超臨界鍋爐煙溫與汽溫偏差熱力計算與試驗研究

李文軍，呂當振，段學農

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

超臨界鍋爐煙溫與汽溫偏差熱力計算與試驗研究

李文軍，呂當振，段學農

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007)

針對大型電站超臨界鍋爐煙溫與汽溫偏差問題，結合國內首臺600 MW超臨界W型鍋爐，重點研究不同負荷下汽水分離器出口汽溫偏差，以及尾部受熱面汽溫偏差變化規律，并從優化汽溫偏差出發，首次提出汽水分離器出口管道交叉布置結構，從而改變汽水流動方向，并結合鍋爐熱力計算，驗證交叉布置結構減少汽溫偏差的效果:當采用汽水分離器出口交叉布置結構后，屏式過熱器入口左、右側汽溫偏差減小到原汽溫偏差的1/2左右。

超臨界鍋爐；汽水分離器；汽溫偏差；交叉布置；熱力計算

火力發電廠各爐型鍋爐運行中在爐膛出口及水平煙道沿爐膛寬度方向上時常出現不同程度的熱偏差，該熱偏差通常是由于爐內空氣動力場不均勻〔1〕、煙氣流速與溫度分布不均〔2－3〕、 燃料量投入不均、燃燒工況不穩定以及煙氣殘余旋轉 (四角切圓鍋爐)〔4－5〕等主要因素造成。沿爐膛寬度方向上熱偏差的存在，會引起爐膛出口及尾部煙道內的過熱蒸汽與再熱蒸汽左、右兩側的蒸汽吸熱量不同，進而導致蒸汽溫度產生偏差。而這種偏差往往難以通過運行調整手段完全消除。

對于亞臨界參數的汽包鍋爐而言，從汽包中流出的蒸汽為飽和蒸汽，汽包出口進入下一級過熱器的工質不存在溫度偏差；而近年來大量投產的超臨界、超超臨界鍋爐，汽包被鍋爐左、右兩側布置的汽水分離器所取代，在直流運行方式下汽水分離器出口工質具有一定過熱度，而此時爐膛一旦存在熱偏差，將直接導致左、右側汽水分離器出口汽溫產生偏差，進而使得進入下一級過熱器的工質存在汽溫偏差，而這一偏差將沿著蒸汽流程的延長不斷擴大〔6〕。雖然超臨界鍋爐在屏式過熱器進、出口設計了兩級減溫水，通過左、右側減溫水的調整可以在一定程度上減小汽溫偏差，但由于超臨界鍋爐減溫水只起輔助調節汽溫的作用，設計減溫水量有限。

長期運行與試驗結果表明:汽溫偏差在超臨界鍋爐較普遍存在，而燃用劣質煤的超臨界鍋爐尤為突出。以600 MW超臨界W型鍋爐為例，當鍋爐左、右側汽水分離器出口汽溫存在10～15℃偏差時，蒸汽流經各級受熱面至屏式過熱器進口時，汽溫偏差可擴大到20～30℃，達到初始偏差的2倍左右。過熱蒸汽左、右側蒸汽溫度偏差大，不僅需要投入大量減溫水，降低機組經濟性，同時當汽溫偏差過大時，屏式過熱器、高溫過熱器出口汽溫難以通過減溫水正常調節，甚至造成高溫受熱面超溫爆管，嚴重威脅鍋爐安全運行。

目前針對鍋爐熱偏差，許多學者從機組選型、受熱面布置方式、鍋爐運行方式等方面進行了大量的理論研究和試驗研究，并提出了許多改進措施，取得了一部分效果。但與此同時，雖然現有的改進措施 (燃燒調整、均勻工質流量、受熱面聯箱優化設計、提高受熱面管材規格以及減弱切圓燃燒煙氣旋轉殘余等)緩解了熱偏差帶來的受熱面超溫爆管的問題，但運行中熱偏差依然存在，并隨著機組參數 (溫度、壓力)不斷升高 (尤其是超臨界參數以上鍋爐)，這種熱偏差問題變得日趨嚴重。

基于以上問題，文中研究了600 MW超臨界W型鍋爐在不同負荷下汽水分離器出口汽溫偏差，以及尾部受熱面汽溫偏差變化規律，并從優化汽溫偏差出發，結合鍋爐熱力計算，提出調整汽水分離器出口管道布置和交叉布置結構，改變汽水流動方向，達到減少汽溫偏差的效果。

1 沿爐寬方向煙溫與汽溫偏差試驗

1.1 鍋爐主要參數

鍋爐為600 MW超臨界參數、垂直爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、露天布置的Π型鍋爐，并配有帶循環泵的內置式啟動系統。燃燒系統采用雙進雙出正壓直吹制粉系統，并配置濃縮型EI－XCL低NOx雙調風旋流燃燒器。鍋爐容量與主要設計參數見表1。

表1 鍋爐容量與主要設計參數

1.2 汽溫偏差與減溫水量偏差分布

表2為不同負荷6個工況下汽溫和減溫水量測量數據。從表中數據可知，機組運行中由于煙氣溫度偏差，工質流量偏差，或者兩者共同作用，導致水冷壁出口進入左、右兩側汽水分離器的蒸汽溫度產生偏差，偏差幅度在5～20℃，平均偏差在12℃左右。與此同時，左、右汽水分離器出口蒸汽經過頂棚過熱器、包墻過熱器、低溫過熱器后，進入屏式過熱器入口，由于沿爐寬度方向上依然存在熱偏差，導致屏式過熱器入口汽溫偏差幅度進一步擴大，從表中數據可知，屏式過熱器入口左、右側汽溫偏差幅度12～36℃，平均24℃左右，是分離器初始汽溫偏差的2倍。為了平衡左、右汽溫偏差，過熱器一級減溫水量右側明顯高于左側，而過熱器二級減溫水量左、右流量偏差更大，最大時偏差達到70 t/h。減溫水量的偏差不僅會增大屏間工質流量不均，而且也在一定程度上降低了機組經濟性，更為嚴重的是，汽溫偏差過大容易產生超溫爆管，影響機組的安全運行。

表2 不同負荷下汽溫和減溫水量測量結果

造成汽水分離器出口汽溫偏差和屏式過熱器入口汽溫偏差進一步擴大的主要原因是鍋爐熱偏差以及沿著蒸汽流程方向上的汽溫偏差累積效應。詳細分析鍋爐汽水系統流程可知，目前超臨界鍋爐汽水分離器出口導汽管均采用平行布置方式 (如圖1所示)，在這種布置方式下，溫度高的工質與溫度高的煙氣同側流動，即汽水分離器出口溫度較高側蒸汽仍沿煙氣溫度較高側受熱面流動，流經頂棚過熱器、包墻過熱器、低溫過熱器直至屏式過熱器出口，由于煙氣溫度高，工質相對吸熱更大，進一步擴大了蒸汽溫度偏差。反之溫度低的工質與低溫側的煙氣同側流動，工質吸熱自然偏小，溫升小，導致分離器之后左、右側蒸汽溫度偏差越來越大。

圖1 汽水分離器出口傳統平行布置流程圖

2 鍋爐啟動系統汽水流程布置結構

超臨界鍋爐過熱器系統由汽水分離器、頂棚管、包墻管，低溫過熱器，屏式過熱器，高溫過熱器構成。如圖1為過熱器系統流程為:汽水分離器出口母管的蒸汽分成左、右兩路進入→頂棚進口集箱→爐膛及對流煙道頂棚過熱器→頂棚出口集箱→包墻過熱器→低溫過熱器入口集箱→低溫過熱器→低溫過熱器出口集箱→屏式過熱器入口集箱→屏式過熱器→屏式過熱器集箱→高溫過熱器入口集箱→高溫過熱器→高溫過熱器出口集箱→汽機高壓缸入口。

如圖2所示，為了解決由于鍋爐熱偏差引起的汽溫偏差過大問題，從優化汽溫偏差出發，提出了汽水分離器出口管道交叉布置結構，將汽水分離器出口的分配管采用交錯布置方式與頂棚過熱器相連，從而改變汽水流動方向。如圖3所示，與傳統的汽水分離器出口平行布置相比，新型布置結構通過將汽水分離器出口4組分配管左、右交錯布置，爐左側分離器出口工質 (即左側水冷壁出口蒸汽)引到頂棚過熱器進口聯箱右側，同時將爐右側分離器出口工質 (即右側水冷壁出口蒸汽)引到頂棚過熱器進口聯箱左側。在鍋爐爐膛存在熱負荷偏差情況下，采用這種交錯布置結構后，水冷壁出口低溫側 (低熱負荷側)蒸汽通過交叉引到爐膛出口高溫煙氣側 (高熱負荷側)，與此同時水冷壁出口高溫側 (高熱負荷側)蒸汽通過交叉引到爐膛出口低溫煙氣側 (低熱負荷側)，交叉后低溫側蒸汽經高溫煙氣側頂棚過熱器、包墻過熱器、低溫過熱器、屏式過熱器受熱面后，蒸汽吸熱量相對于另一側增加，該側蒸汽溫升增大，從而縮小兩側汽溫偏差，使得工質經包墻過熱器、低溫過熱器、屏式過熱器直至高溫過熱器能夠均衡吸熱，保證屏式過熱器進出口左、右兩側蒸汽溫度基本趨于一致，最大限度地消除爐膛熱負荷引起的汽溫偏差問題，顯著提高鍋爐運行經濟性與安全性。

圖2 汽水分離器出口交叉布置流程圖

圖3 汽水分離器出口分配管交叉布置結構圖

3 沿爐寬方向煙溫與汽溫偏差熱力計算

為了驗證汽水分離器出口分配管交叉布置后對減小汽溫偏差的影響，選擇尾部豎井煙道內的低溫過熱器系統 (包括包墻過熱器)為計算對象，表3為低溫過熱器系統設計熱力計算表 (BMCR工況)。根據實際運行數據，選擇了低溫過熱器入口左、右側工質溫度平均偏差為6℃ (工況T－1)與13℃ (工況T－2)，對應左、右側煙溫平均偏差為28℃與42℃時的2個工況，進行汽水分離器出口分配管交叉布置前、后出口汽溫偏差熱力計算。

表3 低溫過熱器系統熱力計算表 (BMCR)

首先利用表3設計參數，計算出BMCR工況下的總傳熱系數K，由于汽水分離器出口分配管交叉布置前、后受熱面結構不變，且煙氣流速分布也基本不變，因此傳熱系數在計算過程中也基本不變。計算過程中先假定低過出口汽溫和煙溫，然后利用迭代算法重復計算，直至計算所得到的低過出口汽溫和煙溫與事先假定值基本一致。

圖4為汽水分離器出口分配管交叉布置前、后低溫過熱器出口汽溫偏差計算結果。從熱力計算結果可知，在汽水分離器出口分配管采用平行布置時(交叉前)，當汽水分離器左、右出口汽溫出現偏差后，由于鍋爐熱偏差以及沿著蒸汽流程方向上的汽溫偏差累積效應，低溫過熱器左、右出口 (屏式過熱器入口)汽溫偏差是初始汽溫偏差的2倍左右，對比熱力計算結果與熱態試驗測量均值(參見表2)，可以看出兩者基本一致，這也表明了熱力計算結果具有較高的準確性。與此同時，當汽水分離器出口分配管交叉布置后，低溫過熱器左、右出口 (屏式過熱器入口)汽溫偏差明顯減小，減小到分離器出口平行布置結構汽溫偏差的1/2左右。計算結果充分說明了汽水分離器出口分配管交叉布置對減小汽溫偏差有重要作用，顯著降低了因超臨界鍋爐汽溫偏差而引起鍋爐安全事故的風險。

圖4 低溫過熱器出口汽溫偏差熱力計算

4 結論

熱力計算結果表明，采用汽水分離器出口分配管交叉布置后，交叉結構能夠從汽溫偏差產生起點(汽水分離器出口)開始調節工質汽溫偏差，平衡沿爐膛寬度方向工質、煙氣溫度差異，使得工質經包墻過熱器、低溫過熱器、屏式過熱器、直至高溫過熱器能夠均衡吸熱，從而確保超臨界鍋爐的安全運行。

〔1〕張晉，袁益超，劉聿拯，等.分隔屏布置對四角布置切圓燃燒鍋爐水平煙道空氣動力場的影響 〔J〕.中國電機工程學報，2010，(17):6-11.

〔2〕袁益超，劉聿拯，陳之航.大型電站鍋爐煙溫與汽溫分布理論分析與試驗研究 〔J〕.中國電機工程學報，2002，22 (12):56-61.

〔3〕袁益超，莊恩如.四角布置切圓燃燒鍋爐水平煙道內煙溫分布的試驗研究 〔J〕.動力工程，2000，20(4):735-739，734.

〔4〕趙晴川，吳曉武，陳方高，等.2 102 t/h超臨界鍋爐汽溫偏差試驗研究及分析 〔J〕.電站系統工程，2008，24(2):17-20.

〔5〕宋學廣，孔原.四角布置切圓燃燒方式對水平煙道煙溫偏差的影響及對策 〔J〕.鍋爐技術，1999，30(6):15-19.

〔6〕樊泉桂，樊晉元.超超臨界鍋爐的汽溫偏差探析 〔J〕.鍋爐技術，2010，41(2):1-4，17.

Thermal calculation and experimental studies on flue gas and steam temperature deviation of supercritical boiler

LI Wenjun，LYU Dangzhen，DUAN Xuenong
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

To solve the problems of flue gas and steam temperature deviation of supercritical boiler，the temperature deviation of the steam separator and the following heating surface are investigated in the domestic first 600 MW supercritical W-shaped flame boiler.Moreover，a special outlet cross layout structure of steam separator is designed and the role of the special outlet cross structure is investigated by thermal calculation.The results indicate that the steam temperature deviation of supercritical boiler is increased with the the flue gas temperature deviation and the growth of the following heating surface during actual operation. Meanwhile，the special outlet cross layout structure of steam separator has a remarkable effect on decreasing the steam temperature deviation，which has been reduced to half of the original level.Therefore，the special outlet cross layout structure of supercritical boiler steam separator is worthwhile to distinctly decrease the steam temperature deviation and increase the safe in operation of supercritical boil.

supercritical boiler；steam separator；steam temperature deviation；cross layout structure；thermal calculation

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.004

TK229.2

B

1008-0198(2015)04-0014-04

2015-06-16