某亞臨界鍋爐受熱面超溫原因分析及對策

宋春濤

（江蘇省新能源開發有限公司，江蘇 南京 210005）

某火力發電廠一期工程為2臺600 MW機組，1號、2號機組分別于1998年11月及1999年6月投產，汽輪機為美國西屋公司產品，鍋爐為美國B&W公司產品。鍋爐的型式為亞臨界、一次再熱、自然循環、平衡通風、單汽包、半露天布置煤粉爐，配有6臺MPS-89G型磨煤機。鍋爐燃燒方式采用對沖方式，6套制粉系統對應36只DRB-EI-XCL燃燒器。設計煤種為神府煙煤，屬于易結渣煤種，具有嚴重的玷污性。鍋爐主汽溫采用減溫水調節，再熱汽溫正常情況下采用尾部煙道擋板調節，事故情況下可通過減溫水調節。過熱蒸汽采用兩級噴水汽溫調節，一級減溫器（粗調）位于屏式過熱器進口，二級減溫器（細調）位于屏式過熱器出口，再熱蒸汽減溫器位于低溫再熱器進口。

該發電廠的鍋爐自投產以來，一直存在爐膛出口煙溫偏高，過熱器減溫水量偏大，同時高溫再熱器部分管屏在高負荷下存在超溫的問題。針對以上問題，曾多次會同國內相關研究所及美國B&W公司進行燃燒調整工作，采用了增加爐膛區域吹灰器等改造方案，雖取得了一定效果，但都未能從根本上解決問題。該鍋爐高溫過熱器壁溫報警定值為570℃，高溫再熱器壁溫報警定值為584℃。在實際運行中，高溫過熱器總體壁溫分布情況相對平緩，在制粉系統調整較好的情況下機組穩定運行時高溫過熱器超溫運行的情況相對較少。而高溫再熱器壁溫分布則呈兩邊高中間低的“馬鞍形”，主要在第15屏和第70屏附近的高再管屏易容易發生超溫的情況。

1 影響鍋爐爐膛出口煙溫的因素

鍋爐爐膛出口煙溫是鍋爐設計的重要參數之一，直接反映了鍋爐爐膛尺寸選擇是否合理，對鍋爐的安全經濟運行有著重要的影響。若爐膛出口煙溫過高，表明爐內煙氣放熱量少，容易引起鍋爐受熱面結焦，也容易導致爐膛出口及其后受熱面超溫。若爐膛出口煙溫過低，則表明爐內煙氣放熱量大，可能導致鍋爐過、再熱汽溫達不到額定值，影響機組運行的經濟性。鍋爐校核計算中對爐膛出口煙氣溫度的計算公式如下[1]：

式中：θ"為爐膛出口煙溫，℃；Ta為理論燃燒溫度，K；Bj為計算燃料消耗量；M為經驗系數，與燃料的性質、燃燒方法和燃燒器布置的相對高度等因素有關；F為爐膛中總的輻射受熱面積；為爐膛中的平均煙氣熱容量；σ0為波爾茲曼常數；αl為爐膛黑度；ψ為水冷壁熱有效系數；φ為保熱系數。

從上式可知，鍋爐實際運行中理論燃燒溫度Ta偏低、爐膛輻射受熱面積F過小、燃燒器至屏底高度過小、水冷壁玷污導致熱有效系數ψ過低等因素均會導致爐膛出口煙溫上升。

2 爐膛出口溫度高原因分析

機組投產初期對爐膛出口煙溫進行測量，發現實際運行值比設計值高約100℃。爐膛出口煙溫高導致過熱器減溫水量偏大，調試初期600 MW時減溫水量高達300 t/h，遠超過原設計值86 t/h。同時高溫過熱器及高溫再熱器部分管屏在高負荷下存在超溫的問題。

通過分析可知，導致該電廠爐膛出口煙溫高的原因是B&W公司鍋爐爐膛尺寸設計偏小，由于DRB-EI-XCL燃燒器采用了分級燃燒降低NOx的技術，延長了煤粉在爐內的燃燼時間，造成鍋爐爐膛出口煙溫比設計值偏高，從而導致了鍋爐減溫水量偏大，金屬受熱面易發生超溫的問題。

3 防止或減輕鍋爐受熱面超溫的對策

3.1 鍋爐燃燒調整

1999年10月2號爐小修后，進行了燃燒調整試驗，取得了一定的效果。經燃燒調整后機組在600 MW運行時，過熱器減溫水量降至200 t/h左右，再熱器減溫水量減少至0。所完成的燃燒調整工作主要有：煤粉細度調整、對燃燒器滑動擋板及內、外二次風葉片角度調整、鍋爐變煤種試驗。

3.1.1 煤粉細度調整

煤粉細度對于鍋爐燃燒的經濟性及制粉系統的電耗有重大影響，煤粉愈細，在鍋爐內燃燒時的不完全燃燒損失就愈小，但對制粉設備而言，卻要消耗較多的電能，磨煤機的磨損量也要增大。反之，較粗的煤粉雖然制粉電耗較小，但不可避免地會使鍋爐不完全燃燒損失增大。因此鍋爐運行應選擇最經濟的煤粉細度，使不完全燃燒損失和制粉能耗之和最小。

查煤粉細度R90推薦曲線（如圖1所示），該廠燃用煤種的R90推薦值為25%。為試驗煤粉細度變化對鍋爐燃燒經濟性及鍋爐壁溫分布的影響，在600 MW工況下進行煤粉細度調整試驗，對運行磨煤機的分離器折向擋板進行了調整試驗，如表1所示。試驗結果表明，煤粉細度變化對該廠鍋爐各項熱損失及效率影響甚微，但當采用較細的煤粉細度時過熱器和再熱器壁面溫度相對較低，從圖2及圖3可知，當R90=15%～20%時，金屬壁溫要低一些，過熱器大部分壁溫點可降低10～15℃。

圖1 鍋爐經濟煤粉細度曲線

3.1.2 燃燒器滑動擋板及內、外二次風葉角度調整

要降低爐膛出口煙溫，緩解鍋爐受熱面超溫的問題，需加大鍋爐爐膛的吸熱量，這可以通過對燃燒器進行調整，強化燃燒初期的劇烈程度來實現。

該廠鍋爐燃燒器是B&W的第二代DRB-EIXCL型低NOx雙調風旋流燃燒器，該燃燒器采用了測風和調風技術。現場調試中根據位于內、外二次風入口的環形畢托管測得二次風流量信號，調節二次風滑動擋板來均勻分配各燃燒器的二次風量。內、外二次風調節葉片的角度決定了內、外二次風與煤粉的混合程度和穩定煤粉氣流的著火，其中外二次風是主流。按B&W運行手冊要求，內二次風葉片角度影響煤粉的著火距離，一般不大于45°，否則火焰穩定性降低，外二次風葉片角度變化將改變燃燒器火焰的形狀，外二次風角度一般小于60°。

表1 600MW負荷不同煤粉細度下鍋爐性能測試結果

圖2 煤粉細度對高過出口段壁溫的影響

圖3 煤粉細度對高再出口段壁溫的影響

在試驗過程中，先調節同層燃燒器滑動擋板，使各燃燒器二次風量接近相等，然后改變內、外二次風葉片角度，試驗過程中注意燃燒器著火情況的變化以及鍋爐減溫水量及各段受熱面壁溫的變化。圖（4—7）給出了相應試驗結果。

圖4 內二次風葉片角度對高過壁溫的影響

圖5 內二次風葉片角度對高再壁溫的影響

圖6 外二次風葉片角度對高過壁溫的影響

圖7 外二次風葉片角度對高再壁溫的影響

從圖4和圖5可知，內二次風擋板開度為40°時過熱器和再熱器壁溫較低，安全性相對較好。從圖6及圖7可知，當外二次風擋板開度為60°時高溫過熱器和高溫再熱器壁溫數值較低，安全性較好。

3.1.3 鍋爐變煤種試驗

考慮到鍋爐煤種變化也可能會對鍋爐運行主要參數，如爐膛出口煙溫、減溫水量、各段受熱面的壁溫分布情況產生較大的影響。該廠多次進行了變煤種試驗，并對全爐膛進行清洗，但試驗結果表明鍋爐超溫情況無根本好轉。

3.2 鍋爐設備改造

3.2.1 增加鍋爐爐膛區域吹灰器

由于神華煙煤飛灰中的CaO含量較高（＞20%），具有極強的玷污性，原先布置的吹灰器吹灰效果不佳。為此電廠在原有30支爐膛吹灰器的基礎上又增加了42臺爐膛及燃燒器區域吹灰器，以消除原先鍋爐吹灰存在的死區，通過增加爐膛的清潔度來增加其吸熱量，從而達到降低爐膛出口煙溫、緩解過、再熱器超溫的目的。實踐表明改造后鍋爐出口煙溫有所下降，過熱器減溫水溫下降了近30 t/h，對于緩解鍋爐過、再熱器超溫起到了一定的作用。

3.2.2 燃燒器改造

根據B&W公司建議，2003年5月對DRB-EIXCL燃燒器的一次風噴嘴中加一旋流器，使一次風由直流變成旋流，如圖8所示，且旋轉方向與二次風相反，以促進一、二次風的混合，使得煤粉在燃燒初期通過對二次風的卷吸得到足夠的氧氣和熱量，提高燃燒強度和火焰中心溫度，縮短煤粉燃燼距離，從而達到增加爐膛吸熱，降低爐膛出口煙溫，減少減溫水量和降低高溫過熱器、再熱器管屏管壁溫度的目的。燃燒器改造后，鍋爐滿負荷時爐膛出口煙溫下降50℃，取得了一定的效果。

圖8 加裝一次風旋流葉片后的燃燒器剖面圖

3.2.3 再熱器部分管屏安裝絕熱材料

該廠先后對部分容易超溫的再熱器管屏進行了絕熱處理試驗。首先選用在部分管子表面噴涂氧化鋁陶瓷粉末的方法，發現降溫效果不明顯；后來又選擇兩片低溫再熱器管屏用硅酸鋁保溫材料及不銹鋼板包裹，投入運行后發現效果比較明顯，可降低壁溫約15℃，于是又用同樣的方法對低溫再熱器區10片管屏進行了處理，達到了一定的效果。但該方法影響煙氣通流面積，導致排煙溫度升高，將帶來一些不可預測的問題，此外保溫材料在煙道內的壽命較短也是個問題。

3.3 下一步改進措施

以上調整和改造在一定程度上改善了鍋爐受熱面的超溫現象，但還未能完全解決鍋爐高過、高再的超溫問題，擬從以下方面做進一步改進。

3.3.1 增加磨煤機出口動態分離器

目前該廠采用的MPS-89型磨煤機僅有固定縮孔，難以在線進行各粉管的流量偏差調節，在冷態風量標定偏差不大時熱態煤粉流量偏差仍較大。同樣在磨煤機煤粉取樣過程中發現磨煤機出口各粉管取樣重量差異大，煤粉細度差別也較大，這說明磨煤機出口煤粉均勻性較差，如表2所示。

表2 1號B磨煤粉取樣分析

同層各燃燒器粉量分配不均勻，會造成各個燃燒器二次風量和煤粉量的配比偏離最佳值，這對于整個鍋爐的燃燒工況影響較大，將直接影響爐膛火焰的不均勻性及充滿度，減少水冷壁的輻射吸熱，導致鍋爐蒸發量減少，爐膛出口煙溫升高。目前已聯系磨煤機制造廠家擬改用動態分離器，以減少煤粉管粉量及細度偏差的問題，從而達到合理配風，提高火焰充滿度、降低爐膛出口煙溫、減少高過、高再受熱面超溫的目的。

3.3.2 進行鍋爐受熱面通道部分改造

由于該廠鍋爐高溫再熱器超溫問題的規律性很強，且僅表現在部分管屏上。若煙氣側調整不能解決這一問題，可考慮在蒸汽側進行受熱面改造，通過短接易超溫管屏，增加易超溫管屏的蒸汽流量來達到降低管壁溫度的目的。由于蒸汽側改造可以通過熱力校核計算來預測改造后的結果，改造風險較小。北侖港電廠1號爐高溫再熱器部分管屏由于蒸汽側流量偏差存在超溫問題，后按上海交通大學提供的方案進行改造，短接超溫部分的高溫再熱器管道，減少該部分再熱器管的吸熱量，最終解決了再熱器超溫的問題。鑒于此，該廠也可考慮對再熱器超溫管屏進行熱力校核計算，確定受熱面改造方案。

4 結束語

總之，該型鍋爐爐膛出口煙溫偏高、受熱面容易超溫的原因是原設計的爐型和所選用的燃燒器不對應，鍋爐爐膛尺寸偏小，而用分級燃燒的燃燒器需要較大尺寸的爐膛。要解決這一問題，目前已進行了一系列的改進措施，而待更徹底的整改方案實施后方能從根本上解決這一問題。

[1]范從振.鍋爐原理[M].北京：中國電力出版社，1998.