超(超)臨界機(jī)組鍋爐啟動初期過熱器管壁超溫研究

葛 浩，馮偉忠

(1.上海電力學(xué)院，上海200090;2.上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司，上海 200137)

隨著電廠機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大及大型超(超)臨界機(jī)組在電網(wǎng)中所占比重的不斷升高，這些機(jī)組的安全運行成為影響電網(wǎng)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié).我國60%以上的火電機(jī)組停運故障發(fā)生在鍋爐側(cè)，且大多是由于鍋爐四管泄漏所引起.機(jī)組啟動階段工況變化相當(dāng)復(fù)雜，受熱面很容易出現(xiàn)超溫，并在受到冷熱沖擊后出現(xiàn)氧化皮集中脫落，導(dǎo)致管道堵塞，甚至發(fā)生爆管.因此，如何在機(jī)組啟動階段防止受熱面超溫成為減少電廠停機(jī)故障的主要途徑.

1 超溫原因分析

1.1 超溫機(jī)理

過熱器吸收煙氣的輻射熱和對流熱，再將熱量傳遞給管壁內(nèi)的蒸汽，因此爐側(cè)煙氣量的增加和煙溫的提高，均會使壁內(nèi)的蒸汽溫度升高.在管壁內(nèi)蒸汽的流量和進(jìn)口溫度不變的情況下，管壁內(nèi)蒸汽溫度的升高可能會引起受熱面超溫.相同原理，在鍋爐燃燒程度保持不變的情況下，管壁內(nèi)工質(zhì)流量的減少和飽和溫度的變化等也會引起管壁超溫[1].在鍋爐點火啟動初期，水冷壁入口水溫較低，此時爐水升溫速率不超過1.5℃/min，而在水冷壁出口達(dá)到飽和之前，過熱器中沒有蒸汽流動，一直處于干燒狀態(tài)，如果煙氣溫度過高，過熱器就很容易出現(xiàn)超溫.此外，在傳熱量相同的情況下，受熱面內(nèi)壁的氧化皮增加了熱阻，這將升高壁溫，并導(dǎo)致氧化速率的增加.

1.2 影響因素分析

1.2.1 給水流量和給水溫度

在直流鍋爐啟動初期，需要建立最低給水流量，并通過啟動分離器疏水閥將未汽化的水回收.在爐內(nèi)燃燒不變的前提下，增大給水流量，會使進(jìn)入水冷壁的水溫下降，水冷壁內(nèi)的產(chǎn)汽量減少，同時使分離器疏水帶走的工質(zhì)和熱量損失增大，且通過對流受熱面的蒸汽量也會減少，從而使過熱器的冷卻能力降低，壁溫升高.對于采用爐水循環(huán)泵啟動的鍋爐，啟動階段也需要進(jìn)行熱態(tài)清洗，因此分離器疏水不可避免，其給水流量的變化與上述過程相似.

鍋爐點火時的給水溫度越高，水冷壁出口達(dá)到飽和所需的時間就越短，即過熱器處于干燒的時間越短，這使得過熱器超溫的可能性降低，安全性提高;水冷壁出口達(dá)到飽和之后，在給水流量和燃燒負(fù)荷等不變的情況下，提高給水溫度，水冷壁內(nèi)產(chǎn)汽量就會增加，過熱器中蒸汽流量也會增加，同時過熱器的冷卻能力增強，過熱器壁溫降低.

1.2.2 煙氣溫度

過熱器吸收煙氣的輻射熱量和對流熱量，同時管內(nèi)蒸汽對過熱器進(jìn)行冷卻，當(dāng)過熱器中無蒸汽流動時，過熱器就變成了一個蓄熱體，吸收的煙氣熱量除了向爐膛金屬散熱外，都變成了溫度的增量;當(dāng)水冷壁中的水被加熱到飽和并開始產(chǎn)汽時，由于蒸汽量較小，蒸汽所能攜帶的熱量較少，對過熱器的冷卻能力較低，過熱器同樣被認(rèn)為是處于干燒狀態(tài)，因此在鍋爐啟動初期，煙氣溫度對過熱器管壁溫度影響較大.

采用不同的點火方式，爐膛內(nèi)的燃燒情況就會不同，而鍋爐的送風(fēng)溫度、送風(fēng)量，以及煤粉細(xì)度也會影響爐內(nèi)的燃燒環(huán)境，進(jìn)而影響過熱器處煙氣的溫度.此外，煙速高的地方傳熱系數(shù)高，容易超溫，對于π型爐，在煙道轉(zhuǎn)彎的地方會有殘余旋流，由于煙氣宏觀流向和殘余旋流的相互作用，在水平煙道內(nèi)會出現(xiàn)煙速梯度，而煙速偏差會引起煙溫偏差，煙速高的地方煙溫高;但是對于塔式爐來說，外圍旋轉(zhuǎn)的部分煙速高，中心部分煙速低，而外圍的煙溫要低于中心部分.

1.2.3 水塞

鍋爐點火啟動前及啟動過程中，在過熱器和再熱器中尚存的積水或凝結(jié)水，稱為水塞，這一現(xiàn)象主要出現(xiàn)在U型布置的受熱面底部.當(dāng)對流受熱面中開始出現(xiàn)蒸汽流動時，流量較小，該受熱面前后聯(lián)箱壓力差不足以將積水排出，使得對流受熱面處于局部干燒狀態(tài)，由于這部分積水蒸發(fā)需要吸收汽化潛熱，蒸發(fā)時間較長，而管道由于得不到充分冷卻就會出現(xiàn)超溫.

1.2.4 氧化皮

由于氧化皮的導(dǎo)熱系數(shù)低于母管的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)受熱面內(nèi)壁生成氧化皮后會增加導(dǎo)熱熱阻，在同等傳熱量的情況下其管壁溫度將會升高，并進(jìn)一步加快氧化速率[2].有氧化皮存在的管壁結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 有氧化皮存在的受熱面管子導(dǎo)熱溫度梯度示意

由導(dǎo)熱方程可知，當(dāng)內(nèi)外界面間處于穩(wěn)態(tài)傳熱時，通過各層間的熱流量相等，假設(shè)外壁銹層和內(nèi)壁氧化層的導(dǎo)熱系數(shù)相等，則有:

式中:λ0——外壁銹層和內(nèi)壁氧化層的導(dǎo)熱系數(shù);

λ2——管材導(dǎo)熱系數(shù);

q——各層間的熱流密度.

當(dāng)內(nèi)壁無氧化皮時，內(nèi)外壁溫差為:

式中:t1'——無氧化皮時外壁表面溫度;

t4'——無氧化皮時內(nèi)壁表面溫度.

假設(shè)內(nèi)壁的水蒸汽溫度均勻，在導(dǎo)熱量相同時，由于氧化皮存在而引起的管子外壁表面溫升為:

同理，由內(nèi)壁氧化皮引起的內(nèi)壁表面溫升為:

則管壁平均溫升為:

由式(5)可以看出，氧化皮的存在增加了管壁溫度.

2 啟動方式對過熱器壁溫的影響

2.1 傳統(tǒng)燃油點火啟動方式

機(jī)組啟動初期，鍋爐處于冷態(tài)，對其加熱時需要控制升溫升壓速率，以防止升溫升壓速率過快對鍋爐部件造成應(yīng)力損傷.采用傳統(tǒng)油槍點火方式啟動時，升溫升壓速率較容易控制，且油槍火焰較短，爐膛出口處煙溫不會太高，同時由于燃燒強度低，點火時間長，對流受熱面內(nèi)的積水可以被逐漸烘干，而不會影響對流受熱面的安全，但是該啟動方式的耗油量較大，啟動經(jīng)濟(jì)性較低.

2.2 微油或等離子點火啟動方式

采用微油或等離子點火方式可以減小啟動油耗，但是會大大降低啟動的安全性[3，4].等離子和微油點火時需要保證最小的煤粉量，且投粉以后燃燒強度較大，不可避免地會產(chǎn)生很大的熱沖擊.此外，點火初期煤粉燃盡率低，燃燒程度不易控制，爐膛內(nèi)容易發(fā)生爆燃，且飛灰含碳量過高，尾部煙道易出現(xiàn)二次燃燒，從而危害鍋爐安全.

等離子和微油點火時，粉煤燃盡率低會導(dǎo)致火焰拖長，火焰將直接沖刷對流受熱面，而此時水冷壁尚未進(jìn)入飽和態(tài)，無蒸汽產(chǎn)出，過熱器和再熱器處于干燒狀態(tài)，極易使受熱面管子迅速超溫，這大大加快了管子的氧化速度，嚴(yán)重時會出現(xiàn)快速高溫氧化.當(dāng)冷的蒸汽進(jìn)入受熱面時會造成內(nèi)壁收縮，容易出現(xiàn)氧化皮的集中脫落，同時鍋爐啟動初期蒸汽流量較小，氧化皮不容易被帶出管道而出現(xiàn)囤積，管道被阻塞后流動阻力增大，其冷卻能力下降，嚴(yán)重時會發(fā)生爆管.

2.3 蒸汽加熱啟動方式

上海外高橋3期工程采用首創(chuàng)的蒸汽加熱啟動方法，在啟動初期用鄰機(jī)抽汽對給水進(jìn)行加熱，同時對鍋爐進(jìn)行整體預(yù)加熱，使鍋爐在點火時處于“熱爐、熱風(fēng)”的熱環(huán)境.該啟動方式不需要對傳統(tǒng)的點火設(shè)備進(jìn)行改裝，系統(tǒng)簡單且實施容易，在提高運行安全的基礎(chǔ)上簡化了運行操作，大幅降低了啟動成本，為啟動階段的安全運行創(chuàng)造了良好條件[5].

蒸汽加熱啟動法的水冷壁流量分布均勻，其中采用的低流量(15%BMCR)疏水啟動技術(shù)，在減少啟動功耗、降低啟動損失的同時，增加了單位工質(zhì)的吸熱量，提高了過熱器的冷卻能力，避免了過熱器的超溫.

通過鄰機(jī)的冷再熱蒸汽將給水加熱到對應(yīng)飽和溫度(230～250℃)的同時，給水及汽水分離器出口的蒸汽對省煤器、過熱器和再熱器進(jìn)行了預(yù)加熱，因此當(dāng)風(fēng)機(jī)投運時，對流受熱面(特別是省煤器)成為一個巨大的“暖風(fēng)器”，提高了排煙(風(fēng))的溫度，“煙氣”通過空氣預(yù)熱器對鍋爐送風(fēng)進(jìn)行加熱，提高了送風(fēng)溫度，使?fàn)t膛的燃燒條件大為改善，并顯著提高了鍋爐的啟動安全性.

蒸汽加熱啟動方法徹底杜絕了鍋爐點火啟動初期水冷壁尚未進(jìn)入飽和態(tài)前的過熱器、再熱器承受的“干燒”現(xiàn)象[6].點火時，由于對流受熱面已預(yù)熱均勻，工質(zhì)經(jīng)過汽水分離器后，對流受熱面中已有蒸汽流動，因此不會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象.隨著燃料量的增加，受熱面壁溫隨時間呈單值上升趨勢，不會出現(xiàn)壁溫先升后降的情況.

3 啟動試驗研究

3.1 機(jī)組介紹

上海外高橋第3發(fā)電廠7#機(jī)組鍋爐為1 000 MW超超臨界壓力參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流鍋爐，單爐膛塔式布置形式，一次中間再熱，四角切圓燃燒，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，全鋼懸吊構(gòu)造，露天布置.采用中速磨煤機(jī)的正壓直吹式制粉系統(tǒng).鍋爐上部沿著煙氣流動方向依次分別布置有1級過熱器，3級過熱器，2級再熱器，2級過熱器，1級再熱器，省煤器.

鍋爐采用鄰機(jī)蒸汽加熱啟動系統(tǒng)，取消了爐水循環(huán)泵.在完成鍋爐進(jìn)水和循環(huán)清洗后，由通入除氧器的輔汽加熱給水至90℃并向鍋爐供水，直到鍋爐分離器疏水箱的水溫達(dá)到90℃，其中大部分給水返回給水箱.通過抽汽管道閥門調(diào)節(jié)進(jìn)入7#高壓加熱器的抽汽流量，以控制鍋爐金屬壁溫的溫升速率(≤4.5℃/min).由汽水分離器分離出的疏水依次經(jīng)過汽水分離器疏水箱、擴(kuò)容器、擴(kuò)容器疏水箱、擴(kuò)疏泵后被泵入虹吸井，直至水質(zhì)合格.品質(zhì)較好的水可以從擴(kuò)容器疏水箱回收至凝汽器，當(dāng)達(dá)到進(jìn)入除氧器的要求時，擴(kuò)容器疏水箱內(nèi)的疏水才可以排入除氧器，用來回收熱量.一旦疏水可以回收，給水就形成回路，在不斷循環(huán)的過程中，鍋爐壁溫從90℃一直加熱到250℃，此時鍋爐開始點火.旁路系統(tǒng)中配置了容量為100%BMCR的高壓旁路，該旁路兼作鍋爐高壓安全門，低壓旁路容量為65%BMCR，另配置100%BMCR再熱安全門.

3.2 試驗過程

鍋爐啟動試驗過程中，監(jiān)測爐膛出口3級過熱器管壁溫度和爐膛出口煙溫的變化規(guī)律.考慮到爐膛出口處煙溫最高，受熱面換熱條件最為惡劣，因此將過熱器壁溫和煙溫測點選擇在爐膛出口3級過熱器底部下彎頭處，沿爐膛寬度方向分布在第3，7，11，14，17 排，分別布置 5 個壁溫測點和5個煙溫測點，測量3級過熱器的管壁溫度和煙氣溫度.

壁溫測點采用Φ0.5 mm鎳鉻-鎳硅熱電偶絲，并將其焊接在管壁上.為了使熱電偶絲不被磨損，并增加測量的準(zhǔn)確性，在熱電偶絲上下10 cm內(nèi)的管壁上進(jìn)行防磨噴涂處理，噴涂層厚度為0.5 mm，使熱電偶絲全部埋入噴涂層內(nèi)，并在管道外壁進(jìn)行圓滑過渡處理，使噴涂處的管道外表面基本平整，不致于造成管子的局部磨損.

3.3 試驗結(jié)果分析

以鍋爐點火為時間零點，研究從點火到122 min機(jī)組帶負(fù)荷運行的時間段內(nèi)過熱器管壁的溫度變化.圖2為啟動階段3級過熱器的煙溫變化曲線;圖3為啟動階段3級過熱器的壁溫變化曲線.

圖2 3級過熱器煙溫變化

圖3 3級過熱器壁溫變化

從圖2和圖3可以看出，通過蒸汽加熱啟動方式，在不投入燃油的情況下3級過熱器壁溫被加熱到235℃，同時爐膛煙(風(fēng))溫維持在225℃，此時鍋爐各部件已充分預(yù)熱，進(jìn)行油槍點火后，煙溫迅速上升，而管壁溫度也逐漸升高.由圖2可以看出，在14 min后煙溫出現(xiàn)先升后降然后再升的情況，這是由于油槍已不再增加投入，而是保持4層油槍，此時蒸發(fā)量逐漸增加，給水量也隨之增加，水冷壁的吸熱量也會增加，在加熱量不變的情況下，爐膛出口的煙溫下降，過熱器管壁的升溫速率減緩，直至27 min時開始投煤粉，煙溫繼續(xù)上升.

啟動過程中過熱器的最高溫度為530℃，而3級過熱器管材允許的最高溫度為700℃，沒有出現(xiàn)超溫的情況，說明了蒸汽加熱啟動方式的安全性.

由圖3可以看出，在11 min，以及50～100 min出現(xiàn)了兩次溫度波動，其原因有如下兩個:一是11 min時開啟旁路閥，使過熱器中出現(xiàn)蒸汽流動，對管壁產(chǎn)生冷卻作用，但此時的蒸汽量較小，對過熱器的冷卻能力較低;二是50 min時采用了帶旁路交替清洗技術(shù)，主蒸汽流量達(dá)到900～1 000 t/h，主蒸汽溫度達(dá)到450℃.另外，采用帶旁路交替清洗技術(shù)可在汽輪機(jī)啟動前盡可能地剝離管道內(nèi)的氧化物，并將已剝落的氧化皮和顆粒物等全部送至凝汽器，以防止汽輪機(jī)葉片出現(xiàn)固體顆粒侵蝕現(xiàn)象.

本次啟動從鍋爐點火到發(fā)電機(jī)并網(wǎng)只用時122 min，而整個燃油時間僅有40 min，同時由于給水溫度較高，點火啟動初期過熱器中已有蒸汽流動，防止了過熱器出現(xiàn)干燒，同時采用了大油槍點火，爐膛出口煙溫不會太高，因此過熱器不會出現(xiàn)超溫.

4 結(jié)論

(1)鍋爐啟動階段工況變化比較復(fù)雜，使過熱器管壁超溫的因素包括給水流量、給水溫度、煙氣溫度、水塞和氧化皮等.不同的啟動點火方式對過熱器管壁溫度亦會產(chǎn)生影響.

(2)蒸汽加熱啟動方式采用傳統(tǒng)大油槍，爐膛出口處煙溫不會太高，啟動初期通過鄰機(jī)抽汽將給水加熱到230～250℃，對鍋爐進(jìn)行整體預(yù)加熱，使鍋爐在點火時處于一個“熱爐、熱風(fēng)”的熱環(huán)境，改善了爐膛燃燒環(huán)境.點火啟動初期過熱器中已有蒸汽流動，杜絕了點火初期過熱器的干燒現(xiàn)象，避免了蒸汽進(jìn)入后的驟冷產(chǎn)生氧化皮的情況，大大提高了啟動安全性.

[1]彭君洋，何勝.超臨界鍋爐啟動過程中屏過管壁、主汽溫超溫分析及對策[J].電力技術(shù)，2009(8):51-54.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2006:48-50.

[3]PENG Li-xia，YU Guo-liang，JU Yin-hong.Application of direct ignition technology with minimum gasified oil in lignite-fired boiler[J].Electricity，2006(4):31-35.

[4]胡際童.鍋爐等離子點火方式與少油點火方式的比較[J].河北電力技術(shù)，2008，27(2):41-42.

[5]馮偉忠.外高橋三期工程1 000 MW超超臨界機(jī)組調(diào)試期的節(jié)能減排與技術(shù)創(chuàng)新[J].華東電力，2008，36(6):1-5.

[6]馮偉忠.超超臨界機(jī)組蒸汽氧化及固體顆粒侵蝕的綜合防治[J].中國電力，2007，40(1):69-73.