頻繁深度調(diào)峰對超臨界循環(huán)流化床鍋爐安全性影響

李文寶

摘 ?要：由于我國燃煤電力相對過剩，加上新能源發(fā)展的沖擊。新能源在電網(wǎng)中的比例越來越高，隨之而來就是對調(diào)峰電源的需求增加。由于燃煤電力具有較好的調(diào)峰性能，高調(diào)節(jié)性的燃煤電廠就成為了深度調(diào)峰的主力軍，其中超臨界循環(huán)流化床機(jī)組也參與其中。本文從不同角度分析深度調(diào)峰對超臨界循環(huán)流化床鍋爐的影響。

目前，國內(nèi)參與深度調(diào)峰機(jī)組逐步增加，深度調(diào)峰到底對超臨界循環(huán)流化床鍋爐有什么影響？現(xiàn)在好多企業(yè)也在綜合考慮鍋爐低負(fù)荷時(shí)穩(wěn)燃性能、水動(dòng)力的穩(wěn)定性、防止管壁超溫和尾部受熱面腐蝕等影響。對于深度調(diào)峰業(yè)內(nèi)也有不同看法，甚至一些電廠非常抵觸，認(rèn)為深調(diào)對鍋爐設(shè)備危害較大，甚至列出很多證據(jù)。也已經(jīng)有確鑿證據(jù)確定超臨界直流鍋爐受低負(fù)荷影響更為突出，深度調(diào)峰期間，工質(zhì)流量偏低，水動(dòng)力特性變差，很容易發(fā)生水冷壁等受熱面超溫現(xiàn)象，致鍋爐受熱面管道老化。直流鍋爐水冷壁在累計(jì)運(yùn)行超2萬小時(shí)后，會(huì)出現(xiàn)熱疲勞型裂紋特征，也就是出現(xiàn)橫向裂紋，由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，深度調(diào)峰可能會(huì)導(dǎo)致這些現(xiàn)象發(fā)生。另外，頻繁升降負(fù)荷，水冷壁內(nèi)工質(zhì)參數(shù)波動(dòng)幅度及速率變化大，水冷壁溫度場不均衡，會(huì)造成水冷壁相鄰管之間溫度差別較大，產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，這些都會(huì)對鍋爐安全運(yùn)行帶來危害。

下面我們從幾個(gè)角度分別探討頻繁深度調(diào)峰對鍋爐造成的影響或危害。

一、對鍋爐金屬材料的影響

觀察深度調(diào)峰對鍋爐金屬材料的影響，主要是考慮溫度變化的速率和溫差的大小，溫度對高溫材料的影響是溫度變化造成的材料內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而加速高溫蠕變和持久強(qiáng)度變化。由于深調(diào)的時(shí)間較短，管壁的溫度要延遲于爐膛溫度的變化，所以管壁的溫差要遠(yuǎn)小于爐膛煙溫的變化。根據(jù)某熱電廠提供的#1機(jī)組35%深調(diào)數(shù)據(jù)（包含非供熱季及供熱季），也證實(shí)了這點(diǎn)，爐膛出口溫度最大變化有186℃，溫度變化值達(dá)到了4.43℃/min，而管壁溫度最大變化為52℃，溫度變化達(dá)到了1.33℃/min，且大部分值均在40℃以內(nèi)。參考《金屬材料的高溫強(qiáng)度》（華東理工大學(xué) ?王印培教授）描述，溫度波動(dòng)對高溫強(qiáng)度的影響有二個(gè)方面：

一是溫度的波動(dòng)若實(shí)際溫度高于規(guī)定溫度，從而影響材料的高溫性能。

二是由波動(dòng)所產(chǎn)生的附加熱應(yīng)力對高溫強(qiáng)度的影響

如果溫度變化較慢，波動(dòng)幅度不超過20～40℃，所產(chǎn)生的附加熱應(yīng)力很小，可以忽略不計(jì)。反之如果溫度變化較快，波動(dòng)幅度超過50℃，所產(chǎn)生的附加應(yīng)力就會(huì)產(chǎn)生較大危害。此時(shí)主要是前者對高溫性能的影響。試驗(yàn)表明在溫度波動(dòng)條件下材料的高溫強(qiáng)度相當(dāng)于在溫度波動(dòng)上限時(shí)材料的高溫強(qiáng)度，即低于在平均溫度時(shí)的高溫強(qiáng)度。而深度調(diào)峰的溫度若不高于規(guī)定溫度，運(yùn)行操作規(guī)范，保證溫差波動(dòng)基本在20～40℃，參考焊口進(jìn)行熱處理的溫速為不大于5℃/min，溫度波動(dòng)數(shù)據(jù)顯示對鍋爐金屬材料的影響相對較小。反之就會(huì)產(chǎn)生一定危害。

二、對鍋爐受熱面耐火澆注料的影響

澆注料在溫度升降過快或頻繁升降溫的情況下，會(huì)導(dǎo)致澆注料與受熱面脫節(jié)，致不牢固，甚至脫落。溫度頻繁變化，澆注料襯體往往會(huì)出現(xiàn)炸裂，因?yàn)闊崤蛎浐褪湛s不一致。針對某熱電公司幾次檢修期間檢查發(fā)現(xiàn)，因頻繁深度調(diào)峰，鍋爐受熱面澆注料脫節(jié)頻現(xiàn)，已超過以往歷次檢修。下面來分析澆注料特性。澆注料內(nèi)部溫度隨著時(shí)間的延長并不是一直線性增加，而是在某一時(shí)間段內(nèi)溫度保持不變，然后繼續(xù)線性增長逐漸出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)。耐火澆注料的升降溫轉(zhuǎn)變點(diǎn)是抗爆裂的關(guān)鍵。從化學(xué)上講，澆注料的內(nèi)部熱應(yīng)力是由于澆注體熱量的巨大變化造成的，而影響澆注體熱量Q變化，主要有三個(gè)方面：質(zhì)量m、熱容Cp以及溫度差ΔT，它們的關(guān)系式Q=m·Cp·ΔT。提高質(zhì)量和熱容或者降低使用中的溫差，都可以使相同傳熱條件下的澆注料熱量變化梯度變緩，大幅度減弱熱應(yīng)力的破壞。如何降低溫度頻繁變化對澆注料的損壞，最為有效的方式就是通過提高澆注體質(zhì)量來增加澆注體熱焓總量，實(shí)現(xiàn)降低溫度波動(dòng)的目的。提高澆注體質(zhì)量和加大體積也可以提高澆注料整體的機(jī)械強(qiáng)度，從而達(dá)到減少運(yùn)轉(zhuǎn)過程中某些澆注料因設(shè)備變形或溫度變化造成的機(jī)械應(yīng)力破壞。

三、對鍋爐運(yùn)行的影響：

（1）鍋爐燃燒穩(wěn)定性

對于燃煤鍋爐，最小穩(wěn)定燃燒負(fù)荷一般為30% BMCR，大致相當(dāng)于額定負(fù)荷的33%;但從運(yùn)行安全的角度來看，電廠控制的最小穩(wěn)定燃燒負(fù)荷一般為額定負(fù)荷的40%，有的控制為額定負(fù)荷的50%。在深度調(diào)峰過程中，鍋爐負(fù)荷遠(yuǎn)低于最低穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷，鍋爐燃燒的穩(wěn)定性相對較差。對水冷壁供水存在一定安全隱患，有可能造成水供不上去，導(dǎo)致水冷壁、二級(jí)中過、高過和高再干燒。且在深度調(diào)峰期間，鍋爐蒸發(fā)量少，再熱蒸汽量更低，也容易導(dǎo)致相關(guān)受熱面超溫。

（2）氧化皮加劇生成和剝落

機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰，不僅影響其燃燒的安全性，還影響汽水系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。深度調(diào)峰降負(fù)荷過程中，氧化皮及過熱器/再熱器溫度降低，由于熱脹冷縮，受熱面和氧化皮膨脹系數(shù)不同，會(huì)導(dǎo)致氧化皮脫落，可能造成氧化皮堵管事故發(fā)生。若堵管嚴(yán)重，導(dǎo)致該受熱面長期超溫運(yùn)行，存在爆管的安全隱患。改進(jìn)措施：（1）對參與調(diào)峰的機(jī)組，更加注重啟停機(jī)階段相關(guān)參數(shù)的控制;（2）深度調(diào)峰過程中嚴(yán)格控制主、再熱蒸汽溫度波動(dòng);（3）減溫水的使用需嚴(yán)格控制，避免減溫水量的大幅度波動(dòng)（4）增加氧化皮沖洗系統(tǒng)。

（3）尾部煙道和尾部受熱面堵灰

深度調(diào)峰期間，排煙溫度較低，將加劇尾部受熱面積灰和空預(yù)器低溫結(jié)露和腐蝕，空預(yù)器堵灰面積增加后，引風(fēng)機(jī)出力增大，電耗增加，空預(yù)器局部磨損增加。另外，低負(fù)荷期間大量投入尿素，極易加劇空預(yù)器堵灰。鍋爐低負(fù)荷時(shí)，爐溫低、燃燒不完全、煙氣流速低。長時(shí)間運(yùn)行，煙氣中的可燃物在尾部煙道積累，尾部煙道煙氣中氧過剩較多，為煙道再燃燒創(chuàng)造了條件。在低負(fù)荷調(diào)峰過程中，空氣預(yù)熱器內(nèi)的煙氣溫度較低、空氣的過剩系數(shù)較大，易產(chǎn)生較多的SO3。同時(shí)，脫銷系統(tǒng)在煙溫較低時(shí)會(huì)出現(xiàn)催化劑失效的情況。大量的逃逸氨與SO3結(jié)合，最終會(huì)造成空預(yù)器的堵塞和腐蝕。

鍋爐制造廠權(quán)威認(rèn)為：深度調(diào)峰（30%-35%BMCR 負(fù)荷）對鍋爐運(yùn)行的主要影響

鍋爐穩(wěn)定在調(diào)峰負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，主要會(huì)存在以下問題：

①低負(fù)荷運(yùn)行工況下爐內(nèi)水動(dòng)力穩(wěn)定性及流量分配均勻性變差，容易引起水冷壁疲勞及超溫;

②分離器入口煙溫降低，偏離 SNCR 脫硝反應(yīng)溫度區(qū)間，脫硝效率降低;

③低負(fù)荷分離器入口煙道煙氣流速較低，煙道水平段積灰增加，影響 SNCR 噴槍霧化效果;

④空預(yù)器排煙溫度低，造成冷端結(jié)露堵灰及低溫腐蝕;

⑤低負(fù)荷吹灰汽源壓力不足，吹灰效果不佳;

⑥主蒸汽及再熱蒸汽汽溫偏離額定參數(shù)，影響汽輪機(jī)的運(yùn)行安全。

機(jī)組頻繁調(diào)峰和快速升降負(fù)荷時(shí)，溫度壓力頻繁變化，導(dǎo)致管子存在較大應(yīng)力及波動(dòng)，從而產(chǎn)生蠕變疲勞，影響鍋爐受熱面薄弱位置（如集箱管接頭、管屏彎頭及受熱面固定點(diǎn)等）的安全，頻繁快速變負(fù)荷同時(shí)會(huì)加速導(dǎo)致高過、高再管屏 SA-213TP347H 材料氧化皮的產(chǎn)生和脫落，影響受熱面管子的運(yùn)行安全。對于厚壁受壓元件，頻繁及快速調(diào)峰時(shí)，中溫部件會(huì)存在著疲勞壽命損耗，而高溫部件將同時(shí)存在疲勞壽命損耗和蠕變壽命損耗。

針對深度調(diào)峰對鍋爐的運(yùn)行影響，建議如下：

①適量增加壁溫監(jiān)測測點(diǎn)，加大對爐內(nèi)受熱面、厚壁受壓部件的壁溫監(jiān)控力度，并合理控制調(diào)峰速率;采用遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測主要厚壁承壓部件的壁溫/壁溫差狀況、應(yīng)力狀況，并對其壽命進(jìn)行在線監(jiān)測和管理，對超限參數(shù)及時(shí)報(bào)警、存儲(chǔ)，優(yōu)化鍋爐運(yùn)行策略，為電廠運(yùn)行和檢修提供實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息和維修決策建議。

②機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)負(fù)荷波動(dòng)較為頻繁，容易引起爐內(nèi)屏式受熱面彎頭處應(yīng)力疲勞。建議對爐內(nèi)屏式受熱面的管屏彎頭處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以解決負(fù)荷頻繁波動(dòng)造成的應(yīng)力問題;

③增加吹灰汽源接口，與原吹灰汽源形成高、低負(fù)荷吹灰汽源互補(bǔ)。

④分離器入口煙道設(shè)置防積灰風(fēng)帽，防止長期低負(fù)荷運(yùn)行引起的積灰;

⑤冷風(fēng)道設(shè)置暖風(fēng)器，對進(jìn)入空預(yù)器的一、二次風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，提高空預(yù)器冷端溫度;

⑥通過運(yùn)行調(diào)整，適當(dāng)提高調(diào)峰負(fù)荷時(shí)的爐內(nèi)溫度，提高低負(fù)荷運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性;

隨著機(jī)組深度調(diào)峰，鍋爐受熱面在低負(fù)荷情況下更容易發(fā)生超溫，導(dǎo)致材料提前老化。超臨界機(jī)組受熱面氧化皮產(chǎn)生及脫落速率加快，引風(fēng)機(jī)低負(fù)荷情況下變頻運(yùn)行易出現(xiàn)喘振、失速等問題。超臨界火電機(jī)組頻繁深度調(diào)峰，長期低負(fù)荷工作，影響鍋爐金屬部件壽命，這些都是不爭的事實(shí)。鑒于頻繁深度調(diào)峰對鍋爐影響，如何權(quán)衡利弊？如何在深度調(diào)峰大環(huán)境下進(jìn)行設(shè)備技術(shù)改造，提高效益，減少投入，減少損害，這是一個(gè)長期工作，既要正確看待深度調(diào)峰，又要盡量避免深度調(diào)峰對機(jī)組的危害，或?qū)⑽：档阶畹停诎l(fā)現(xiàn)問題的過程中找出解決問題的方法。當(dāng)然仍需要加大技術(shù)改造，有效降低深度調(diào)峰對鍋爐的影響，提高深度調(diào)峰時(shí)鍋爐的運(yùn)行可靠性，以確保設(shè)備運(yùn)行安全。

參考文獻(xiàn)

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