超超臨界鍋爐水冷壁熱偏差的問題分析

張繼光，段　寶，陳峻峰

(1.華電電力科學研究院，陜西西安710075； 2.西安興儀啟動發電試運有限公司，陜西西安710075)

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超超臨界鍋爐水冷壁熱偏差的問題分析

張繼光1，段寶2，陳峻峰2

(1.華電電力科學研究院，陜西西安710075； 2.西安興儀啟動發電試運有限公司，陜西西安710075)

摘要：結合某660 MW超超臨界鍋爐轉入直流工況時,在中低負荷運行階段，常發生水冷壁熱偏差問題，分析其原因主要是水冷壁冷卻流量與鍋爐熱負荷的不匹配。對此采取減少減溫水量，適當降低過熱度及改變制粉系統的組合方式、燃燒配風、煤粉細度調整等多種措施，控制熱偏差效果明顯；同時針對該鍋爐水冷壁的結構特點，在運行生產中防止氧化皮脫落方面提出控制措施，對減緩或防止水冷壁熱偏差也有較強作用。研究內容對于同類型機組或相似問題的解決有借鑒意義。

關鍵詞：水冷壁；節流孔；熱偏差；質量流速；熱負荷；氧化皮

0引言

多個工程實踐發現，600 MW等級及以上的超(超超)臨界機組采取垂直上升式、節流孔式的水冷壁結構，在鍋爐轉入直流工況至中低負荷運行時多發生部分水冷壁管束壁溫高、熱偏差大的問題，嚴重影響鍋爐的安全穩定運行。結合實例，分析水冷壁熱偏差的具體原因，從鍋爐汽水側、燃燒調整及其施工階段、日常生產階段等多個方面提出具體的控制或減緩熱偏差的技術措施，對于同類型機組或相似問題的解決具有很強的借鑒意義。

1鍋爐和水冷壁結構特點

1.1鍋爐的主要性能

江蘇國信靖江發電廠2×660 MW超超臨界機組，采取哈爾濱鍋爐廠制造，引進日本三菱重工技術，型號：HG-2038/26.15-YM3的超超臨機鍋爐；設計煤種神華煤，校核煤種晉北煤；П型布置、單爐膛、四墻切圓燃燒方式(PM低NOx燃燒技術)，爐膛采用內螺紋管垂直上升膜式水冷壁。鍋爐的主要性能參數詳見表1。

表1　鍋爐主要性能參數

1.2水冷壁結構特點

水冷壁采用改進型的內螺紋管垂直水冷壁，即在上下爐膛之間加裝水冷壁中間混合集箱；爐膛斷面尺寸為19 230×19 268 m2，水冷壁管共有1 728根，四墻各432根，兩側墻各432根，均為φ28.6×6.2 mm，管材均為15CrMoG；水冷壁下集箱采用φ219 mm的小直徑集箱，并將節流孔圈移到水冷壁集箱外面的水冷壁管入口段，入口短管采用φ54×12的較粗管子，在其嵌焊入節流孔圈，再通過三次三叉管過渡的方法與φ28.6的水冷壁管相接，如圖1所示。

圖1　水冷壁入口節流孔布置示意圖

節流孔圈的孔徑允許采用較大的節流范圍，可以保證孔圈有足夠的節流能力，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，并防止個別受熱強烈和結構復雜的回路與管段產生DNB和出現壁溫不可控制的干涸(DRO)現象。

依據水冷壁的材質和鍋爐安全運行，水冷壁測點(中間入口集箱壁溫測點和出口壁溫測點)報警值均設置為490 ℃；依據材質瞬時可承受580 ℃左右的溫度。

2水冷壁熱偏差現象

在鍋爐轉入直流工況中低負荷運行階段，210～330 MW，水冷壁四墻間，每墻管束間均出現較大的熱偏差，但未發生水冷壁超溫現象，壁溫在可控范圍內，并且伴隨有明顯的管間脈動現象。具體表現：210～250 MW鍋爐初始轉入直流工況后，左墻NO.88～NO.122等顯示的8～14根管束的水冷壁中間入口集箱壁溫測點溫度相對于此時負荷和該屏的其它管束壁溫明顯偏高50～100 ℃，如圖2所示。在440～485 ℃；且在穩定負荷工況，管間有明顯的脈動現象，尤其是壁溫高點的管束更加明顯，溫度迅速升級在30 ℃左右；負荷升至270～330 MW，以上問題左墻消失，但轉化為前墻NO.48～66等10根管束，也較為明顯；負荷升至350 MW，即50%BRL負荷以上時，熱偏差明顯減少，水冷四墻及每墻管束間的隨著負荷的升高趨于一致，且無脈動現象。江蘇國信靖江發電廠2臺660 MW超超臨界直流鍋爐均在調試階段和后期日常運行階段發生此問題，據調研同類型的較多機組，如江蘇大唐呂泗港、大唐南京超超臨界660 MW，華能玉環、大唐潮州超超臨界1 000 MW電廠鍋爐均在中低負荷運行時出現此類熱偏差較大的問題。

圖2　左墻水冷壁管束溫度偏高區域示意圖

3熱偏差的原因分析

結合以上所述，對鍋爐轉入直流后的中低負荷運行時，出現較大的熱偏差現象進行分析，因為在此期間運行中鍋爐控制的煤水比均正常，且從各級過熱蒸汽、再熱蒸汽管道的蒸汽溫度和壁溫、減溫水用量及其燃燒側的各項參數，如氧量、各級煙風道煙氣溫度等均在正常控制偏差范圍內，進而得出導致水冷壁熱偏差的主要原因應是在此負荷階段部分水冷壁管束的冷卻流量分布與爐膛熱負荷的分布不相適應而引起的，所以控制或解決水冷壁熱偏差，必須掌握爐膛熱負荷的分布規律[1]。

該鍋爐的設計的爐膛熱負荷較大值出現在上層燃燒器區和燃燼風區域，尤其是燃燼風區域應是最大值，即水冷壁中間入口集箱下4.5 m左右。依據鍋爐傳熱惡化的原理和超臨界鍋爐的水動力特性，一旦水冷壁內工質的相變點下移，極有可能出現在熱負荷最大的區域，進而導致水冷壁壁溫偏高、熱偏差、管間脈動甚至超溫等更加嚴重的傳熱惡化的問題[2]。隨著鍋爐負荷的升高，水冷壁內工質冷卻流量的增大，爐膛熱負荷的分布均勻，尤其是進入超臨界工況點(75%BRL負荷以上時)，水冷壁內汽水特性的一致性后，觸發此的問題幾率會明顯減少。

4熱偏差的控制調整

4.1適當提高水冷壁的質量流速

(1)減少主蒸汽系統減溫水的投入量[3]。通過燃燒側的調節，如二次風門的配風，煙氣調節擋板等控制或適當降低主蒸汽溫度，進而減少減溫水的投入量，保證在機組負荷相對穩定的工況下，使流經水冷壁區域的給水量增大，維持水冷壁的水動力穩定性有明顯較高，在一定程度上抑制出現部分管束壁溫突升，熱偏差增大的問題。所以在機組運行過程中應維持比較穩定的主蒸汽溫度，避免在升降負荷過程中溫度上升過快而大量投入減溫水，進而造成水冷壁部分管束的冷卻流量相對不足，水動力相對失穩。

(2)維持適當較低的過熱度，可通過迅速增加給水流量或減少燃料量實現，相對提高水冷壁的質量流速，使水冷壁區域的相變點后移，減少水冷壁內工質過熱度的長度，有效減少水冷壁區域的吸熱和熱負荷，這對于在中低負荷水動力處于水動力處于邊緣狀態的水冷壁部分管束，即防止部分管束超溫和熱偏差增大有明顯效果[4]。如圖3所示：減低過熱度，使左墻NO.92、98、120等壁溫較高的管束，溫度有明顯下降，有效減少了管壁熱偏差。

圖3　壁溫與過熱度的變化趨勢圖

4.2合理分配爐膛熱負荷

依據三菱及鍋爐運行說明書，建議“鍋爐燃燒器應先投入中上層燃燒器，隨著負荷的升高逐步在投入下層燃燒器”，即在中低負荷運行時，減少水冷壁內過熱段的長度，使工質的相變點后移，使爐膛熱負荷較大的區域保證相對大的冷卻流量，進而可有效防止水冷壁管束的傳熱惡化，超溫、熱偏差增大等問題[5]。而實際運行中因鍋爐下層燃燒器配置等離子或微油點火技術實現啟動過程中大量節油，且便于控制主蒸汽和再熱蒸汽溫度，采取與上述說明相反的燃燒器投運過程，即先投入下層，隨負荷升高逐步投入中上層燃燒器，因而易造成上述部分水冷壁管束超溫、熱偏差的問題[6]。進而解決上述問題需在現有的燃燒器投運方式下，通過合理的燃燒調整，重新分配爐膛熱負荷，具體可采取以下措施：

(1)改善制粉系統的組合方式。在不影響機組負荷或汽溫控制的前提下，可采取上層制粉系統運行且同等數量下制粉系統運行時，盡量增加上層制粉系統的燃煤量，減少最下層制粉系統的燃煤量，減少水冷壁區域的熱負荷并使工質在水冷壁內的過熱度的吸熱長度，對于防止部分水冷壁部分管束超溫，出現熱偏差有很強的調節作用[7]。原在鍋爐轉入直流工況210～330 MW的中低負荷運行階段，采取A、B、C制粉系統運行，盡管采取多種調節方式，如上述的多種提高質量流速的方法，對于水冷壁熱偏差起到了較強的抑制作用，但問題未得到根本解決；后在相同的負荷階段啟動D制粉系統，隨著D制粉系統投入燃煤量的增加，原局部壁溫高的水冷壁管束，溫度迅速下降，四墻水冷壁的熱偏差迅速減少至30 ℃以內，基本問題得以解決；經過多次實踐證明如在該負荷階段停運A制粉系統，B、C、D制粉系統運行時，基本未出現較大的水冷壁熱偏差。表2即D制粉系統啟動后水冷壁熱偏差的變化情況。

表2　D制粉啟動啟動后的水冷壁熱偏差變化情況

(2)巧妙的配風提高爐膛火焰中心。提高爐膛的火焰中心，減少水冷壁區域的熱負荷，對于減緩水冷壁管束超溫、熱偏差有較強的調節作用[8]。可以通過燃燒器燃燒器擺角實現，也可以利用配風方式進行：

開大最底層的二次風門，維持在 90%開度，并開大下層備用制粉系統的出口門和冷風門；增大燃燒器周界風擋板的的開度，延時煤粉著火，提高火焰中心的位置。

充分利用緊湊燃燼AA風和分離燃燼風OFA風的調節作用，不僅改變的火焰中心而且實現分級燃燒降低爐膛熱負荷較大區域的溫度水平，其控制水冷壁的熱偏差作用也較為明顯。如表3所示：在機組負荷285 MW，采取A、B、C制粉系統運行，僅通過調節AA風和OFA風時，水冷壁管束中間入口集箱壁溫的溫度變化。當上、下兩層的AA風擋板開度從65%關至20%，而OFA風從40%開至75%時，原水冷壁中間入口集箱壁溫較高的前墻的NO.48、NO.52、NO.62等管束溫度大幅下降，管間熱偏差明顯減少，其調節作用顯現。

(3)適當增大煤粉細度。煤粉細度增大也會使鍋爐煤粉燃燒退后，火焰中心位置提高，有利于減少水冷壁內的吸熱量和管壁溫差[9]。但因增加了飛灰含碳量，影響鍋爐效率，所以正常調節較少引用。對此可以采取下層燃燒器煤粉細度較粗，而上層燃燒器較細的方式進行調節；而且現電廠多采取動態分離器的方式調節煤粉細度，改變是較為方便，即改變分離器的轉速。

表3　緊急燃燼風AA和分離燃燼風OFA對于水冷壁熱偏差的影響

4.3防止氧化皮脫落

水冷壁氧化皮的脫落[10]無疑會造成節流孔的堵塞，影響水冷壁管束的冷卻流量，所以在日常鍋爐運行中需做好各項有效防止氧化皮脫落的技術措施。結合日常生產應重點注意以下幾方面：

(1)防止高加解列造成的給水溫度突降。給水溫度突降會造成水冷壁的急速冷卻，產生較大的熱應力，加速水冷壁管束內氧化皮的脫落，尤其在高加疏水調閥卡澀或水位調節品質不好，急速快速升降負荷時的情況下，極易發生。

(2)適當減緩機組升降負荷的速率和幅度。升降負荷速率或幅度過大，會造成爐內溫度場、給水流量、減溫水量、蒸汽溫度的快速和大幅度擾動，加速水冷壁氧化皮的剝離[11]。而且現為提高機組的負荷相應能力，升降負荷時燃料的前饋量比例大于給水量的比例，燃料的滯后性明顯(給煤量的開始增加至表現出燃燒效應可能需120～180 s的時間)。機組的協調，升降負荷速率和幅度必須考慮到以上問題，使燃燒和水冷壁內工質發生比較平穩的變化，確保升降負荷對爐內平衡的擾動降到最低。

(3)避免鍋爐快速冷卻。同類型鍋爐因節流孔堵塞多發生爆管問題，但常為節省搶修時間，采取快速換水或未經悶爐、自然冷卻等方式或時間很短，直接采取啟動風機快速冷卻受熱面的方式，進而加速其氧化皮的脫落并造成受熱面較大的應力沖機。對此因嚴格遵守鍋爐廠和相關技術規范所提供的冷卻速率方式和速率要求進行。

5結論

超(超超)臨界鍋爐在轉入直流工況至中低負荷運行時，因水冷壁質量流量和爐膛熱負荷分配的不匹配，是較容易產生部分水冷壁管束壁溫高、熱偏差大的問題。解決此問題可采取多種方式，如：減少減溫水量，適當降低過熱度，依靠改變的制粉系統的組合方式、燃燒配風、煤粉細度調整等，改變水冷壁內的吸熱量，使與爐膛熱負荷匹配。同時在安裝、檢修等階段注重結凈化施工；正常投產后利用多種措施防止氧化皮脫落，也有利于避免或減緩發生熱偏差的問題。

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Analysis on Thermal Deviation Problem on Water-wallin Ultra-supercritical Boiler

ZHANG Jiguang1, DUAN Bao2, CHEN Junfeng2(1. Huadian Electric Power Research Institute, Xi’an 710075, China;2. Xi’an Xingyi Power Generation & Commissioning Co., Ltd., Xi’an 710075, China)

Abstract：a certain 660MW ultra supercritical boiler as the study objective, when it transfers into DC working condition, a problem of thermal deviation of the water wall often occurs during the intermediate and low pressure operation. The main reason is that the cooling flow of the water wall and heat load of the boiler does not match. On this issue, various measures such as reducing the quantity of desuperheating water, lowering degree of superheat properly, changing the combination mode of coal pulverizing system and combustion air distribution, and adjusting fineness of pulverized coal, are taken and have remarkable effects on controlling thermal deviation. Meanwhile, in the light of the structural features of water wall of the boiler, control measures for preventing exfoliation of the oxide scale during operation are proposed and they also have a strong effect on slowing down water wall thermal deviation. The research of this paper provides strong reference for units of the same type to resolve similar issues.

Keywords：water wall/WW; orifice; thermal deviation; mass flow rate/velocity; thermal/heat load; oxide scale

中圖分類號:TK22

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.03.009

作者簡介：張繼光(1981-)，男，工程師，從事火力發電廠調試等方面的工作，E-mail:zjg306@126.com。

收稿日期：2015-12-29。