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超臨界直流鍋爐主汽溫控制策略研究
0鍋爐結(jié)構(gòu)及蒸汽溫度dg1900。25.4-1號采用東鍋爐(集團)生產(chǎn)的dg1900。25.4-1號臨界參數(shù),采用真空鍋爐,一次加熱,單管道,雙軒列,形狀臺氣板,再熱蒸汽加熱,固體排渣,全鋼框架,懸臂結(jié)構(gòu),平衡通風和配置,前、地下墻對面的燃燒。每臺爐共配有24個日立-巴布科克公司(BHK)生產(chǎn)的HT-NR3型旋流煤粉燃燒器,與之配套的是6臺上海重型機器廠有限公司生產(chǎn)的BBD4060雙進雙出磨煤機。設(shè)計燃用山西潞安礦業(yè)集團有限公司貧煤。采用帶疏水擴容器的啟動系統(tǒng),由于沒有循環(huán)泵,汽水分離器分離出來的飽和水攜帶的熱量沒有在鍋爐內(nèi)部循環(huán),而是進入了凝汽器,致水冷壁的吸熱量部分損失。為了提高蒸發(fā)量,只有增加燃料量,故該爐型的蒸汽溫度容易超溫,特別是在初期啟動過程中。因此必須了解清楚機組各個運行階段影響主汽溫度的因素,防止因主汽溫度的波動而影響機組的安全穩(wěn)定運行。1影響主汽溫度的主要因素是主汽溫度的主要因素1.1輻射為主的水煤比變化超臨界鍋爐以水煤比作為過熱蒸汽溫度的主要調(diào)節(jié)手段,在超臨界壓力下運行時,貯水箱將垂直水冷壁與過熱器系統(tǒng)連為一體,垂直水冷壁實際上相當于過熱器,給水吸收的熱量首先就反應在過熱汽溫的變化,而不象汽包爐首先反應在汽壓的變化,且爐膛內(nèi)的傳熱主要以輻射為主,這就決定了過熱器系統(tǒng)的吸熱是以輻射為主,水煤比的變化直接影響著過熱器系統(tǒng)的吸熱。圖1是該電廠在燃料量穩(wěn)定的情況下鍋爐給水量和主汽溫度的變化趨勢,從圖中可以明顯看出給水量的變化趨勢與主汽溫度的變化趨勢是相反的且響應非???二者的變化趨勢幾乎是同步的。1.2中間點溫度的影響超臨界直流鍋爐正常運行時,垂直水冷壁出口蒸汽溫度處于微過熱狀態(tài),該點是反映燃料和給水關(guān)系變化最靈敏的地方,一般稱之為中間點溫度。該電廠運行情況表明(圖2),高負荷600MW時,在給水總量和減溫水量保持穩(wěn)定的情況下,中間點溫度每升高1℃,過熱汽溫就升高3~6℃。低負荷時變化更明顯,據(jù)相關(guān)運行經(jīng)驗表明低負荷時中間點溫度每升高1℃,過熱汽溫就升高10℃。因此對中間點溫度的控制就顯得非常重要。影響中間點溫度最主要的是水煤比,水煤比的變化會直接影響水冷壁中汽水兩相分離的界面,從而導致中間點溫度的升高和降低。除此以外,影響中間點溫度的還有給水溫度、煤質(zhì)變化、燃燒調(diào)節(jié)運行壓力,受熱面積灰積渣程度,減溫水量等。1.3水冷壁、屏過超溫無論是在亞臨界鍋爐還是超臨界鍋爐,減溫水調(diào)節(jié)汽溫都有快速響應的特點,但與亞臨界鍋爐不同的是減溫水只是作為超臨界鍋爐汽溫的微調(diào),因為當減溫水量增大時,超臨界鍋爐減溫水噴水點前的受熱面,特別是水冷壁中的工質(zhì)流量必然減少,使其水冷壁中的工質(zhì)溫度升高,其結(jié)果不僅加大了汽溫調(diào)節(jié)幅度,而且可能導致水冷壁或屏過超溫。圖3是該電廠600MW超臨界鍋爐在穩(wěn)定負荷和給水工況下,減溫水量與過熱度的關(guān)系圖:從圖3可看出,在給水總量不變的情況下,當減溫水量逐漸增加時,過熱度提高,表明進入水冷壁中的水量減少,這也反應了中間點溫度的設(shè)置是調(diào)節(jié)進入水冷壁給水量和減溫水量的分配。1.4調(diào)節(jié)煙氣主體開度及減水溫目前超臨界鍋爐主要有四角切圓和對沖燃燒2種燃燒方式,前者的再熱汽溫調(diào)節(jié)主要通過調(diào)節(jié)燃燒器擺角配合減溫水,而后者主要通過調(diào)節(jié)煙氣擋板開度及減溫水。煙氣擋板主要通過調(diào)節(jié)尾部豎井低溫再熱器和低溫過熱器的煙氣量來調(diào)節(jié)再熱汽溫和過熱汽溫,但在超臨界鍋爐中,由于過熱蒸汽溫度主要受輻射傳熱的影響比較大,而煙氣主要是對流傳熱,所以通過調(diào)整煙氣擋板對再熱汽溫的影響要大于過熱汽溫,同時通過煙氣擋板調(diào)節(jié)過熱汽溫響應速度慢,通常需配合減溫水同時進行調(diào)節(jié)。1.5發(fā)熱量對爐稈維護煤質(zhì)的變化主要表現(xiàn)為煤的發(fā)熱量、揮發(fā)分、水分、灰分和含硫量等的變化,會影響爐膛內(nèi)輻射傳熱的變化,進而影響水煤比、中間點溫度等的變化,從而導致整個鍋爐系統(tǒng)熱量分布的改變。發(fā)熱量的增加會使爐膛溫度水平提高,爐內(nèi)輻射換熱量增加,進而使水冷壁內(nèi)工質(zhì)吸熱量增加,反之亦然;揮發(fā)分的提高會使煤粉著火提前,火焰中心下移,在發(fā)熱量不變的前提下增加爐膛輻射換熱量;水分的變化會影響爐膛溫度水平,進而影響水冷壁內(nèi)工質(zhì)的吸熱量;灰分的提高一方面會提高爐內(nèi)固體顆粒的份額,增強輻射能力,另一方面灰分的提高意味著發(fā)熱量的降低,又會影響輻射換熱量,同時使得爐內(nèi)積灰增多,爐膛出口煙溫升高,主汽溫度升高,同時導致燃燒效率下降。2不同運營階段的溫度調(diào)整2.1低負荷時爐稈的熱性能超臨界鍋爐從啟動至額定負荷運行,鍋爐運行壓力從高壓、超高壓、亞臨界壓力逐漸增加到超臨界壓力,水冷壁的工質(zhì)由雙相流體轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嗔黧w,工質(zhì)溫度也發(fā)生很大變化。在啟動過程中和低負荷運行時,由于壓力較小,導致汽、水密度差較大,易產(chǎn)生過大的熱偏差和流動不穩(wěn)定,同時由于低負荷運行時爐膛溫度偏低,容易導致燃燒不完全,致使燃燒放熱量相對減少,爐膛輻射傳熱降低,水冷壁吸熱量相對減少,產(chǎn)生的蒸汽量減少,而此時燃燒不完全又導致了爐膛出口煙溫升高,在過熱蒸汽壓力偏低的情況下,定壓比熱容較小,非常容易發(fā)生屏過和高過超溫的現(xiàn)象。此時有2個過程需特別注意:2.1.1降低汽機沖轉(zhuǎn)的水冷壁內(nèi)蒸汽量的措施汽機沖轉(zhuǎn)及并網(wǎng)的過程中,對蒸汽量需求的突然增大,導致汽壓的下降和汽溫的升高,為保證沖轉(zhuǎn)過程中汽溫汽壓的穩(wěn)定,需要及時調(diào)整風量、燃料量和給水量,如果調(diào)節(jié)不當,很容易造成汽溫的快速升高,此時汽溫升高的根本原因是由于產(chǎn)生的蒸汽量低,使受熱面得不到有效冷卻,一般情況下投退油槍是最有效的方法,但如果燃料量不夠會使產(chǎn)生的蒸汽量滿足不了汽機沖轉(zhuǎn)的要求,因此需在以下幾個方面綜合考慮:a.根據(jù)沖轉(zhuǎn)所需蒸汽流量,保證適當?shù)慕o水量,過高或過低都會導致水冷壁內(nèi)蒸汽量的降低。b.根據(jù)給水量,投入適當?shù)娜剂?并使爐膛內(nèi)燃料分布均勻,使水冷壁吸熱均勻,降低火焰中心;c.減小啟動系統(tǒng)疏水量(疏水量的增大會使給水增加過快,從而降低蒸發(fā)量),可以降低水冷壁內(nèi)工質(zhì)熱損失,防止蒸發(fā)量進一步降低;d.通過除氧器加熱盡量提高給水溫度,增強水冷壁內(nèi)產(chǎn)汽能力;e.保持合理的風燃比,提高燃盡風量,降低火焰中心;f.沖轉(zhuǎn)前適當逐步開啟高壓路旁,在穩(wěn)定汽壓的前提下提高給水和過熱蒸汽的差壓,以便于減溫水的調(diào)節(jié)。2.1.2煤水比逐步提高,及時控制好煤投入煤粉后負荷會升得很快,貯水罐水位波動很大,汽溫汽壓會快速上升,很難控制。此時最重要的是要控制好給煤量和一次風量,緩慢開大容量風,避免進入爐膛的煤粉過多,隨著爐膛溫度的升高而逐漸加大給煤量。同時與汽機側(cè)協(xié)調(diào)控制好升負荷速度,及時控制給水,保證水煤比的穩(wěn)定,必要時退掉油槍(尤其是上層油槍),根據(jù)溫升趨勢及時投入減溫水控制汽溫,防止超溫。這個過程中可以適當保持稍大的過??諝庀禂?shù),因為當過??諝庀禂?shù)增大時,除排煙損失增加、鍋爐效率降低外,爐膛水冷壁吸熱減少,造成過熱器進口溫度降低、屏式過熱器出口溫度降低;雖然對流過熱器吸熱量有所增加,但在煤水比不變的情況下,末級過熱器出口汽溫會有所下降。過??諝庀禂?shù)減小時的結(jié)果與增加時的相反。若要保持過熱汽溫不變,則需重新調(diào)整煤水比。2.2干態(tài)—直流運行轉(zhuǎn)化階段在啟動過程中,燃料量逐漸增大,分離器由濕態(tài)轉(zhuǎn)向干態(tài)運行。初始階段,分離器出口為飽和蒸汽,當爐內(nèi)燃料量增加時,蒸汽逐漸達到微過熱狀態(tài),此時由于水冷壁出口仍處于濕蒸汽區(qū),熱量的吸收主要被用于將濕蒸汽轉(zhuǎn)化為飽和及過熱蒸汽,中間點溫度變化不大,對水煤比調(diào)節(jié)的參考作用消失,隨著鍋爐轉(zhuǎn)為純直流運行狀態(tài),由于過熱蒸汽的比熱小于汽水混合物,蒸汽溫度將快速升高。同時,在燃料量增加的初始階段,由于燃燒不完全,爐膛出口煙溫會增加,導致的爐膛溫度降低使得輻射傳熱能力下降,這意味著屏過單位重量的蒸汽相對吸熱量減少了,而此時通過屏過的蒸汽量是增加的。隨著燃燒的加強,當分離器干態(tài)運行后,其汽溫變化隨負荷(燃料量)的增加而增加。因此在濕態(tài)—干態(tài)轉(zhuǎn)換的短時間內(nèi),也會造成過熱汽溫的快速上升。因此,此過程中應降低過熱度設(shè)定值,緩慢增加燃料量,及時增加減溫水,避免過熱汽溫出現(xiàn)快速的嚴重超溫現(xiàn)象。2.3蒸汽壓力隨工質(zhì)、比熱容變化情況,主要有蒸發(fā)超臨界鍋爐在跨越臨界點壓力過程中,工質(zhì)狀態(tài)和工質(zhì)物性會發(fā)生劇烈的變化。計算結(jié)果表明(圖4),在臨界點溫度值下,蒸汽壓力從21MPa到23MPa過程中,過熱蒸汽的定壓比熱容從非常小變化到非常大,又從非常大變化到非常小,變化幅度在幾百倍,甚至上千倍。蒸汽壓力為21MPa時,過熱蒸汽的定壓比熱容為21.8323kJ/kgK,而到了臨界點壓力22.15MPa時,驟升到1217.08kJ/kgK,蒸汽壓力達到23MPa時,為3.4163kJ/kgK。跨越臨界點時由于工質(zhì)的比熱容非常大,即使燃料量大幅變化,分離器出口溫度也不會發(fā)生較大變化。理論上,跨越臨界點后由于比熱容突然變小,過熱汽溫會快速上升,但實際運行中,由于鍋爐蓄熱能力強,汽溫上升并不是很大,只要將過熱度設(shè)定值比正常運行稍低一些,提前調(diào)節(jié)減溫水,實現(xiàn)汽溫的提前控制,就可平穩(wěn)度過臨界點。2.4機組的操作對象在超臨界壓力和高負荷下,單相介質(zhì)的傳熱系數(shù)比亞臨界兩相流體的傳熱系數(shù)低,流體和水冷壁的溫度高,可能產(chǎn)生超溫現(xiàn)象。此時機組的操作只能進行小幅的微調(diào),不能進行大幅的操作,以避免產(chǎn)生參數(shù)的劇烈波動。同時根據(jù)煤質(zhì)的變化及時調(diào)整給水及燃燒配風。2.5異常情況下的低溫調(diào)整2.5.1減水溫減水處理給水泵突然跳閘,會使鍋爐各受熱面工質(zhì)溫度迅速上升;減溫水流量自動增大;此時應立即減負荷至對應給水流量下的負荷(一般30t水對應10MW負荷),減少燃料量,保持合理的水煤比,使給水量大于蒸汽量100t左右,維持汽溫正常,同時將減溫水切為手動調(diào)節(jié)。2.5.2水煤比的影響磨煤機跳閘會導致燃料量的突然減少,各受熱面溫度下降,應立即根據(jù)蒸汽量的減少來減小給水量,同時提高其它磨煤機出力,維持穩(wěn)定的水煤比。一般情況下優(yōu)先調(diào)節(jié)下層磨煤機出力,防止火焰中心的提高,引起過熱蒸汽超溫。2.5.3熱段縮短,再熱汽溫下降高加投退會使鍋爐給水溫度升高或降低,特別是高加退出時若保持煤水比不變,鍋爐的加熱會延長,過熱段會縮短,過熱汽溫會降低。再熱汽溫由于進口溫度的下降而下降。若要保持過熱汽溫不變,則必須增加煤量。而此時的中間
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