè)計煤種時,鍋爐出力及各項運(yùn)行參數(shù)均能達(dá)到設(shè)計值,爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定、不結(jié)焦,過熱器、再熱器出口汽溫偏差小。圖1 盤山#3爐過熱器

14、管壁溫度分布圖2 盤山#3爐過熱器沿爐寬管壁溫度分布(1 頂部風(fēng)(OFA反切、并水平擺動±12°是本爐設(shè)計的一個特點。當(dāng)反切角度最大時,過熱器汽溫幾乎沒有偏差,再熱器汽溫偏差近10 。當(dāng)反切風(fēng)反(下轉(zhuǎn)第10頁 400450500550600左爐寬右溫度分隔屏后屏過末過末過第22、75屏各管壁溫535540545550123456爐后管子號爐前溫度第22屏第75屏與原一次風(fēng)噴口流速相等或接近,又能夠基本上保持原爐內(nèi)空氣動力場特性不變。(3 穩(wěn)燃腔結(jié)構(gòu)確定。穩(wěn)燃腔應(yīng)能保證上下一次風(fēng)煤粉氣流在其內(nèi)能形成一定的回流區(qū),盡量采用較高的截面熱負(fù)荷和容積熱強(qiáng)度,以縮小穩(wěn)燃腔的空間結(jié)構(gòu)。穩(wěn)

15、燃腔寬度與原燃燒器一次風(fēng)噴口相同,高度及深度尺寸根據(jù)不同規(guī)模的熱功率等級設(shè)計。(4 腰部風(fēng)設(shè)計。腰部風(fēng)采用狹長結(jié)構(gòu),設(shè)置在上、下一次風(fēng)通道之間,風(fēng)源來自熱二次風(fēng),通過調(diào)節(jié)風(fēng)量大小來改變風(fēng)速,最高設(shè)計風(fēng)速可達(dá)50 m/s。2.3 雙通道濃淡直流煤粉燃燒器的運(yùn)行雙通道濃淡煤粉燃燒器的結(jié)構(gòu)確定后,其在風(fēng)扇磨直吹式系統(tǒng)中的運(yùn)行調(diào)節(jié)主要依靠腰部風(fēng)來進(jìn)行。因此在鍋爐實際運(yùn)行中著重考核了腰部風(fēng)對燃燒器運(yùn)行特性的影響,同時也全面地測試了鍋爐采用雙通道濃淡煤粉燃燒器后的點火啟動、低負(fù)荷穩(wěn)燃能力以及NO x排放性能。在3種腰部風(fēng)開度下,隨著腰部風(fēng)由關(guān)到開,燃燒器下通道根部溫度由570 降到210 ,著火條件變差。

16、各工況下,溫度沿燃燒器軸線方向逐漸升高,在噴口處,腰部風(fēng)全關(guān)時溫度高達(dá)700 ,這對大多數(shù)煤種能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)燃腔內(nèi)著火、燃燒。而腰部風(fēng)全開下溫度只有350 左右,兩者差350 。沿著燃燒器軸向距離,腰部風(fēng)半開和全開時,O2量水平降低,CO2含量增加;而腰部風(fēng)全關(guān)時,O2、CO2幾乎保持不變,O2量維持在9%以下,CO2在10%以上,這表明大量的煙氣已回流到燃燒器下通道噴口,在此處煤粉就已能著火燃燒。在腰部風(fēng)半開和全開時,距穩(wěn)燃腔噴口外50 mm和200 mm附近,O2、CO2才出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點,O2急劇下降,CO2隨之迅速上升,著火開始,很快在距穩(wěn)燃腔噴口500 mm外達(dá)到全關(guān)時的水平。NO x生

17、成量相應(yīng)發(fā)生變化,不開腰部風(fēng)NO x生成量在2050ppm之間;半開和全開腰部風(fēng)NO x生成量在40170ppm之間。半開腰部風(fēng)在燃燒器噴口處有一個極值點,說明從這點開始環(huán)境氣氛由氧化性變成還原性,將部分已生成的NO x還原,而全開狀態(tài)下煤粉一直在過氧條件下著火、燃燒,NO x一直在增加。綜合燃燒器穩(wěn)燃腔出口附近煙氣溫度和煙氣中各種成份的分布特性,很好地反應(yīng)出腰部風(fēng)對燃燒器回流區(qū)的良好調(diào)節(jié)特性,而且腰部風(fēng)的大小對NO x的生成也有很大的影響。從燃燒器在不同腰部風(fēng)下的溫度分布可知,雙通道濃淡煤粉燃燒器由于采用濃淡燃燒和穩(wěn)燃腔,并通過調(diào)節(jié)(關(guān)小/關(guān)斷腰部風(fēng)改善煤粉氣流著火條件,煤粉投上后容易點燃,

18、由于煤粉及時穩(wěn)定著火,提高了燃盡度,增加向爐內(nèi)的放熱,從而加快了鍋爐啟動升溫速度,縮短了鍋爐啟動時間,節(jié)約了啟動用油。鍋爐低負(fù)荷考核是由100%負(fù)荷逐步降低,首先停兩個對角上一次風(fēng)噴口,使負(fù)荷降到75%,穩(wěn)定一段時間后,停全部上一次風(fēng)使負(fù)荷降至50%。在該負(fù)荷下鍋爐溫度水平有所下降,但是沒有出現(xiàn)燃燒波動的現(xiàn)象,可以穩(wěn)定燃燒。大約運(yùn)行1 h后,再一次減少下一次風(fēng)投粉量使負(fù)荷降至40%,這時爐膛溫度下降很快,爐內(nèi)負(fù)壓基本平穩(wěn),偶爾也出現(xiàn)波動現(xiàn)象,但仍能穩(wěn)定燃燒、不滅火。這一結(jié)果表明,鍋爐采用雙通道濃淡煤粉燃燒器后具有良好的低負(fù)荷能力。在100%額定負(fù)荷下測定了鍋爐整體熱效率,同時也測定了鍋爐排煙處NO x的排放量。測試結(jié)果為,鍋爐燃燒效率97.83%,鍋爐熱效率91.63%,比原設(shè)計值89.16%高2.47%。鍋爐實測NO x排放量為162ppm(O2=4.3%,折算到O2=6%的干煙氣條件下為298 mg/Nm3。3 結(jié)束語實際應(yīng)用表明,雙通道濃淡煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)合理,采用的燃燒技術(shù)先進(jìn),具有優(yōu)良的綜合性能,能夠全面解決劣質(zhì)煤燃燒的諸多難題,應(yīng)用前景廣泛。編輯:巨川(上接第8頁切角度最小時,過熱器汽溫偏差約22 ,再熱器汽溫偏差增大到33