加強直流鍋爐運行調整、防止管壁超溫

摘 要：直流鍋爐具有適合變壓、投資小、效率高等優點，逐步取代利用汽水密度差作為循環動力的汽包鍋爐，成為現代鍋爐的主流。直流鍋爐無汽包、蓄熱小、參數高、管內工質流速大等特點，要求鍋爐受熱面的爐管管壁更薄、直徑更小，這也使直流鍋爐熱慣性小、管壁熱敏感性高，更容易出現熱偏差及超溫現象；而管壁超溫將嚴重威脅電站的運行安全，輕則影響機組壽命，重則出現爐管爆裂等事故。加強直流爐參數調整、防止管壁超溫尤為重要。

關鍵詞：直流爐；管壁；超溫；原因；防控措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.047

某電站#5機組采用哈電集團HG-2141/25.4-PM15型直流鍋爐，額定過熱蒸汽壓力25.4Mpa、溫度571℃，屬超臨界機組。其低溫再熱器和低溫過熱器為對流受熱面，分別布置于尾部煙道前后煙井；分隔屏過熱器布置在爐膛的上部，主要吸收爐膛內的輻射熱量；末級過熱器和末級再熱器分別布置在折焰角上部和水平煙道，為對流受熱面；爐膛四周布置有螺旋水冷壁和垂直水冷壁。

其制粉系統采用正壓直吹式，配6臺北方重工集團的MGS4360型雙進雙出磨煤機，磨制晉中貧煤，五臺運行，一臺備用。鍋爐采用墻式切圓燃燒器，主燃燒器共24組，布置于四面墻上，形成一個大切圓。主燃燒器上方設置了SOFA燃燒器，采用角式反向切圓布置，以減少爐膛出口煙溫偏差。燃燒器采用水平濃淡煤粉燃燒技術，以提高鍋爐低負荷運行的能力，燃燒器出口處設有帶波紋形的穩燃鈍體。這種布置方式為國內600MW電站鍋爐所廣泛采用，本文針對該爐型配置進行闡述。

1 鍋爐管壁超溫的重點部位

直流鍋爐的受熱面主要包括省煤器、水冷壁、分隔屏過熱器、高低溫過熱器、高低溫再熱器等幾部分，各受熱面以不同的金屬材料和工藝制造，鍋爐受熱面各部都有嚴格的運行溫度限制規定。其中，螺旋水冷壁從設計上較好地解決了熱偏差問題，出現管壁超溫的現象相對較少。給水在垂直水冷壁中一次加熱、蒸發、過熱，沒有固定的汽水分界點；分隔屏過熱器、高溫過熱器、再熱器處于復雜的溫度場內，較易出現管壁超溫現象。有關資料顯示，大多數超溫集中在垂直水冷壁、分隔屏過熱器、高溫過熱器等受熱面。（表1是某電站鍋爐在試生產期間1個月內部分受熱面的溫度超限情況）

2 管壁超溫對鍋爐機組的影響

鍋爐管壁超溫使受熱面金屬材料強度下降、承壓能力降低，危及電站運行的安全性，鍋爐廠家對管壁溫度有著嚴格的規定（哈電集團HG-2141/25.4-PM15型直流鍋爐各主要受熱面溫度限制規定見表2）。超過限值，其危害不可小覷：

（1）當溫度570℃以上，爐管內水蒸氣與純鐵發生氧化反應，生成的氧化皮由三氧化二鐵、四氧化三鐵和氧化鐵組成（圖1），最內層的氧化鐵致密性差，其結構不穩定。當表面氧化皮不銹鋼超過0.1mm、鐵素體鋼超過0.2mm時易脫落；同時，高溫受熱面長期超溫會導致氧化皮生成速率加劇，并由雙層結構變成多層結構，造成結構組成更加不穩定。

（2）鍋爐受熱面的超溫使材料蠕變、老化速度加快；高溫氧化腐蝕導致管壁減薄，材料持久強度下降，產生爆管現象。有數據顯示，12Cr1MoV鋼在585℃時約有10萬小時的持久強度，而在593℃時到3萬小時就將喪失其應有強度。

（3）過熱汽溫過高，使調節級內熱降增加，在負荷不變的情況下，調節級的動葉片有可能發生過負荷現象。

（4）過熱汽溫過高，使汽輪機的汽缸、主汽門、調節汽門、前幾級噴嘴和葉片等部件的機械強度降低，部件溫差熱應力、熱變形增大，若膨脹受阻則有可能引起汽機差脹的變化，將導致設備的損壞或使用壽命的縮短，危及機組的安全運行。

基于上述危害，《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》中關于“防止超壓超溫”的內容中明確規定：對直流鍋爐的蒸發段、分離器、過熱器、再熱器出口導氣管等應有完整的管壁溫度測點，以便監視導氣管間的的溫度偏差，防止高溫爆管。

3 直流鍋爐管壁超溫的根本原因

（1）燃燒理論方面，直流鍋爐過熱蒸汽出口的熱焓可用下式表示

（式中，分別為過熱器出口和給水熱焓；為燃料低位發熱量；為鍋爐效率；B、G分別為燃料量和給水量。）

由上式可見，在一定負荷變化范圍內，如鍋爐效率ηgl、燃料發熱量Qar，net、給水熱焓hgs保持不變，則過熱蒸汽溫度（熱焓）hgr”取決于燃料量和給水量的比值B/G，即比值B/G變化，則是造成過熱蒸汽溫度變化的基本原因。

（2）結構方面，直流鍋爐無汽包、蓄熱小、高參數、管內工質流速高等特點，要求爐管直徑更小、管壁更薄，造成直流鍋爐熱慣性小、管壁熱敏感性高，容易出現熱偏差及超溫現象。

當機組出現超溫現象，總體上是風煤水失調的表現。鍋爐燃燒是一個連續變化的過程，擾動的因素較多。鍋爐負荷的變化、給水溫度、燃料品質、爐膛過量空氣系數以及受熱面結渣、設備性能等因素的變化，對爐膛管壁溫度均有影響。

4 造成直流鍋爐管壁超溫的主要因素

4.1 煤粉品質

一般情況下，燃煤的揮發分含量低、水分過大、發熱量低和細度大時，會造成煤粉氣流著火或燃盡所需要的時間要長些、火焰中心上移，容易造成結渣、排煙溫度高、過熱器超溫爆管等故障。有經驗數據表明，一定條件下燃煤水分每增加1%，過熱汽溫可升高1.5度。

另外，燃用不同煤質，合適的煤水比會有較大差異；因某種原因使燃料量過大，導致煤水比變大，也會造成鍋爐管壁超溫。

4.2 一次風的影響

一次風輸送煤粉，同時加熱來煤、并為煤粉燃燒初期揮發分的析出及燃盡提供氧量。一次風率取決于煤質情況，過大危及后部受熱面的安全運行。（一次風率推薦值見表3）

一次風量愈大，進入爐膛的燃料量隨之增多，燃燒器出口一次風速提高，煤粉氣流所需的著火熱增多、著火速度慢，火焰距離燃燒器出口的著火位置延長，使燃料在爐內的有效燃燒時間減少，且容易產生煤粒離析現象，導致部分煤粉來不及混入二次風，使大量未燃盡的煤粉進入下游煙氣流程，造成煤粉沉積在過熱器、再熱器、尾部煙道，造成管壁超溫、尾部煙道再燃燒；而且當一次風壓或鍋爐爐膛負壓不正常增大使一次風箱壓差變大時，會使得各臺磨煤機出力加大，鍋爐燃燒加強導致燃燒不完全。這時爐膛出口煙溫也會升高，不但可能使爐膛出口的受熱面結渣，也會引起過熱器或再熱器超溫等一系列問題。

機組運行制粉系統啟停過程中，操作幅度大，對一次風壓干擾大，或隨著需啟停的磨煤機分離器出口一次風速的變化，其攜粉濃度快速變化，造成燃料量突增或波動。

鍋爐正常運行中，爐內熱負荷是均勻地按照燃燒器高度分布，如鍋爐調整失誤，燃燒器出力過大，爐內熱負荷不均勻，熱負荷過度集中，使某燃燒區域熱量大幅集中。

4.3 二次風的影響

二次風為煤粉中后期的燃盡提供氧量，它是在煤粉氣流著火后混入的。通過分級燃燒，實現分散高溫區域、使鍋爐爐內熱負荷動力場均勻，控制NOX濃度的作用。

對于投運的鍋爐，由于燃燒器噴口結構未變，故二次風速僅隨二次風量而變化。二次風必須以很高的速度才能穿透火焰，以增強空氣與焦碳粒子表面的接觸和混合，通常二次風速比一次風速提高一倍以上。配風方式不僅影響燃燒穩定性和燃燒效率，還關系到結渣、火焰中心高度的變化、爐膛出口煙溫的控制，從而，進一步影響過熱汽溫與再熱汽溫。二次風量（風速）過大容易造成火焰貼壁，造成爐膛結焦、水冷壁超溫。隨著負荷的變大，各臺磨煤機出力增加，其對應的燃燒器出力加大，若二次風調節未跟上，使得未燃盡的煤粉隨煙氣流程進入后一級，易導致超溫的發生。

燃盡風由送風機提供，設置于主燃燒器上方，其提供的氧可將未燃盡的煤粉在這一區域燃盡，使后部受熱面安全、減少煤粉的不完全燃燒熱損失；它采用反向切圓布置，以減少爐膛出口煙溫偏差。當燃盡風過小，未燃盡的煤粉進入后面的煙氣流程、爐膛煙溫出現偏差，也易導致超溫的發生。

4.4 給水的變化

直流鍋爐的主給水流量小、溫度高，造成加熱段、蒸發段的長度變短、過熱段延長，雖然鍋爐管壁金屬有一定的蓄熱能力，對汽溫變化速度有一定的減緩作用，但管壁吸收的熱量不能及時被蒸汽帶走，造成管壁超溫。

直流鍋爐水冷壁的流動阻力約占全部阻力的25%～30%，所需的給水泵壓頭高；同時，越來越多的機組為了減輕給水泵消耗電力使用了小汽輪機驅動，給水調整反應慢、調節滯后；當主汽壓力與負荷不匹配，主汽壓力較高時，使得給水困難，由此引起各管屏出口工質參數產生較大偏差，進而導致工質流動不穩定或管子超溫、以致爐管破裂、泄露。

4.5 結焦

水冷壁結焦時，因為灰渣的熱阻大，影響水冷壁的吸熱，使輻射吸熱量比例減少，爐膛出口煙溫升高，過、再熱器吸熱比例增大，造成部分受熱面高溫腐蝕、管壁超溫。

4.6 熱負荷的影響

直流鍋爐汽溫特性偏于對流，負荷增加時汽溫上升。增大燃料，爐內溫度水平提高，總的輻射傳熱量增加，但平均到單位燃料的輻射吸熱量將減小，爐膛出口煙溫升高，而對流吸熱相對增加，使所有對流受熱面，包括過熱器、再熱器、省煤器、空預器等的吸熱量都相對增加。

5 防止鍋爐管壁超溫的措施

鍋爐燃燒是一個復雜的反應過程，管壁超溫的原因是多方面的，需要根據具體情況進行分析，制定相應防控對策。

5.1 開機過程中

（1）鍋爐啟動過程中嚴格按啟動曲線進行升溫、升壓，當蒸汽流量≤10%BMCR時，嚴格控制爐膛出口煙溫≯540℃，防止再熱器受熱面干燒。

（2）鍋爐水壓試驗或化學清洗后，由于過、再熱器積水，啟動初期受熱管內形成水塞，阻礙了蒸汽暢流，在積水蒸干以前應嚴格控制鍋爐燃燒率及爐膛出口煙溫。

（3）鍋爐點火前，按要求進行凝結水、給水及鍋爐冷態循環清洗；點火后，保持鍋爐廠家要求的爐水溫度進行熱態清洗；嚴格執行直流鍋爐汽、水品質要求，當汽、水品質不合格時，嚴禁鍋爐轉入干態運行，以防止受熱面內壁結垢，引起受熱面金屬傳熱惡化而超溫。

（4）開機過程中，嚴格按旁路曲線控制高、低壓旁路的開度；當前屏過熱器及再熱器壁溫偏高時，應適當開大高、低壓旁路的開度，降低主汽壓力，同時適當降低給水流量、盡量通過提高輔汽聯箱壓力，隨機投運高、低加運行來提高給水溫度，增加鍋爐產汽量，從而產生更多的蒸汽對屏過及再熱器管壁進行冷卻。

（5）為防止啟動過程中各管壁之間流量不均引起水冷壁超溫，鍋爐點火前必須滿足鍋爐最小啟動流量要求。

（6）汽機切缸時為防止壓力波動大造成貯水箱滿水及省煤器入口流量大幅減小，將給水旁路調節閥切至手動控制，當進行給水“主路”與“旁路”切換時，要注意給水流量穩定，保持給水流量穩定。

（7）鍋爐干、濕態轉換應平穩進行，垂直管和后墻懸吊管可能產生兩相流，引起水力不均而造成管壁超溫，此時應防止燃燒或給水大幅度波動，適當增加過量空氣系數以改善管壁溫度，盡量減少鍋爐在干、濕態轉換過程中停留時間。

5.2 正常運行中

（1）煤水比是控制主汽溫的主要手段、煙氣擋板調節是控制再熱器溫度的主要手段；減溫水盡量少投，如需要干預應保證減溫后蒸汽有20℃以上過熱度。控制主、再熱蒸汽溫度兩側偏差分別不高于5℃和10℃，且最高溫度在其額定值+5℃以下，保證45%～100%負荷范圍內啟動分離器內蒸汽過熱度保持在10～40℃左右，使鍋爐管壁溫度不超規定值。

（2）中間點溫度的變化能快速反應煤水比變化，維持該點溫度穩定才能保證主蒸汽溫度的穩定。中間點溫度和機組負荷均偏高時，優先降低燃料量；中間點溫度偏高、機組負荷低于目標負荷時，優先增加給水量；當汽壓高、溫度高，需要降低燃料量，汽壓低、溫度高時應增加給水量，汽壓變化較大時，及時修正煤水比、檢查協調是否正常，將汽壓維持在正常范圍。

（3）了解入爐煤質著火指標，隨時掌握燃燒工況，特別在進行加減負荷、啟停制粉系統、吹灰除焦等擾動工作前，對制粉系統的出力、細度等有清晰的把握，適時對燃燒器的出力進行干預、二次配風進行相應調整，保持合適的火焰中心，使爐膛內熱負荷沿爐膛高度方向均勻分布，實現主燃燒區域缺氧燃燒、燃盡區域完全燃盡。

（4）合理組織制粉系統運行方式，掌握各層磨煤機的一次風攜粉特性，斷煤、尤其在磨煤機啟動初期料位不正常時，操作應平穩，既要減小同一層燃燒器一次風粉的濃度及速度偏差，防止鍋爐火焰偏斜或貼墻，又要保持一次風母管壓力與熱負荷匹配，防止大幅度操作造成燃燒工況的波動。

（5）鍋爐升負荷前受熱面沿程溫度較高，可先適當加水后加風、加煤，在減負荷前如果受熱面沿程溫度較低，可先適當減水后減煤、減風。在調整負荷的過程中要加強啟動分離器過熱度的監視和分析，并以此作為煤水比調節的超前信號。

（6）對鍋爐進行周期性吹掃，使各受熱面保持在合適的清潔狀態，防止高溫過熱器、再熱器及屏式過熱器等受熱面大量積灰、結焦，以提高運行的安全經濟性。

（7）機組運行中主汽壓力應與負荷匹配，投入機組協調控制方式時做到平穩切換，防止設定壓力高于目標值過多，造成給水困難、導致水冷壁熱量不能及時帶走而超溫。

（8）適當調整反切輔助風的開度，減小切圓燃燒鍋爐爐膛出口兩側煙溫及兩側主、再熱汽溫的偏差。

（9）當燃燒工況受到較大擾動、投停高加、并泵退泵、給水自動失靈、機組協調工作不正常時，及時將給水切至手動方式調整，防止煤水比失調；當發生爐底漏風異常工況，及時降低火焰中心高度，控制分離器出口蒸汽的過熱度和主、再熱汽溫的設定值。

（10）因直流鍋爐汽水沒有固定的分界點，要求自動系統更加靈敏。當發現減溫水等自動裝置異常時，要及時解除自動、進行調整。在手動調節減溫水時要考慮到受熱面存在較大的熱容量，汽溫調節存在一定的慣性和延遲，注意不要猛增、猛減，要根據汽溫偏離的大小及減溫器后溫度變化情況平穩地對蒸汽溫度進行調節。

6 結束語

鍋爐燃燒是復雜的物理與化學反應過程，造成直流鍋爐管壁超溫的原因較多；加之直流鍋爐因其工藝特點有結構上的特殊性；同時采用高參數設置，使得超溫原因更具有多樣性，因此防控管壁超溫需要從多方面著手。積極探索一些更科學的技術、采用一些更成熟的手段，相信經過進一步努力，人們能夠更有效地防控管壁超溫現象的產生。

參考文獻：

[1]霍東方等.超臨界變壓直流鍋爐的啟動和主汽超溫的處理.電力建設，2006（10）.