高爐煤氣鍋爐煤氣擾動試驗

【摘 要】為了提高全燒高爐煤氣鍋爐設計、改造技術水平，完善全燒高爐煤氣鍋爐運行操作技術能力，開展高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐過熱器在燃料波動變化狀況下的試驗研究工作，試驗主要基于鍋爐在全燒高爐煤氣的情況下，針對不同的過熱器受熱面布置量，在不同的蒸汽負荷下，進行不同的高爐煤氣擾動量性能特征的試驗測試，從而對高爐煤氣鍋爐運行操作和全燒高爐煤氣鍋爐改造設計提供借鑒依據和幫助。

【關鍵詞】高爐煤氣鍋爐；過熱器部件布置量；燃料變化；試驗

【中圖分類號】TK224 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）08-0075-04

隨著冶金行業節能降耗工作的不斷深入，高爐煤氣的利用率不斷提高、高煤放散率接近“零”放散。節能環保成效不斷顯現的同時，對高爐煤氣鍋爐燃燒調節也提出了更高的要求。據了解，在冶金企業中超過40%的高爐煤氣是用于鍋爐燃燒、提供發電供熱，這部分是企業環保能源綜合利用降本大頭，特別是高爐煤氣實現“零”放散后，煤氣鍋爐充當了煤氣管網壓力用量調節主要用戶，必須隨時按照煤氣壓力調整煤氣使用量。煤氣壓力高時鍋爐加負荷、煤氣壓力低時鍋爐減負荷已成為常態，但是在這一調整過程中，鍋爐對于系統性、陣發高爐煤氣壓力波動仍然存在自動跟蹤調節跟不上的問題，致使鍋爐出現短暫的超溫、超壓的問題。為此，從預防和改善的角度有必要對全燒高爐煤氣鍋爐進行相關的試驗研究，以保證鍋爐使用安全可靠和提高鍋爐改造設計和鍋爐運行操作技術水平。

根據對高爐煤氣鍋爐多年的使用經驗和借鑒多方的經驗，造成全燒高爐煤氣鍋爐產生溫度、壓力的控制問題主要因素是煤氣燃料波動變化，即當高爐煤氣多、壓力波動時，鍋爐容易發生溫度和壓力變化甚至超過設計參數。這種情況主要涉及的部位是鍋爐的過熱器，管內的蒸汽吸熱量趕不上管外的煙氣放熱量，從而出現二介質間熱量的不平衡，直接反映在鍋爐參數上就是蒸汽溫度、壓力參數升高（或降低），嚴重時甚至出現超過設計部件許用壁溫的情況。為此，針對不同高煤燃料量的波動情況，對高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐進行鍋爐過熱器的試驗測試，就是本文研究的重點。

高溫高壓鍋爐的過熱器按傳熱的方式可分為對流過熱器、半輻射過熱器和輻射過熱器3種。對流過熱器布置在鍋爐對流煙道中，主要有高溫過熱器和低溫過熱器等，它主要以對流傳熱的方式吸收流過它的高溫煙氣的熱量；半輻射過熱器又稱屏式過熱器，布置在鍋爐爐膛上部出口位置，它既吸收爐膛中火焰的輻射熱，又以對流的方式吸收流過它的煙氣的熱量。高溫高壓鍋爐在溫度調節上常規設置為二級減溫裝置，第一級減溫裝置布置在屏式過熱器入口，第二級減溫器布置在高溫過熱器冷、熱段間。當檢測到管內蒸汽介質溫度超過要求時，自動控制及時增加減溫水的噴水量進行降溫（這部分工作可采用手動或自動調節），由于過熱器受熱面單根管較長、金屬的熱容量較大，在減溫過程中，要使過熱器出口汽溫降低需要一些時間，當減溫水蒸發吸熱量能夠彌補燃料陡增變化所產生的熱量時，過熱器壁溫不會大幅度地提升甚至超溫，否則就會超溫。通過分析可知，過熱器受熱面長短、熱容量大小或者說過熱器受熱面吸熱量布置，對過熱器運行特性至關重要。因此，在不同的煤氣擾動量的情況下，對不同鍋爐過熱器進行試驗測試就是本試驗的具體工作內容。

1 試驗目的

總體來說，研究高爐煤氣鍋爐過熱器汽溫隨燃料變化的特點，不僅要研究燃料波動量對鍋爐汽溫的影響，而且需要研究鍋爐的過熱器（順煙氣流向依次說明）屏式過熱器、高溫過熱器冷熱段、低溫過熱器等受熱面換熱量布置的特點。只有對這些相關因素進行測試研究，才能實現改善高爐煤氣鍋爐運行和提高高爐煤氣鍋爐改造技術水平的目標。由此，針對不同的全燒高爐煤氣鍋爐（主要針對過熱器布置受熱面不同）在不同的燃料變化量情況進行試驗測試，就是本次試驗的目的。

2 試驗條件

（1）試驗鍋爐為高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐，額定參數：負荷為220 t/h，出口壓力為9.8 MPa，出口溫度為540 ℃，燃料為100%高爐煤氣，高煤熱值為800 kcal/Nm3，鍋爐進水溫度為210 ℃。

（2）按照自屏過、高過、低過的煙氣流向，進口煙溫為950 ℃左右、出口煙溫為630 ℃左右，試驗范圍鍋爐過熱器材料一致（屏過、高過為12 Cr1MoV，低過為20 G）。

（3）高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐的噴水減溫器同樣分二級布置，一級減溫器布置在低溫過熱器出口（屏式過熱器布置進口），二級減溫器布置在高溫過熱器分冷段和熱段之間，二級減溫器布置使得過熱器各部件受熱面積管道不至于過長，蒸汽在各部件中焓增也不會太大，煤粉鍋爐一般經驗數據，過熱器各部件內蒸汽焓增50 kcal/kg左右，這樣布置在過熱器換熱上冷、熱源熱量比較容易平衡。前期的試驗結論得知，全燒高爐煤氣鍋爐過熱器受熱面吸熱量或吸熱比具體如下：全燒高爐煤氣高溫高壓鍋爐，在滿足熱力計算和壁溫設計校核下，屏式過熱器吸熱比應控制在6%～7%、高溫過熱器吸熱比應控制在9.5%～10.5%、低溫過熱器吸熱比應控制在9.0%～10.3%。本次試驗是在前期試驗的基礎上，進一步開展高爐煤氣負荷量擾動試驗。

（4）高爐煤氣燃料擾動變化速度約60 s，高爐煤氣燃料的負荷量變化量分為0.5萬m3/h、1萬m3/h、1.25萬m3/h、1.5萬m3/h、1.75萬m3/h、2.0萬m3/h等幾種情況。

（5）鍋爐的負荷按低負荷120 t/h以下、中負荷150～170 t/h、高負荷190 t/h 3種進行試驗。

（6）減溫水的用量不限量（不按設計量供應，而以能夠保證燃料波動時壁溫不超過許用溫度所需的減溫水量為準），過熱器最高壁溫以過熱器使用材料許用溫度為準。

（7）單位：一、二級減溫水流量單位為t/h（噸/小時），過熱器各組件吸收熱量/吸熱比單位為kcal/Nm3/%（部件吸收的熱量：大卡/標立方高煤燃料熱值；吸熱比：占總燃料放熱量的百分比）。

3 試驗情況

試驗情況見表1、表2、表3。

4 試驗分析

（1）從鍋爐<120 t/h的低負荷燃料擾動試驗結果可知，3種鍋爐過熱器布置形式的試驗情況基本一致。在燃料陡然波動時出現減溫調節自動跟不上，過熱器高過、低過、屏過均超溫的情況，主要原因是鍋爐燃燒在穩定的情況下煙氣放出的熱量和工質蒸汽吸收的熱量一致，而鍋爐在<120 t/h的低負荷時，減溫水使用量較少甚至不用，減溫水調門在微啟狀態調節線性較差，從而易于發生調溫效果差的問題。與中、高負荷相比，同樣增加煤氣量所產生的熱量與基礎負荷相比比例大，這樣在低負荷減溫調節幅度相對大，超過了減溫水常規跟蹤設定的調節幅度，從而產生減溫水滯后的問題，無法平衡的熱量增加，導致低負荷高爐煤氣鍋爐汽溫汽壓波動甚至超過許用情況。實驗結果為低負荷減溫水難調整是主要因素。

（2）從鍋爐150～170 t/h中、高負荷燃料擾動試驗的結果可知，對比鍋爐低負荷抗煤氣擾動能力明顯提高了，主要原因是減溫水調門線性進入平穩區域，且在同樣燃料波動的情況下擾動負荷占比降低、自動跟蹤幅度降低，但是當擾動超過1.25萬～1.5萬m3/h時同樣存在減溫水需求量超過自動跟蹤幅度，發生熱量輸出和吸收的短暫不平衡，出現受熱面壁溫瞬間接近和微超的情況，同時在中、高負荷試驗中明顯看出3種鍋爐過熱器布置性能的優劣。

（3）從鍋爐190 t/h高負荷燃料擾動試驗情況可知，對比鍋爐中、低負荷抗煤氣擾動能力提高了，同時3種鍋爐過熱器布置抗煤氣擾動特征更加明顯。

{1}試驗例1：在任何幅度的燃料擾動中，低溫過熱器壁溫始終未超，明顯易超溫部位的高溫過熱器的壁溫，特別是燃料擾動量大時，高過壁溫升速更快，終止試驗的原因是高溫過熱器壁溫接近或瞬間超過材質許用壁溫。分析認為，試驗例1相比較例2、例3的布置，屏過吸熱量/吸熱比為59.33 kcal/Nm3/7.4%和高過冷段/吸熱比為42.33 kcal/Nm3/5.29%，布置量稍大，受熱面管道的熱容量大，加大燃料擾動時減溫水需求幅度，從而出現高溫過熱器較容易超溫的情況。{2}試驗例2：終止試驗的原因是擾動幅度大過減溫水調節的跟蹤幅度，相比較試驗例1、例3，抗燃料擾動能力更強，從試驗例2布置情況分析，適當提高低溫過熱器受熱面，降低高溫過熱器受熱面的方法有助于提高對燃料的抗擾動能力，但低溫過熱器受熱面布置量吸熱低于10.3%的吸熱比，同樣高溫過熱器熱段受熱面吸熱比為4.6%比較合理。{3}試驗例3：屏過、高溫過熱器低溫段和高溫段，在1.5萬m3/h以下的煤氣擾動前，基本不發生超溫的問題，減溫水平衡了燃料擾動量所增加的熱量，終止試驗原因是低溫過熱器壁溫接近或瞬間超過材質許用壁溫。分析認為，該試驗例相比較例1、例2的布置，低溫過熱器吸熱量/吸熱比為82.93 kcal/Nm3/10.3%，布置量稍大，出現鍋爐負荷高、燃料擾動幅度大時，低溫過熱器吸熱量過大的情況。

（4）對上述3例試驗的試驗結果分析可知，全燒高爐煤氣鍋爐在1 min內，高爐煤氣燃料變化擾動量不能超過1.75萬m3/h，否則無法保證鍋爐過熱器的安全性和可靠性。

（5）在高爐煤氣燃料陡增的情況下，減溫設計量均無法滿足需要，實際使用時合理用量如下：一減兩側減溫水總流量>16（2×8）t/h；二減兩側減溫水總流量>10（2×5）t/h。

（6）高爐煤氣燃燒至煙氣對過熱器的影響速度遠大于煤粉燃燒，因此對煤粉鍋爐改燒全燒高爐煤氣鍋爐時，需考慮高爐煤氣燃料的燃燒特征，具體如下：{1}對比煤粉鍋爐，因煤氣燃燒速度快，致使蒸汽、減溫水滯后反應更明顯。{2}對比煤粉鍋爐過熱器各部件內蒸汽焓增50 kcal/kg，全燒高爐煤氣鍋爐過熱器內蒸汽的焓增：屏式過熱器基本一致，低溫過熱器和高溫過熱器冷、熱段布置蒸汽焓增要低。{3}對比煤粉鍋爐，全燒高煤鍋爐的過熱器的減溫水實際使用量遠超設計量。

5 試驗結論

（1）從試驗結果可以得出造成全燒煤氣鍋爐過熱器超溫的主要原因是高爐煤氣壓力波動引起的負荷波動、減溫水自動跟不上所致，解決該問題根本的措施不但要從調整過熱器受熱面著手，而且要增加高爐煤氣供氣系統壓力調壓設施，保證供氣壓力的穩定。

（2）高溫高壓全燒高爐煤氣鍋爐過熱器合理的布置量如下：一減前低溫過熱器吸熱量/吸熱比為70.18 kcal/Nm3/8.77%，一減后屏式過熱器吸熱量/吸熱比為49.66 kcal/Nm3/6.2%；二減后過熱器高溫過熱器熱段吸熱量/吸熱比為36.83 kcal/Nm3/4.6%。

（3）全燒煤氣鍋爐減溫水量選擇要考慮高爐煤氣供氣壓力波動的因素，同時按照高爐煤氣燃燒特點調整鍋爐過熱器各部件的布置量。

（4）針對高爐煤氣壓力波動的情況，鍋爐操作人員有必要提前做好量調整和手動干預減溫用量等準備工作。

參 考 文 獻

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[責任編輯：陳澤琦]