1 000 MW超超臨界單爐膛雙切圓鍋爐汽溫提升優化研究

楊智峰，尚夢源

（1.大唐河南發電有限公司，河南 鄭州 450046；2.華北水利水電大學熱能工程研究中心，河南 鄭州 450045）

引言

自2007年以來，我國火電機組逐漸邁進1 000 MW級別[1-3]。目前，我國在運1 000 MW火電機組的鍋爐設備仍存在較多的問題，如水冷壁高溫腐蝕[4]、鍋爐缺角燃燒運行方式[5]、鍋爐“四管”泄漏智能管理[6]和主、再熱汽溫偏低[7-8]等問題。其中主、再熱汽溫偏低問題一直是鍋爐運行穩定安全需要解決的重大難題。某公司鍋爐使用哈爾濱鍋爐廠有限責任公司第一臺自主設計制造的一次中間再熱、百萬高效超超臨界壓力變壓運行π型鍋爐，型號為HG-2913/29.3-YM2。機組投產后，一直存在主、再熱汽溫偏低問題，設計主、再汽溫度605/623℃，實際運行時主、再熱汽溫590/607℃左右，較設計偏低13~20℃。因此，針對該問題，本文詳細探究了對主、再熱汽溫偏低問題的影響原因，并進一步提出了超超臨界單爐膛雙切圓鍋爐汽溫提升優化的方法。

1 鍋爐設備概況

該公司鍋爐設計主再汽溫為605/623℃；爐膛為內螺紋管垂直上升膜式水冷壁，過熱器采用三級布置，即低溫過熱器（一級）→分隔屏過熱器（二級）→末級過熱器（三級）；再熱器為二級布置，即低溫再熱器（一級）→末級再熱器（二級）。其中低溫再熱器和低溫過熱器分別布置于尾部煙道的前、后豎井中，均為逆流布置。在上爐膛、折焰角和水平煙道內分別布置了分隔屏過熱器、末級過熱器和末級再熱器。其中爐膛上部受熱面布置如圖1所示，在低溫過熱器至分隔屏之間設計有一級左右兩點的減溫器，在分隔屏至高過之間設計有二級左右兩點的減溫器；

分隔屏過熱器、末級過熱器及末級再熱器分別在入口管段上安裝有節流孔圈。過熱器采用二級減溫，每級兩點，分別位于低過出口及二級過熱器出口，各級受熱面蒸汽流程不設交叉；再熱器設計有事故減溫，位于低再出口，蒸汽流程也不設交叉。主汽調溫方式除噴水外，還采用煤水比、燃燒器擺動等方式；再熱器采用煙氣分配擋板調溫方式。燃燒器采用M-PM直流燃燒器，反向雙切圓布置方式，如圖2所示。

與已投產的哈鍋其他雙切圓超臨界百萬機組鍋爐（例如潮州二期、玉環、泰州一期）相比，特點為：是國內第一臺三級過熱器兩級減溫器設計，把前后屏合并成為一個大屏，取消了兩屏間的減溫水。

2 研究問題

機組投產后，一直存在主、再熱汽溫偏低問題，設計主、再汽溫度605/623℃，實際運行時主、再熱汽溫590/607℃左右，較設計偏低13~20℃。導致主、再熱汽溫偏低的主要因素是運行中水冷壁、分隔屏、高過、高再部分管屏頻繁超溫，為保證受熱面的安全，鍋爐被迫降參數運行，造成機組煤耗增加2.5 g/kWh。受熱面超溫在工況變動時更加嚴重，雖經多方調整，超溫問題有所改善，但仍無法避免超溫問題的產生，嚴重影響機組安全、經濟運行。主、再熱汽溫偏低除受受熱面超溫影響因素外，還與各受熱面吸熱量與設計相比存在較大偏差有關。

3 原因分析及解決

表1為各負荷段受熱面參數，可以看出各負荷段各受熱面實際溫升比設計值偏差較大，主汽減溫水量偏低，其中二級減溫水量幾乎為零。通過計算主蒸汽各環節吸熱比例見表2，可以看出省煤器、水冷壁吸熱偏多，而低過、高過吸熱偏少，高溫過熱器吸熱嚴重不足。在不增加高溫過熱器面積的情況下，要想解決主汽汽溫偏低問題只能立足于降低水冷壁、分隔屏、高過各受熱面的熱偏差，提高水冷壁、低過、分隔屏出口汽溫及高過入口汽溫；再熱汽溫的提升主要依賴主汽溫度提高后低再入口溫度的提升及高再本身熱偏差減小。

表1 負荷段受熱面參數

表2 主蒸汽各環節吸熱比例 %

3.1 水冷壁超溫問題分析及解決

水冷壁前后墻各720根，兩側墻各352根。水冷壁下集箱外面的水冷壁入口管段上安裝有節流孔圈，在中間混合集箱入口安裝有壁溫測點。水冷壁超溫的位置發生在前墻305號、317號、409號、413號、417號管和后墻47號、51號、361號、669號、右側墻115號、343號，左側墻343號管，前墻243~258，447~486管也有部分管子壁溫偏高，其中前墻4/5號燃燒器之間的緊靠燃燒器的305號、317號、409號、413號、417號管超溫的頻率及幅度最高，緊靠后墻2號燃燒器的51管、7號燃燒器的669管及后墻中間的361管超溫頻率及幅度次之；造成上速管子壁溫超限的原因是爐內區域熱負荷與水動力不匹配。反向雙切圓燃燒器爐內速度矢量如圖3所示，爐內實際切圓為橢圓，使得前墻中間區域及后墻靠兩側區域爐內熱負荷較高（所謂燃燒器熱角），后墻之間區域雖然對應燃燒器器的冷角，但由于爐膛中間位置沒有布置雙面水冷壁，其對爐膛的換熱量少于其他部位，使該處爐內溫度高于其他冷角區域，水冷壁超溫點最嚴重正好在燃燒器熱角及爐內高溫區域對應位置，說明水動力校核不夠準確。

在上述分析的基礎上，根據各區域的超溫頻率及幅度，重新對水動力進行了校核計算，調整水冷壁進口節流圈直徑，利用停爐機會分次對超溫管子所對應的節流圈進行調整，調整的節流圈情況見表3。

表3 節流圈參數調整 mm

3.2 分隔屏超溫問題分析及解決

分隔屏寬度方向共有12大片屏，每個大屏又由6個小屏組成，沿深度方向由前至后分別為A、B、C、D、E、F，其中C、D小屏之間距離較大。每個小屏由15根管組成，壁溫測點在每一小屏的1、5、9號管出口。分隔屏超溫主要發生在靠爐膛寬度中間位置的4、6、7、9屏的C、D小屏，第6、7大屏的B小屏也存在超溫，見下頁表4。

表4 分隔屏超溫位置分布

造成上述超溫特點的原因是爐內屏過出溫度分布不均勻，這是單爐膛反向雙切圓布置方式固有特點決定的，由于爐膛中間沒有布置雙面水冷壁，寬度方向中間位置溫度偏高，且一直延續到分隔屏處。分隔屏下部爐內寬度方向的溫度測量結果如圖4所示。

分隔屏工質流量的分配僅考慮了同一小屏不同管圈的影響而未考慮寬度方向及深度方向熱負荷偏差的影響，分隔屏寬度及深度方向的壁溫見表5。壁溫測量結果表明分隔屏管子溫度呈現寬度方向中間高兩側低；深度方向中間高、前后低的特點。

表5 分隔屏壁溫 ℃

此外，該爐設計時將原來的分隔屏與后屏合二為一，分隔屏設計焓增偏大，也造成了分隔屏熱偏差進一步增大。由于1、2、11、12屏壁溫偏低較多，1、12屏最高壁溫比中間屏最高壁溫低57℃以上，2、11屏最高壁溫比中間屏最高壁溫低46℃以上，需整體減少1/2/11/12屏工質流量，按1、2、11、12屏流量減少26%計算1、2、11、12屏各節流圈的直徑見表6。

表6 屏壁1、2、11、12節流圈改造情況 mm

在1、2、11、12屏節流后，仍不足使中間高溫管屏壁溫降至安全范圍，需同時進一步加大中間管屏工質流量。考慮不同管屏、不同深度方向及各小屏不同管圈的差異，根據不同管屏不同管圈壁溫校核計算，對4、6、7、9大屏C、D小屏及6、7大屏B小屏9號管分隔屏節流直徑進行調整，對應節流圈改造情況見表7。

表7 屏壁C4、D4、C6、D6、C7、D7、D9節流圈改造情況mm

對于#3—#10大屏每6小屏全部#1根管（C4、D4、C6、D6、C7、D7、D9屏除外）加裝（減小）節流孔，節流孔內徑為14 mm。B6、B7的9號管節流圈由原來的11.5 mm增大到14.4 mm。

3.3 高溫過熱器超溫問題分析及解決

高溫過熱器共68屏，每屏由16根管組成，壁溫測點設置在1、5、16號管子出口。壁溫測試結果如圖5所示。超溫主要發生在18屏1號管及42屏16號管，其中18屏1號管超溫時間占到高過超溫的93%以上，42屏16管占高過超溫時間的1.2%以上，其余管子超溫較為分散，且占比較小。圖5為高過出口壁溫分布，可以看出高過18屏1號管壁溫存在突升，而相鄰17屏5號管、16號管壁溫突降，不符合規律，檢查發現18屏1號管與17屏5號管、16管測點騙號錯誤，騙號改正后18屏1號管壁溫正常。針對42屏16號管超溫問題，通過調整對應管子入口節流圈解決，該管對應節流圈直徑由原來的10.6 mm增大為13 mm。末過65-5入口節流孔內徑由13 mm增大至18 mm。

3.4 高溫再熱器超溫問題分析及解決

高溫再熱器共118屏，每屏由9根管子組成，每個管圈出口均設有壁溫測點。由數據測試結果可知，靠近兩側的1~3屏、116~118屏整體壁溫較降低，1、118屏最高壁溫比再熱器出口溫度低30℃，2、117屏最高壁溫比再熱器出口溫度低20℃，3、116屏最高壁溫比再熱器出口溫度低10℃。根據超溫情況統計，超溫管屏及管子為11、13、、19、20、21、69~85共計22片屏的4、5、9號管其中9號管超溫占比66%左右，5號管超溫占比20%左右，4號管占比10%。

通過對兩側6個屏進行節流，可提高對應管屏出口工質溫度，同時，增加其余管子的工質流量，降低其壁溫。對于5號管，采用減小其長度降低其吸熱量；對于4、5號管的超溫，采用增大入口管接頭直徑，減小其阻力增大工質流量降低其壁溫。按1、118屏最高壁溫升高30℃、2、117屏最高壁溫升高25℃、3、116屏最高壁溫升高20℃，經校核計算后兩側6個屏的節流圈情況見表8。

表8 高溫再熱器兩側6個屏節流圈情況 mm

經校核計算9號管#11、13、19、20、21、69~85共計22片屏在高再前半部分長度減少2.8 m可降低壁溫9℃，減少方案如下圖6。對于4、5號管將#11、13、19、20、21、69~85共計22片屏入口管接頭規格由原來的Φ57×5 mm更換為Φ63.5×5 mm。

4 改造效果

2018年利用機組檢修機會對按上述方案對各受熱面進行了改造，改造后受熱面熱偏差顯著改善，超溫問題得到解決，主、再熱汽溫基本達到設計，在機組負荷500~1 000 MW段，主汽溫度601℃、再熱汽溫621℃，有效提高了機組安全、經濟運行水平。

5 結論

鍋爐主、再熱汽溫偏低的主要因素是運行中水冷壁、分隔屏、高過、高再部分管屏頻繁超溫，為保證受熱面的安全，鍋爐被迫降參數運行。鍋爐主熱氣溫的提升主要依賴于降低水冷壁、分隔屏、高溫過熱器各受熱面的熱偏差，提高水冷壁、低過、分隔屏出口汽溫及高溫過熱器入口汽溫。而再熱汽溫的提升主要依賴主汽溫度提高后低再入口溫度的提升及高再本身熱偏差減小。通過調節水冷壁、分隔屏、高溫過熱器和高溫過熱器的節流圈結構，可解決主、再熱汽溫偏低的問題，使得機組安全高效的運行。