超臨界CFB鍋爐過熱器煙溫超溫處理分析

段志鵬，韓冰

（山西京能呂臨發電有限公司，山西 呂梁 033200）

京能集團山西京能呂臨發電有限公司，是山西省投產的第37臺由東方鍋爐廠生產的超臨界國產350MW機組，是山西省重點扶貧區域發展的重點項目，2019年10月2日15時，1#機組圓滿完成168小時滿負荷試運行，向祖國70年華誕獻禮。火電廠超臨界機組指的是鍋爐內工質的壓力。鍋爐內的工質都是水，水的臨界參數是：22.129MPa、374.15℃；在這個壓力和溫度時，水和蒸汽的密度是相同的，就叫水的臨界點，在我國近幾年新建機組中，大力發展350MW及以上的超臨界壓力機組已是必然，超臨界鍋爐的煙溫變化特性以及汽溫的調節和控制就顯得尤為重要。在吹管及啟動調試階段，由于對新機組特性不熟悉，屢次發生過熱器煙溫超溫現象，這勢必會造成鍋爐受熱面損傷，成為運行中鍋爐爆管的誘發因素，現從調試角度闡述其原因及預防對策，該預防對策在其后同類型的2#機組的調試中獲得了很好的證明。

1 超臨界直流鍋爐介紹

1.1 鍋爐本體介紹

山西京能呂臨發電有限公司2×350MW超臨界循環流化床空冷機組，工程配套東方鍋爐廠生產的1186t/h循環流化床燃燒方式、超臨界參數變壓運行直流鍋爐，型號為DG1186/25.31-Ⅱ1，型式為單爐膛、單布風板、平衡通風、一次中間再熱、固態排渣、全鋼架結構、采用高溫冷卻式旋風分離器進行氣固分離，水冷滾筒式冷渣器，M型布置、鍋爐采用緊身封閉布置，鍋爐整體支吊在鍋爐鋼架上。

過熱器汽溫主要通過煤水比調節和三級噴水減溫來微量控制，水煤比的控制溫度取自設置在高溫過熱器上進行控制，過熱蒸汽噴水減溫器共布置有三級：一級減溫器（左右各一臺）布置在低過出口至一級中過入口管道上，用于控制一級中溫過熱器出口溫度；二級減溫器（左右各一臺）位于一級中溫過熱器與二級中溫過熱器之間的連接管道上，用于控制二級中溫過熱器出口溫度；三級減溫器（左右各一臺）位于二級中溫過熱器與高溫過熱器之間的連接管道上，用于控制高溫過熱器出口溫度，過熱器系統噴水來自省煤器出口。

鍋爐過再熱蒸汽主要參數，見表1。

表1 鍋爐過再熱蒸汽主要參數

鍋爐受熱面主要參數，見表2。

表2 鍋爐受熱面主要參數

鍋爐減溫水設置參數，見表3。

表3 鍋爐減溫水設置參數

1.2 啟動系統介紹

啟動分離器布置在爐前，垂直膜式水冷壁出口，采用旋風分離形式，承受鍋爐運行壓力。分離器規格為?940，材質為SA-336F12，數量一個。經水冷壁加熱以后的工質分別由6根連接管沿切向逆時針向下傾斜15°進入分離器，分離出的水通過連接管進入分離器下方的儲水罐，分離器內設有阻水裝置和消旋器。儲水罐的規格為?956，材質為SA-387GR11CL2，數量一個。啟動分離器和儲水罐端部均采用錐形封頭結構，封頭均開孔與連接管相連。

2 過熱器超溫的現象

鍋爐過熱器吹管是新建機組投運前的重要工序，目的是為了清除在制造、運輸、保管、安裝過程中留存在過熱器系統及蒸汽管道中的各種雜物（如石塊、氧化鐵皮等），防止機組運行中過熱器爆管和汽機通流部分損傷，提高機組的安全性和經濟性，并改善運行期間的蒸汽品質。

直流鍋爐由于其結構特點，厚壁金屬后蒸發器水容積較少，蓄熱能力較小，通常采用穩壓吹管。它對防止鍋爐受熱面爆漏也非常有好處。吹管參數的選擇要保證在蒸汽吹管時所產生的動量大于額定負荷時的動量。在呂臨1#鍋爐吹管期間，為了保證過熱器系統內的雜物不被帶進再熱器系統，我們采用了穩壓分段吹管方式。即先用蒸汽吹掃過熱器，待過熱器基本吹掃干凈后再帶上再熱器進行蒸汽的吹掃。吹管分離器壓力定為：6MPa,控制主汽溫度450℃以內。在實際吹管期間，我們發現過熱器溫度較難控制，出現了多次的過熱器超溫現象。

3 過熱器煙溫超溫分析

3.1 吹管階段超溫分析

在山西京能呂臨發電有限公司1#機組調試過程中，過熱蒸汽系統采用輻射-對流多級布置系統。在30%～100%負荷內有良好的調節特性。本鍋爐采用過熱器與再熱器串聯一段法、蓄能降壓與穩壓方案。

汽機高壓、中壓主汽門前濾網摘除，門芯取出，裝配專用臨時堵，并在吹管臨時門后加裝過熱器靶板架和消音器。臨吹門關閉升壓過程中，及時檢查臨時系統膨脹和支吊架受力情況，發現問題及時處理，此時，再熱器處于干燒狀態時，注意再熱器底部煙溫，煙溫必須控制在650℃以下。進入穩壓階段吹管時，逐漸增大鍋爐燃料量，提高鍋爐負荷，增加給煤機投運數，維持省煤器入口30%BMCR給水流量，逐漸關小儲水罐水位控制閥（360閥和361閥），維持好儲水罐水位。即要控制好煤水比，根據分離器汽水參數判斷工質狀態，分離器中蒸汽過熱溫度不宜超過30℃，穩壓吹管達到吹管系數后，每次持續時間應不少于15min。分離器后的過熱器和再熱器溫度控制要隨時通過投入減溫水對過熱器出口和再熱器出口氣溫進行調節控制。在吹管初期，為保證吹管動量系數的情況下，爐膛出口煙溫已經超過555℃，為了防止過熱系統的雜物污染再熱器，山西京能呂臨發電有限公司調試組采用分段吹管方式，即過熱器吹掃干凈后，在串吹再熱器。

3.2 調試階段超溫分析

調試階段，風道燃燒器壁溫小于1150℃，出口煙溫小于980℃，水冷風室溫度小于870℃，控制汽水分離器金屬壁溫變化率不超過50℃/h，蒸汽流量低于10%BMCR的低負荷運行期間，過熱器和再熱器入口處煙溫超過了它們的金屬設計溫度，只有當管子中的積水全部蒸發掉且蒸汽流量大于10%BMCR時，煙溫的超溫現象才有所緩解回調。

在超臨界直流鍋爐中，是以調整水煤比作為對主蒸汽溫度的主要調整手段，以噴水減溫作為輔助調整手段。只要維持合適的水煤比，再輔以適量減溫水，就能保持過熱器出口溫度穩定。由于大型鍋爐受熱面流程長，如果在高溫過熱器出口溫度發生變化后才相應改變水煤比，調節的滯后性就非常大，甚至根本不可能穩定受熱面出口汽溫。為了提高調節的靈敏性及快速性，通常選取中間點溫度作為調節對象，以中間點溫度作為主汽溫前饋調節信號。當中間點溫度發生變化時，即相應改變水煤比（煤量的輸出偏置），這樣就能控制高溫過熱器出口溫度，再利用減溫水調節將汽溫穩定在規定值。

4 過熱器煙溫超溫處理

4.1 降低啟動點火時的給水流量

降低鍋爐啟動點火時的給水流量，點火時給水流量由冷態沖洗500t/h降低到400t/h，減少通過分離器儲水罐的熱損失，以提高蒸發量，進而增加進入過熱器的蒸汽量。

4.2 熱態啟動提高啟動點火時的給水溫度

熱態啟動是指床溫大于600℃，可直接向爐內投煤。風機啟動后，如果床溫大于投煤溫度且呈上升趨勢，可以直接投煤，無須爐膛吹掃和投點火燃燒器。給煤機最低轉速下投煤著火后，約30min，鍋爐即可帶到滿負荷。不必考慮爐內耐磨耐火材料的溫升速率限制，這個階段，爐膛和旋風分離器有較大的蓄熱量。所以，啟動初期化學制水和精處理系統要較早地保證水質合格，在初期鍋爐點火時，通過輔汽系統加熱除氧器水溫，以達到提高給水溫度的作用。

4.3 減溫水系統流量測點改造

為了保證減溫水能快速調節氣溫，將減溫水的取水點調整到省煤器出口，增加減溫水噴入點壓力，保證了減溫水的噴入量。

結合鍋爐型式以及制造廠家設計特點和綜改前后變化特點，總結分析各受熱面水動力特性，掌握各負荷下汽水流速設計安全裕度大小，并結合實際情況，為各級受熱面偏差管留有足夠的安全裕度。同時，要掌握輻射式受熱面汽溫隨負荷降低而升高的變化規律，注意動態過程隱性超溫問題。針對機組運行中過熱器減溫水量超出設計值較大的問題，熱控專業重新校核了減溫水流量測點，有效優化了減溫水噴水自動邏輯。

屏式受熱面前減溫水調整要注意水塞現象給蒸汽流通和換熱系數的不利影響，結合蒸汽吸熱系數隨汽壓降低而減小，相同煙氣側擾動下汽溫變化越大、爐外溫度測點誤差越大的規律，不斷優化機組協調控制系統，合理選擇機組深調期間變負荷速率和低負荷汽溫控制值，減少變負荷過程中風、煤以及減溫水超調量；調節過程中要根據機組情況合理確定機組升降負荷速率，避免鍋爐受熱面出現超溫現象以及壁溫大幅波動而產生疲勞裂紋。運行人員應掌握機組加減負荷、啟停給煤機系統、點火燃燒器組合方式等煙氣側和汽水側擾動因素對汽溫的不同影響，利用煙氣側和汽水側換熱平衡作為主要調整手段，提前進行與擾動性質、擾動幅度、擾動速度相適應的汽溫調整，減溫水調整作為動態過程的調整手段，應掌握其遲延特點并根據減溫器后溫度的變化情況確定減溫水量，保證減溫器后的溫度有50℃以上的過熱度，避免由于調節滯后或調節過量，引起汽溫異常波動或者水塞現象。

熱控專業優化機組減溫水調門調節速率及協調控制系統，降低升降負荷過程中的煤量超調導致的壁溫波動，改善管道交變熱應力。進一步完善各階段的壁溫考核管理，合理配置煙溫測點，避免出現隱性超溫問題。

4.4 加強過熱器尾部煙道吹灰

尾部煙道積灰嚴重，吹灰壓力設定值提高后，有效提高了過熱器換熱效率。對于循環量特別大的CFB鍋爐，有事會出現因循環灰瞬時突然大量由循環回路涌入爐膛的“塌灰”現象，若操作不及時，即造成爐內大面積結焦，給鍋爐的安全運行帶來隱患。吹灰次數和吹灰頻次的分布可以從根本上消除這一安全隱患。

4.5 避免爆燃現象對超溫的影響

CFB鍋爐的爆燃現象一般發生在鍋爐的啟動過程中，在爐膛壓力升高的同時，伴隨有鍋爐氧量急劇降低的現象。爐膛壓力在點火投運大量煙煤后，爐膛壓力高報警觸發MFT，說明鍋爐發生了爆燃現象。主要原因是沒有按床溫升溫速度快速提高床溫，入爐煤無法及時析出揮發分，燃燒不充分，而在升負荷時短時間內大量揮發分析出，使系統的可燃氣體達到爆燃的濃度。投煤燃燒穩定，控制升溫速率，合理配風是關鍵。

4.6 調整一、二次風門配比

機組啟動過程中為保證可靠的流化，前期一次風門開度較大，流化風量偏大，氧量較高，爐膛內燃燒火焰中心偏高，屏式過熱器布置在爐膛前墻上部，容易使屏式過熱器熱交換偏大，造成屏式過熱器出現超溫現象。在滿足流化的情況下，將一次風門關小，降低一次流化風量20kNm3/h，屏式過熱器溫度下降。同時，對上下二次風門開度進行調整，山西京能呂臨發電有限公司從二次風機出來的空氣經空預器加熱后的熱二次風進入爐膛前后墻的風箱，分級配風：從前、后墻風箱通過支管上、下兩級配風，前墻上部10個支管，下部8個支管，后墻上部8個支管，下部7個支管，左右側墻上部各有2個支管，做為燃燒及燃燒調整用風，每個支管上都裝有電動擋板，可根據燃燒情況進行調整。

將前墻下二次風調節門1和前墻下二次風調節門2開度，從50%增到60%；將后墻下二次風調節門開度，從50%減小到20%。前墻下二次風量的增加，會使其對入爐燃料的擴散擾動增強，使入爐燃料更好地向爐膛后墻擴散；后墻下二次風量的減小，會使入爐燃料向爐內后墻擴散的阻力降低。這將大大地改善入爐燃料向爐膛后墻側擴散的條件，從而使爐膛前后墻的燃燒份額更趨一致，使爐內溫度場的分布更趨均勻。不僅使屏式過熱器部分管壁超溫現象得到消除，屏式過熱器1較高管壁溫度從549.5℃下降到540.7℃，屏式過熱器3較高管壁溫度從549.3℃下降到541.7℃。同時，屏式過熱器各屏之間的溫度偏差明顯減小，屏2與屏5較高管壁之間的溫差由以前的29.7℃降到19.8℃，降幅為9.9℃。提高了屏式過熱器兩側出口汽溫，屏式過熱器左側出口汽溫由511.5℃升高到514.9℃，屏式過熱器右側出口汽溫由516.8℃升高到522.8℃。主汽溫、再熱汽溫同工況下進行比較溫度增加明顯，主蒸汽溫度由531.8℃升高到535.9℃，再熱汽溫度由532.7℃升高到539.7℃。

通過采用以上的調整方法，循環流化床鍋爐屏式過熱器部分管壁超溫現象得到消除，主蒸汽和再熱蒸汽汽溫得到了顯著的提高，運行過程中要根據機組負荷、煤質等因素的變化對一、二次風，減溫水進行優化調整，以確保機組安全穩定運行。