某電廠600 MW超臨界鍋爐末級過熱器壁溫偏差的試驗分析

余盛杰，薛森賢，陳樹科

(廣東珠海金灣發電有限公司，廣東 珠海 519000)

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某電廠600 MW超臨界鍋爐末級過熱器壁溫偏差的試驗分析

余盛杰，薛森賢，陳樹科

(廣東珠海金灣發電有限公司，廣東 珠海 519000)

以上海鍋爐廠設計生產的某電廠600 MW超臨界鍋爐為例，該機組由于懸吊管與末級過熱器存在較大的壁溫偏差，導致機組主、再熱汽溫較設計值偏低約10℃，末級過熱器多次因氧化皮爆管，嚴重影響了機組運行的經濟性、安全性。針對鍋爐存在的問題，結合設計參數和電廠運行規程，通過燃燒優化調整，減小了末級過熱器的壁溫偏差，實現了鍋爐的安全、經濟、穩定運行。

四角切圓；超臨界鍋爐；末級過熱器；懸吊管

四角切圓燃燒方式由于其爐內混合較好、燃燒穩定、熱負荷分布均勻及煤種適應性好等優點在電站鍋爐中得到了廣泛的應用[1]。由于π型鍋爐水平煙道的存在，煙氣從爐膛出口至水平煙道的轉向過程中容易造成煙氣流速偏差。通過對目前運行的燃煤機組煙氣溫度和速度的數據分析發現，在爐膛垂直出口斷面處的煙氣流速對末級過熱器壁溫偏差的影響要比煙溫的影響大得多。這說明末級過熱器壁溫的溫偏差可以受爐內空氣動力場的影響[2]。旋流值可以通過一系列手段減小，諸如減小燃燒器區域起旋氣流入射角、布置分離燃盡風(SOFA)噴嘴、SOFA反切一定角度，以及增加從燃燒器區域至爐膛出口的距離等，使進入燃燒器上部區域氣流的旋轉強度得到減弱乃至被消除。

本文以上海鍋爐廠設計生產的某電廠600 MW超臨界鍋爐為例。該機組由于懸吊管與末級過熱器存在較大的壁溫偏差，導致機組主、再熱汽溫較設計值偏低約10℃，末級過熱器多次因氧化皮爆管，嚴重影響了機組運行的經濟性、安全性。針對鍋爐存在的問題，結合設計參數和電廠運行規程，通過燃燒優化調整，減小了懸吊管與末級過熱器的壁溫偏差，實現了鍋爐的安全、經濟、穩定運行。

1 設備簡介

某電廠600 MW超臨界鍋爐設備采用的是上海鍋爐廠生產的螺旋管圈、單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、四角切圓燃燒方式、π型露天布置、固態排渣、全鋼架懸吊結構燃煤直流爐。設計煤種為神府東勝煤，校核煤種為晉北煙煤。

爐膛上部布置有分隔屏過熱器和后屏過熱器，水平煙道依次布置末級再熱器和末級過熱器，尾部煙道布置有低溫再熱器和省煤器。其中，后屏過熱器與末級過熱器、低溫再熱器與末級再熱器之間均設計有管道交叉來減小偏差。

鍋爐燃燒方式采用低NOx同軸燃燒系統(LNCFS)，煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動調溫。主風箱設有6層強化著火煤粉噴嘴，在煤粉噴嘴四周布置有燃料風(周界風)。在每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置有1層輔助風噴嘴，其中包括上下2只偏置的CFS噴嘴，1只直吹風噴嘴。在主風箱上部設有2層CCOFA噴嘴，在主風箱下部設有1層UFA噴嘴。在主風箱上部布置有SOFA燃燒器，包括5層可水平擺動的分離燃盡風(SOFA)噴嘴。SOFA風除了起到分級燃燒降低NOx的作用外，其最重要的就是消弱乃至消除爐膛出口殘余氣流旋轉，達到降低受熱面汽溫、壁溫偏差的目的。

2 機組運行分析

在燃用神混1：蒙煤混比為3:2 的情況下，機組在600 MW負荷時懸吊管左側壁溫和末級過熱器左側壁溫均容易超過報警值，過熱器出口汽溫和再熱器出口汽溫長期只有560℃左右，此時懸吊管和末級過熱器壁溫距離報警值已相當接近，在負荷波動的情況下隨時都有超溫的風險。600 MW負荷日常運行值(T01)與設計值對比如表1所示，表1中為日常工況。600 MW負荷日常運行工況(T01)懸吊管壁溫分布如圖1所示，600 MW負荷日常運行工況(T01)末級過熱器壁溫分布如圖2所示。

表1 600 MW負荷日常運行值(T01)與設計值對

圖1中，懸吊管共56 根，第1～13 根已進行過材料升級，報警值為480℃，第14～56 根為原設計，報警值為463℃。

圖2 600 MW負荷日常運行工況(T01)末級過熱器壁溫分布

在圖2中，末級過熱器共82排，每排12根管子，上海鍋爐廠原設計報警值621℃，為減少氧化皮的生成，業主暫定報警值為595℃。

從這些數據可以看出，懸吊管左側壁溫最高值達到474℃，距離報警值只有6℃的空間；末級過熱器左側壁溫最高達到586℃，距離報警值只有9℃的空間，且受熱面左右側壁溫偏差都很大。一旦出現負荷波動，機組協調跟不上負荷波動將出現受熱面壁溫超溫的現象。同時由于超溫限制了主、再熱汽溫的提高，嚴重影響了機組的經濟性與安全性。

3 原因分析

引進型600 MW鍋爐的過熱器系統的設計完全是左右對稱的，末級過熱器的水力不均系數僅在6%以下。因此，受熱面能有如此大的壁溫偏差只能從煙氣側尋找原因[3]。對于四角切圓鍋爐，假想切圓位于爐膛中央。如果燃燒器安裝質量、冷態檢查、一次風調平等都達到要求，那么可以認為截止到分隔屏底，爐內氣流的溫度場和速度場是左右對稱的，左右側應該沒有偏差現象存在。

表2 600 MW負荷變SOFA水平擺角試驗數據表

在進入屏區后，由于殘余旋轉的存在及分隔屏的切割導流作用，出現了煙氣速度場、流量場及溫度場的偏差現象，對順時針方向切圓燃燒方式而言，由于煙氣殘余旋轉慣性的作用，使上爐膛右側區內主煙氣的流向指向爐前，能通過整個分隔屏區，之后再返回流向其后的水平煙道；而左側區內，由于氣流的慣性，速度方向是指向爐后。因此其主流只經過分隔屏下部區而直接短路流向爐后。后屏區的煙氣流動情況也與之類似，也就是說，在上爐膛中，右側區的煙氣流充滿程度大大好于左側區，而且由于右側區煙氣流有一個向前、滯止和轉向加速運行過程，能形成較強的氣流擾動，也強化了右側區氣流的對流換熱能力，這一點已通過冷態空氣模化試驗及爐膛數值計算結果所證實(見圖3)，這便是爐膛上部區域受熱面吸熱量呈左低右高進而造成屏區出口煙溫左高右低的主要原因。由圖3可見，因為左、右側換熱條件的不同，使得煙氣溫度偏差和工質側沿爐寬方向上的汽溫偏差伴隨著換熱的進行而生成。同時，由于上爐膛右側氣室內煙氣向爐后運動的阻力大于左側，從而造成右側區煙氣流量低于左側區煙氣流量[3]。

圖3 爐膛上部煙氣流向示意圖

當煙氣流進入水平煙道后，由于煙氣在水平煙道入口(指末再入口)左側區的體積流量高于右側區的體積流量，而左側區煙溫水平高于右側區的這一事實又強化了水平煙道內左側區域受熱面的對流換熱，使水平煙道中各級受熱面出口側對應單管內工質溫升沿爐寬方向的分布呈現出左高右低的特性。

表3 600 MW負荷變SOFA開度試驗數據表

從國外試驗的結論來看，對比煙氣溫度與煙氣流速對受熱面吸熱偏差的影響，發現在水平煙道內，兩側煙氣流量的不平衡造成的傳熱能量的不平衡是引發受熱面出口汽溫偏差的主要原因。結合鍋爐設計，設計人員為了減小末級過熱器出口汽溫偏差對后屏與末級過熱器的連接管道進行了交叉，但是從表1的數據來看，分隔屏與后屏的吸熱特性為左低右高，末級過熱器的吸熱特性為左高右低，兩片吸熱特性相反的受熱面再進行交叉將導致吸熱偏差越來越大。

對于目前存在的汽溫偏差問題，結合現實情況考慮，現在無法將交叉前移至分隔屏與后屏之間或者將交叉取消，那么我們將從影響鍋爐汽溫偏差的所有可調因素入手，通過試驗手段，找到最佳的運行方式，提高機組的經濟性、安全性。

4 試驗內容

為了試驗的準確性與可靠性，本次試驗負荷選取600 MW，從影響受熱面吸熱偏差的各個因素入手，對鍋爐進行燃燒調整試驗，得到該負荷段最佳運行方式，同時分別在450、300 MW負荷驗證此次燃燒調整的效果。通過綜合分析，對改善機組運行提供較好的思路。本次燃燒調整試驗手段包括偏置風開度、周界風開度、輔助風開度、CCOFA開度、SOFA開度、SOFA水平擺角、SOFA垂直擺角、主燃燒器擺角。根據之前的分析，在調整過程中影響受熱面吸熱偏差最大的就是SOFA水平擺角和SOFA開度，下面將對這兩個因素進行定性與定量的分析。為了便于分析各級受熱面左右兩側的吸熱變化，引進各級受熱面的左側溫升減去右側溫升這個參數，若這個參數為正，說明受熱面左側吸熱大于右側，反之亦然，然后再結合末級過熱器的壁溫變化綜合分析。

對于SOFA水平擺角，首先將1號、2號、3號、4號的五層SOFA全部置為反切15°，然后依次將1號、2號、3號、4號的1～5層SOFA分別置為0°、正切15°，觀察鍋爐運行參數的變化。600 MW負荷變SOFA水平擺角懸吊管壁溫分布如圖4所示。600 MW負荷變SOFA水平擺角末級過熱器壁溫分布如圖5所示。600 MW負荷變SOFA水平擺角試驗數據表如表2所示。

圖4 600 MW負荷變SOFA水平擺角懸吊管壁溫分布

圖5 600 MW負荷變SOFA水平擺角末級過熱器壁溫分布

對于SOFA開度，在確定SOFA最佳水平擺角的情況下，通過調整SOFA開度大小來控制消旋的強度。600 MW負荷變SOFA開度試驗數據表如表3所示。600 MW負荷變SOFA水平擺角各級受熱面左右側溫升差的變化如圖6所示。600 MW負荷變SOFA開度懸吊管壁溫分布如圖7所示。600 MW負荷變SOFA開度末級過熱器壁溫分布如圖8所示。600 MW負荷變SOFA開度各級受熱面左右側溫升差的變化見圖9。

圖6 600 MW負荷變SOFA水平擺角各級受熱面左右側溫升差的變化

圖7 600 MW負荷變SOFA開度懸吊管壁溫分布

圖8 600 MW負荷變SOFA開度末級過熱器壁溫分布

圖9 600 MW負荷變SOFA開度各級受熱面左右側溫升差的變化

從試驗數據可以看出，隨著SOFA水平擺角由正切置為反切、隨著SOFA開度的逐漸增大，SOFA消旋作用越來越強，末級過熱器的壁溫偏差越來越小，受熱面左右兩側的溫升也越來越小。

5 結語

(1)分隔屏與后屏的吸熱特性為左低右高，隨著SOFA消旋的增強左右側溫升差有進一步減小的趨勢，但是吸熱特性仍然為左高右低；

(2)末級過熱器與末再的吸熱特性為左高右低，隨著SOFA消旋的增強左右側溫升差可能會出現反轉，即如果消旋過強，則會出現左低右高的吸熱特性；

(3)建議利用停機檢修的機會對過熱器交叉進行改造，建議將后屏與末級過熱器的交叉放到分隔屏與后屏之間；

(4)SOFA水平擺角對末級過熱器壁溫偏差的影響最大，建議五層SOFA水平擺角全部置為反切15°，然后通過SOFA開度來調節消旋強度；

(5)建議將懸吊管第14～56根管子換成與第1～13根管子一樣，提高右側的報警值，可以進一步將末級過熱器的壁溫偏差減小；

(6)通過調整，基本可以控制末級過熱器壁溫偏差在5℃以內，最高點距離報警值有10～15℃的裕度；

(7)將600 MW負荷的調整思路在450、300 MW負荷驗證，在SOFA水平擺角的固定的情況下，只需通過調整SOFA開度即可將末級過熱器左右側壁溫調平；

(8)通過此次燃燒調整，提高了機組運行的安全性、可靠性，同時將機組的主、再熱汽溫提高了6～8℃，提高了機組整體的運行經濟性。

[1] 周俊虎,宋國良,陳寅彪,等. 2008 t/h四角切圓燃燒鍋爐爐膛出口煙溫偏差的試驗研究[J].熱力發電, 2003, 32(6): 31-35.

[2] 韓作彬,張宏英. 切圓燃燒鍋爐再熱汽溫偏差影響因素分析[J].沈陽工程學院學報(自然科學版), 2008, 4(3): 219-223.

HAN Zuo-bin, ZHANG Hong-ying. Analysis of influencing factors causing temperature deviation of reheating steam in tangential combustion boiler[J].Journal of Shenyang Institute of Engineering(Natural Science), 2008, 4(3): 219-223.

[3] 姜義道,姜祖光,包建鋒,等. 消除國產600 MW機組鍋爐汽溫偏差的有效措施[J].鍋爐制造, 2000(4): 18-21.

JIANG Yi-dao, Jiang Zu-guang, BAO Jian-feng,etal. Effective measure for elimnating homemade 600 mw[J].Boiler Manufacturing, 2000(4): 18-21.

(本文編輯：趙艷粉)

Experimental Analysis of Final-Stage Superheater Wall Temperature Deviation of 600 MW Supercritical Boiler

YU Sheng-jie, XUE Sen-xian, CHEN Shu-ke

Guangdong Zhuhai Jinwan Power Generation Co., Ltd., Zhuhai 519000, China

As shown in the research of the 600 MW supercritical boiler in a power plant designed and manufactured by Shanghai Boiler Factory, the large wall temperature deviation betweem pendant pipe and final-stage superheater makes the main and reheat steam temperature 10 ℃ lower than the designed value, the final-stage superheater tube has broken many times due to oxidation, which seriously affected the economy and safety of the equipment operation. For these problems of boiler, in combination with parameter design and power plant operation procedures, the combustion is optimized and adjusted, reducing the wall temperature deviation of final-stage superheater, realizing the safe, economical and stable operation of the boiler.

four-corner tangent network; supercritical boiler; final-stage superheater; pendant pipe

10.11973/dlyny201605019

余盛杰(1975)，男，工程師，高級技師，從事火電廠集控運行技術管理工作。

TK299.2

B

2095-1256(2016)05-0615-06

2016-06-23