余熱鍋爐汽包壁溫差控制策略

蔣 剛

(中海油阜寧熱電有限責任公司， 江蘇 阜寧 224400)

1 概述

從余熱鍋爐結構特點[1]闡述余熱鍋爐汽包上、下壁溫差產生原因。以杭州東方凌日鍋爐集團股份有限公司生產的雙壓、無再熱、臥式、無補燃、自身除氧MHDB-6F.03-Q1型自然循環余熱鍋爐為例。

1.1 自然循環鍋爐結構形式引起溫差

汽包、下降管、蒸發器中水是靠蒸發器和下降管中汽水密度差形成水動力循環，如圖1所示。燃氣輪機排出高溫煙氣流經蒸發器，加熱蒸發器中飽和水，飽和水吸收熱量后汽化產生飽和蒸汽，完成介質相變。蒸發器和下降管都與汽包連接。蒸發器中介質為飽和水和飽和蒸汽的混合物，密度小；下降管中介質是飽和水，密度大。重力差形成驅動力，實現汽包、下降管、蒸發器的水循環。飽和蒸汽的熱能高于飽和水，飽和水的溫度和飽和蒸汽的溫度一致，飽和蒸汽上升至汽包過程中飽和水、飽和蒸汽沒有溫差，無熱交換。

圖1 汽包、蒸發器、下降管結構圖

高溫煙氣流經蒸發器，汽包給水溫度低，需要汽化潛熱大，蒸發器產生蒸汽量少，汽水混合物密度大，汽包、下降管、蒸發器無法建立水循環，汽包上部為飽和蒸汽，下部為欠飽和水。余熱鍋爐啟動是加熱過程，汽包內的水為欠飽和狀態，啟動初期沒有建立水循環，對汽包下壁加熱效果差，汽包上、下壁就形成溫差。

1.2 汽包快速升壓引起溫差

燃氣輪機啟動完成，汽包、下降管、蒸發器水循環建立。燃氣輪機快速升負荷，排入余熱鍋爐熱量急劇增加，蒸發器產生大量的飽和蒸汽，快速提高汽包壓力，提高了蒸發器中水的汽化潛熱。余熱鍋爐省煤器布置在蒸發器后，汽包補充水為欠飽和水，吸收熱量，溫度不會升高，汽包下壁沒有得到加熱。蒸發器中產生蒸汽，由于壓力升高，飽和溫度提升，汽包蒸汽溫度升高，對汽包上壁放熱，加熱汽包上壁。因此，汽包上、下壁形成溫差。

1.3 汽包啟動水位高引起溫差

啟動初期，水循環未建立，啟動水位過高，升溫升壓速率不匹配，汽包蓄熱容量過大，水循環建立慢，致使只有汽包上壁得到加熱，產生溫差。

1.4 汽包上水時機不對引起溫差

燃氣輪機啟動前，汽包完成沖洗后進行汽包上水操作。燃氣輪機點火前，要求余熱鍋爐內不得殘留可燃氣體，需要進行爐膛吹掃，一般時長為10 min左右。燃氣輪機點火前，需要進行燃氣輪機清吹，冷卻了蒸發器中的水，增大了水的蓄熱容量，延長了汽包水循環的建立，增大汽包壁溫差。

燃氣輪機快速變動負荷后，鍋爐由于其結構、操作等因素引起汽包壁溫差超限，產生安全隱患。

2 案例分析

2.1 系統概述

以南方某燃氣熱電廠為例，燃氣輪機采用GE 6F.03機組，余熱鍋爐采用杭州東方凌日鍋爐集團股份有限公司生產的MHDB-6F.03-Q1型鍋爐。為簡化布置，汽包、下降管、蒸發器均采用爐膛內置。

2.2 異常現象

燃氣-蒸汽聯合循環機組啟動時[2]，汽包上、下壁溫度變化如圖2所示，汽包上、下壁溫差變化如圖3所示，時間始點對應燃氣輪機發啟動令。燃氣輪機發啟動令前，為加快余熱鍋爐啟動速度，鍋爐汽包上水采用輔助蒸汽投爐底加熱和除氧加熱。圖2、圖3均對應同一變化過程。

語言是人們日常交際中的基本工具，更是反映當下社會現狀以及文化價值的載體。語言作為一面鏡子，也能夠深刻地折射出當代國民對文化價值的取向以及當代社會經濟的發展特征。從社會心理語言學的角度看，當代大學生流行語不僅能反映大學生為人處世的態度，且能折射出大學生語言模仿心理、好奇心理、宣泄壓力心理及幽默的審美心理等。當前，大學生流行語已成為大學校園文化的一個重要組成部分，其對塑造大學生良性的內在心理，促進和諧的職業發展及優化創新能力等具有十分重要的意義。

圖2 汽包上、下壁溫度變化

圖3 汽包上、下壁溫差變化

以圖2時間軸零點即燃氣輪機發啟動令開始計時，GE 6F.03燃氣輪機清吹10 min后降速點火，燃氣輪機排氣溫度升高，余熱鍋爐升溫升壓。

燃氣輪機點火前，汽包已完成上水，投爐底加熱，提高給水溫度，發啟動令前汽包上壁溫91 ℃，下壁溫58 ℃，上、下壁溫差為33 ℃。 燃氣輪機清吹，蒸發器遇冷散熱，圖2中汽包下壁放熱比上壁快，圖3中壁溫差開始平緩上升。燃氣輪機點火，排氣溫度350～600 ℃，蒸發器開始受熱，產生蒸汽，鍋爐冷態，蓄熱[3]容量大，產生蒸汽無法形成水循環，汽包下部水沒有循環，溫度沒有升高，蒸汽溫度隨壓力上升，不斷升高，加熱汽包上壁。圖3中汽包上、下壁溫差快速攀升，汽包、下降管、蒸發器建立水循環，汽包內的水開始升溫，對汽包下壁放熱，汽包上、下壁溫差開始下降。汽包內水溫度達到飽和溫度，汽包下壁傳熱最低，汽包上、下壁溫差最低。

余熱鍋爐采用自然循環，汽包本身結構和運行方式在機組變負荷運行過程會產生壁溫差。影響壁溫差幅值因素有汽包初始上、下壁溫和汽包水循環建立速率、汽包升溫升壓速率。

2.3 減少上、下壁溫差措施

機組調試期間，運行人員通過提前預熱給水，減少汽包熱慣性，加快建立汽包水循環；增設汽包壁溫差速率指標，加強監視報警，優化汽包升溫升壓控制程序等策略控制汽包上、下壁溫差。

控制汽包壁溫差在安全限值內，加快建立汽包水循環，設置合理的汽包升溫升壓速率。快速建立汽包水循環可以通過提高汽包內介質溫度和初始上、下壁溫，降低汽包蓄熱容量。

采取控制措施后，上、下壁溫和上、下壁溫差變化如圖4、圖5所示。

圖4 采取措施后汽包上、下壁溫度變化

圖5 采取措施后汽包上、下壁溫差變化

提前預熱給水，提高汽包內介質溫度。機組冷態啟動，給汽包上水同時投入爐底加熱，控制汽包上水速率，逐步提高給水溫度， 增大爐底加熱量， 燃氣輪機點火前持續提供爐底加熱，控制汽包下壁溫高于70 ℃，上、下壁溫差控制在10 ℃以內，如圖4、圖5所示。

如圖4所示，快速建立汽包水循環。為實現鍋爐平緩升溫升壓，燃氣輪機采用空負荷運行模式，燃氣輪機排入鍋爐的熱量穩定，快速建立水循環，汽包蓄熱容量不能大，即熱慣性要小，汽包內介質水位維持低位且水溫高于80 ℃。

增設汽包上、下壁溫差速率參數，增加汽包升溫升壓控制邏輯。運行規程中規定汽包上、下壁溫差控制在50 ℃。汽包上、下壁溫差40 ℃且壁溫差速率為正向3 ℃時，汽包會打開對空排氣閥或打開汽輪機旁路閥，暫停升壓。當汽包上、下壁溫差小于35 ℃或壁溫差速率為負向，緩慢提升汽包壓力至汽輪機沖轉蒸汽參數。

余熱鍋爐投爐底加熱，提高汽包上、下壁溫度；降低汽包啟動水位，減少汽包熱慣性，加快建立汽包內水循環；優化汽包升溫升壓控制邏輯等控制措施，可將汽包上、下壁溫差嚴格控制在40 ℃，汽包水循環建立快。余熱鍋爐啟動過程中將汽包上、下壁溫差控制在50 ℃合格限內，如圖5所示。

3 結語

文章詳細闡述自然循環余熱鍋爐結構特點是造成汽包上、下壁溫差超限原因。通過提前預熱給水，減少汽包熱慣性，加快建立汽包水循環；增設汽包壁溫差速率指標，加強監視報警，優化汽包升溫升壓控制程序等策略，有效防止汽包上、下壁溫差超限的發生。余熱鍋爐冷態啟動過程中，保證上、下壁溫差不超限，實現了控制目標。