控制超超臨界鍋爐水冷壁壁溫偏差對策

黃素華，呂曉東，魏 偉，莊 劼

（1.上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200090；2.江蘇闞山發(fā)電有限公司，江蘇 闞山 221134）

現(xiàn)代超臨界、超超臨界鍋爐的水冷壁布置主要有兩種，即下部螺旋管圈+上部垂直管圈水冷壁以及采用內(nèi)螺紋管的垂直管圈水冷壁。這兩種水冷壁結(jié)構(gòu)、形式各有其優(yōu)缺點(diǎn)［1］。螺旋管圈水冷壁管間熱偏差小，但制造和安裝工藝要求高；垂直管圈水冷壁運(yùn)行中容易出現(xiàn)壁溫偏差大，但制造和安裝工藝要求低。目前，我國大部分已投運(yùn)的垂直管圈水冷壁超超臨界鍋爐在調(diào)試和運(yùn)行中，都不同程度出現(xiàn)了水冷壁壁溫偏差大［2-4］，燃燒器區(qū)域水冷壁出現(xiàn)大量橫向裂紋和高溫腐蝕的問題，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本文通過分析垂直管圈水冷壁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了在平時(shí)的運(yùn)行維護(hù)中如何應(yīng)對水冷壁壁溫偏差大的控制措施。

1 某廠超超臨界鍋爐水冷壁特點(diǎn)

某廠超超臨界600MW鍋爐，爐膛水冷壁采用焊接膜式壁、內(nèi)螺紋管垂直上升式，爐膛斷面尺寸為17 666mm×17 628mm，水冷壁管共有1584根，前后墻各396根，兩側(cè)墻各396根，均為φ28.6mm×6.4mm四頭螺紋管，管材均為15CrMoG，節(jié)距為44.5mm，管子間加焊的扁鋼寬為15.9mm，厚度為6mm，材質(zhì)為15CrMo，在上、下爐膛之間裝設(shè)了一圈中間混合集箱以消除下爐膛工質(zhì)吸熱與溫度的偏差。

入口節(jié)流圈裝于水冷壁下集箱外面的水冷壁入口管段上，由于小直徑水冷壁管直接裝設(shè)節(jié)流圈調(diào)節(jié)流量的能力有限，因此通過三叉管過渡的方式，將水冷壁入口管段直徑加大、根數(shù)減少的方法，使裝設(shè)節(jié)流圈的管段直徑達(dá)到φ42mm。因此可以通過采用不同的孔圈內(nèi)徑，大大提高孔圈的節(jié)流調(diào)節(jié)能力，按照水平方向各墻的熱負(fù)荷分配和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，調(diào)節(jié)各回路水冷壁管中的流量，以保證水冷壁出口工質(zhì)溫度的均勻性。這種裝于集箱外的節(jié)流圈布置方式便于調(diào)試和檢修，而且可以采用較細(xì)的水冷壁下集箱，簡化了結(jié)構(gòu)。水冷壁管與下集箱連接方式如圖1所示。

圖1 水冷壁管與下集箱連接方式

2 實(shí)際運(yùn)行中水冷壁壁溫分布特點(diǎn)

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，在上、下爐膛間設(shè)置了中間混合集箱，并且上輻射區(qū)熱負(fù)荷相對下輻射區(qū)要低一些，所以爐膛上輻射區(qū)水冷壁的壁溫偏差基本在30℃左右，處于可接受的范圍內(nèi)。而下輻射區(qū)水冷壁壁溫偏差完全依靠節(jié)流圈來進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以節(jié)流圈設(shè)置合理與否將直接影響下輻射區(qū)水冷壁的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。

某超超臨界600MW鍋爐實(shí)際運(yùn)行中前墻下輻射區(qū)水冷壁壁溫分布情況如圖2所示，其形狀呈馬鞍形，四面墻的壁溫分布是類似的。下輻射區(qū)水冷壁這種壁溫分布情況是由爐內(nèi)熱負(fù)荷與節(jié)流圈布置共同決定的。

在設(shè)置節(jié)流圈時(shí)，雖然考慮了水冷壁沿水平方向的熱負(fù)荷分布特點(diǎn)，但是由于爐內(nèi)實(shí)際運(yùn)行工況復(fù)雜，節(jié)流圈的設(shè)置與熱負(fù)荷分布不一定正好吻合；加之，下輻射區(qū)水冷壁正好處于爐內(nèi)熱負(fù)荷最高的區(qū)域［5］，稍有偏差就可能造成下輻射區(qū)水冷壁壁溫偏差大。

圖2 下輻射區(qū)水冷壁壁溫分布

由于采用節(jié)流圈調(diào)節(jié)水冷壁內(nèi)的水流量分配，對于采用小孔徑節(jié)流圈的水冷壁管，其水流量相對較小，管壁的冷卻能力較差，熱敏感性較強(qiáng)，在實(shí)際運(yùn)行中如果處在熱負(fù)荷較高區(qū)域就表現(xiàn)為壁溫變化幅度大，如圖3所示，同一面水冷壁墻，一段時(shí)間內(nèi)壁溫變化幅度大的管子達(dá)到70～80℃，而壁溫變化幅度小的不超過5℃。壁溫變化幅度大的區(qū)域是節(jié)流圈孔徑較小且熱負(fù)荷較高的區(qū)域。水冷壁長期工作在這種壁溫大幅波動的情況下，會造成金屬的熱疲勞損傷，增加水冷壁泄漏故障的機(jī)率。因此，這種采用內(nèi)螺紋節(jié)流圈的垂直水冷壁鍋爐，適合帶穩(wěn)定負(fù)荷運(yùn)行，而不適合長期調(diào)峰運(yùn)行。

圖3 水冷壁壁溫的變化特點(diǎn)

由于該超超臨界鍋爐采用墻式切圓燃燒方式，其水平方向熱負(fù)荷最高的區(qū)域在靠近上游燃燒器噴口處［6］，對應(yīng)的管子編號為50～150。根據(jù)該電廠在停爐檢修期間的檢查情況，在水冷壁1／4位置靠近上游燃燒器噴口區(qū)域發(fā)現(xiàn)有橫向裂紋和高溫腐蝕。這與目前鍋爐實(shí)際運(yùn)行中水冷壁的壁溫分布是一致的，即在水冷壁壁溫較高并且壁溫變化幅度較大區(qū)域出現(xiàn)橫向裂紋和高溫腐蝕。

根據(jù)文獻(xiàn)［7］的研究，直流鍋爐水冷壁發(fā)生橫向裂紋和高溫腐蝕的原因是由于受熱面經(jīng)常處于高溫過熱狀態(tài)，同時(shí)在交變應(yīng)力的作用下而產(chǎn)生疲勞裂紋；又由于分級燃燒水冷壁壁面附近處于嚴(yán)重的還原性氣氛。因此，控制水冷壁橫向裂紋和高溫腐蝕，就必須減小水冷壁的壁溫偏差，避免水冷壁在高溫過熱狀態(tài)下工作，同時(shí)運(yùn)行中盡量保持水煤比穩(wěn)定，避免壁溫的大幅波動，減輕交變應(yīng)力的影響，還要合理控制分級風(fēng)的比例，改善水冷壁壁面附近的氣氛。

由圖2和圖3可知，從實(shí)際運(yùn)行中的水冷壁壁溫分布與節(jié)流圈布置來看，兩者并不完全吻合。在鍋爐水冷壁熱負(fù)荷最高區(qū)域?qū)?yīng)的節(jié)流圈孔徑不是最大的，也就是該區(qū)域水冷壁管的冷卻能力不是最強(qiáng)的。這是造成該區(qū)域壁溫偏高且壁溫變化幅度大的主要原因，因此要根本改善水冷壁的運(yùn)行狀況，必須要重新調(diào)整水冷壁的節(jié)流圈布置，使之適應(yīng)實(shí)際的爐膛水平方向熱負(fù)荷分布。

3 運(yùn)行控制對水冷壁壁溫偏差的影響

雖然節(jié)流圈的布置不合理是造成水冷壁壁溫偏差的主要原因，但是通過合理的運(yùn)行調(diào)整還是在一定程度上，可以減小壁溫偏差、改善水冷壁的運(yùn)行狀況。

在運(yùn)行調(diào)整中發(fā)現(xiàn)，磨煤機(jī)運(yùn)行方式和分離器的過熱度對水冷壁壁溫有非常大影響。410 MW負(fù)荷不同磨煤機(jī)運(yùn)行方式和分離器過熱度時(shí)前墻的水冷壁壁溫分布如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)采用ABDE磨運(yùn)行、過熱度為39.14℃時(shí)，水冷壁的壁溫偏差較大；當(dāng)采用BCDE磨運(yùn)行、過熱度為39.36℃時(shí)，水冷壁的壁溫偏差明顯改善；而當(dāng)采用BCDE磨運(yùn)行、過熱度為24.6℃時(shí)，水冷壁的壁溫分布更趨均勻。三個工況負(fù)荷不變，主汽溫、再熱汽溫均能達(dá)到額定值600℃。

磨煤機(jī)運(yùn)行方式對下輻射區(qū)水冷壁壁溫的影響是由鍋爐的設(shè)計(jì)特點(diǎn)決定的。該鍋爐通過在爐膛中部設(shè)置中間混合集箱將爐膛分為上、下兩部分。因此，為了減小爐膛下輻射區(qū)水冷壁出口壁溫偏差，可以通過減少下輻射區(qū)水冷壁的吸熱量來得到一定程度的控制，而減少下部磨煤機(jī)的投用，可以減少下輻射區(qū)水冷壁的吸熱量。同時(shí)為了保證煤粉在爐內(nèi)的停留時(shí)間，兼顧飛灰的燃盡，在當(dāng)前狀況下，為保持水冷壁的壁溫偏差控制在合理的范圍內(nèi)，四磨運(yùn)行時(shí)，應(yīng)以BCDE磨為主要運(yùn)行方式；而五磨運(yùn)行時(shí)，以BCDEF磨為主要運(yùn)行方式。

圖4 運(yùn)行方式水冷壁壁溫的影響

通過運(yùn)行觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分離器過熱度超過40℃時(shí)，容易有多點(diǎn)水冷壁壁溫超過480℃的報(bào)警值；而當(dāng)分離器過熱度低于30℃時(shí)，在高負(fù)荷時(shí)則主汽溫難以達(dá)到額定值600℃。總體來看，在450MW到600MW負(fù)荷區(qū)間，將分離器過熱度控制在37～38℃；而負(fù)荷在300～450MW時(shí)，將分離器過熱度控制在30～37℃，對水冷壁壁溫和主汽溫的控制都是比較合適的。在實(shí)際運(yùn)行控制中，為了控制水冷壁的壁溫偏差，分離器過熱度的選取原則是在主汽溫能夠達(dá)到額定值的情況下，盡量維持較小的分離器過熱度，盡量少用過熱減溫水。這是因?yàn)椋谪?fù)荷一定、主汽流量一定的情況下，減少過熱減溫水量可以相對增加通過水冷壁的水流量，增強(qiáng)對水冷壁的冷卻能力，從而可以在一定程度上抑制水冷壁出口處的壁溫，改善水冷壁的運(yùn)行狀況。

另外，在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)啟、停磨煤機(jī)時(shí)，水冷壁的壁溫會發(fā)生大幅度的波動，壁溫偏高區(qū)域很容易出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。這是因?yàn)閱ⅰ⑼Ｄッ簷C(jī)時(shí)會造成水煤比的短暫失調(diào)。以啟動磨煤機(jī)為例，在暖磨過程中，磨煤機(jī)內(nèi)的存煤會隨著暖磨風(fēng)一起進(jìn)入爐膛，而這部分入爐煤是不計(jì)入給煤機(jī)煤量的，會造成實(shí)際入爐煤量大于給煤機(jī)顯示總煤量，這樣實(shí)際水煤比就小于顯示控制的水煤比，從而造成水冷壁的壁溫升高，同時(shí)由于節(jié)流圈垂直內(nèi)螺紋水冷壁的壁溫特點(diǎn)，容易造成偏差管的管壁溫度超過報(bào)警值。而當(dāng)控制系統(tǒng)通過減煤適應(yīng)新的水煤比后，給煤機(jī)投入，這部分不計(jì)入總煤量的暖磨煤沒有了，水煤比再次偏離，控制系統(tǒng)又要通過加煤來適應(yīng)。

實(shí)際上，啟、停磨煤機(jī)時(shí)，這種擾動是無法避免的，關(guān)鍵是要減小其影響。可以通過延長冷、熱風(fēng)門的開、關(guān)時(shí)間，減緩相應(yīng)磨煤機(jī)風(fēng)量的變化，從而減緩這部分不計(jì)入總煤量的入爐煤量的變化，減輕其對水煤比的擾動，減小水冷壁管壁溫度的波動。

4 結(jié)語

馬鞍形壁溫分布是這種內(nèi)螺紋節(jié)流孔圈垂直水冷壁的顯著特點(diǎn)。由于這種壁溫分布特點(diǎn)造成了部分水冷壁經(jīng)常處于高溫過熱狀態(tài)，同時(shí)受交變應(yīng)力的作用，容易形成橫向裂紋和高溫腐蝕，嚴(yán)重影響水冷壁的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，采用這種形式水冷壁的鍋爐，適合帶穩(wěn)定負(fù)荷運(yùn)行，而不適合長期調(diào)峰運(yùn)行。

為了控制水冷壁的壁溫偏差和波動幅度，從運(yùn)行的角度，就是要控制好實(shí)際煤水比，保持分離器過熱度在合理的范圍內(nèi)，這就要求協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化；另外要規(guī)范磨煤機(jī)的運(yùn)行方式，在飛灰含碳量可以接受的前提下，盡量投用上層磨煤機(jī)；特別在啟、停磨煤機(jī)時(shí)，冷熱風(fēng)門的開關(guān)時(shí)間要長一些，避免給煤機(jī)投切時(shí)入爐實(shí)際煤量的過快變化，避免實(shí)際煤水比的偏離。但是要根本改善水冷壁的運(yùn)行狀況，必須對水冷壁節(jié)流孔圈進(jìn)行一些調(diào)整改造，使之與鍋爐水平方向的熱負(fù)荷分布相適應(yīng)，改善熱敏感特別明顯的偏差管的運(yùn)行狀況。

［1］ 郭大山，王偉來，胡雙南.超臨界鍋爐水冷壁技術(shù)特點(diǎn)分析與比較［J］.鍋爐制造，2012（7）：7-10.GUO Da-shan，WANG Wei-lai，HU Shuang-nan.Technical character analysis and comparison of supercritical boiler water-wall［J］.Boiler Manufacturing，2012（4）：7-10.

［2］ 劉玉海.超超臨界機(jī)組直流鍋爐水冷壁節(jié)流孔圈結(jié)垢堵塞超溫防范對策［J］.廣東電力，2012（7）：100-103.LIU Yu-hai.Countermeasures against superheat due to fouling-blocked throttle orifice of water wall of concurrent boiler in ultra-supercritical units［J］.Guangdong Electric Power，2012（7）：110-113.

［3］ 莫耀偉.1 000MW超超臨界燃煤機(jī)組鍋爐爆管原因分析［J］.華東電力，2008，38（2）：16-21.MO Yao-wei.Reasons of pipe explosion of 1 000MW ultra-supercritical coal-fired unit boilers［J］.East China E-lectric Power，2008，36（2）：16-21.

［4］ 張家維，張忠華，張振杰，等.超超臨界鍋爐內(nèi)螺紋管垂直上升水冷壁橫向裂紋原因分析及治理［J］.東北電力技術(shù)，2013（10）：24-30.ZHANG Jia-wei，ZHANG Zhong-hua，ZHANG Zhen-jie，et al.Reason analysis and process on vertical rising rifled tube transverse crack of ultra-supercritical boiler［J］.Northeast Electric Power Technology，2013（10）：24-30.

［5］ 黃素華，陳海峰，殷慶華，等.超臨界循環(huán)流化床鍋爐在節(jié)能減排中的技術(shù)特點(diǎn)分析［J］.華東電力，2010，40（9）：1456-1459.HUANG Su-hua，CHEN Hai-feng，YIN Qing-hua，et al.Analysis of technical characteristics of supercritical circulating fluidized bed boiler in energy saving and emission reduction［J］.Northeast Electric Power Technology，2010，40（9）：1456-1459.

［6］ 蔣 翀，張明杰，許家偉，等.600MW超超臨界機(jī)組鍋爐下水冷壁出口工質(zhì)溫度的分布特性［J］.動力工程，2009，29（4）：335-341.JIANG Chong，ZHANG Ming-jie，XU Jia-wei，et al.Distribution characteristics of outlet temperature of working medium in lower waterwall of 600MW ultra-supercritical boilers［J］.Power Engineering，2009，29（4）：335-341.

［7］ 朱才廣，蔡世林，李宗平，等.姚孟電廠935噸＿時(shí)亞臨界壓力直流鍋爐水冷壁管橫向裂紋起因的分析［J］.動力工程，1986（4）：22-28.