控制超臨界壓力直流鍋爐金屬超溫運行

張濟顯

（大唐淮南洛河發電廠，安徽 淮南 232008）

洛河電廠三期2臺機組采用的是上海鍋爐廠600MW超臨界壓力變壓運行螺旋管圈式燃煤直流鍋爐，單爐膛四角切圓燃燒方式，LNCFS-III型(低NOx同軸燃燒系統)可上下擺動的燃燒器布置，主風箱和SOFA風箱相對獨立。鍋爐采用容量為30%BMCR的簡單疏水擴容式啟動系統。

1 直流鍋爐金屬超溫的幾個運行因素

綜合鍋爐金屬超溫的原因，無非是某種因素引起受熱面管內工質對受熱面金屬的冷卻能力不夠所致。洛河電廠三期2臺直流鍋爐最易發生金屬超溫的部位是螺旋管圈水冷壁和分隔屏過熱器。

1.1 分離器濕態運行時的給水流量

直流鍋爐啟動初期，為保證水冷壁和省煤器金屬得到良好冷卻，防止水動力特性不穩定，必須建立最低啟動流量，該流量一般為25%～30%BMCR。洛河電廠三期鍋爐的啟動系統是簡單疏水擴容式，這種啟動系統沒有爐水循環泵，無法建立爐水循環，鍋爐啟動過程中大量的熱爐水被排放，即使是熱態清洗結束后熱爐水可部分回收，但受到除氧器壓力、水位等條件的限制，熱爐水的排放量仍然較大。因此為滿足汽機對蒸汽參數的要求，就必須加大燃料投入，爐內熱量上升使分隔屏過熱器受到的輻射熱大幅增加而使金屬超溫，尤其是分隔屏過熱器為輻射式，其超溫的嚴重性大大超過半輻射半對流式的后屏過熱器。由此可知，分隔屏過熱器金屬超溫，是由于鍋爐啟動流量遠大于啟動初期熱力系統所需要的流量，導致熱排放量大，爐內熱量被迫提升，但產汽量小使分隔屏得不到足夠冷卻所造成的。

1.2 分離器干態運行時的水/煤比

分離器干態運行時，通過控制水/煤比來確保鍋爐給水量和燃料量的平衡，以期達到鍋爐出口蒸汽參數正常和穩定的目的。若燃料量與給水量的平衡被打破，熱量大于水量時，工質及受熱面金屬溫度就會上升。爐內燃燒是個頻繁擾動的動態過程，給水量和燃料量的平衡始終處在平衡—打破—再平衡—再打破的循環往復之中。變工況時擾動量大，而同樣大小的擾動造成的參數變化量，低負荷時要比高負荷時嚴重，因此在變工況和低負荷時更易出現受熱面金屬超溫的現象，尤其是鍋爐啟動期間。

燃料量的計算是個很復雜的過程，目前尚難以找到一個能真正精確地根據爐內熱值計算出燃料量的邏輯回路。洛河電廠三期2臺機組熱值校正回路(BT U)校正系數的變化范圍為0.8～1.2，該回路因計算不可靠一直采用手動方式，其輸出的校正系數固定為0.8，使得CCS系統內校正后的鍋爐燃料量不是真正意義上的校正后的鍋爐燃料量，僅僅是個參考值。實際運行中真正合適的水/煤比，必須由運行人員根據實際情況經常性地人為修正，也就避免不了會出現調節滯后或過調。不論是穩定工況還是變工況，實際水/煤比小于應保持的合適水/煤比時，就出現爐內熱量過剩，鍋爐各段工質及金屬溫度就上升。過熱器各段工質溫度上升使減溫水的使用量增大，而減溫水量是計入鍋爐總給水量的，因此減溫水使用量的上升就意味著減溫器前的各段受熱面內工質流量的下降，進一步加劇受熱面金屬溫升的程度。

1.3 給水溫度

給水溫度的變化對鍋爐參數的影響，直流爐與汽包爐有很大差異。直流爐沒有固定的汽水分界點，爐水一次性蒸發為蒸汽，當給水溫度降低時，在同樣的給水流量和燃料量的情況下，直流鍋爐的加熱段延長，過熱段縮短，必然使過熱汽溫降低，再熱器汽溫則由于汽輪機高壓缸排汽溫度的下降也會降低。因此，當給水溫度降低時，直流鍋爐必須改變原來的水/煤比設定值，適當增大燃料量，減小水/煤比，才能保持住額定汽溫。反之亦然。機組升降負荷時，由于加熱器抽汽量變化，給水溫度就會變化，但變化量小。只有當高加投或停時，給水溫度才會大幅變化。給水溫度大幅降低會使直流鍋爐各段工質及金屬溫度也下降，運行人員為穩定鍋爐出口蒸汽參數及機組負荷，須增加燃料量投入，這需要一定的運行調整經驗，否則燃料增加量超過了需要，同樣會使受熱面金屬溫度較快上升。投高加過程中，隨著給水溫度的逐步上升，水/煤比的保持值是逐漸增大的，應根據當時的機組負荷要求，加水或者減煤。

鍋爐啟動初期，由于除氧器采用輔汽加熱，高加未投，給水溫度較低，而且采用等離子點火的鍋爐，冷爐制粉需大量輔汽來加熱空氣，外加采用簡單疏水擴容式啟動系統的直流鍋爐，為滿足鍋爐對水質的要求，爐水大量排放，使輔汽對除氧器的加熱能力遠遠滿足不了鍋爐對給水溫度的要求，爐水溫度在很長一段時間內提升緩慢，若鍋爐熱水排放量過大，省煤器水溫甚至有下降趨勢。此時爐內熱量被迫提升，蒸發部件產汽量又小，易出現過熱器金屬超溫。

1.4 水動力特性的穩定性

水動力特性是指在一定的熱負荷條件下，強制流動的鍋爐蒸發受熱面中工質流量與流動阻力之間的關系，也就是管圈進出口兩端壓差ΔP與流經該管子的工質流量G之間的關系。如果對應于1個壓差只有1個流量，呈現單質性，則這樣的水動力特性是穩定的，如圖1中曲線1；如果對應于1個壓差有2個或者3個流量，即水動力特性呈現多值性，這樣的水動力特性就是不穩定的，如圖1中曲線2。

當管圈中的工質為雙相流體時，就可能出現水動力特性不穩定，因此水動力特性不穩一般都出現在蒸發受熱面。鍋爐運行中，當出現水動力特性不穩定時，水冷壁管內的工質流量就會出現偏差(水力不均)，流量小的管子內對流換熱系數小，管壁超溫。另外由于管組總的流量不變，某根管子中的流量將出現非周期性的時大時小，引起蒸發點波動，造成金屬疲勞損壞。

水動力特性不穩定的根本原因是汽水存在密度差，即熱水段和蒸發段共同存在且蒸發段工質比容變化。理論上，超臨界壓力后汽水密度差消失，但由于大比容變化區域的存在，超臨界壓力并不能絕對保證不發生工質流動的不穩定性。另外超臨界鍋爐在70%～75%額定負荷以下運行時都為亞臨界狀態，因此不能忽視水動力特性的穩定性問題。

1.5 爐內熱量偏斜

若爐膛內火焰中心偏斜，或過高，或過低，都會造成局部受熱面熱負荷過大而導致金屬超溫，此處不做過多分析。

四角切圓燃燒的鍋爐，需通過煙氣消旋的方式防止煙道內煙氣偏流，減小熱偏差，避免某一側煙氣流量過大造成過熱器或再熱器金屬超溫。LNCFS-III型燃燒器組的主風箱和SOFA風箱是相對獨立的，主風箱的一、二次風同向旋轉，SOFA風箱二次風反向旋轉，SOFA風箱提供的二次風既是燃燼風，又是消旋風。但LNCFS-III型燃燒器組的二次風總層數太多，導致風箱與爐膛壓差遠遠低于設計值,加上其他的一些原因，使洛河電廠三期鍋爐二次風擋板至今一直無法實現自動調節，煙氣消旋變得非常麻煩，全部依靠運行人員根據經驗手動調節。每一個負荷點的變化、各燃料層燃料量的變化以及二次風配風方式的變化等，都必須對消旋風量跟蹤調節，調節耗時長且頻繁，使運行人員調節力不從心。

2 洛河電廠三期控制鍋爐金屬超溫的辦法

2.1 分離器濕態運行期間

2.1.1 提高點火初期的給水溫度

提高鍋爐點火初期的給水溫度，是防止鍋爐啟動初期分隔屏過熱器超溫及提高水冷壁水動力穩定性的有效方法。鍋爐冷態清洗結束后即停止爐水排放，將爐水全部回收到除氧器，采用閉式循環加熱的方式，鍋爐各風煙擋板保持關閉，使給水溫度得以較快上升，直至省煤器出口溫度100℃甚至120℃以上，此時螺旋管圈水冷壁金屬溫度也能達到100℃以上，然后開通道啟動風機，進行鍋爐點火。在此過程中，要盡量縮短鍋爐點火前爐膛的通風時間，減少爐溫散失。這樣做有幾個好處：

(1) 冷爐受熱面金屬得到良好的預熱，尤其在冬季，能減小金屬熱應力，延長金屬的使用壽命；

(2) 鍋爐點火后，溫度最低的尾部煙道，煙溫一直保持在煙氣露點溫度之上，能有效防止煙氣結露對金屬造成腐蝕及省煤器灰斗積灰潮濕而堵灰；

(3) 鍋爐點火后，爐水升溫穩定，產汽快且產汽量相對較大，過熱器和再熱器干燒時間及鍋爐啟動排氣時間短；

(4) 使爐膛內煤粉燃燒的初始環境溫度得以提升，提高了鍋爐點火初期煤粉著火及燃燒的穩定性。

不僅鍋爐點火初期要盡量提高給水溫度，在整個鍋爐啟動過程中，都應盡量保持加熱蒸汽量充足，并及時回收熱水。

2.1.2 降低鍋爐啟動流量

鍋爐點火初期，啟動分離器起壓之前的初期給水流量保持不少于300t/h即可。較小的初期啟動流量減小了排放熱損失，減輕了除氧器加熱蒸汽的負擔，因而使鍋爐進口給水溫度得以一定程度的提高。這既有利于提升爐水溫度，縮短爐水加熱時間，又增加了蒸發設備的產汽量，而且熱排放量的降低和爐水溫度的提高使燃料的投入量隨之降低，分隔屏過熱器受到的輻射熱降低，進一步減小了分隔屏過熱器金屬超溫的可能性。

但較低的給水量降低了爐水對水冷壁的冷卻能力，使水冷壁金屬易于超溫，并對水冷壁內水動力特性的穩定性產生一定的負面影響。由于每一臺鍋爐的特性都不完全相同，因此必須根據各臺鍋爐的自身特性來選擇啟動初期的給水流量。選擇啟動初期的給水流量應遵循這樣的原則：保證水冷壁各壁溫測點顯示的數值正常、均勻、溫升率一致。若水冷壁出現大面積的壁溫數值偏高或溫升較快，即使這些數值都在正常范圍內，也可能是給水流量不足；若出現局部或個別壁溫值高或壁溫值有上下波動現象，就可能是水動力特性不穩定。這時需要增加給水流量，加強對水冷壁金屬的冷卻，而且，提高水冷壁進口的質量流速，是防止水冷壁內水動力特性穩定性破壞的有效手段。

采用較小的啟動流量，須加強監視給水流量的變化，防止其他參數變化造成給水流量的波動，并且在啟動分離器起壓后，根據壓力的上升情況及時增加給水量。洛河電廠三期鍋爐啟動，在鍋爐給水流量達到《運行規程》規定的最小直流流量前，鍋爐給水流量的增加按啟動分離器壓力每上升2MPa增加50t/h給水量的比例進行，以確保有足夠的水量冷卻水冷壁和防止水動力穩定性破壞。另外，鍋爐采用較小的啟動流量，要特別注意燃料量的增加應平緩，否則易造成水冷壁金屬溫度較快上升。

2.1.3 分離器轉態控制

要防止分離器過早地由濕態轉干態運行。因為轉態早說明燃料量偏大，如果再發生其它一些擾動，受熱面金屬超溫的危險性就大大增加，尤其是處在爐內燃燒中心附近的螺旋管圈水冷壁。原則上機組負荷180MW前要保持啟動分離器濕態運行。洛河電廠啟動分離器轉態，一般放在機組負荷200 MW～210MW時進行。

2.1.4 引起給水量或燃料量變化的操作

給水由旁路切主路、采用汽泵啟動的汽泵換汽源、給水泵并泵等操作，都可能引起給水流量的波動，是分離器濕態運行期間易引起水冷壁金屬超溫的幾項操作。此時應盡量減少其它操作，尤其是燃料量必須保持穩定。操作過程中應始終堅持保持給水流量穩定的原則，防止給水流量波動。特別要注意防止給水流量多次短時間降低造成的水冷壁金屬因累積熱量而超溫的現象發生。

增投制粉系統或油槍時，應根據情況適當降低其它運行制粉系統的出力，保持總燃料量上升平緩，并及時監視金屬溫度，尤其是螺旋管圈水冷壁金屬溫度的上升情況，防止爐內熱量上升過快造成水冷壁超溫。

2.2 分離器干態運行期間

啟動分離器轉干態運行之后，要及時調節水/煤比，監控中間點溫度，并采用較低的中間點溫度過熱度，但必須防止中間點溫度過熱度過低使分離器重新轉濕態。此時可根據負荷-溫度曲線確定主蒸汽溫度的合理范圍，盡量少用或不用減溫水，這樣就可以保持稍大的水/煤比，使鍋爐各段受熱面都能得到較好的冷卻。

2.3 鍋爐變工況

對異常最好的防范是事故預想，然后是及時發現，最后才是準確的處理。所以，變工況時經常檢查受熱面金屬溫度，掌握各點壁溫值的變化趨勢及變化速度很重要。

升降負荷、并退給水泵、增減磨煤機運行臺數等過程中，水煤比變化較大，應盡量平穩操作，防止水冷壁蒸發點的大幅度上下移動使水冷壁產生交變熱應力。即使是在超臨界壓力下運行，由于大比容特性的存在，這種交變熱應力仍不容忽視。無論何種擾動，凡是給水量或燃料量發生變化的過程，都應及時檢查受熱面壁溫。操作過程中控制好水/煤比，穩定中間點溫度，并且要掌握中間點溫度變化的速度和幅度，不可片面地只看數值調節。

高加的投、停將會引起給水溫度的變化，使中間點溫度不能維持在原來的數值運行。應根據給水溫度的變化情況，分階段地改變中間點溫度過熱度設定值，而不可盲目地一步到位。

鍋爐運行中，應盡量減少減溫水的使用量，以及采用合理的燃料分配及配風方式，防止火焰偏斜或沖刷水冷壁、爐內熱量過于集中等，都能有效防止鍋爐金屬超溫。

如果鍋爐過熱汽溫已經很高，可短時開啟過熱器出口電磁釋放閥。這樣一方面可減輕高溫蒸汽對汽輪機的影響，另一方面可增加鍋爐各段受熱面內單位時間的通流量，加強對過熱器金屬的冷卻。

2.4 防止水動力特性不穩定

運行方面提高水動力穩定性的方法有以下幾種:

(1) 提高質量流速。主要是通過增加給水量來實現。運行中減少減溫水的使用量，也能在一定程度上提高鍋爐加熱段和蒸發段的工質質量流速。

(2) 提高啟動壓力。采用變壓運行的螺旋管圈水冷壁的直流鍋爐，在工質比容變化最大的階段避免了工質再分配，減小了水冷壁的熱偏差和流量偏差，本身就有利于提高水動力穩定性，但應避免低負荷時的工作壓力過低使汽水密度差過大。

(3) 減小水冷壁進口工質欠焓。可通過提高給水溫度來實現。水冷壁加熱段縮短有利于穩定蒸發點位置，使一定熱負荷下水冷壁管內蒸汽產量變化小甚至不變化，即汽水的密度比變化小或不變化。因為流動阻力總是隨著給水流量的增加而增加，所以水動力特性是穩定的。但應防止水冷壁進口工質欠焓過小，因為這會使工質流量稍有變化時水冷壁進口聯箱就可能產生蒸汽，引起工質分配不均。

(4) 減小熱偏差。熱偏差是促使水動力特性不穩定的主要因素，因此鍋爐運行中應及時吹灰；防止火焰偏斜；避免燃料層投入層少量大的過于集中的方式，造成爐內熱量集中使尖峰熱值過高。

(5) 控制螺旋管圈水冷壁出口溫度。下輻射區水冷壁處于熱負荷最高的區域，吸熱最強。為避免工質比容劇烈變化，應將工質的大比容變化區避開熱負荷較高的燃燒器區，這就要求控制螺旋管圈水冷壁出口溫度，使其低于擬臨界溫度。

2.5 防止煙氣偏流

采用LNCFS-III型燃燒器布置方式的鍋爐煙氣消旋難以徹底，易造成煙氣偏流。主風箱和SOFA風箱的二次風擋板，必須依據分隔屏過熱器出口兩側工質溫差的變化情況，進行協調調節。分隔屏過熱器出口兩側工質溫差增大就說明煙氣消旋能力相對減弱，煙氣偏流加劇。反之亦然。