600 MW超臨界W形火焰鍋爐水冷壁開裂解決方案

楊飛平，楊柱，唐真華

(1.四川華電珙縣發電有限公司，四川 宜賓 644502； 2.東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643000)

1 設備概況

四川華電珙縣發電有限公司(以下簡稱珙縣發電公司)采用東方鍋爐(集團)股份有限公司制造的DG-1950/25.4-Ⅱ 8型鍋爐，為超臨界參數、W形火焰燃燒、垂直管圈水冷壁變壓直流鍋爐，是典型的單爐膛露天島式布置、燃用無煙煤、一次再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼架、全懸吊結構P形鍋爐。鍋爐配有6臺雙進雙出磨煤機，24個雙旋風煤粉濃縮燃燒器，每臺磨煤機帶4個煤粉燃燒器。雙旋風煤粉燃燒器順列布置在下爐膛的前后墻爐拱上，前后墻各12個。鍋爐二次風主要從爐膛前后墻在高度方向上分層送入爐內，各燃燒器的二次風箱配風均獨立可調，燃燒器之間并無相互擾動，利于形成良好的分級燃燒和均勻的熱負荷分布。二次風箱設有A，B，C，D，F擋板，其中風箱擋板A，B，D為手動型，日常運行時不調節。風箱擋板C，F為電動型，可根據鍋爐負荷及燃燒情況進行調節并控制分級配風風量。

2 水冷壁開裂原因分析

珙縣發電公司自2011年2月首臺W形火焰鍋爐投運后，相繼發生了4次水冷壁拉裂、超溫爆管事故。經多次組織專題討論和分析研究，認為水冷壁開裂的主要原因如下。

(1)由于某些爐膛水冷壁部分區域輸入的熱負荷過高，導致水冷壁管子內工質超溫，從而使水冷壁管子及附近的扁鋼溫度過高，使鋼材的許用應力大幅度下降。

(2)由于沿爐寬方向的煤粉輸入熱負荷不均勻，前墻水冷壁各管子之間溫度偏差較大，使管子間的溫度梯度差較大，從而使水冷壁上的熱應力增加。

在水冷壁熱應力大幅增加和鋼材許用應力大幅下降的雙重作用下，水冷壁從最薄弱處開裂。從解決水冷壁汽溫超溫、降低水冷壁熱應力這2個根本原因著手，以經濟性、實用性為出發點，根據實際經驗，解決水冷壁開裂可從鍋爐本體設備及運行方法改進2個方面制訂方案。

3 鍋爐本體設備改進措施

3.1 增加水冷壁壁溫測點及壁溫報警值

根據珙縣發電公司實際運行情況及對國內其他超臨界W火焰鍋爐的調研情況，在鍋爐運行過程中控制爐膛水冷壁的管壁不超溫并將沿寬度方向的汽溫偏差控制在合理范圍內，是防止水冷壁開裂的最有效措施。因此，在運行中密切監視水冷壁壁溫，出現超溫或溫差過大時及時采取措施進行調整顯得特別重要。珙縣發電公司每臺鍋爐水冷壁壁溫測點原設計為下爐膛88個，上爐膛55個，共143個。在改進過程中增設了更多的測點：下爐膛增加266個，上爐膛增加232個，共增加測點498個。特別是加大沿爐寬方向壁溫測點的密度，以便更好地監控水冷壁壁溫的變化情況。

3.2 在前墻水冷壁設熱應力釋放縫

目前，珙縣發電公司#1，#2鍋爐出現水冷壁拉裂的區域有一定的規律性，即水冷壁扁鋼拉裂處均在前墻水冷壁，且位于靠近水冷壁中心線的一定距離內。作者認為，水冷壁拉裂區域位于熱負荷高、金屬溫度高、金屬許用應力小的區域，且處于水冷壁溫度梯度大、熱應力也大的重疊區內，在2種因素的共同作用下，水冷壁從最薄弱處拉裂。在扁鋼厚度為6.4 mm，管子尺寸為?31.8 mm×7.0 mm的區域，水冷壁從最薄弱的扁鋼處拉開；在扁鋼厚度為9.0mm，管子尺寸為?31.8 mm×5.5 mm的區域，由于扁鋼厚度大于管子厚度，管子成為水冷壁最薄弱的地方，導致水冷壁管撕裂而泄漏。因此，在該區域(扁鋼δ=9.0 mm)增設應力釋放縫，將扁鋼割開以釋放應力，是防止水冷壁管因撕裂而泄漏最直接、最有效的措施之一。

3.3 增設衛燃帶

盡管燃燒器沿鍋爐前后墻寬度方向是均勻設置和布置的，但由于每個燃燒器對應磨煤機的投停順序不同，部分燃燒器投運早、運行時間長，勢必導致其對應的水冷壁吸熱較多；另外，由于煤粉管道不同的阻力特性，即使同一臺磨煤機對應的燃燒器，其送入每個燃燒器的煤粉量也相差很大，導致送入粉量相對較多的燃燒器對應的水冷壁吸熱較多。

在全面掌握鍋爐各種負荷下壁溫和燃燒情況的同時，針對鍋爐易出現高溫區域的部分前墻水冷壁管子，在上爐膛區域增設一定量的衛燃帶，以減少該區域的吸熱量，降低該部分水冷壁管子出口的蒸汽溫度，從而降低整個水冷壁區域的最高溫度水平，減小水冷壁的溫度偏差，降低熱應力。

3.4 防止空氣預熱器堵塞的綜合治理措施

珙縣發電公司#1鍋爐通過168 h試運行且投入商業運行5個月左右時，首次出現水冷壁開裂問題。作者發現前5個月燃燒器前的二次風壓壓頭較高，當后期發生水冷壁開裂時，燃燒器前二次風的風壓及燃盡風(OFA)的風壓明顯降低。燃燒調整表明，當二次風風壓降低時，水冷壁的壁溫控制困難，風壓越低，水冷壁的壁溫越容易超溫。特別是在鍋爐升降負荷時，二次風壓的大小與水冷壁壁溫有很大關系：風壓越高，水冷壁的壁溫波動越小；風壓越低，水冷壁的壁溫波動越大且呈直線上升趨勢。

顯然，二次風壓不夠，火焰下沖動量不足，火焰過早上飄以及火焰刷墻，使上部爐膛吸熱量增加，更容易造成出口溫度偏差大。

風壓不夠與空氣預熱器堵塞有很大關系，因此，應首先考慮清理空氣預熱器的堵塞，徹底解決燃燒器二次風風箱風壓過小的問題。

空氣預熱器堵塞主要體現在空氣預熱器冷端的堵塞上，解決該問題可從以下2個方面考慮：一是對已發生了堵塞的空氣預熱器進行徹底清理，二是在后續的運行過程中防止空氣預熱器堵塞。

對于徹底清理后的空氣預熱器，防止其再次堵塞顯得尤為重要，主要措施有大幅提高空氣預熱器吹灰頻率、吹灰蒸汽壓力、吹灰蒸汽溫度及空氣預熱器冷端綜合壁溫等。特別是在燒高硫煤時，空氣預熱器冷端綜合壁溫的控制更為重要。在鍋爐受熱面已完全確定的情況下，保證暖風器的溫度在運行過程達到需要的溫度是基礎(如果暖風器受熱面過小，應考慮進行改造)。

另外，該工程取消了省煤器出口灰斗，飛灰全部通過空氣預熱器，這是空氣預熱器容易堵灰的原因之一。2012年7月大修時，在省煤器出口處設置了6根放灰管，以減少空氣預熱器的積灰量。

4 電廠運行調整的改進措施

結合超臨界W形火焰鍋爐水冷壁的設計特點及珙縣發電公司的運行經驗，為防止水冷壁開裂及部分管子超溫，減小水冷壁管屏間的熱偏差，運行中可采取以下措施。

4.1 適當降低主汽溫(10～15 ℃)運行

目前已投運的600 MW 超臨界W形火焰鍋爐，結合了低質量流速垂直水冷壁、超臨界參數、W形火焰鍋爐的特點，其運行調試難度較大。在投運初期，設備還未調試到最佳狀態，運行人員對新爐型的運行特性還不夠熟悉，若運行時水冷壁的壁溫長期難以控制在安全范圍內，可考慮降低主汽溫10～15 ℃，待條件成熟后再逐漸提高至設計值。另外，在做快速減負荷(RB)、自動發電控制(AGC)等試驗前，在試驗預案中要有預防水冷壁壁溫超溫的措施。

4.2 負荷變化時調整給水流量的前置信號

W形火焰鍋爐一般采用雙進雙出鋼球磨煤機正壓直吹式制粉系統，該制粉系統滯后性較大，但超臨界直流鍋爐具有蓄熱少的特點，因此，煤水比在協調配合上有一定難度。在鍋爐升、降負荷時，特別容易引起燃燒率與給水的平衡失調，即水煤比失調，水煤比失調易引起包括水冷壁在內的受熱面壁溫升高。因此，在鍋爐變負荷前，可適當降低主汽溫，根據汽溫及水冷壁溫變化，及時調節給水量和燃料量(磨煤機容量風)。電廠若根據運行經驗調整負荷變化時的給水流量前置信號，可在一定程度上緩解燃料量調整不夠及時的問題。

4.3 控制好雙進雙出鋼球磨煤機的風量

在磨煤機啟、停時，爐膛容易出現局部的熱負荷偏差，導致水冷壁超溫及熱偏差過大，在雙進雙出鋼球磨煤機啟動初期，建議旁路風開度設在20%左右，容量風開度不超過5%，并控制容量風門開啟速率。建議每次容量風門開度變動幅度不超過5%，并在風門開度變化后停留一定時間，防止進入爐膛的煤粉量突然大量增加。在關停磨煤機前，應盡量將磨煤機內煤粉吹空，避免下次啟動時大量煤粉突然涌入爐內對燃燒造成大的擾動。

4.4 控制磨煤機停投順序，各工況盡量多投磨煤機

磨煤機的投運原則是盡量投運遠離爐膛中部燃燒器對應的磨煤機，以此來減少爐膛中部的熱負荷(超溫大都發生在爐膛中部區域)；在低負荷時，投運磨煤機數量較少，可通過觀察水冷壁壁溫沿寬度方向位置高低變化，確定是否要投油槍來減少水冷壁的溫差。根據水冷壁壁溫沿寬度方向的曲線來確定投油槍的位置，均勻爐膛熱負荷。同時，根據煤質條件調整單支油槍出力，而增加投運油槍數量也是均勻爐膛熱負荷的一種選擇。負荷為300～450 MW 時，推薦采用4臺磨煤機運行；負荷為450～500 MW 時，推薦采用5臺磨煤機運行；負荷為500 MW 以上時，推薦采用6臺磨煤機運行。磨煤機具體運行數量與煤質和磨煤機狀態有關。

4.5 避免同時調整多臺磨煤機

在同一時刻，要盡量避免對匹配同一臺鍋爐運行的多臺磨煤機進行運行狀態調整。因為多臺磨煤機同時調整，容易導致特定區域對應水冷壁的輸入熱量因磨煤機粉量波動而大大疊加煤粉的輸入，從而引起水冷壁熱負荷的大幅波動。在穩態下，磨煤機的出力偏差應不大于5 t/h。

4.6 磨煤機各一次風粉管應進行熱態調平

爐內熱負荷不均是造成水冷壁超溫、產生較大熱偏差的主要原因之一。

(1)對各磨煤機各一次風粉管要進行熱態調平，同一臺磨煤機煤粉濃度差不應超過±10%。

(2)對磨煤機內部分離器、回粉管定期進行檢查并清除異物，是保證煤粉細度與濃度均勻性的重要手段。

4.7 運行中干濕轉換控制要高度重視

超臨界鍋爐的干、濕態轉換是一個相對不穩定的過程，是直流鍋爐啟、停過程中的一個關鍵控制點。在轉換過程中，應保證平穩過渡，避免轉換反復交替而引起壁溫的大幅波動。

4.8 保持適當的鍋爐風箱風壓

鍋爐在不同負荷下，保持適當的風箱風壓也是控制水冷壁壁溫的最重要條件之一(風箱風壓過低，火焰容易貼墻)。在實際運行中，額定出力下風箱風壓不宜低于0.6 kPa，可通過各風門的配合來進行保證，但額定出力下F擋板的開度也不宜低于45%，開度過低爐渣中的可燃物含量會上升。

特別要注意的是，入爐煤質含硫量高，其酸露點溫度也會較高，運行中易造成空氣預熱器堵塞而使阻力增加，影響一次、二次風的風壓，影響火焰下沖動量，造成過早上飄。在這種情況下，運行時應加強空氣預熱器吹灰、提高暖風器出口風溫，以保證空氣預熱器的冷端綜合溫度大于特定的數值。

4.9 保證鍋爐爐內燃燒的穩定

爐內燃燒穩定是控制壁溫及熱偏差的基礎，若燃燒不穩(如煤粉著火不好)，壁溫及熱偏差將很難控制。而一次風溫、一次風速、煤質波動、二次風送入方式對燃燒穩定性影響較大，應注意控制。

4.10 防止鍋爐的局部缺風

在運行中，沿爐膛方向某一區域壁溫偏高，除了煤粉濃度過高的原因外，局部缺風也是原因之一。此時可通過開大C，F電動風門補風來降低壁溫，通常要求省煤器出口氧量偏差值不超過1.5%(絕對值)。某一區域風量(氧量)過高或過低會降低該區域煤粉的著火與溫度水平，從而引起較大的溫度偏差，可通過單個燃燒器的看火管觀察煤粉的著火及燃燒情況，做出相應的調整。

4.11 燃燒器切停

在運行中，若沿爐寬方向某一區域水冷壁的壁溫長期明顯偏高或經常出現超溫，可切停對應區域的燃燒器。

4.12 適當降低減溫水流量

在保證對主汽溫有效調節的前提下(應盡量通過燃燒調節)，可采取適當降低減溫水流量以減小過熱度的措施來降低水冷壁壁溫及熱偏差。例如，負荷在400 MW以上時，過熱度可在15～30 ℃之間進行調整。

4.13 爐膛受熱面正常吹灰及停爐檢查

確保爐膛受熱面正常吹灰，停爐時檢查爐膛的結焦情況，若有焦塊遮擋、堵塞噴口或風口，要進行清理，避免風量分配不均。

4.14 DCS畫面設置要方便運行人員進行調整

在布置分散控制系統(DCS)畫面時，建議將各受熱面(包括上、下部水冷壁)的壁溫最高點顯示在主要監控畫面(如鍋爐汽水系統畫面)上。若有條件，還可做出壁溫沿寬度和深度方向的水冷壁壁溫值柱狀圖，便于運行人員監控。同時，對每一測點水冷壁壁溫對應的燃燒器、磨煤機也應一一標出，以便及時掌握壁溫變化趨勢，方便磨煤機和燃燒器的調整。

5 結束語

通過采取以上措施，2012年3—7月，珙縣發電公司沒有再發生水冷壁開裂事故，水冷壁拉裂、超溫爆管事故得到了有效控制，保障了機組安全、穩定運行。

參考文獻：

[1]賈永會.660 MW機組W形火焰鍋爐燃燒優化調整[J].華電技術，2012，34(5)：4-7.