控制超超臨界鍋爐水冷壁壁溫偏差對策

黃素華，呂曉東，魏 偉，莊 劼

（1.上海明華電力技術工程有限公司，上海 200090；2.江蘇闞山發電有限公司，江蘇 闞山 221134）

現代超臨界、超超臨界鍋爐的水冷壁布置主要有兩種，即下部螺旋管圈+上部垂直管圈水冷壁以及采用內螺紋管的垂直管圈水冷壁。這兩種水冷壁結構、形式各有其優缺點［1］。螺旋管圈水冷壁管間熱偏差小，但制造和安裝工藝要求高；垂直管圈水冷壁運行中容易出現壁溫偏差大，但制造和安裝工藝要求低。目前，我國大部分已投運的垂直管圈水冷壁超超臨界鍋爐在調試和運行中，都不同程度出現了水冷壁壁溫偏差大［2-4］，燃燒器區域水冷壁出現大量橫向裂紋和高溫腐蝕的問題，嚴重影響了機組的安全穩定運行。

本文通過分析垂直管圈水冷壁的結構特點，提出了在平時的運行維護中如何應對水冷壁壁溫偏差大的控制措施。

1 某廠超超臨界鍋爐水冷壁特點

某廠超超臨界600MW鍋爐，爐膛水冷壁采用焊接膜式壁、內螺紋管垂直上升式，爐膛斷面尺寸為17 666mm×17 628mm，水冷壁管共有1584根，前后墻各396根，兩側墻各396根，均為φ28.6mm×6.4mm四頭螺紋管，管材均為15CrMoG，節距為44.5mm，管子間加焊的扁鋼寬為15.9mm，厚度為6mm，材質為15CrMo，在上、下爐膛之間裝設了一圈中間混合集箱以消除下爐膛工質吸熱與溫度的偏差。

入口節流圈裝于水冷壁下集箱外面的水冷壁入口管段上，由于小直徑水冷壁管直接裝設節流圈調節流量的能力有限，因此通過三叉管過渡的方式，將水冷壁入口管段直徑加大、根數減少的方法，使裝設節流圈的管段直徑達到φ42mm。因此可以通過采用不同的孔圈內徑，大大提高孔圈的節流調節能力，按照水平方向各墻的熱負荷分配和結構特點，調節各回路水冷壁管中的流量，以保證水冷壁出口工質溫度的均勻性。這種裝于集箱外的節流圈布置方式便于調試和檢修，而且可以采用較細的水冷壁下集箱，簡化了結構。水冷壁管與下集箱連接方式如圖1所示。

圖1 水冷壁管與下集箱連接方式

2 實際運行中水冷壁壁溫分布特點

由于結構設計方面，在上、下爐膛間設置了中間混合集箱，并且上輻射區熱負荷相對下輻射區要低一些，所以爐膛上輻射區水冷壁的壁溫偏差基本在30℃左右，處于可接受的范圍內。而下輻射區水冷壁壁溫偏差完全依靠節流圈來進行調節，所以節流圈設置合理與否將直接影響下輻射區水冷壁的安全與穩定運行。

某超超臨界600MW鍋爐實際運行中前墻下輻射區水冷壁壁溫分布情況如圖2所示，其形狀呈馬鞍形，四面墻的壁溫分布是類似的。下輻射區水冷壁這種壁溫分布情況是由爐內熱負荷與節流圈布置共同決定的。

在設置節流圈時，雖然考慮了水冷壁沿水平方向的熱負荷分布特點，但是由于爐內實際運行工況復雜，節流圈的設置與熱負荷分布不一定正好吻合；加之，下輻射區水冷壁正好處于爐內熱負荷最高的區域［5］，稍有偏差就可能造成下輻射區水冷壁壁溫偏差大。

圖2 下輻射區水冷壁壁溫分布

由于采用節流圈調節水冷壁內的水流量分配，對于采用小孔徑節流圈的水冷壁管，其水流量相對較小，管壁的冷卻能力較差，熱敏感性較強，在實際運行中如果處在熱負荷較高區域就表現為壁溫變化幅度大，如圖3所示，同一面水冷壁墻，一段時間內壁溫變化幅度大的管子達到70～80℃，而壁溫變化幅度小的不超過5℃。壁溫變化幅度大的區域是節流圈孔徑較小且熱負荷較高的區域。水冷壁長期工作在這種壁溫大幅波動的情況下，會造成金屬的熱疲勞損傷，增加水冷壁泄漏故障的機率。因此，這種采用內螺紋節流圈的垂直水冷壁鍋爐，適合帶穩定負荷運行，而不適合長期調峰運行。

圖3 水冷壁壁溫的變化特點

由于該超超臨界鍋爐采用墻式切圓燃燒方式，其水平方向熱負荷最高的區域在靠近上游燃燒器噴口處［6］，對應的管子編號為50～150。根據該電廠在停爐檢修期間的檢查情況，在水冷壁1／4位置靠近上游燃燒器噴口區域發現有橫向裂紋和高溫腐蝕。這與目前鍋爐實際運行中水冷壁的壁溫分布是一致的，即在水冷壁壁溫較高并且壁溫變化幅度較大區域出現橫向裂紋和高溫腐蝕。

根據文獻［7］的研究，直流鍋爐水冷壁發生橫向裂紋和高溫腐蝕的原因是由于受熱面經常處于高溫過熱狀態，同時在交變應力的作用下而產生疲勞裂紋；又由于分級燃燒水冷壁壁面附近處于嚴重的還原性氣氛。因此，控制水冷壁橫向裂紋和高溫腐蝕，就必須減小水冷壁的壁溫偏差，避免水冷壁在高溫過熱狀態下工作，同時運行中盡量保持水煤比穩定，避免壁溫的大幅波動，減輕交變應力的影響，還要合理控制分級風的比例，改善水冷壁壁面附近的氣氛。

由圖2和圖3可知，從實際運行中的水冷壁壁溫分布與節流圈布置來看，兩者并不完全吻合。在鍋爐水冷壁熱負荷最高區域對應的節流圈孔徑不是最大的，也就是該區域水冷壁管的冷卻能力不是最強的。這是造成該區域壁溫偏高且壁溫變化幅度大的主要原因，因此要根本改善水冷壁的運行狀況，必須要重新調整水冷壁的節流圈布置，使之適應實際的爐膛水平方向熱負荷分布。

3 運行控制對水冷壁壁溫偏差的影響

雖然節流圈的布置不合理是造成水冷壁壁溫偏差的主要原因，但是通過合理的運行調整還是在一定程度上，可以減小壁溫偏差、改善水冷壁的運行狀況。

在運行調整中發現，磨煤機運行方式和分離器的過熱度對水冷壁壁溫有非常大影響。410 MW負荷不同磨煤機運行方式和分離器過熱度時前墻的水冷壁壁溫分布如圖4所示。試驗結果顯示，當采用ABDE磨運行、過熱度為39.14℃時，水冷壁的壁溫偏差較大；當采用BCDE磨運行、過熱度為39.36℃時，水冷壁的壁溫偏差明顯改善；而當采用BCDE磨運行、過熱度為24.6℃時，水冷壁的壁溫分布更趨均勻。三個工況負荷不變，主汽溫、再熱汽溫均能達到額定值600℃。

磨煤機運行方式對下輻射區水冷壁壁溫的影響是由鍋爐的設計特點決定的。該鍋爐通過在爐膛中部設置中間混合集箱將爐膛分為上、下兩部分。因此，為了減小爐膛下輻射區水冷壁出口壁溫偏差，可以通過減少下輻射區水冷壁的吸熱量來得到一定程度的控制，而減少下部磨煤機的投用，可以減少下輻射區水冷壁的吸熱量。同時為了保證煤粉在爐內的停留時間，兼顧飛灰的燃盡，在當前狀況下，為保持水冷壁的壁溫偏差控制在合理的范圍內，四磨運行時，應以BCDE磨為主要運行方式；而五磨運行時，以BCDEF磨為主要運行方式。

圖4 運行方式水冷壁壁溫的影響

通過運行觀察發現，當分離器過熱度超過40℃時，容易有多點水冷壁壁溫超過480℃的報警值；而當分離器過熱度低于30℃時，在高負荷時則主汽溫難以達到額定值600℃。總體來看，在450MW到600MW負荷區間，將分離器過熱度控制在37～38℃；而負荷在300～450MW時，將分離器過熱度控制在30～37℃，對水冷壁壁溫和主汽溫的控制都是比較合適的。在實際運行控制中，為了控制水冷壁的壁溫偏差，分離器過熱度的選取原則是在主汽溫能夠達到額定值的情況下，盡量維持較小的分離器過熱度，盡量少用過熱減溫水。這是因為，在負荷一定、主汽流量一定的情況下，減少過熱減溫水量可以相對增加通過水冷壁的水流量，增強對水冷壁的冷卻能力，從而可以在一定程度上抑制水冷壁出口處的壁溫，改善水冷壁的運行狀況。

另外，在實際運行中發現啟、停磨煤機時，水冷壁的壁溫會發生大幅度的波動，壁溫偏高區域很容易出現超溫現象。這是因為啟、停磨煤機時會造成水煤比的短暫失調。以啟動磨煤機為例，在暖磨過程中，磨煤機內的存煤會隨著暖磨風一起進入爐膛，而這部分入爐煤是不計入給煤機煤量的，會造成實際入爐煤量大于給煤機顯示總煤量，這樣實際水煤比就小于顯示控制的水煤比，從而造成水冷壁的壁溫升高，同時由于節流圈垂直內螺紋水冷壁的壁溫特點，容易造成偏差管的管壁溫度超過報警值。而當控制系統通過減煤適應新的水煤比后，給煤機投入，這部分不計入總煤量的暖磨煤沒有了，水煤比再次偏離，控制系統又要通過加煤來適應。

實際上，啟、停磨煤機時，這種擾動是無法避免的，關鍵是要減小其影響。可以通過延長冷、熱風門的開、關時間，減緩相應磨煤機風量的變化，從而減緩這部分不計入總煤量的入爐煤量的變化，減輕其對水煤比的擾動，減小水冷壁管壁溫度的波動。

4 結語

馬鞍形壁溫分布是這種內螺紋節流孔圈垂直水冷壁的顯著特點。由于這種壁溫分布特點造成了部分水冷壁經常處于高溫過熱狀態，同時受交變應力的作用，容易形成橫向裂紋和高溫腐蝕，嚴重影響水冷壁的安全穩定運行。因此，采用這種形式水冷壁的鍋爐，適合帶穩定負荷運行，而不適合長期調峰運行。

為了控制水冷壁的壁溫偏差和波動幅度，從運行的角度，就是要控制好實際煤水比，保持分離器過熱度在合理的范圍內，這就要求協調控制系統進行優化；另外要規范磨煤機的運行方式，在飛灰含碳量可以接受的前提下，盡量投用上層磨煤機；特別在啟、停磨煤機時，冷熱風門的開關時間要長一些，避免給煤機投切時入爐實際煤量的過快變化，避免實際煤水比的偏離。但是要根本改善水冷壁的運行狀況，必須對水冷壁節流孔圈進行一些調整改造，使之與鍋爐水平方向的熱負荷分布相適應，改善熱敏感特別明顯的偏差管的運行狀況。

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