高溫再熱器并管在熱電聯產鍋爐改造中的應用

劉建江， 崇培安

(1. 江蘇利電能源集團， 江蘇無錫 214400； 2. 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

為滿足電廠周邊區域供熱需求，某電廠對現役二期2臺350 MW機組進行大容量供熱改造，實現大容量供熱熱電聯產。

由于大容量抽汽供熱可能惡化鍋爐再熱器受熱面內的工質與鍋爐蒸發量的不匹配，在鍋爐蒸發量不變時，抽汽導致再熱器受熱面的質量流速下降，影響鍋爐高溫受熱面的安全性。對于不滿足安全性要求的情況，需要采取相對應的改造方案來保證鍋爐的安全運行，實現機組大容量供熱的熱電聯產[1]。結合現有機組鍋爐低負荷排煙溫度低、機組在不抽汽低負荷運行時的安全情況等，綜合考慮鍋爐改造方案，以保證機組鍋爐長期安全、穩定、經濟運行。

1 鍋爐概況

該電廠鍋爐為亞臨界、自然循環、一次中間再熱汽包爐，型號為WGZ1246/18.15-I，采用英國BEL (Babcock Energy Ltd)技術，1998年投產。鍋爐采用全鋼結構懸掛結構、單爐膛、∏形布置, 燃燒采用平衡通風、固態排渣方式，燃燒器采用旋流燃燒器集中前墻布置方式。爐膛與尾部煙道間有4.495 m的水平煙道，爐膛水冷壁采用內螺紋管垂直膜式布置的結構，爐膛上部分別布置20片屏式過熱器(簡稱屏過)和28片高溫過熱器(簡稱高過)管屏，爐膛出口水平煙道折煙角區域布置71排高溫再熱器(簡稱高再)管；尾部煙道分前、后兩個通道，前煙道水平布置蛇形管式再熱器和19個回路的蛇形管式省煤器，后煙道布置蛇形管式低溫過熱器(簡稱低過)和9個回路的蛇形管式省煤器，前、后煙道的省煤器為并聯式連接，有分開的進、出口集箱供輸工質。過熱汽溫采用二級噴水減溫控制，再熱汽溫采用煙道擋板調節并輔以低溫再熱器(簡稱冷再)管道上的事故噴水控制。為減少傳熱偏差的累積，在后屏過的進、出口各進行一次蒸汽交叉，高過出口蒸汽從鍋爐兩側主汽管道引出并在爐前匯集為一根主汽管后送至汽輪機側。鍋爐受熱面布置簡圖見圖1。

2 熱電聯產改造的設計要求

為了實現大容量供熱熱電聯產，該機組進行了汽輪機熱電聯產改造，根據汽輪機側改造后的相關要求，鍋爐需進行相應的改造以滿足安全穩定運行的要求。汽輪機改造后的參數要求見表1。

表1 二期鍋爐熱電聯產改造后的參數要求

鍋爐改造的目標為：改造方案應兼顧表1各種不同工況的要求，并能滿足當所有供熱抽汽停用時，機組能帶滿負荷(370 MW)，就改造對機組特別是鍋爐運行的變化和影響進行評估。

二期鍋爐熱電聯產改造后的關鍵指標見表2。改造相關說明如下：

(1) 最大過熱器減溫水量以改造后的最大減溫水量對比改造前試驗值作為比較指標，再熱器無減溫水。

(2) 在表1所列考核的各個工況中，鍋爐過熱器、再熱器煙氣側調節擋板要求確保有一定的調節余量。

(3) 必須注意到鍋爐蒸發量在1 140 t/h時，爐膛容積熱負荷就達到137.7 kW/m3，超過我國DL/T 831—2002 《大容量煤粉燃燒鍋爐爐膛選型導則》推薦值(95～115 kW/m3)的上限，截面熱負荷4.64 MW/m2也達到推薦值的上限，所以該鍋爐的燃煤有較大的局限性，必須防止爐膛和分隔屏結焦。如果爐膛水冷壁和分隔屏過熱器出現結渣傾向，將嚴重影響鍋爐性能參數和擋板調節性能[2]。

表2 二期鍋爐熱電聯產改造后的關鍵指標

3 鍋爐改造前分析

根據電廠提供的性能試驗數據以及運行數據，分析認為：

(1) 鍋爐在360 MW負荷附近運行時，幾種磨煤機組合過熱器減溫水在90～130 t/h，最大也只有140 t/h，表明過熱器減溫水量雖然偏大，但仍然屬于可以接受范圍內，爐膛的結焦性良好。200 MW低負荷時減溫水在40～50 t/h，屬于可以接受的范圍。

(2) 鍋爐氧量較大，省煤器出口氧量在360 MW高負荷時達到3.50%以上，過量空氣系數偏大；低負荷200 MW時氧量達到6%以上，對鍋爐的NOx指標不利，也極大地影響鍋爐效率。鍋爐過熱器和再熱器原布置面積較多，目前再熱器側運行擋板開度小，如果降低氧量，煙氣量減小，鍋爐通過受熱面吸熱調節，汽水參數仍有滿足設計值的條件。

(3) 在200 MW低負荷運行時排煙溫度仍有110 ℃左右，這是在夏天環境溫度20 ℃時的數據；在冬天環境溫度較低時，低負荷運行時排煙溫度會低于100 ℃。

(4) 目前SCR入口煙溫在300～360 ℃，能夠滿足SCR最低脫硝溫度要求。

(5)再熱器側煙氣擋板和過熱器側的煙氣擋板開度有一定的調節余地。

(6)截面熱負荷、容積熱負荷已經達到或超過燃煤鍋爐推薦上限，燃煤有較大的局限性[3]。

4 理論計算模型

4.1 鍋爐熱力計算

鍋爐整體熱力計算方法的特點是考慮了鍋爐爐膛幾何形狀對爐內傳熱的影響，并確定了定量關系，以此為基礎建立了爐膛計算方法和管束計算方法，該方法在大、中、小容量鍋爐上已得到廣泛應用。

(1)

幾何特性系數在鍋爐幾何形狀發生變化時，M隨h/dl變化規律是一組曲線，而過去廣泛采用的方法是一條曲線，特別是對大容量鍋爐將引起較大誤差，產生超溫或欠溫問題[4]。

4.2 壁溫分段計算

由于同屏各管的換熱和結構均不一樣，為了詳細考察管子沿長度方向的汽溫和壁溫分布，校核計算采用分段計算模型，對每片屏、每根管子沿管長蒸汽流動方向都進行分段計算。

管子外壁溫度是指在考慮了煙道斷面上和管子周圍處吸熱量的不均勻性后，計算出的局部壁溫的最大值。

壁溫計算的基本公式有：

(1) 管壁金屬溫度(管子強度計算依據)。

(2)

式中：tq為計算點管內蒸汽溫度；β為管子外徑與內徑之比；μ為散熱系數；q為計算點管子外壁熱負荷；δ為管子壁厚；λ為管壁金屬的導熱系數；α2為蒸汽側的放熱系數。

(2) 外壁溫度(判斷煙氣側抗氧化依據)。

(3)

在求出了管子金屬壁溫tb和twb后，就可以以此為依據，分析判斷管子在運行狀態下的可靠性和安全性[5]。

5 改造方案

5.1 改造方案制定分析

抽汽供熱對鍋爐運行的影響主要體現在：

(1) 高壓缸抽汽減少再熱蒸汽流量，惡化再熱器工作狀態。

(2) 再熱器溫度降低影響調節擋板開度，也影響過熱器減溫水量。

(3) 中壓缸排汽抽汽主要影響給水溫度，直接影響是蒸發量問題，該鍋爐的蒸發受熱面不足，直接結果是增加過熱器減溫水量，另外煙氣量增加影響擋板調節，再熱蒸汽側擋板開度繼續減小，更進一步惡化過熱器傳熱，增大過熱器減溫水。

由于抽汽供熱導致再熱器的吸熱量減少，按機組1 090 t/h熱平衡圖計算，再熱器整體吸熱量將比現在減少25%以上，已超過擋板的調節裕度，如果不調整再熱器受熱面積，鍋爐的再熱器系統整體超溫嚴重。該鍋爐特點是高溫再熱器的吸熱量要占再熱器總吸熱量的60%，再熱器的擋板調節余地較小，因此減少高溫再熱器受熱面，可以增加再熱器擋板的調節裕度是可行的措施，對高負荷時更為有利。

通過計算發現，如果減少高再40%的受熱面積，抽汽后煙氣擋板的調節裕度與現在的運行狀況基本持平，據此設計鍋爐的改造方案。如果不抽汽，可以通過加大再熱器擋板開度，增加再熱器側的煙氣通流量，減少低過側的煙氣通流量，以適應新的運行狀況需要。

5.2 改造方案

采用高再并管的方案，在立式再熱器和高再之間的水平過渡段，將高再管子通過三通結構，將兩根管合并為一根管，原設計每屏8根管組變成每屏4根管組，同時保持高再的管屏排數不變。為減少再熱器系統的阻力損失，需控制高再管內蒸汽流速，將高再管子規格由原設計的直徑d=51 mm、壁厚δ=4.5 mm變為d=70 mm、δ=5 mm，高再管組各管出口直接回高再出口聯箱，出口聯箱上原設計多余的管接頭通過堵管的方式處理。高再改造前見圖2，改造方案見圖3。

圖2 鍋爐高再原結構圖

圖3 鍋爐高再改造方案示意圖

6 計算結果與分析

6.1 熱力性能計算分析

根據改造方案進行了計算，計算結果顯示在360 MW供熱抽汽工況(蒸發量1 130 t/h)下，擋板開度保持與現運行一致，過熱器側的煙氣通流量百分比均在70%左右，但過熱器減溫水約增加10 t/h，排煙溫度略有升高，但所有工況均不超過0.5 K。

如果不抽汽工況，在270 MW(蒸發量900 t/h)和360 MW(蒸發量1 130 t/h)負荷時，過熱器側的煙氣通流量百分比在55%左右，有較大的調節裕度，過熱器的減溫水比現在減少15 t/h，排煙溫度降低1～2 K，SCR入口煙溫降低3～5 K；在C、D磨煤機200 MW時，過熱器側的煙氣通流量百分比約35%，表明煙氣擋板和過熱器減溫水均有調節裕度，能兼顧抽汽和不抽汽工況的影響。

6.2 壁溫計算分析

高再采用12Cr1MoVG和T91兩種材料(只在進口端采用12Cr1MoVG)；根據GB/T 16507.4—2013進行管材強度校核計算。在考慮壁厚負偏差的情況下各負荷的高再爐內壁溫計算結果見表3和表4。由表3、表4可見：即使考慮管材的壁厚負偏差，較為危險的改造后不供熱各負荷工況，高再爐內各管段管子強度校核均滿足要求，壁溫裕度最小都大于13 K。因此，高再改造后，能夠滿足鍋爐安全穩定運行的要求[6]。

表3 高再各管許用壁溫裕度1(B、C、D磨煤機，蒸發量1 180 t/h，不供熱) K

表4 高再各管許用壁溫裕度2(B、C、D磨煤機，蒸發量1 131 t/h，不供熱) K

7 應用

改造后機組能夠滿足不同工況的要求，同時滿足機組不供熱時帶滿負荷(370 MW)的要求。

(1) 抽汽供熱時過熱器減溫水流量增加10 t/h左右，再熱器無減溫水。不抽汽供熱時過熱器減溫水流量減少12 t/h左右，再熱器無減溫水。

(2) 改造后各工況下鍋爐過熱器、再熱器煙氣側調節擋板均有一定的調節余量。

(3) 改造后鍋爐無明顯爐膛和分隔屏結焦。

8 結語

通過對大容量供熱熱電聯產鍋爐改造的理論分析計算和成功應用，可以得到以下結論：

(1) 在亞臨界機組大容量熱電聯產鍋爐改造時，高再并管的方案可以成功調節鍋爐各工況下的吸熱平衡，為其他類似情況的受熱面的改造提供解決方向。

(2) 高再并管方案應用到亞臨界機組大容量熱電聯產鍋爐改造中，方案簡單，由于抽汽供熱導致再熱器的吸熱量減少，按機組1 090 t/h熱平衡圖計算，再熱器整體吸熱量將比現在減少25%以上，已超過擋板的調節裕度，如果不調整再熱器受熱面積，鍋爐的再熱器系統整體超溫嚴重。該鍋爐特點是高再的吸熱量要占再熱器總吸熱量的60%，再熱器的擋板調節余地較小，因此減少高再受熱面，可以增加再熱器擋板的調節裕度是可行的措施，對高負荷時更為有利。