鍋爐主蒸汽溫度偏低的診斷與解決

鍋爐主蒸汽溫度偏低的診斷與解決

近年來(lái)，隨著核電站、風(fēng)能和太陽(yáng)能的發(fā)展，煤炭消費(fèi)占第一能源總消耗的比例呈下降趨勢(shì)，但煤炭消費(fèi)約占中國(guó)一次能源消費(fèi)的70%，且煤炭消費(fèi)量逐年上升10%以上。煤炭消費(fèi)結(jié)構(gòu)中,有一半左右用于火力發(fā)電。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,煤炭供求矛盾日益突出,電廠燃煤供應(yīng)緊張,很多電廠燃用煤種嚴(yán)重偏離原設(shè)計(jì)煤種,因此出現(xiàn)了燃燒穩(wěn)定性變差、燃燒器燒壞、主蒸汽溫度偏離設(shè)計(jì)值、無(wú)法帶滿負(fù)荷、嚴(yán)重結(jié)焦等問題。本文就某電廠125MW機(jī)組在燃用煤種變化后主蒸汽溫度偏低的問題進(jìn)行了診斷分析,提出了解決方案。1鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)中的問題1.1鍋爐及主流程設(shè)計(jì)研究的鍋爐為某電廠SG-420/13.7-W756型超高壓中間再熱自然循環(huán)鍋筒爐,設(shè)計(jì)燃用煙煤,配上海汽輪機(jī)廠125MW機(jī)組汽輪機(jī)。鍋爐為平衡通風(fēng),露天布置,固態(tài)排渣,鋼筋混凝土構(gòu)架;爐膛接近于正方形,寬9600mm,深8840mm,寬深比為1.086;爐膛四周由?60mm×7mm節(jié)距為80.5mm的光管與扁鋼焊接而成的膜式水冷壁,爐膛布置有20只吹灰器;爐膛上部布有屏式過熱器,水平煙道布有對(duì)流過熱器和高溫再熱器,豎直煙道內(nèi)布有低溫再熱器、省煤器;過熱蒸汽采用兩級(jí)噴水減溫,再熱蒸汽設(shè)計(jì)有微量噴水減溫和事故噴水減溫。鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下:過熱蒸汽流量D1=420t/h過熱蒸汽壓力P1=13.7MPa(表壓)過熱蒸汽溫度t1=540℃再熱蒸汽流量D2=350t/h再熱蒸汽壓力P2(進(jìn)/出)=2.62/2.44MPa(表壓)再熱蒸汽溫度t2(進(jìn)/出)=324/540℃給水溫度tgs=240℃排煙溫度Qpy=135℃預(yù)熱器出口風(fēng)溫tr=305℃鍋爐計(jì)算效率η=91.74%鍋爐采用中間儲(chǔ)倉(cāng)式鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng),乏氣送粉。燃燒方式為四角噴燃切圓燃燒,均等配風(fēng),一次風(fēng)噴嘴分為三層,均為上下濃淡噴嘴,噴嘴周圍設(shè)有周界風(fēng)。二次風(fēng)噴口分五層,采用均等配風(fēng)。一二次風(fēng)噴嘴均由耐熱耐磨鑄鋼及不銹鋼板制成。鍋爐設(shè)計(jì)燃用煤種參數(shù)如表1。1.2主蒸汽溫度偏低機(jī)組投運(yùn)后,鍋爐運(yùn)行正常,汽水參數(shù)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)值。但近幾年,由于煤源緊張,電廠來(lái)煤不穩(wěn)定,品質(zhì)變化較大,而且多為混煤,著火燃燒特性變化較大,使得鍋爐蒸汽溫度偏低,特別是主蒸汽溫度偏離設(shè)計(jì)值較多。在燃用煤種與設(shè)計(jì)煤種偏差較大時(shí),主蒸汽溫度甚至降到520℃以下,嚴(yán)重影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)上述問題,采用了提高運(yùn)行氧量、增大上層一次風(fēng)給粉量,調(diào)整配風(fēng)等手段提高主汽溫度,取得了一定效果,特別是通過運(yùn)行氧量和各層給粉機(jī)給粉比例的調(diào)節(jié)效果明顯,但主蒸汽溫度不能穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值。2燃燒系統(tǒng)優(yōu)化為分析該鍋爐主蒸汽溫度偏低的原因,2010年2月12日～14日和2010年3月10日～15日對(duì)鍋爐進(jìn)行了診斷試驗(yàn)。試驗(yàn)期間不調(diào)整燃燒器各層二次風(fēng)和周界風(fēng)門開度,維持三層燃燒器全部投運(yùn),同時(shí)維持制粉系統(tǒng)雙磨運(yùn)行,且出力維持不變,粉倉(cāng)粉位過高時(shí)向鄰爐粉倉(cāng)輸粉。試驗(yàn)期間,若主汽溫度偏差較大,僅靠減溫水無(wú)法調(diào)整時(shí),采用改變運(yùn)行氧量和調(diào)整各層給粉機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整。試驗(yàn)時(shí),詳細(xì)記錄鍋爐制粉系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、和汽水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),同時(shí)對(duì)每天的燃煤進(jìn)行取樣,帶回試驗(yàn)室分析。2.1蒸汽溫度偏低試驗(yàn)期間,主汽溫度在2月12日～14日和3月10日正常,大部分時(shí)間在535～540℃范圍內(nèi),3月11日～15日蒸汽溫度偏低,特別是3月11日和3月12日,主汽溫僅為520℃左右(見圖1);與主蒸汽溫度不同,再熱汽溫較穩(wěn)定,僅在3月12日期間偏離設(shè)計(jì)值較多,在535℃以下(見圖2)。主汽溫正常的前幾天,減溫水量波動(dòng)較大,平均為5t/h左右,短時(shí)有達(dá)到20t/h以上的情況(見圖3),主汽溫低時(shí)減溫水調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。2.2調(diào)整來(lái)粉機(jī)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)期間鍋爐運(yùn)行氧量數(shù)據(jù)如圖4,各層燃燒器給粉機(jī)轉(zhuǎn)速如圖5。2月份汽溫正常時(shí),鍋爐運(yùn)行氧量在2%～4.5%,基本維持在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi),給粉方式采用正寶塔給粉方式,下層給粉機(jī)轉(zhuǎn)速在800～850r/min,上層和中層給粉機(jī)在700r/mim左右。3月份因燃用煤種變化汽溫降低,故適當(dāng)提高了運(yùn)行氧量,爐膛出口氧量平均達(dá)到5%;考慮到鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,控制運(yùn)行氧量不超過6%;同時(shí)在保證下粉均勻的前提下,減小了中層和下層給粉機(jī)轉(zhuǎn)速,同時(shí)增大了上層給粉機(jī)轉(zhuǎn)速,改用倒寶塔給粉方式,以抬高火焰,提高爐膛出口溫度,進(jìn)而提高主蒸汽溫度。一般爐膛出口過量空氣系數(shù)增加10%,過熱汽溫約增加10～20℃。按此規(guī)律計(jì)算,如3月份采用與2月份相同的運(yùn)行氧量,則主蒸汽溫度還將會(huì)降低15℃以上。2.3試驗(yàn)煤種試驗(yàn)期間燃煤工業(yè)分析數(shù)據(jù)如表2。從表中數(shù)據(jù)看,3月份燃用煤種水分普遍高于2月份燃用煤種,而發(fā)熱量則普遍低于2月份煤種。2.4燃用煤種的影響從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看,3月份試驗(yàn)期間與2月份相比,采取了提高運(yùn)行氧量、給粉向上層集中等提高主汽溫度的運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)節(jié),并且關(guān)閉了減溫水,但主汽溫仍比設(shè)計(jì)值低5℃以上,如不采取上述調(diào)整措施,主汽溫度將可能比設(shè)計(jì)值低20℃以上。試驗(yàn)期間前屏出口煙溫如圖6,3月份煙溫要比2月份低40℃,僅為800℃左右,而該處設(shè)計(jì)煙溫為971℃。爐膛出口煙溫降低必然導(dǎo)致過熱器吸熱量減少,這是主蒸汽溫度偏低的直接原因。而試驗(yàn)期間其他運(yùn)行方式均相同,唯一變化的僅有燃用煤種,可見燃用煤種變化是導(dǎo)致爐膛出口煙溫降低的主要原因。對(duì)比試驗(yàn)期間煤種與鍋爐原設(shè)計(jì)煤種,試驗(yàn)期間燃煤可燃基揮發(fā)分在35%～41%,較鍋爐原設(shè)計(jì)煤種高14%～21%(絕對(duì)值)。在其他參數(shù)相似的情況下,燃煤揮發(fā)分升高,其火焰長(zhǎng)度將縮短,原因主要基于如下幾點(diǎn):一是揮發(fā)分高,煤粉著火迅速;二是揮發(fā)分高,其固定碳比例相應(yīng)低,而焦炭的燃盡時(shí)間要遠(yuǎn)大于揮發(fā)分燃盡時(shí)間;三是揮發(fā)分熱解析出會(huì)使煤粉顆粒形成多孔結(jié)構(gòu)并破碎成更小顆粒,從而縮短焦炭的燃盡時(shí)間。對(duì)于同一臺(tái)鍋爐,當(dāng)火焰長(zhǎng)度縮短時(shí),其爐膛出口煙溫降低,主蒸汽溫度也會(huì)降低。試驗(yàn)期間燃用煤種與鍋爐原設(shè)計(jì)煤種的另一個(gè)區(qū)別在于水分和熱值,特別是3月份試驗(yàn)期間主蒸汽溫度較低時(shí)的燃用煤種,其水分比設(shè)計(jì)煤種高,而發(fā)熱量比設(shè)計(jì)值低。一般地,燃煤水分越高、發(fā)熱量越低,則火焰溫度會(huì)更低,導(dǎo)致爐膛出口煙溫降低,主蒸汽溫度難于保證。從以上分析可見,鍋爐燃用煤種變化,導(dǎo)致爐膛出口煙溫降低,過熱器吸熱量不足,造成鍋爐主蒸汽溫度偏低。3過熱器傳熱溫壓降低影響蒸汽溫度偏低問題從根本上講是因?yàn)楣べ|(zhì)蒸發(fā)吸熱和過熱蒸汽吸熱間的比例不匹配,兩者比值偏大所致。本文中,其原因在于燃燒煤種變化導(dǎo)致爐膛出口煙溫遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值,過熱器傳熱溫壓降低導(dǎo)致吸熱量降低。對(duì)比的解決方案分為兩類:一是從增大過熱器吸熱量考慮,通過強(qiáng)化傳熱、增加過熱器面積等手段提高汽溫;二是從提高過熱器入口煙溫考慮,具體方法有提高火焰中心高度、減少水冷壁吸熱量等。第一類方法較為直接,效果顯著,但缺點(diǎn)是需要對(duì)過熱器進(jìn)行改造,風(fēng)險(xiǎn)較大,一般電廠對(duì)改造高溫、高壓的受熱面都比較慎重;第二類方法相對(duì)簡(jiǎn)單,實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)較小,本文將重點(diǎn)討論。3.1對(duì)蒸汽參數(shù)的影響對(duì)于特定的爐膛,燃料確定后,火焰中心高度取決于燃燒器布置的位置和布置方式,通過更換燃燒器提高燃燒器標(biāo)高是提高火焰中心直接且有效的方法,但實(shí)施工程量較大,一般電廠難以接受。近幾年生產(chǎn)的鍋爐燃燒器設(shè)計(jì)成可上下擺動(dòng)的形式,可有效調(diào)整火焰中心高度,調(diào)節(jié)汽溫效果顯著。對(duì)于燃燒器安裝角度固定的鍋爐,煤種變化時(shí)可通過技術(shù)改造調(diào)整燃燒器安裝角度以適應(yīng)煤種變化的需要。燃燒器上下擺動(dòng)或調(diào)整燃燒器安裝角度對(duì)蒸汽參數(shù)的影響規(guī)律已有較多的研究。葛友康整理了多臺(tái)引進(jìn)1025t/h鍋爐燃燒器上擺對(duì)汽溫的影響數(shù)據(jù),一般燃燒器每上擺1°,過熱蒸汽溫度上升1.2～2℃,再熱蒸汽溫度上升1.6～2.4℃。而文獻(xiàn)報(bào)道的CE公司1025t/h鍋爐燃燒器上擺1°對(duì)過熱蒸汽和再熱蒸汽溫度的影響僅為0.59℃和0.82℃。關(guān)于小機(jī)組燃燒器擺動(dòng)對(duì)汽溫影響的試驗(yàn)較少,梁漢文對(duì)一臺(tái)WG130t/h鍋爐進(jìn)行了上擺15°改造,改造后主汽溫上升25℃左右,折合到每度為1.67℃?？梢姴煌仩t燃燒器擺動(dòng)對(duì)蒸汽溫度的影響程度不同,這主要是因?yàn)椴煌仩t爐膛形狀和燃燒器設(shè)計(jì)不同,受熱面的布置也不同。與本項(xiàng)目鍋爐最相近的改造案例是攀鋼1號(hào)爐,該爐為HG-410/9.8-YM11型鍋爐,鍋爐投運(yùn)后主汽溫度一直偏低25～40℃,后進(jìn)行了改造,將一二次風(fēng)噴口由原水平布置改為上仰7°;三次風(fēng)噴口由原下傾7°改為水平安裝;將爐內(nèi)假想切圓直徑由1000mm改為650mm;改造后鍋爐蒸汽溫度達(dá)到了設(shè)計(jì)值,并有一定的減溫水量,具體數(shù)據(jù)見表3。參考以上數(shù)據(jù),本項(xiàng)目研究對(duì)象鍋爐需上傾6°～10°可解決目前的汽溫偏低問題,具體上傾角度需在全面調(diào)研評(píng)估電廠未來(lái)煤源情況后確定,以保證改造方案和目前的減溫器調(diào)節(jié)裕量能夠適應(yīng)未來(lái)燃用煤種的需要。3.2對(duì)結(jié)焦的影響及節(jié)能技術(shù)選用的隨意性,應(yīng)注意社對(duì)于運(yùn)行鍋爐,減少水冷壁吸熱量的簡(jiǎn)單有效的措施是在爐膛受熱面敷設(shè)衛(wèi)燃帶,其目的不是為了提高燃燒穩(wěn)定性,而是用來(lái)增大水冷壁傳熱熱阻,減少水冷壁吸熱量,從而提高爐膛出口煙溫。國(guó)內(nèi)有不少通過敷設(shè)衛(wèi)燃帶提高蒸汽溫度的實(shí)例,表4列出了文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)。一般敷設(shè)衛(wèi)燃帶面積可根據(jù)衛(wèi)燃帶材料特性和所需提高蒸汽溫度數(shù)值通過熱力計(jì)算得到。敷設(shè)衛(wèi)燃帶可以提高蒸汽溫度,但是在選定材料、敷設(shè)位置和方式時(shí)要慎重,尤其是對(duì)于本鍋爐,衛(wèi)燃帶不是為了強(qiáng)化燃燒,衛(wèi)燃帶敷設(shè)不當(dāng)可能導(dǎo)致大面積結(jié)焦,影響鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的衛(wèi)燃帶是在燃燒區(qū)用抓釘將耐火材料涂抹澆筑于水冷壁管上,澆注料厚度一般在100mm左右,衛(wèi)燃帶表面溫度較高,容易導(dǎo)致結(jié)焦,所以宜采用“品”字型布置。近些年,隨著材料技術(shù)的進(jìn)步,噴涂隔熱材料在電廠得到廣泛應(yīng)用。用作衛(wèi)燃帶的噴涂材料導(dǎo)熱系數(shù)較低,一定程度上影響煙氣與水冷壁管的熱交換,但又非完全隔熱,且其厚度一般僅有幾毫米,所以其表面溫度較低,避免衛(wèi)燃帶表層溫度過高導(dǎo)致結(jié)焦的缺陷;同時(shí)該材料有一定的反射功能,將輻射熱能反射回爐膛可提高燃燒溫度。該材料結(jié)合強(qiáng)度高,無(wú)須抓釘固定,采用噴涂施工成型,施工便捷,工程效率高。國(guó)內(nèi)丹河電廠410t/h鍋爐汽溫曾嚴(yán)重偏低,導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行,后噴涂200m2衛(wèi)燃帶,提高了汽溫,保證了機(jī)組正常運(yùn)行,另外河南焦作電廠、安慶石化等都曾