鍋爐深度調峰期間垂直水冷壁金屬壁溫超溫原因及解決方法分析

樊志鵬

（國電電力大連莊河發電有限責任公司，遼寧 大連 116400）

1 深度調峰狀態下水冷壁超溫的現狀概述

某發電公司#1 機組均為額定容量600MW 純凝汽式汽輪發電機組，東北電監局核定最小運行方式為280MW。脫硫系統與主體工程同步建設，同時投運。為滿足國家關于NOX 排放要求，分別于2012 年、2013 年完成了兩臺鍋爐加裝脫硝裝置的改造，改造方式為低氮燃燒器+SCR，采用尿素水解制氨工藝。為提高機組在低負荷脫硝入口溫度，2014 年在尾部包墻一二級低過之間引出2 支煙氣旁路至脫硝入口煙道，煙道規格為5000mm*800mm，煙道墻板為15CrMOG，配合鍋爐投運中上排磨運行，在機組負荷240MW 以上時基本能夠滿足煙溫需要。2016 年進一步采取了省煤器水旁路的改造方案，使部分給水不經過省煤器換熱，從而提高SCR 入口處的煙氣溫度。通過以上改造，已具備將負荷簡直180MW 的能力。2021 年#1 機組C 級檢修期間，對燃燒器進行了改造。#1 爐燃燒器改造后深度調峰下水冷壁頻繁出現超溫現象，為了保證鍋爐運行安全，避免水冷壁超溫的發生，無法繼續降低機組負荷。

2 水冷壁超溫的原因分析

通過長期的觀察、試驗，總結出造成水冷壁壁溫升高的主要原因有以下幾個方面：

2.1 水燃比不合適導致中間點過熱度改變

水燃比是直流調節的關鍵，水燃比失調（變小）是導致水冷壁超溫的關鍵因素[1]，在直流方式下，隨著負荷降低，工作條件極為惡劣的水冷壁中，質量流速也按比例下降，工質流動的穩定性受到影響，為了防止出現流動的多值性不穩定現象，需限定最低直流運行負荷時的質量流速，也就是水燃比不能太小。協調系統的調節策略為減負荷時先減水而后減煤，而后再恢復應該的水燃比，這就導致了短暫的水燃比失調，即水燃比小（水少煤多）。

2.2 鍋爐氧量低、一次風壓偏高

由于當初（2011 年前后）為了加大摻燒褐煤需要，對A、C、F 磨煤機轉速進行了提速，導致磨煤機運行存在差異，F 磨煤機出口粉管的加粗，由于過流斷面的增加，F 粉管流速下降，存在煤粉堵管的風險，為了防止F 堵管，不得已增加一次風壓力，導致一次風壓升高。過多的風量使排煙溫度升高，最終導致鍋爐效率下降，直接導致燃料量增加，“水燃比”變小，燃燒加強。這就導致鍋爐水冷壁結焦、過熱器積灰等現象，進一步導致鍋爐傳熱效果下降，鍋爐效率下降，燃料量增加，“水燃比”變小，燃燒加強。隨著鍋爐負荷的下降，燃料量下降，對應的理論煙氣量下降，但是在240MW以下，為防止引風機搶風而引發失速，不得已總風量不能太小，這也造成了鍋爐效率下降，直接導致燃料量增加，“水燃比”變小，燃燒加強。

2.3 制粉系統運行方式不合理、磨煤機分離器出口擋板開度過大或過小

某公司本次C 修對除E 磨以外的其他燃燒器進行了更換，低負荷運行時E 磨如果參與運行，則水冷壁超溫現象時有發生。制粉系統運行方式不合理、磨煤機分離器出口擋板開度過大或過小是主要原因。

2.4 給水流量測點位置改變導致過熱器減溫水流量對給水流量影響大

#1 爐在省煤器水旁路改造時增加了一套給水流量計，此流量計在過熱器減溫水以前的主管路引出，原給水流量計在過熱器減溫水以后的主管路引出。原給水流量不包含過熱器減溫水及省煤器旁路流量，而增加了一套給水流量計，減去過熱器減溫水流量計算值，這就導致兩個給水流量計切換時過熱器減溫水流量影響實際的給水流量，特別是在240MW 左右低負荷階段時對給水流量真實性產生嚴重影響。

2.5 在燃燒側不變的情況下，水動力不均勻，個別管子工質流量低或流速低，導致水冷壁吸熱不均勻

隨著深度調峰，由于壓力降低，飽和汽溫下降，煙氣和蒸汽之間的溫差增加，過熱器的焓增比定壓運行機組要大，又促使汽溫進一步升高，故需考慮較大的減溫器容量，同時還要保證各種負荷下的噴水量，在主蒸汽流量即不變的情況下，分配給水冷壁的給水流量下降[2]。保證中間點有一定的過熱度，把此過熱度一分為二，假設有個“中途過熱度”。“中途過熱度”即為爐膛出口溫度減去當時的飽和溫度，“中途過熱度”若較大，在“中間點過熱度”不變的前提下，則水平煙道吸熱量小，這樣的后果是垂直管易超溫。依據熱力學知識，隨著壓力的升高，水的定壓比熱有所升高，也就是受熱面吸收等量的熱量工質溫升小，對于受熱面金屬來說則不容易超溫。

2.6 在水動力不變地的情況下，燃燒側火焰強度、火焰中心位置改變，導致水冷壁吸熱不均勻

超溫，說明燃燒強，而冷卻少，對于直流鍋爐，在直流狀態，循環倍率為1，而燃料量因為風煙系統運行工況的改變而變化，爐膛的各種漏風都會導致總燃料量增大[3]；從熱力學原理看，如果中間點落在下界線上，則濕度為0，過熱度為0。水冷壁分為輻射受熱面和對流受熱面兩部分，螺旋水冷壁直到爐膛出口的垂直管段這段水冷壁依靠輻射換熱，而爐膛出口以后的水平煙道和水平煙道側包墻這段受熱面理論上是水冷壁延伸部分，但是水平煙道后部分在屏過后方，屬于對流換熱，對流換熱受煙氣流速和煙氣流量影響較大[4]。

3 針對水冷壁超溫采取的措施

針對已確定的導致水冷壁超溫的主要原因，分別采取實施方法如下：

3.1 水燃比不合適導致中間點過熱度過大或過小，保證“水燃比”在合適范圍內

采取嚴格控制水燃比在正常范圍內，把水燃比作為監視重要參數，根據不同煤種摸索切合實際的經驗數據，同時必須明確認識過熱器減溫水對水燃比的影響。在燃燒不變的情況下，即使鍋爐蒸發量不變，過熱器減溫水流量改變直接影響水燃比[5]。

3.2 鍋爐氧量低、一次風壓偏高，防止和減少水冷壁結焦、過熱器積灰

水冷壁結焦、過熱器積灰都會導致鍋爐傳熱效果下降而引發“水燃比”變小。值長每日隨時關注網上新能源（如風電變化趨勢），及時對受熱面進行吹灰，保證受熱面的清潔。針對F 磨煤機粉管粗、轉速高，要合理對F磨煤機風門開度，分離器擋板開度進行調節，保證運行磨煤機盡可能出力保持平衡。在保證引風機不搶風失速的前提下，盡可能降低總風量。

3.3 針對給水流量計位置改變導致過熱器減溫水流量對給水流量影響大采取的措施

負荷在240MW 以上時使用直接進入省煤器的給水流量計（不包含過熱器減溫水及省煤器旁路流量，三選中值）。負荷在240MW 以下時使用省煤器旁路改造時新增的主給水管路流量計（含給水流量、省煤器旁路流量和過熱器減溫水流量）減去過熱器減溫水流量計算值（已限制在0t/h～100t/h）。兩種模式以240MW負荷為界，當需要切換模式時，須同時滿足兩個給水流量值偏差在30t/h 以內，才可以切換模式，切換速率為t/min。

3.4 制粉系統運行方式不合理、磨煤機分離器出口擋板開度過大或過小

通過調節磨煤機運行方式和二次風壓等方法使火焰中心在合理范圍內。根據煤種及時調節磨煤機分離器出口折向擋板開度，保證最佳的煤粉細度，使煤粉充分并完全燃燒，防止煤粉過粗導致爐膛嚴重結焦發生。燃燒器盡可能對稱運行，并且盡可能中下排磨煤機運行。防止運行的磨煤機臺數與機組負荷相匹配，避免負荷高而運行磨煤機臺數少，導致運行磨煤機過負荷。

3.5 在燃燒側不變的情況下，水動力不均勻，個別管子工質流量低或流速低，導致水冷壁吸熱不均勻

為了克服協調系統的調節策略為減負荷時先減水而后減煤對水燃比的影響，在減負荷的初始階段，人為干預，先通過“中間點燃料補償偏置”進行干預，抑制短暫的燃料量過多，保證“水燃比”。盡可能不要使機前壓力過低，當機前壓力低于14.5Mpa 時，及時進行干預，使壓力大于14.5Mpa，以保證定壓比熱不至于因為壓力降低而減少。盡可能減少過熱器減溫水流量，也就是盡可能把針對減溫水轉移到水冷壁中。

3.6 在給水側（水動力）不變的情況下，燃燒側火焰強度、火焰中心位置改變，導致水冷壁吸熱不均勻

及時觀察火焰燃燒情況，保證火焰中心正確，避免發生火焰撲墻現象。在保證磨煤機不堵煤的情況下，盡可能降低一次風壓力。在保證充分燃燒的情況下，盡可能降低二次放風壓力。盡最大努力減少爐膛和煙道的漏風。合理進行爐膛吹灰，保證受熱面的清潔。

4 實施效果

通過接近4 個月的不斷努力，采取以上措施，使水冷壁金屬壁溫超溫問題得到了解決。#1 爐不但在240MW工況下不超溫，同時將負荷進一步降至180MW 工況下，同樣不超溫，并且壁溫偏差很小，在規定范圍內。通過采取以上措施，#1 機能夠靈活自由深調峰至180MW并且保證不超溫，實現了較好的經濟效益。

5 制定鞏固措施

為使企業創造更大的盈利空間，節能降耗為企業創造了財富，從長遠來看也是今后資本的積累。將輔助服務收益列入部門內部經濟責任制考核，建立落實調峰獎勵機制。為保持良好的安全和經濟兼顧局面，使成果能夠推廣下去，制訂了如下鞏固措施。

5.1 水燃比作為重要參數實時監視，使過熱度保證在合適范圍內

不同燃煤熱值對應的不同水燃比做好對照參考表，防止水燃比失調引起超溫。爐膛出口汽溫的過熱度控制在5℃至8℃左右，分離器出口汽溫過熱度控制在10℃至15℃左右，隨時監視中間點過熱度自動調節情況，使過熱度保證在以上范圍值內。

5.2 運行部內部開展制粉單耗指標值際競賽，激發運行人員的積極性

根據鍋爐負荷，參照績效考評系統實時煙氣氧量參考值調節煙氣氧量，杜絕低氧燃燒，以避免因為爐膛結焦而導致水冷壁超溫的發生。根據過熱器減溫水量、屏過、末過、末再金屬壁溫及中間點過熱度、排煙溫度及時對鍋爐進行吹灰，提高傳熱效果。盡可能開足磨煤機熱風門開度而關小冷風門開度，保證進入爐膛的冷風為最少，提高了空預器的傳熱效率，降低排煙溫度的同時提高了鍋爐效率，其他因素不變的情況下鍋爐總燃料量減少，從而避免水冷壁超溫。

5.3 做好兩套給水流量計和過熱器減溫水流量計的運行維護

原設計的省煤器的給水流量計和省煤器旁路改造時新增的主給水管路流量計，在負荷240MW 切換時嚴密監視切換過程中給水流量的變化及金屬壁溫的變化，必要時停止切換，查清原因后再進行切換。

加強對兩套流量計和過熱器減溫水流量的監視，根據主蒸汽流量、給水泵流量、減溫水流量來反推給水流量的正確性與否，同理根據主蒸汽流量、給水泵流量、給水流量來反推減溫水流量的正確性與否，確保流量計準確，否則及時通知維修處理。

5.4 保證制粉系統運行方式合理性

根據磨制不同煤種燃煤，及時調節磨煤機折向擋板開度并做好記錄，對灰、渣含碳量進行采樣化驗，特別是爐渣數據，根據化驗結果驗證運行調節是否合適，并納入指標經競賽范疇。杜絕磨煤機超出力運行，負荷280MW 以上保證四臺磨煤機運行，負荷低于280MW 時保持三臺磨煤機運行。燃煤熱值做到合理匹配，下排磨煤機高熱值，中排磨煤機低熱值，既保證帶高負荷的需求又能滿足深度調峰水冷壁安全運行。

5.5 防止水燃比失調

運行人員心中要牢記滑壓曲線，保證機前壓力不偏離滑壓曲線±0.5Mpa 范圍，否則及時干預，使實際機前壓力與滑壓曲線盡可能重合。

加負荷階段，起初機前壓力低于滑壓曲線值，此時可通過關小再熱器煙氣擋板、開大過熱器煙氣擋板提高主汽吸熱量和中間點過熱度修正增大給水流量的方法抑制主汽壓力的慢速增長，從而達到抑制過度增加燃料量，當機組負荷接近目標值且機前壓力低于滑壓曲線0.5Mpa 時進行過、再熱器煙氣擋板和給水流量反向調節的方法抑制機前壓力的反彈升高，同理，減負荷情況調節方法同上，從而確保燃料量不過調，也就從根本上保證了水燃比。